金屬復合板對接結合面過渡層可控的攪拌摩擦焊接方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于焊接技術，具體涉及一種金屬復合板對接結合面過渡層可控的攪拌摩擦焊接方法。
【背景技術】
[0002]異種金屬復合板作為一種在物理性能、力學性能以及連接性能等方面具有較大靈活性的材料，其應用領域十分寬廣，但是在應用異種金屬復合板成型時，其焊接方法會受到很大的局限。采用一般的熔化焊方法焊接復合板時，熱輸入的不均會導致一定的變形，同時會使得復合板結合面形成較大的金屬間化合物過渡層，從而影響異種金屬復合板的使用性倉泛。
[0003]攪拌摩擦焊接方法是一種固態塑化連接技術，自問世以來，攪拌摩擦焊在低熔點金屬，尤其是鋁合金的焊接領域獲得廣泛的應用。與其他焊接方法相比，攪拌摩擦焊接技術有下列特點:不產生熔化焊接缺陷、焊接變形小、操作簡單、適用于多種材料和接頭形式。攪拌摩擦焊具有許多熔化焊接方法無可比擬的優勢，特別是它在焊接過程中焊縫金屬不熔化即可形成焊縫，其特定的金屬塑化溫度小于一般金屬的熔點，甚至小于一般的金屬間化合物形成溫度，能夠很好的控制焊縫熱影響區以及金屬間化合物的形成。現在，很少采用攪拌摩擦焊加工異種金屬復合板。
[0004]中國專利(103600167A)公開了一種碳素鋼與不銹鋼復合板的焊接方法。該焊接方法即為利用攪拌摩擦焊對復合板進行焊接，但是為了控制過渡層，在焊前需要對接頭進行處理，需要將兩復合板對接邊的端面上加工出等腰三角形的坡口，對齊后對坡口內進行填絲，然后進行攪拌摩擦焊。該發明的目的在于控制復合板過渡區的混合問題，但是在實際焊接過程中，由于攪拌針的力的作用，很難保證坡口內的預填焊絲不發生相對移動，所以其可控性較差。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于提供一種金屬復合板對接結合面過渡層可控的攪拌摩擦焊接方法，通過控制復合板基板與復板的塑化金屬流動行為，實現結合面的層流流動狀態，減少焊接接頭中復合板基板與復板之間的不同金屬原子間相互擴散形成脆性相，實現復合板直接攪拌摩擦焊接成型，有效的解決了復合板上下結合面異種材料大量混合脆化甚至開裂等難題，解決復合板焊接過渡區金屬的混合問題，使得復合板焊接接頭滿足長期使用要求。
[0006]實現本發明目的的技術解決方案為:一種金屬復合板對接結合面過渡層可控的攪拌摩擦焊接方法，方法步驟如下:
步驟1、清理金屬復合板表面，并將其固定在工作臺上；
步驟2、調節金屬復合板對接結合面過渡層可控的攪拌頭的位置，使金屬復合板對接結合面過渡層可控的攪拌頭的攪拌針與上述金屬復合板的焊縫對齊；
步驟3、設置焊接參數，進行焊接； 步驟4、焊接完成后，抬起金屬復合板對接結合面過渡層可控的攪拌頭，將焊接后的金屬復合板移走。
[0007]上述金屬復合板對接結合面過渡層可控的攪拌頭為單軸肩攪拌頭或雙軸肩攪拌頭。
[0008]上述單軸肩攪拌頭，包括
被配置用于固定在攪拌摩擦焊機主軸的夾持端；
與夾持端底部固連的軸肩；
與軸肩底部固連的攪拌針；
其中，所述攪拌針上設有至少一個環形凸起。
[0009]上述攪拌針上設有至少兩個環形凸起，所述兩個環形凸起間隔設置。
