一种通过预置T型全阻隔层焊接高熔点异种金属的方法

一种通过预置t型全阻隔层焊接高熔点异种金属的方法
技术领域
1.本发明属于搅拌摩擦焊技术领域，具体涉及一种通过预置t型全阻隔层焊接高熔点异种金属的方法。


背景技术：

2.随着现代工业的飞速发展，对各类工程零件提出了更为严格的应用需求。在很多情况下，单纯的一种金属材料已经不能满足工程的使用要求，采用焊接方法制造异种金属构件备受人们关注。异种金属焊接结构不仅能满足工业设计者对单一材料的性能要求，还能满足不同材料不同工况的特殊需求、提升焊接结构件的承载能力、节约成本，因此，异种金属的焊接结构已成为现代工业领域关注的重点。
3.按照传统异种金属的焊接方法，一般可分为三大类：熔化焊、压力焊、钎焊等。在实际工程应用中，熔化焊应用比例最大。但由于异种金属的熔点、导热系数、膨胀系数、收缩率等热物性一般存在较大差异，导致这些传统的熔化焊方法难以获得高性能的焊接接头，具体体现出以下几个方面的问题：(1)异种金属的导热性相差过大导致冶金结合困难，造成焊接接头性能降低；(2)熔点相差过大的异种金属在焊接时，在高熔点金属侧热影响区容易形成渗透裂纹，降低焊接接头的服役寿命；(3)线膨胀系数大的金属焊后会残留较大的残余应力，容易产生裂纹，更为严重的会导致焊缝与母材金属之间产生剥离；(4)当选用大规范焊接参数焊接异种材料如铜-钢时，容易使热影响区晶粒粗化严重，焊缝区域的铜容易氧化形成cu2o等低熔点共晶，导致接头性能恶化。
4.除了上述传统的焊接方法，使用激光焊、扩散焊等方法时可以得到较好的焊接质量，但这些方法的焊接成本高、效率低、工艺要求严格和工艺参数复杂化，不利于大规模机械化生产。基于传统焊接的缺点，部分学者提出利用搅拌摩擦焊进行高熔点金属焊接的方法。
5.搅拌摩擦焊作为一种新型固态焊接，它对材料的物理化学性能和力学性能等影响不敏感，能很好的克服不同材料焊接性能差异带来的焊接困难。如付万云等人(热加工工艺,2011,40(22):91-93)提到利用搅拌摩擦搭焊对紫铜和低碳钢进行焊接，得到了质量良好的接头。同时，周利(焊接学报,2019,40(04):22-27 161-162)等人发现利用搅拌摩擦搭焊对t2紫铜和q235低碳钢焊接时，搅拌针严重磨损断裂，影响了接头质量；joshi g r等(metallography,microstructure,and analysis,2017,6(6):470-480)对铜和不锈钢进行搅拌摩擦对接焊，使用焊枪加热，压缩空气和水冷却，发现接头性能低于传统搅拌摩擦焊接接头。综合大多数当前已有研究，可以发现，尽管搅拌摩擦焊在异种金属的焊接中显示出了巨大的优势，但仍面临着焊具与两种材料在不同摩擦表面的变形特征不同步、焊具材料耐用性较差、有害金属间化合物的形成以及焊接区的性能降低等问题。
6.专利cn103846542a公开了一种通过使用设计特定端部形状的搅拌针、设置恒定的搅拌针轴向压力、使用无倾角焊接方式和在轴肩端部设计渐开线凹槽对铝材和其他高熔点金属进行焊接的方法，大大减小了搅拌针的磨损，但此方法略显繁琐，使用难度较大，同时
此方法主要针对铝和其他高熔点金属焊接，具有一定的局限性。专利cn113231753a在焊接异种金属时，首先对硬质金属板进行热浸镀金属处理，而后在其上堆覆一层焊丝成分主要为另一种软质金属的堆焊层，再将硬质金属和软质金属进行搅拌摩擦搭焊，由于搅拌针主要作用于软质的堆焊层中，减少了搅拌针的磨损，同时一定程度上提高了接头的强度，但此方法较为复杂，不易操作，且接头强度提升有限。


