专利名称：用于异种材料连接的搅拌摩擦瞬时液相扩散焊接方法
技术领域：
本发明涉及一种用于异种材料连接的搅拌摩擦瞬时扩散焊接方法，属于焊接技术领域。
背景技术：
新材料的发展，使得异种材料的复合结构在航天、航空以及汽车等工业领域具有非常大的应用前景。近年来，在异种材料的应用中，经常遇到这些材料本身或其与其他材料的连接问题，一些新材料，如陶瓷、复合材料、金属间化合物、非晶态材料、单晶合金等可焊接性较差，采用传统的熔焊技术往往无法焊接或焊接后接头的力学性能较差。目前，扩散焊已经成为异种材料焊接的主要方法。扩散焊是在一定温度和压力下将两种待焊物质的焊接表面相互接触，通过微观塑性变形或通过焊接面产生微量液相而扩 大待焊表面的物理接触，从而使原子间不断扩散并相互渗透，进而实现冶金结合的一种焊接方法。相比于熔焊来说，扩散焊的接合区域无凝固组织、不生成气孔、宏观裂纹等缺陷。但是，扩散焊是在材料的原子水平上实现焊接，焊接过程中需要持续的高温和压力作用，为了满足高温和压力需要，现有扩散焊一般都需要另行加装固定设备来提供恒温热源，这无疑增大了焊接成本；另外，由于扩散焊在整个连接界面都需要实现原子扩散，而固定设备在焊接过程中提供的热源一般不进行移动，这无疑使得扩散焊连接界面的尺寸容易受到设备的限制；同样的，由于受到固定设备的限制，扩散焊接对焊接场地及空间提出了更高的要求。
发明内容
因此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有扩散焊接技术的成本高、易于受到接头尺寸以及焊接场地等环境限制的缺陷，从而提供一种搅拌摩擦瞬时液相扩散焊接方法。为此，本发明提供一种用于异种材料连接的搅拌摩擦扩散焊接方法，至少 包括以下步骤
A.制作由异种材料拼合的待焊接头；
B.在所述待焊接头的接合区域添加中间层物质；
C.将搅拌头旋转插入所述待焊接头，与所述待焊接头进行摩擦生热，使焊接温度高于异种材料与中间层物质的共晶温度，待所述中间层物质形成局部液相后，沿着焊缝移动所述搅拌头，直至焊接结束。在所述步骤C中，在所述焊缝加热部位的后侧加装可移动的热源，
用于对经过所述搅拌头搅拌的摩擦区域进行保温。所述可移动的热源距离所述焊缝加热部位的后侧的距离为3_15mm。在所述步骤B中，添加的所述中间层物质的的厚度为80-180 μ m。在所述步骤B中，所述中间层物质采用垫片、粉末或者表面镀膜中的任一 种形式添加。
在所述步骤A中制作的所述待焊接头为搭接接头。在所述步骤A采用搭接接头时，所述搅拌头的轴肩尺寸d不小于所述中间 层物质的宽度。在所述步骤A中，所述搭接接头的形成过程为先在待焊接的一种材料的
待焊界面上形成水平倾斜角为Θ的水平搭接界面，再在待焊接的另一种材料的待焊界面上形成其水平倾斜角与Θ互为补角的水平搭接界面，然后将两个水平搭接界面拼合形成水平搭接接头。将所述水平倾斜角Θ、搅拌头的轴肩直径d以及所述待焊接头的厚度a 的关系设置为
d > 2a cot Θ。 在所述步骤A中还包括分别在所述水平搭接界面上设置高度为h的竖直搭接界面的步骤，所述竖直搭接接面位于所述斜面的上部或者下部，将所述高度h、所述水平倾斜角Θ、所述搅拌头的轴肩直径d以及所述待焊接头的厚度a的关系设置为
d > 2(a — h) cot Θ。本发明提供的用于异种材料连接的搅拌摩擦瞬时液相扩散焊接方法，具有以下优
占-