[0010]上述環形凸起與攪拌針的連接處為圓弧過渡。
[0011]上述軸肩與距離軸肩最近的環形凸起之間的攪拌針，其形狀自軸肩向環形凸起的方向為漸縮型、漸擴型或圓柱型；上述環形凸起位于金屬復合板結合面處。
[0012]上述雙軸肩攪拌頭包括
被配置用于固定在攪拌摩擦焊機主軸的夾持端；
與夾持端底部固連的上軸肩；
與上軸肩底部固連的攪拌針；
與攪拌針底部固連的下軸肩；
其中，所述攪拌針上設有至少一個環形凸起。
[0013]上述攪拌針上設有至少兩個環形凸起，所述兩個環形凸起間隔設置。
[0014]上述環形凸起與攪拌針的連接處為圓弧過渡。
[0015]上述上軸肩與距離上軸肩最近的環形凸起之間的攪拌針，其形狀自上軸肩向環形凸起的方向為漸縮型、漸擴型或圓柱型；上述下軸肩與距離下軸肩最近的環形凸起之間的攪拌針，其形狀自下軸肩向環形凸起的方向為漸縮型、漸擴型或圓柱型；上述環形凸起位于金屬復合板結合面處。
[0016]本發明與現有技術相比，其顯著優點:(1)能夠控制焊接過程中塑性金屬的流動行為，控制焊接接頭中的異種金屬混合比；(2)屬于固相焊接技術，未到達被焊金屬熔點的焊接溫度可以控制焊接接頭中脆性相的生成；(3)特殊的傳熱模式，可以有效的控制溫度梯度大的異種金屬雙層金屬復合板的焊接；(4)本發明可行性強、易操作。
【附圖說明】
[0017]圖1為現有技術攪拌頭的焊接原理示意圖。
[0018]圖2為本發明的采用雙軸肩攪拌頭的金屬復合板對接結合面過渡層可控的攪拌摩擦焊接方法的原理示意圖。
[0019]圖3為本發明的采用單軸肩攪拌頭的金屬復合板對接結合面過渡層可控的攪拌摩擦焊接方法的原理示意圖。
[0020]圖4為本發明實施例一的攪拌針示意圖。
[0021]圖5為本發明實施例二的攪拌針示意圖。
[0022]圖6為本發明實施例三的攪拌針示意圖。
[0023]圖7為本發明實施例四的攪拌針示意圖。
[0024]圖8為本發明實施例五的攪拌針示意圖。
[0025]圖9為本發明實施例六的攪拌針示意圖。
[0026]圖10為本發明金屬復合板對接結合面過渡層可控的攪拌摩擦焊接方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0027]下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述。
[0028]結合圖1，一般的攪拌摩擦焊接過程中塑化金屬的流動滿足一定的抽吸——擠壓理論，即在攪拌摩擦焊條件下，其一端為攪拌頭的軸肩，另一端為剛性的底板，焊接過程中攪拌針端部與底板間的距離保持不變，當攪拌頭旋轉引起塑化金屬沿攪拌針表面軸向流動時，必存在一入口端和一個出口端。在入口端，有可能形成一瞬時空腔，周圍塑化金屬將被吸向此空腔，形成所謂的抽吸效應；在出口端，塑化金屬將改變流向并擠壓周邊金屬，形成所謂擠壓效應；正是由于空腔對塑化金屬朝焊縫中心抽吸作用和擠壓作用，使高溫塑化金屬在攪拌針軸向形成劇烈的遷移運動。
