專利名稱：一種適用于鋁合金和銅合金連接的反應攪拌摩擦焊接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種適用于鋁合金和銅合金連接的反應攪拌摩擦焊接方法，屬于焊接技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
新材料的發(fā)展，使得異種材料的復合結(jié)構(gòu)在航天、航空以及汽車等工業(yè)領(lǐng)域具有非常大的應用前景，而異種材料的焊接技術(shù)已經(jīng)成為解決異種材料復合結(jié)構(gòu)應用前景的首要問題，其中，鋁/合金與銅/合金的焊接問題已經(jīng)成為研究的熱點。現(xiàn)有技術(shù)中最初試圖采用熔焊的方式來對鋁/鋁合金與銅/銅合金進行焊接，然而，鋁及銅具有強烈的氧化性，尤其對于鋁來說，其極易氧化，形成熔點高達2050°C的Al2O3 氧化膜，氧化膜中含有一定量的吸附水和結(jié)晶水，容易使焊縫產(chǎn)生氣孔，導致焊縫的力學性能下降；另外，由于鋁與銅的熔點相差很大，很難保證兩種材料處于適宜的焊接溫度，焊接過程中往往鋁已經(jīng)熔化了而銅還處于固態(tài)，從而容易導致未熔合或夾雜等缺陷，使焊縫的力學性能進一步下降。與熔化焊相比，攪拌摩擦焊接溫度較低，攪拌摩擦焊接過程中，低熔點母材不熔化，利用攪拌頭對母材的強烈攪拌，使其產(chǎn)生熱塑性金屬，然后冷卻形成接頭，避免了熔化焊接頭的熔合區(qū)和過熱區(qū)。然而，在攪拌摩擦焊接中，為了保證在摩擦熱下形成的熱塑性金屬能夠從攪拌頭的兩側(cè)向攪拌頭的后方充分流動，避免焊縫中出現(xiàn)氣孔和未熔合等缺陷，需要對焊接工藝參數(shù)、攪拌針相對配合面的偏移量及母材放置位置、攪拌頭形狀進行嚴格的配合設(shè)計，從而使得攪拌摩擦焊接的整體難度增大。因此，現(xiàn)有技術(shù)的鋁/鋁合金與銅/銅合金連接技術(shù)中，缺少一種既能保證焊縫的力學性能又較為容易實現(xiàn)的焊接工藝。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種既能保證焊縫的力學性能又較為容易實現(xiàn)的用于鋁/鋁合金與銅/銅合金的反應攪拌摩擦焊接方法。為此，本發(fā)明提供一種適用于鋁合金和銅合金連接的反應攪拌摩擦焊接方法，至少包括以下步驟
A.將鋁/鋁合金母材與銅/銅合金母材拼合形成待焊接頭；
B.將攪拌頭插入所述待焊接頭，并對所述待焊接頭進行攪拌摩擦焊接，
使所述待焊接頭界面溫度高于Al2Cu的共晶點溫度；
C.在所述待焊接頭有局部液相產(chǎn)生后，沿著焊縫移動所述攪拌頭，直至 焊接結(jié)束。在所述步驟B中，所述待焊接頭界面溫度達到570_580°C。在所述步驟A中通過控制所述攪拌頭在所述待焊接頭上的插入位置相對 于待焊接頭的配合面中心的偏移量來改變焊縫中不同材料的比例關(guān)系。
在所述步驟A中，所述攪拌頭在所述待焊接頭上的插入位置相對于配合 面中心偏向鋁/鋁合金側(cè)O. 2-lmm。在所述步驟A中形成的所述待焊接頭為對接接頭。在所述步驟A中形成的所述待焊接頭為水平搭接接頭。在所述步驟A中，先在所述鋁/鋁合金母材的待焊界面上形成水平傾斜
角為Θ的斜面，再在所述銅/銅合金母材的待焊界面上形成其水平傾斜角與Θ互為補角的斜面，然后將所述鋁/鋁合金母材的斜面與所述銅/銅合金母材的斜面拼合形成所述水平搭接接頭。
將所述水平傾斜角Θ、攪拌頭的軸肩直徑d以及鋁/鋁合金母材與銅/
銅合金母材的厚度a的關(guān)系設(shè)置為
cf > 2o cot Θ 。在所述步驟A中還包括分別在所述斜面上設(shè)置高度為h的豎直搭接界面 的步驟，所述豎直搭接接面位于所述斜面的上部或者下部，將所述高度h、所述水平傾
斜角Θ、所述攪拌頭的軸肩直徑d以及鋁/鋁合金母材和銅/銅合金母材的厚度a的關(guān)系
