[发明专利]一种异种材料的搅拌摩擦焊接装置及焊接方法和应用

说明书

本发明涉及异种材料的搅拌摩擦焊接领域，尤其涉及一种异种材料的搅拌摩擦焊接装置及焊接方法和应用。所述装置为：在搅拌头的搅拌针侧壁上设置间断式凸出块，且间断式凸出块的硬度大于待焊接异种材料中硬度较大的材料。进行异种材料的焊接时，搅拌头轴线偏向较软的待焊材料一侧，使搅拌针主体全部插入较软的待焊材料之中，而凸出块断续地伸入到较硬的待焊材料一侧。本发明焊接装置和方法既避免了过量的较硬待焊材料进入焊合区影响材料流动性；又适当降低了热输入，避免形成连续较厚的金属间化合物层，并增强了两种材料间的机械交锁连接，提高了异种材料搅拌摩擦焊接接头的力学性能。

技术领域

本发明涉及异种材料的搅拌摩擦焊接领域，尤其涉及一种异种材料的搅拌摩擦焊接装置及焊接方法和应用。

背景技术

本发明背景技术中公开的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

随着国家经济和社会可持续发展对节能、减排、环保及产品性能的要求不断提高，根据装备和产品结构使用要求的差异，多材料混用，充分利用不同材料的特性，在满足使用要求的前提下减重并提高服役性能，是结构轻量化的重要发展方向。因此，异种材料的焊接与连接结构在汽车、高速列车、航空航天等产业领域得到越来越多的应用。

由于异种材料之间的性能差异较大，采用传统熔焊方法易产生气孔、夹杂、热裂纹等各种焊接缺陷。为此，钎焊、扩散焊、超声波和搅拌摩擦焊等固相连接方法成为异种材料连接的优选焊接方法，但钎焊、扩散焊和超声波焊接的效率较低，对工件的尺寸形状要求较严格，难以契合规模化工业生产的需要，限制了异种材料复合结构在工程领域的广泛应用。

搅拌摩擦焊接是一种新型固相连接技术，具有接头质量高、焊接变形小、焊接过程绿色环保等优点，在铝合金、镁合金、复合材料、铜合金等材料的连接领域得到广泛应用。搅拌摩擦焊接主要依靠搅拌头与工件之间的摩擦热和材料的塑性变形热来软化待焊区材料，使其流动并最终形成焊接接头。在搅拌摩擦焊接过程中，材料不熔化，从而避免形成气孔、夹杂等缺陷，已成功实现了铝/镁、铝/铜、铝/复合材料、铝/钢等异种材料的连接。然而，由于两种连接金属的硬度、流动性能、热物理性能等存在较大差异，采用常规的搅拌摩擦焊接方法进行铝/镁、铝/铜、铝/复合材料、铝/钢等异种材料的搅拌摩擦焊接时，非常容易出现隧道型缺陷，无法得到高质量的异种材料搅拌摩擦焊接接头。

为此，研究者提出在进行异种材料搅拌摩擦焊接时将搅拌头偏向某一金属(Yanet al.Microstructure characteristics and performance of dissimilar weldsbetween magnesium alloy and aluminum formed by friction stirring,ScriptaMaterialia,2005,53(5):585-589)，这样一方面可以适当改善焊接热输入及热力分布情况，另一方面可以避免异种材料过度混合并发生冶金反应，形成连续较厚的脆硬金属间化合物层，影响焊合区材料的塑性流动性，从而形成孔洞和隧道型焊接缺陷。另外，专利文献CN101758329A公开了一种改善铝/铜异质金属连接强度的搅拌摩擦焊接方法，通过在搅拌头偏置的条件下对铝/铜异种金属板进行搅拌摩擦焊接，可以改善材料的流动性，提高铝/铜异种材料搅拌摩擦焊接接头强度。然而，本发明人研究发现：这种通过搅拌头偏置进行焊接，如果采用不带螺纹的搅拌针时，两种材料之间难以形成交锁混合结构，影响接头性能。而采用带螺纹的搅拌针，一方面软化的材料容易黏着于螺纹沟槽之中，从而影响塑性材料流动和焊接热力过程的稳定性，甚至会产生焊接缺陷，严重影响接头质量；另一方面由于螺纹材料与搅拌针材料性能相同，在焊接过程中搅拌针的螺纹非常容易磨损而失去应有的效果，影响搅拌头的使用寿命和接头性能的稳定性。