本發(fā)明涉及一種焊具及焊接方法，具體涉及一種兼顧大面積冶金結(jié)合和機(jī)械互鎖鉚接的異種材料攪拌摩擦鉚焊焊具及方法，本發(fā)明屬于飛行器固相焊接與制造。

背景技術(shù)：

1、燃料輸送管的鋁/鋼異質(zhì)接頭在服役時(shí)將承受超低溫沖擊循環(huán)、高應(yīng)力循環(huán)疲勞和長時(shí)效應(yīng)力腐蝕等極端工況。目前，該結(jié)構(gòu)的主要連接方式包括機(jī)械法蘭連接、釬焊和旋轉(zhuǎn)摩擦焊。機(jī)械法蘭連接中螺栓的使用導(dǎo)致了接頭較大的冗余重量，且接頭的密封性較差；釬焊中的鹵化物釬劑易使接頭的耐蝕性大幅降低；旋轉(zhuǎn)摩擦焊接頭的疲勞性能較差且易出現(xiàn)低應(yīng)力甚至無應(yīng)力開裂等問題。因此，亟需開發(fā)針對(duì)鋁/鋼異種材料的高質(zhì)量連接方法，以提高接頭的服役性能。

2、攪拌摩擦焊作為一種新型固相連接方法，具有焊縫質(zhì)量高、熱輸入較低、綠色無污染等優(yōu)點(diǎn)，但鋁/鋼常規(guī)攪拌摩擦焊仍存在幾個(gè)待解決的問題：一、常規(guī)焊具只能保證材料在攪拌針作用范圍以內(nèi)的冶金結(jié)合，難以實(shí)現(xiàn)大面積的有效連接；二、常規(guī)鋁/鋼搭接結(jié)構(gòu)的焊接要求之一為攪拌針與鋼板過盈接觸，通過焊具對(duì)鋼側(cè)的充分?jǐn)嚢鑱肀ＷC有效的冶金結(jié)合，但這會(huì)造成焊具的嚴(yán)重磨損；三、經(jīng)檢索，公開號(hào)為cn116532781a、cn115922055a和cn111805073a等已公開的專利均采用鉚釘作為連接的過渡件，但鉚接形式均以點(diǎn)連接為主，難以保證環(huán)縫結(jié)構(gòu)的密封性。

3、因此，現(xiàn)有的鋁/鋼異種材料連接方式存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜增重大、單一冶金結(jié)合弱、密封性差等問題，使接頭的服役性能降低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明針對(duì)鋁/鋼異種材料高強(qiáng)度連接和高可靠密封的迫切需求，為解決鋁/鋼異種材料連接存在的結(jié)構(gòu)復(fù)雜增重大、單一冶金結(jié)合弱、密封性差等導(dǎo)致的接頭服役性能降低問題，提出一種兼顧大面積冶金結(jié)合和機(jī)械互鎖鉚接的攪拌摩擦鉚焊焊具及方法。

2、本發(fā)明為解決上述問題采取的技術(shù)方案是：

3、本發(fā)明包括多針焊具和鉚焊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，鋁板和鋼板由上至下疊加設(shè)置，所述的多針焊具置于鋁板正上方，包括夾持部、過渡部、內(nèi)凹形軸肩、同軸主動(dòng)攪拌針和偏心從動(dòng)攪拌針，夾持部、過渡部、內(nèi)凹形軸肩和同軸主動(dòng)攪拌針由上至下依次連接成一體，偏心從動(dòng)攪拌針位于同軸主動(dòng)攪拌針外側(cè)。鉚焊結(jié)構(gòu)設(shè)置為宏微觀多尺度機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)，宏觀結(jié)構(gòu)為鋼板表面預(yù)置的毫米級(jí)凹槽，微觀結(jié)構(gòu)為鋼板凹槽外側(cè)表面預(yù)制的微米級(jí)刻痕。

4、一種兼顧大面積冶金結(jié)合和機(jī)械互鎖鉚接的攪拌摩擦鉚焊方法，所述方法包括如下步驟：

5、步驟一、根據(jù)鋁/鋼異質(zhì)接頭的不同尺寸及性能要求，設(shè)計(jì)多針焊具內(nèi)凹形軸肩、同軸主動(dòng)攪拌針和偏心從動(dòng)攪拌針的各項(xiàng)尺寸，保證材料大范圍的熱機(jī)耦合流動(dòng)，以填充宏微觀多尺度機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)并增強(qiáng)界面的冶金結(jié)合；