設(shè)置為d > 2(a — It) cot Θ 。在所述步驟A之前還包括對所述鋁/鋁合金及銅/銅合金母材的表面進行去油污和/或去氧化膜的預處理。本發(fā)明提供的用于鋁/鋁合金與銅/銅合金連接的反應攪拌摩擦焊接方法，具有以下優(yōu)點
本發(fā)明提供的用于鋁/鋁合金與銅/銅合金連接的反應攪拌摩擦焊接方法，
在攪拌摩擦焊接中生成低熔點的Al2Cu共晶化合物，隨著焊接過程中待焊接頭溫度場的變化，Al2Cu等金屬間化合物熔化而在待焊接頭局部區(qū)域形成液相，并在攪拌頭的作用下被打碎而均勻的分散在待焊接頭各區(qū)域，液相具有較好的流動性且由于毛細管效應填充待焊接頭間隙，減小待焊接頭材料偏析、孔洞等缺陷，從而改善了接頭的力學性能。同時，由于金屬間化合物形均勻分散在接頭中，接頭使用性能大大提高。并且，由于液相具有較好的流動性，其能夠沿著所述攪拌頭的兩側(cè)向后充分流動，相對于現(xiàn)有攪拌摩擦焊接來說，本發(fā)明的反應攪拌摩擦焊接方法對焊接工藝參數(shù)、攪拌針相對配合面的偏移量及母材放置位置、攪拌頭形狀的要求不那么嚴格，從而使得焊接過程較為容易實現(xiàn)，提高焊接工作的效率。另夕卜，由于焊接過程中生成液相，既降低了接頭的殘余應力，也降低了焊接過程中對攪拌頭材料的損耗，提高攪拌頭的壽命。


為了使本發(fā)明的內(nèi)容更容易被清楚的理解，下面根據(jù)本發(fā)明的具體實施例并結(jié)合附圖，對本發(fā)明作進一步詳細的說明，其中
圖I是本發(fā)明的實施例I中采用的對接接頭與攪拌頭配合的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明的實施例2中采用的搭接接頭與攪拌頭配合的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明的實施例3中采用的搭接接頭與攪拌頭配合的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中附圖標記表示為
I-鋁/鋁合金合金母材；2_銅/銅合金母材。
具體實施例方式實施例I
發(fā)明提供一種用于鋁合金與銅合金連接的反應攪拌摩擦焊接方法，包括以下步驟
A.用砂紙打磨與攪拌頭的軸肩接觸的母材表面及材料界面的氧化膜，再用丙酮去除鋁合金母材與銅合金母材表面及接觸界面的油污；
B.將鋁合金母材與銅合金母材拼合形成對接接頭，并將其固定在工裝夾具臺上；
C.將攪拌頭插入所述對接接頭，并對所述對接接頭進行攪拌摩擦焊接，
使所述待焊接頭界面溫度高于Al2Cu的共晶點溫度，在本實施例中，具體溫度為580°C;
D.在所述待焊接頭有局部液相產(chǎn)生后，見圖1，沿著焊縫移動所述攪拌頭，直至焊接結(jié)束。本實施例中，在所述步驟A中，所述攪拌頭在所述待焊接頭上的插入位置相對于配合面中心偏向鋁合金側(cè)O. 3_。對于實現(xiàn)本發(fā)明的核心目的來說，高于Al2Cu共晶點的溫度范圍是570_580°C。本實施例中采用的焊接設(shè)備以通用的攪拌摩擦焊接設(shè)備為主。實施例2
發(fā)明提供一種用于鋁合金與銅連接的反應攪拌摩擦焊接方法，包括以下步驟
A.用砂紙打磨與攪拌頭的軸肩接觸的母材表面及材料界面的氧化膜，再用丙酮去除鋁合金母材I與銅母材2表面及接觸界面的油污；
B.先在所述鋁合金母材I的待焊界面上形成水平傾斜角為Θ的斜面，再在所述銅母材2的待焊界面上形成其水平傾斜角與Θ互為補角的斜面，然后將所述鋁合金母材I的斜面與所述銅母材2的斜面拼合形成水平搭接接頭，見圖2，并將其固定在工裝夾具臺上；
C.將攪拌頭插入所述水平搭接接頭，并對所述水平搭接接頭進行攪拌摩擦焊接，使所述待焊接頭界面溫度高于Al2Cu的共晶點溫度，在本實施例中，具體溫度為570°C ；
D.在所述待焊接頭有局部液相產(chǎn)生后，沿著焊縫移動所述攪拌頭，直至焊接結(jié)束。在本實施例中，將所述水平傾斜角Θ、攪拌頭的軸肩直徑d以及鋁合金母材I和銅
