一种异种金属搅拌摩擦焊的搅拌针及搅拌摩擦焊的方法

本发明涉及一种搅拌摩擦焊的搅拌针及方法，尤其涉及一种异种金属搅拌摩擦焊的搅拌针及搅拌摩擦焊的方法。

背景技术：

1、在实际工业生产中，需要满足节能减排、降低制造成本和复合功能等要求，对异种金属材料的复合结构使用需求越来越多。异种金属复合结构通常是采用焊接方法将两种不同属性的金属连接成一个整体，这种复合结构不仅实现轻量化，同时也发挥两种金属各自性能优势。

2、对于有限互溶的异种金属而言，由于它们之间存在物理性能、化学性能差异较大和冶金相容性较差的问题，焊接时异种金属接头界面容易形成脆性金属间化合物，从而降低接头成形质量及力学性能。采用传统熔化焊方法焊接这类异种金属时，接头不仅会产生气孔、夹杂和热裂纹，还会形成大量金属间化合物，更不利于改善异种金属接头成形及力学性能。

3、搅拌摩擦焊是利用搅拌头与被焊材料之间的摩擦产热与形变产热，使搅拌头附近的材料发生塑化而不熔化，然后粘塑性的材料在搅拌头作用下不断填充到搅拌针的后面，最终实现金属之间的固相连接。因此，搅拌摩擦焊在连接有限互溶的异种金属时具有明显的优势。然而，当采用常规的平直搭接界面时，所获得的搅拌摩擦焊接头机械互锁作用不足，且接头界面形成的金属间化合物厚度较厚，导致接头呈脆性断裂特征(peng etal.effects of interlayer metal on microstructures and mechanical propertiesof friction stir lap welded dissimilar joints of magnesium and aluminumalloys[j].journal of materials processing technology,2022,299:117362.)(zuo etal.ultrasound-assisted friction stir transient liquid phase spot weldeddissimilar copper-aluminum joint[j].journal of manufacturing processes,2021,62:58-66)。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的是提供一种增强异种金属接头界面机械互锁、减少接头界面金属间化合物厚度、提高异种金属接头成形及力学性能的异种金属搅拌摩擦焊的搅拌针；

2、本发明的第二个目的是提供一种利用上述的搅拌针进行异种金属搅拌摩擦焊的方法。

3、技术方案：本发明所述的异种金属搅拌摩擦焊的搅拌针，所述搅拌针包括根部、中部与端部，所述端部设有相对于搅拌针轴线向两侧延伸的凸台。

4、其中，所述搅拌针端部凸台的宽度为3～5mm；起到增强搅拌针端部附近金属流动的作用，更有利于搅拌针端部的燕尾槽结构形成冶金互锁；凸台的高度为2～3mm；减少搅拌针在焊接过程中的阻力。

5、其中，所述搅拌针根部直径为8～10mm，端部直径为6～8mm。为保证搅拌针在焊接过程中具有良好的刚度，同时促进焊缝金属沿板厚方向上流动，因此搅拌针根部直径要稍大于端部直径。

6、其中，所述搅拌针的长度为5.7～9.7mm。搅拌针长度的选择与被焊材料的厚度有关。当搅拌针长度低于5mm时，被焊材料上板或下板的厚度会变得很薄，不利于形成燕尾槽互锁。

7、利用上述的搅拌针进行异种金属搅拌摩擦焊的方法，包括以下步骤：

8、(1)将被焊材料上板和下板预加工成带燕尾槽的结构，其中上板预加工成外凸燕尾槽，下板加工成内凹燕尾槽，上板和下板形成机械互锁；

9、(2)将权利要求1的搅拌针伸入到机械互锁的燕尾槽内，进行搅拌摩擦焊。

10、其中，所述搅拌针的凸台宽度和搅拌针端部直径之和与外凸燕尾槽下部宽度的比例为1:1.1～1.2；避免搅拌针端部破坏燕尾槽底部互锁结构，并在搅拌针凸台高速旋转时所产生的热-力耦合作用使燕尾槽底部发生冶金结合，从而形成机械互锁和冶金结合。

11、其中，步骤(1)中，所述外凸燕尾槽上部宽度为10～13mm，底部宽度为14～16mm，高度为3～5mm；所述内凹燕尾槽上部宽度为10～13mm，内凹燕尾槽底部宽度为14～16mm，内凹燕尾槽高度为3～5mm。外凸燕尾槽尺寸和内凹燕尾槽尺寸保持一致，便于形成紧密的互锁结构。其中，燕尾槽上部宽度的选择与搅拌针中部直径有关。为了保留燕尾槽上部结构的完整性，以及使得燕尾槽上部宽度在搅拌针中部的热-力耦合作用范围内，因此燕尾槽上部宽度要稍大于搅拌针中部直径。另外，燕尾槽底部宽度要大于燕尾槽上部宽度和搅拌针端部宽度，既保证燕尾槽形成互锁结构，又避免搅拌针端部破坏燕尾槽底部。燕尾槽高度的选择主要考虑到被焊材料上板和下板的厚度，为使得燕尾槽结构更加牢靠，燕尾槽高度取为被焊材料厚度的一半。