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本发明提供的用于异种材料连接的搅拌摩擦瞬时液相扩散焊接方法，将搅拌摩擦焊与扩散焊相结合，利用搅拌摩擦所产生的热作为扩散焊的热源，在焊接的过程中可以通过不断的移动搅拌头来移动热源，从而完成对待焊接头的不同区域的焊接，焊接过程中不需要另行设置固定设备，并且可以焊接各种形状和尺寸的待焊接头，避免了现有技术中需要另行设置固定设备来提供热源而导致的成本加大以及待焊接头的尺寸和形状容易受到焊接设备的限制的缺陷，具有成本低，适用范围广泛的优点。并且，在焊接过程中，通过添加中间层物质，改善了表面接触条件，从而降低对待焊表面的制备质量要求，降低所需的焊接压力；改善扩散条件，加速扩散过程，从而可降低焊接温度，缩短焊接时间；改善冶金反应，避免(或减少)形成脆性金属间化合物；避免或减少因被焊材料之间物理化学性能差异过大所引起的热应力过大，容易出现扩散孔洞等缺陷，总而言之，中间层的加入不但使得焊接过程容易从传统扩散焊接的固定的热源设备和压力设备中解放出来，使得搅拌摩擦焊与扩散焊更容易实现优质的结合，也缩短了焊接时间，并极大了改善了焊缝的力学性能。另外，在连接过程开始时中间层熔化形成液相，液体金属浸润母材表面填充毛细间隙，形成致密的连接界面，随后，在保温过程中，借助固液相之间的相互扩散使液相合金的成分向高熔点侧变化，最终发生等温凝固和固相成分均匀化，使结合区域的组织与母材接近，不会残留凝固铸态组织，从而进一步提高了焊缝的力学性能。并且，由于瞬时液相扩散焊时间主要由等温凝固与成分均匀化时间决定，一般为几分钟，本发明将搅拌摩擦和瞬时液相扩散焊结合，在搅拌头的作用下，母材及中间层都产生了强烈的塑性变形，晶粒度和位错密度会急剧增大，大量的晶界及位错为原子的扩散提供了快速通道，且宏观上搅拌头的转动又使其周围材料均匀分布，这将大大减少瞬时液相扩散焊的时间，所以拌摩擦瞬时液相扩散焊连接温度会少于常规瞬时液相扩散焊。
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图I是本发明的实施例I中采用的对接接头与搅拌头配合的结构示意 图2是本发明的实施例2中采用的搭接接头与搅拌头配合的结构示意 图3是本发明的实施例3中采用的搭接接头与搅拌头配合的结构示意 图4是本发明的实施4中采用的搭接接头与搅拌头配合的一种结构示意 图5是本发明的实施例4中采用的搭接接头与搅拌头配合的另一种结构示意 图中附图标记表为
I-铝/铝合金板；2_不锈钢/钛板；3_中间层物质。
具体实施例方式实施例I
发明提供一种用于铝合金与不锈钢连接的搅拌摩擦瞬时液相扩散焊接方法，包括以下步骤
A.将Ni粉和Cu粉混合均匀，制备成喷涂液，采用热喷涂的方式将所述喷涂液喷涂到所述不锈钢板2的焊接面上，形成厚度为IOOym的Ni-Cu镀层，所述Ni-Cu镀层作为铝合金和不锈钢的中间层物质3 ；
B.将经过步骤A的不锈钢板2和铝合金板I拼合形成对接接头，见图I;
C.将搅拌头旋转插入所述待焊接头，与所述待焊接头进行摩擦生热，使焊接温度高于异种材料与中间层物质的共晶温度，待所述中间层物质3形成局部液相后，沿着焊缝移动所述搅拌头，直至焊接结束。本实施例中的所述Ni-Cu镀层的厚度只是较佳的实施方式，所述Ni-Cu 镀层的厚度为80 μ m-180 μ m时，都能满足焊接要求。为了保证扩散温度，便于原子间的充分扩散，在所述步骤C中，在所述焊缝的加热部位的后侧加装可移动的电弧热，其距离加热部位的后侧的距离可以为3-15mm，在本实施例中，具体的距离为3mm。不同材料的连接如铝(铝合金)与不锈钢的连接，由于铝与不锈钢物理性能相差很大，单纯搅拌摩擦焊不易形成良好接头且工艺参数要求苛刻，金属间化合物是影响铝与不锈钢焊接的主要问题，金属间化合物的厚度有个临界值，小于此临界值化合物的存在可以增加接头的结合强度，大于此值则降低接头强度。