母材2的厚度a的關(guān)系設(shè)置為
權(quán)利要求
1.一種適用于鋁合金和銅合金連接的反應攪拌摩擦焊接方法，其特 征在于至少包括以下步驟 將鋁/鋁合金母材與銅/銅合金母材拼合形成待焊接頭； 將攪拌頭插入所述待焊接頭，并對所述待焊接頭進行攪拌摩擦焊接， 使所述待焊接頭界面溫度高于Al2Cu的共晶點溫度； 在所述待焊接頭有局部液相產(chǎn)生后，沿著焊縫移動所述攪拌頭，直至 焊接結(jié)束。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于在所述步驟B中，所述待焊接頭界面溫度達到 570-580°C。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的方法，其特征在于在所述步驟A中通過控制所述攪拌頭在所述待焊接頭上的插入位置相對于待焊接頭的配合面中心的偏移量來改變焊縫中不同材料的比例關(guān)系。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于在所述步驟A中，所述攪拌頭在所述待焊接頭上的插入位置相對于配合面中心偏向鋁/鋁合金側(cè)0. 2-1_。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項所述的方法，其特征在于在所述步驟A中形成的所述待焊接頭為對接接頭。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項所述的方法，其特征在于在所述步驟A中形成的所述待焊接頭為水平搭接接頭。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于在所述步驟A中，先在所述鋁/鋁合金母材的待焊界面上形成水平傾斜角為e的斜面，再在所述銅/銅合金母材的待焊界面上形成其水平傾斜角與e互為補角的斜面，然后將所述鋁/鋁合金母材的斜面與所述銅/銅合金母材的斜面拼合形成所述水平搭接接頭。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于將所述水平傾斜角e、攪拌頭的軸肩直徑d以及鋁/鋁合金母材與銅/銅合金母材的厚度a的關(guān)系設(shè)置為d > Zacot 6O
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于在所述步驟A中還包括分別在所述斜面上設(shè)置高度為h的豎直搭接界面的步驟，所述豎直搭接接面位于所述斜面的上部或者下部，將所述高度h、所述水平傾斜角0、所述攪拌頭的軸肩直徑d以及鋁或鋁合金母材和銅/銅合金母材的厚度a的關(guān)系設(shè)置為d > 2("a — li) cot &。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9中任一項所述的方法，其特征在于在所述步驟A之前還包括對所述鋁/鋁合金及銅/銅合金母材的表面進行去油污和/或去氧化膜的預處理。
全文摘要
本發(fā)明一種適用于鋁合金和銅合金連接的反應攪拌摩擦焊接方法，在攪拌摩擦焊接中生成低熔點的Al2Cu共晶化合物，隨著焊接過程中待焊接頭溫度場的變化，Al2Cu等金屬間化合物熔化而在待焊接頭局部區(qū)域形成液相，并在攪拌頭的作用下被打碎而均勻的分散在待焊接頭各區(qū)域，液相具有較好的流動性且由于毛細管效應填充待焊接頭間隙，減小待焊接頭材料偏析、孔洞等缺陷，從而改善了接頭的力學性能。同時，由于金屬間化合物形均勻分散在接頭中，接頭使用性能大大提高。
文檔編號B23K20/12GK102794562SQ201210307098
公開日2012年11月28日 申請日期2012年8月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月24日
發(fā)明者張華 , 孫大同, 吳會強, 黃繼華, 趙興科, 陳樹海 申請人:北京科技大學