[0029]對于本發明金屬復合板對接結合面過渡層可控的攪拌摩擦焊接方法，其原理如圖2和圖3所示，焊接所采用的金屬復合板結合面過渡層可控的單軸肩攪拌頭以及金屬復合板結合面過渡層可控的雙軸肩攪拌頭的攪拌針3上設有環形凸起4，在攪拌摩擦焊焊接過程中，復合板的結合面位于環形凸起4直徑最大處，這相當于在攪拌頭的軸肩與墊板之間增加了隔斷，使攪拌頭的軸肩2與墊板之間/上軸肩6與下軸肩5之間的一個區域劃分為兩個區域，為塑性流動金屬提供了兩個入口端與出口端，即為塑性金屬提供了兩個流動空間，使其在焊接過程中形成兩個瞬時空腔，使基板與復板的塑化金屬形成各自的抽吸——擠壓空腔，并在基板與復板的結合面處，兩回旋空腔相擠壓成形完成連接。其特點在于攪拌針3的環形凸起4的存在使得焊接過程中形成兩個互不干擾的塑性金屬流動遷移區域，并在結合面處相互摩擦擠壓完成連接，從而控制雙層金屬復合板結合面處異種金屬之間的混合，提高接頭的使用性能。同時，對于金屬復合板而言，其所用的攪拌頭上的環形凸起個數N(N彡I)與復合板結合界面數相符。
[0030]實施例一
結合圖4和圖10，一種金屬復合板結合面過渡層可控的單軸肩攪拌頭，包括夾持端1、軸肩2和攪拌針3，軸肩2 —端與夾持端I連接，另一端與攪拌針3連接，沿攪拌針3周向設有I個環形凸起4。軸肩2與環形凸起4之間的攪拌針3，其形狀自軸肩2向環形凸起4的方向為漸擴型，整個攪拌頭為一體制造。夾持端I的另一端固定在攪拌摩擦焊機主軸上。
[0031]上述環形凸起4與攪拌針3的連接處為圓弧過渡。
[0032]以焊接雙層金屬復合板為例，金屬復合板對接結合面過渡層可控的攪拌摩擦焊接方法如下:
步驟1、清理雙層金屬復合板表面，并將其固定在工作臺上，且位于攪拌摩擦焊機主軸下方。
[0033]步驟2、調節雙層金屬復合板對接結合面過渡層可控的攪拌頭的位置，使雙層金屬復合板對接結合面過渡層可控的攪拌頭的攪拌針3與上述雙層金屬復合板的焊縫對齊，軸肩2位于雙層金屬復合板的復板上，使得單軸肩攪拌頭的環形凸起4直徑最大處位于雙層金屬復合板的結合界面處。
[0034]步驟3、設置焊接參數，進行焊接。
[0035]步驟4、焊接完成后，抬起金屬復合板對接結合面過渡層可控的攪拌頭，將焊接后的金屬復合板移走。
[0036]實施例二
結合圖5，一種金屬復合板結合面過渡層可控的單軸肩攪拌頭，包括夾持端1、軸肩2和攪拌針3，軸肩2 —端與夾持端I連接，另一端與攪拌針3連接，沿攪拌針3周向設有I個環形凸起4。軸肩2與環形凸起4之間的攪拌針3，其形狀自軸肩2向環形凸起4的方向為漸縮型，整個攪拌頭為一體制造。夾持端(I)另一端固定在攪拌摩擦焊機主軸上。
[0037]上述環形凸起4與攪拌針3的連接處為圓弧過渡。
[0038]以焊接雙層金屬復合板為例，金屬復合板對接結合面過渡層可控的攪拌摩擦焊接方法如下:
步驟1、清理雙層金屬復合板表面，并將其固定在工作臺上，且位于攪拌摩擦焊機主軸下方。
[0039]步驟2、調節雙層金屬復合板對接結合面過渡層可控的攪拌頭的位置，使雙層金屬復合板對接結合面過渡層可控的攪拌頭的攪拌針3與上述雙層金屬復合板的焊縫對齊，軸肩2位于雙層金屬復合板的復板上，使得單軸肩攪拌頭的環形凸起4直徑最大處位于雙層金屬復合板的結合界面處。
[0040]步驟3、設置焊接參數，進行焊接。
[0041]步驟4、焊接完成后，抬起金屬復合板對接結合面過渡層可控的攪拌頭，將焊接后的金屬復合板移走。
[0042]實施例三
結合圖6，一種金屬復合板結合面過渡層可控的單軸肩攪拌頭，包括夾持端1、軸肩2和攪拌針3，軸肩2