而搅拌摩擦扩散焊恰好可以通过搅拌减小扩散焊形成的金属间化合物的厚度，使接头兼有搅拌摩擦焊与扩散焊的特点，拥有更好的使用性能。对于异种材料的焊接，尤其是物理性能相差很大的材料如铝(铝合金)和不锈钢钢的连接，常常会在接头产生缺陷，或出现弱连接，使接头达不到使用要求，而通过将搅拌摩擦焊接和瞬时液相扩散焊接相结合，使接头在异种材料连接处产生过渡层，减少因物理性能差异大而导致的连接减弱，使异种材料连接接头兼有搅拌摩擦焊与瞬时液相扩散焊的特点，从而强化异种材料连接，特别是物理性能差异较大的材料。
本实施例中，采用对接接头，中间层物质全部在搅拌头的直接作用区。由于搅拌作用，中间层在接头处被打碎，形成许许多多的微观的、动态的瞬时液相连接形式，在热作用下熔化形成液相，填充接头的毛细间隙形成微观瞬时液相扩散焊接头。这样就形成了以搅拌摩擦焊为主伴有瞬时液相扩散焊的接头。实施例2
本实施例提供一种用于铝板和不锈钢板连接的搅拌摩擦瞬时液相扩散焊接方法及包括以下步骤
A.不锈钢板2和铝板I拼合形成水平搭接接头，所述铝板I和不锈钢2
分别具有倾斜的水平搭接界面，所述铝母材的水平搭接界面的水平倾斜角Θ与所述不锈钢母材的水平搭接界面的水平倾斜角互为补角，两者通过搭接界面配合后形成所述水平搭接接头，见图2 ； B.在所述铝板I和所述不锈钢板2之间添加由镍制成的金属薄片作为中 间层物质3，所述中间层物质的厚度为80 μ m ;
C.将搅拌头旋转插入所述待焊接头，与所述待焊接头进行摩擦生热，使
焊接温度高于异种材料与中间层物质的共晶温度，待所述中间层物质3形成局部液相后，沿着焊缝移动所述搅拌头，直至焊接结束。其中，将所述水平倾斜角Θ、搅拌头的轴肩直径d以及铝合金母材和不
锈钢母材的厚度a的关系设置为d > IacotQ ，更为具体的，在本实施例
中，所述铝板I的搭接界面的水平倾斜角Θ为45°，所述不锈钢板2的搭接界面的水平倾斜角为135°，所述厚度a均为30_，所述轴肩直径d至少为60_。本实施例中的所述中间层物质3的厚度(80 μ m)只是较佳的实施方式，对于实现本发明的核心目的来说，所述Ni-Cu镀层的厚度为80 μ m-180 μ m时，都能满足焊接要求。为了保证扩散温度，便于原子间的充分扩散，在所述步骤C中，在所述焊缝的加热部位的后侧加装可移动的电弧热，其距离加热部位的后侧的距离可以为3-15mm，在本实施例中，具体的距离为15mm。在本实施例中，采用搭接接头，搭接形式中，在搅拌头直接作用区，由于搅拌作用，中间层在接头处被打碎，形成许许多多的微观的、动态的瞬时液相连接形式，在热作用下熔化形成液相，填充接头的毛细间隙形成微观瞬时液相扩散焊接头。这样就形成了以搅拌摩擦焊为主伴有瞬时液相扩散焊的接头。而对于搅拌头不能直接作用的区域，中间层会在轴肩及搅拌头的热作用下，熔化形成液相，液体金属浸润填充母材间的毛细间隙，产生致密的连接界面，形成以瞬时液相扩散焊为主的接头。实施例3
本实施例提供一种用于铝板和钛板连接的搅拌摩擦瞬时液相扩散焊接方法，包括以下步骤
A.钛板2和铝板I拼合形成水平搭接接头，所述铝板I和钛板2分别具有倾斜的水平搭接界面和位于所述水平搭接界面上的高度为h的竖直的搭接界面，所述铝板I的水平搭接界面的水平倾斜角Θ与所述钛板2的水平搭接界面的水平倾斜角互为补角，两者通过搭接界面配合后形成所述水平搭接接头，见图3 ；B.在所述铝板I和所述钛板2之间添加由镍制成的金属薄片作为中间层 物质3，在此，所述中间层物质3也可以通过粉末或者镀层的形式添加；