12、其中，步骤(1)中，所述被焊材料的上板厚度为6～10mm，下板厚度为5～10mm。由于搅拌针长度的限制，被焊材料上板的厚度不超过10mm，被焊材料的下板厚度也不超过10mm。当被焊材料的上板和下板厚度低于5mm时，外凸和内凹的燕尾槽起到互锁作用显著降低，因此这里被焊材料的上板厚度不低于6mm，而被焊材料的下板厚度不低于5mm。

13、其中，步骤(1)中，被焊材料上板和下板需选择具有有限互溶的异种金属材料，如铝/铜、铝/钢和铝/镁等。

14、其中，步骤(2)中，搅拌摩擦焊过程中搅拌针不插入下板，此时搅拌针完全在被焊材料上板中，防止搅拌针插入下板后破坏燕尾槽底部结构。

15、其中，步骤(2)中，搅拌摩擦焊时焊接工艺条件为：旋转速度为600～1200rpm，焊接速度为60～120mm/min，下压量为0.1～0.2mm。

16、有益效果：本发明与现有技术相比，取得如下显著效果：(1)搅拌针端部凸台在旋转过程中，端部凸台驱使搅拌针端部附近的高温金属向两侧横向移动，保证燕尾槽底部两侧界面具有发生冶金反应所需要的温度和变形，实现燕尾槽底部冶金结合，进一步加强了燕尾槽互锁作用。(2)本发明通过在被焊材料的上板和下板之间设计燕尾槽互锁结构，利用搅拌针在高速旋转时产生剧烈的热-力耦合作用，使互锁结构界面发生原子扩散，形成机械互锁复合冶金结合作用的接头，显著提高异种金属接头力学性能。

技术特征：

1.一种异种金属搅拌摩擦焊的搅拌针，其特征在于，所述搅拌针包括根部、中部与端部，所述端部设有相对于搅拌针轴线向两侧延伸的凸台。

2.根据权利要求1所述的异种金属搅拌摩擦焊的搅拌针，其特征在于，所述搅拌针端部凸台的宽度为3～5mm，凸台的高度为2～3mm。

3.根据权利要求1所述的异种金属搅拌摩擦焊的搅拌针，其特征在于，所述搅拌针根部直径为8～10mm，端部直径为6～8mm。

4.根据权利要求1所述的异种金属搅拌摩擦焊的搅拌针，其特征在于，所述搅拌针的长度为5.7～9.7mm。

5.一种利用权利要求1所述的搅拌针进行异种金属搅拌摩擦焊的方法，其特征在于，包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的异种金属搅拌摩擦焊的方法，其特征在于，所述搅拌针的凸台宽度和搅拌针端部直径之和与外凸燕尾槽下部宽度的比例为1:1.1～1.2。

7.根据权利要求5所述的异种金属搅拌摩擦焊的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述外凸燕尾槽上部宽度为10～13mm，底部宽度为14～16mm，高度为3～5mm；所述内凹燕尾槽上部宽度为10～13mm，内凹燕尾槽底部宽度为14～16mm，内凹燕尾槽高度为3～5mm。

8.根据权利要求5所述的异种金属搅拌摩擦焊的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述被焊材料的上板厚度为6～10mm，下板厚度为5～10mm。

9.根据权利要求5所述的异种金属搅拌摩擦焊的方法，其特征在于，步骤(2)中，搅拌摩擦焊过程中搅拌针不插入下板，避免破坏燕尾槽互锁结构。

10.根据权利要求5所述的异种金属搅拌摩擦焊的方法，其特征在于，搅拌摩擦焊时焊接工艺条件为：旋转速度为600～1200rpm，焊接速度为60～120mm/min，下压量为0.1～0.2mm。

技术总结
本发明涉及一种异种金属搅拌摩擦焊的搅拌针及搅拌摩擦焊的方法。搅拌针包括根部、中部与端部，端部设有相对于搅拌针轴线向两侧延伸的凸台。该方法为：将被焊材料上板和下板预加工成带燕尾槽的结构，其中上板预加工成外凸燕尾槽，下板加工成内凹燕尾槽，上板和下板形成机械互锁；将搅拌针伸入到机械互锁的燕尾槽内，进行搅拌摩擦焊。本发明通过在被焊材料的上板和下板之间设计燕尾槽互锁结构，利用特制搅拌针在高速旋转时产生剧烈的热‑力耦合作用，使互锁结构界面发生原子扩散，形成机械互锁复合冶金结合作用的接头，显著提高异种金属接头力学性能。

技术研发人员：徐洋,陈书锦,高阳,张帅
受保护的技术使用者：江苏科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15