6、步驟二、選取適宜尺寸的鋁板和鋼板，在鋼板的待焊位置機(jī)械加工預(yù)制毫米級(jí)凹槽，使用無水乙醇或丙酮擦拭待焊位置，去除表面油污；用砂紙打磨待焊位置表面，去除毛刺；

7、步驟三、在高純氬氣環(huán)境中，采用激光毛化在鋼板凹槽底面和凹槽外側(cè)表面預(yù)置微米級(jí)刻痕，以避免表面氧化對(duì)冶金反應(yīng)的阻礙作用；

8、步驟四、裝配鋁/鋼搭接工裝，鋁板放置在上部，鋼板放置在鋁板的下部，使用壓條固定板材，保證其在焊接過程中無相對(duì)運(yùn)動(dòng)；將焊具置于凹槽上方，準(zhǔn)備焊接；

9、步驟五、焊接時(shí)，焊具高速旋轉(zhuǎn)扎入板材，直至同軸主動(dòng)攪拌針微接觸凹槽底面、偏心從動(dòng)攪拌針微接觸凹槽外側(cè)表面；熱塑化的鋁合金流入凹槽和刻痕形成機(jī)械互鎖鉚接，摩擦熱和大塑性變形誘導(dǎo)界面原子擴(kuò)散形成大面積冶金結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)鋁/鋼異種材料的高強(qiáng)度連接和高可靠密封；

10、步驟六、焊接結(jié)束，焊具逐步回抽，即可獲得兼顧大面積冶金結(jié)合和機(jī)械互鎖鉚接的鋁/鋼異質(zhì)接頭。

11、本發(fā)明的有益效果是：

12、1、本發(fā)明兼顧大面積冶金結(jié)合和機(jī)械互鎖鉚接雙重作用模式，同軸主動(dòng)攪拌針與凹槽底面的微接觸保證了良好的冶金結(jié)合和宏觀機(jī)械互鎖鉚接，偏心從動(dòng)攪拌針與凹槽外側(cè)表面的微接觸保證了冶金結(jié)合面積的進(jìn)一步增加和微觀機(jī)械互鎖鉚接，實(shí)現(xiàn)了鋁/鋼異種材料的高強(qiáng)度連接和高可靠密封；

13、2、本發(fā)明提出的由內(nèi)凹形軸肩、同軸主動(dòng)攪拌針和偏心從動(dòng)攪拌針組成的焊具，可實(shí)現(xiàn)鋁/鋼異質(zhì)接頭的大面積冶金結(jié)合并保證其密封性；

14、3、本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了多針焊具誘導(dǎo)熱塑化鋁合金填充宏微觀多尺度機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)，相比于傳統(tǒng)焊接單一的冶金結(jié)合，鋁/鋼異質(zhì)接頭的承載能力顯著提高；

15、4、本發(fā)明所制備的鉚接攔頭無外源材料的引入，避免了機(jī)械法蘭連接接頭過重的問題，此外，鉚焊界面的主要物相為薄層鋁/鋼金屬間化合物，避免了釬焊引入其他元素導(dǎo)致的接頭耐蝕性差的問題；