C.将搅拌头旋转插入所述待焊接头，与所述待焊接头进行摩擦生热，使焊接温度高于异种材料与中间层物质的共晶温度，待所述中间层物质3形成局部液相后，沿着焊缝移动所述搅拌头，直至焊接结束。其中，将所述水平倾斜角Θ、搅拌头的轴肩直径d、竖直搭接界面的高度h以及铝
合金母材和不镑钢母材的厚度a的关系设置为d > 2{α — h} cot Θ，更为
具体的，所述铝板I的搭接界面的水平倾斜角Θ为30°，所述钛板2的搭接界面的水平倾斜角为150°，所述厚度a均为30mm，所述高度h为10mm，所述轴肩直径d至少为69mm。本实施例中的作为中间层物质3的所述金属薄片的厚度为180 μ m，其实，所述中间层物质3的厚度在80 μ m-180 μ m时，都能满足焊接要求。
为了保证扩散温度，便于原子间的充分扩散，在所述步骤C中，在所述焊缝的加热部位的后侧加装可移动的电弧热，其距离加热部位的后侧的距离可以为3-15mm，在本实施例中，具体的距离为10mm。在本实施例中，采用搭接接头，搭接形式中，在搅拌头直接作用区，由于搅拌作用，中间层在接头处被打碎，形成许许多多的微观的、动态的瞬时液相连接形式，在热作用下熔化形成液相，填充接头的毛细间隙形成微观瞬时液相扩散焊接头。这样就形成了以搅拌摩擦焊为主伴有瞬时液相扩散焊的接头。而对于搅拌头不能直接作用的区域，中间层会在轴肩及搅拌头的热作用下，熔化形成液相，液体金属浸润填充母材间的毛细间隙，产生致密的连接界面，形成以瞬时液相扩散焊为主的接头。实施例4
本实施例提供一种用于铝板和钛板连接的搅拌摩擦瞬时液相扩散焊接方法，包括以下步骤
A.钛板2和铝板I拼合形成竖直的搭接接头，见图4和图5;
B.在所述铝板I和所述钛板2之间添加由镍制成的金属薄片作为中间层 物质3，在此，所述中间层物质3也可以通过粉末或者镀层的形式添加；
C.将搅拌头旋转插入所述待焊接头，与所述待焊接头进行摩擦生热，使
焊接温度高于异种材料与中间层物质的共晶温度，待所述中间层物质3形成局部液相后，沿着焊缝移动所述搅拌头，直至焊接结束。所述搅拌头的轴肩直径d为69mm，大于所述中间层物质的宽度D，D为30mm。本实施例中的作为中间层3的所述金属薄片的厚度为150 μ m，其实，所述中间层物质3的厚度在80 μ m-180 μ m时，都能满足焊接要求。为了保证扩散温度，便于原子间的充分扩散，在所述步骤C中，在所述焊缝的加热部位的后侧加装可移动的电弧热，其距离加热部位的后侧的距离可以为3-15mm，在本实施例中，具体的距离为10mm。在本实施例中，采用搭接接头，搭接形式中，在搅拌头直接作用区，由于搅拌作用，中间层在接头处被打碎，形成许许多多的微观的、动态的瞬时液相连接形式，在热作用下熔化形成液相，填充接头的毛细间隙形成微观瞬时液相扩散焊接头。这样就形成了以搅拌摩擦焊为主伴有瞬时液相扩散焊的接头。而对于搅拌头不能直接作用的区域，中间层会在轴肩及搅拌头的热作用下，熔化形成液相，液体金属浸润填充母材间的毛细间隙，产生致密的连接界面，形成以瞬时液相扩散焊为主的接头。本实施例中，高度为h的竖直的搭接界面可以保证在添加中间层物质的基础上减小接头焊缝的宽度，降低对搅拌头轴肩的要求。上述实施例1-4中采用的焊接设备以通用的搅拌摩擦焊接设备为主。工艺参数要根据所焊材料的性质与接头连接形式来选定。主要考虑热输入与焊接时间。热输入是保证发生扩散连接的首要条件，连接时间则是发生扩散程度的决定因素。这两个因素都与搅拌摩擦焊的搅拌头旋转速度和焊接速度相关。旋转速度增大，焊接速度减少，则热输入大，连接时间久，这非常有利于扩散焊的进行，但过大的转速会增大搅拌头的消耗且对焊接设备要求更高，也会降低生产效率。而小的旋转速度，大的焊接速度会导致连接不上。总之，合理的选择搅拌头旋转速度与焊接速度是搅拌摩擦扩散焊的关键。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。
权利要求
1.用于异种材料连接的搅拌摩擦瞬时液相扩散焊接方法，其特征在于 至少包括以下步骤 制作由异种材料拼合的待焊接头； 在所述待焊接头的接合区域添加中间层物质； 将搅拌头旋转插入所述待焊接头，与所述待焊接头进行摩擦生热，使 焊接温度高于异种材料与中间层物质的共晶温度，待所述中间层物质形成局部液相后，沿着焊缝移动所述搅拌头，直至焊接结束。
2.根据权利要求I所述的用于异种材料连接的搅拌摩擦瞬时液相扩散焊 接方法，其特征在于在所述步骤C中，在所述焊缝的加热部位的后侧加装可移动的热源，用于对经过所述搅拌头搅拌的摩擦区域进行保温。
3.根据权利要求2所述的用于异种材料连接的搅拌摩擦瞬时液相扩散焊 接方法，其特征在于所述可移动的热源距离所述焊缝加热部位的后侧的距离为
4.根据权利要求1-3中任一项所述的用于异种材料连接的搅拌摩擦瞬时 液相扩散焊接方法，其特征在于在所述步骤B中，添加的所述中间层物质的厚度为80-180 μ m。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的用于异种材料连接的搅拌摩擦瞬时 液相扩散焊接方法，其特征在于在所述步骤B中，所述中间层物质采用垫片、粉末或者表面镀膜中的任一种形式添加。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的用于异种材料连接的搅拌摩擦瞬时 液相扩散焊接方法，其特征在于在所述步骤A中制作的所述待焊接头为搭接接头。
7.根据权利要求6所述的用于异种材料连接的搅拌摩擦瞬时液相扩散焊接方法，其特征在于在所述步骤A采用搭接接头时，所述搅拌头的轴肩尺寸d不小于所述中间层物质的览度。
8.根据权利要求6或7所述的用于异种材料连接的搅拌摩擦瞬时液相扩散焊接方法，其特征在于在所述步骤A中，所述搭接接头的形成过程为先在待焊接的一种材料的待焊界面上形成水平倾斜角为Θ的水平搭接界面，再在待焊接的另一种材料的待焊界面上形成其水平倾斜角与Θ互为补角的水平搭接界面，然后将两个水平搭接界面拼合形成水平搭接接头。
9.根据权利要求8所述的用于异种材料连接的搅拌摩擦瞬时液相扩散焊接方法，其特征在于将所述水平倾斜角Θ、搅拌头的轴肩直径d以及所述待焊接头的厚度a的关系设置为d > 2q cot Θ。
10..根据权利要求8所述的用于异种材料连接的搅拌摩擦瞬时液相扩散焊接方法，其特征在于在所述步骤A中还包括分别在所述水平搭接界面上设置高度为h的竖直搭接界面的步骤，所述竖直搭接接面位于所述斜面的上部或者下部，将所述高度h、所述水平倾斜角Θ、所述搅拌头的轴肩直径d以及所述待焊接头的厚度a的关系设置为d≥2(a-h)cotθ
全文摘要
本发明提供的用于异种材料连接的搅拌摩擦瞬时扩散焊接方法，将搅拌摩擦焊与扩散焊相结合，利用搅拌摩擦所产生的热作为扩散焊的热源，在焊接的过程中可以通过不断的移动搅拌头来移动热源，从而完成对待焊接头的不同区域的焊接，焊接过程中不需要另行设置固定设备，并且可以焊接各种形状和尺寸的待焊接头，避免了现有技术中需要另行设置固定设备来提供热源而导致的成本加大以及待焊接头的尺寸和形状容易受到焊接设备的限制的缺陷，具有成本低、适用范围广泛、焊接接头的力学性能优良的优点。
文档编号B23K20/12GK102825381SQ20121030720
公开日2012年12月19日 申请日期2012年8月24日 优先权日2012年8月24日
发明者张华 , 张贺, 吴会强, 黄继华, 赵兴科, 陈树海 申请人:北京科技大学