16、5、本發(fā)明所制備的鉚焊接頭性能良好，該方法適用于絕大多數(shù)“軟/硬”組配異種材料的連接。

技術(shù)特征：

1.一種兼顧大面積冶金結(jié)合和機(jī)械互鎖鉚接的異種材料攪拌摩擦鉚焊焊具，其特征在于：所述的一種兼顧大面積冶金結(jié)合和機(jī)械互鎖鉚接的攪拌摩擦鉚焊焊具包括多針焊具(1)、鋁板(2)和鋼板(3)，鋁板(2)和鋼板(3)由上至下疊加設(shè)置，多針焊具(1)置于鋁板(2)的正上方，所述的多針焊具(1)包括夾持部(101)、過渡部(102)、內(nèi)凹形軸肩(103)、同軸主動(dòng)攪拌針(104)和偏心從動(dòng)攪拌針(105)，夾持部(101)、過渡部(102)、內(nèi)凹形軸肩(103)和同軸主動(dòng)攪拌針(104)由上至下依次連接成一體，偏心從動(dòng)攪拌針(105)位于同軸主動(dòng)攪拌針(104)外側(cè)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種兼顧大面積冶金結(jié)合和機(jī)械互鎖鉚接的異種材料攪拌摩擦鉚焊焊具，其特征在于：所述同軸主動(dòng)攪拌針(104)的長度大于偏心從動(dòng)攪拌針(105)的長度。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種兼顧大面積冶金結(jié)合和機(jī)械互鎖鉚接的攪拌摩擦鉚焊焊具，其特征在于：偏心從動(dòng)攪拌針(105)的數(shù)量至少為一。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種兼顧大面積冶金結(jié)合和機(jī)械互鎖鉚接的攪拌摩擦鉚焊焊具，其特征在于：所述鋼板(3)的上表面中部設(shè)有凹槽(301)，凹槽(301)的外側(cè)表面設(shè)有微米級(jí)刻痕(302)。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種兼顧大面積冶金結(jié)合和機(jī)械互鎖鉚接的攪拌摩擦鉚焊焊具，其特征在于：鋁板(2)的厚度為2～50mm，鋼板(3)的厚度為2～100mm。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種兼顧大面積冶金結(jié)合和機(jī)械互鎖鉚接的攪拌摩擦鉚焊焊具，其特征在于：凹槽(301)深度不大于鋼板(3)厚度的0.9倍；凹槽(301)寬度為凹槽(301)深度的1～10倍；凹槽(301)底面與側(cè)面的夾角為30°～150°。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種兼顧大面積冶金結(jié)合和機(jī)械互鎖鉚接的攪拌摩擦鉚焊焊具，其特征在于：內(nèi)凹形軸肩(103)直徑為鋁板(2)厚度的3～5倍。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種兼顧大面積冶金結(jié)合和機(jī)械互鎖鉚接的攪拌摩擦鉚焊焊具，其特征在于：同軸主動(dòng)攪拌針(104)端部直徑較凹槽(301)的寬度小0～3mm；偏心從動(dòng)攪拌針(105)端部直徑較同軸主動(dòng)攪拌針(104)的端部直徑小0.5～5mm；偏心距較軸肩(103)半徑小1～10mm，較同軸主動(dòng)攪拌針(104)端部直徑大0～10mm。

9.一種兼顧大面積冶金結(jié)合和機(jī)械互鎖鉚接的攪拌摩擦鉚焊方法，其特征在于，所述該方法包括如下步驟：

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種兼顧大面積冶金結(jié)合和機(jī)械互鎖鉚接的攪拌摩擦鉚焊方法，其特征在于：主軸旋轉(zhuǎn)速度為200～5000rpm，焊接速度為50～5000mm/min，焊具傾角范圍為0°～5°，多針焊具(1)下扎深度為凹槽(301)底面上方0.01～2mm。

技術(shù)總結(jié)
一種兼顧大面積冶金結(jié)合和機(jī)械互鎖鉚接的異種材料攪拌摩擦鉚焊焊具及方法，本發(fā)明以解決鋁/鋼異種材料連接存在的結(jié)構(gòu)復(fù)雜增重大、單一冶金結(jié)合弱、密封性差等導(dǎo)致的接頭服役性能降低問題。它包括多針焊具和鉚焊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，多針焊具主要包括內(nèi)凹形軸肩、同軸主動(dòng)攪拌針和偏心從動(dòng)攪拌針，鉚焊宏微觀機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)包括鋼板表面預(yù)置的毫米級(jí)凹槽和凹槽外側(cè)表面預(yù)制的微米級(jí)刻痕。同軸主動(dòng)攪拌針與凹槽底面的微接觸保證了良好的冶金結(jié)合和宏觀機(jī)械互鎖鉚接，偏心從動(dòng)攪拌針與凹槽外側(cè)表面的微接觸保證了冶金結(jié)合面積的進(jìn)一步增加和微觀機(jī)械互鎖鉚接，實(shí)現(xiàn)了鋁/鋼異種材料的高強(qiáng)度連接和高可靠密封。本發(fā)明屬于飛行器固相焊接與制造技術(shù)領(lǐng)域。

技術(shù)研發(fā)人員：孟祥晨,高嘉澤,謝聿銘,馬瀟天,杭春進(jìn),黃永憲
受保護(hù)的技術(shù)使用者：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/9/9