技术实现要素：

7.本发明的技术任务是针对以上现有技术的不足，而提供一种通过预置t型全阻隔层焊接高熔点异种金属的方法。本发明通过在焊具与被焊材料接触界面处设置软质t型全阻隔层，避免焊具与高熔点金属之间的直接强烈作用，解决了高熔点异种金属焊接时面临的焊接载荷的各项问题，实现了异种金属的高质量的可靠焊接。
8.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种通过预置t型全阻隔层焊接高熔点异种金属的方法，包括如下步骤：
9.s1.选用软质金属板材，处理后得到t型全阻隔层，并预置于待连接的两块高熔点金属初始板材中间；
10.s2.将初始板材与t型全阻隔层进行组装，t型全阻隔层包括竖一字部和横一字部，其中竖一字部与两块初始板材的端部以对接形式接触，横一字部两侧分别搭接在两块初始板材上；组装后采用焊接工装将两块初始板材及t型全阻隔层一同固定在工作台上；
11.s3.设置搅拌摩擦焊的焊接参数，启动机床，使搅拌头移动至起始焊接位置，起始焊接位置为t型全阻隔层竖一字部上方的横一字部处，并以设定的旋转速度扎入t型全阻隔层，移动搅拌头，按照设定轨迹实施焊接。
12.进一步地，所述步骤s1中两块初始板材的厚度相同，厚度范围为1～10mm，t型全阻隔层竖一字部高度与初始板材厚度相同。
13.进一步地，所述步骤s1中的两初始板材为不同材质的纯金属或合金，具体为碳钢、合金钢、铜及铜合金、铝及铝合金、镁合金、钛合金中的任意两种；步骤s1中的软质金属为铝及铝合金、镁及镁合金中的任意一种。
14.进一步地，所述步骤s2中的t型全阻隔层的横一字部的宽度不小于轴肩直径，长度不小于焊缝长度。
15.进一步地，所述步骤s2中的t型全阻隔层的竖一字部的宽度为1～2mm，搅拌针的最小直径大于竖一字部的宽度。
16.进一步地，所述步骤s2中两块初始板材，硬度、熔点较高的金属板材置于前进侧，另一块金属板材置于后退侧。
17.进一步地，所述步骤s2中t型全阻隔层横一字部两侧的下表面与位于下方的初始板材的上表面紧密接触，t型全阻隔层竖一字部的两侧面分别与两初始板材的端面紧密接触。
18.进一步地，所述步骤s3中焊接参数为：焊机主轴倾角0～3
°
，焊具搅拌头的旋转速度为100～2000rpm，焊具搅拌头的行进速度为100～1000mm/min，焊具的轴肩压入量为0.1～0.3mm。
19.进一步地，所述步骤s3中的焊具轴肩直径为t型全阻隔层总高度的2～6倍；所述步
骤s3中焊具的搅拌针长度为比t型全阻隔层总高度短0.1～0.3mm。
20.进一步地，所述步骤4起始焊接位置为t型全阻隔层竖一字部正上方的横一字部处，且搅拌针的中轴线与竖一字部的中心线处于同一条直线上。
21.本发明的通过预置t型全阻隔层焊接高熔点异种金属的方法，与现有技术相比，有益效果为：
22.(1)本发明在焊具与被焊材料接触界面处设置软质t型全阻隔层，避免了焊具的轴肩和搅拌针与高熔点金属之间的直接强烈作用，从而有效降低焊接载荷、弱化焊具磨损、降低焊接产热，抑制焊缝中有害金属间化合物的形成，从而解决了高熔点异种金属焊接时面临的焊接载荷大、焊接产热高、焊具磨损严重、焊缝性能低等问题，实现高熔点异种金属的高质量的可靠焊接。
23.(2)本发明的高熔点异种金属焊接方法操作方便，成本较低，具有良好的可实现性，适用于大范围推广应用。
附图说明
24.图1为本发明通过预置t型全阻隔层焊接高熔点异种金属的方法示意图；
25.图2为本发明t型全阻隔层和初始板材主要尺寸示意图；
26.图3为本发明各实施例所得接头各区域硬度分布曲线图，(a)实施例1，(b)实施例2，(c)实施例3；
27.图4为本发明各实施案例所得接头拉伸断口处x射线衍射图，(a)实施例1，(b)实施例2，(c)实施例3；
28.图5为本发明实施案例所得焊缝后退侧扫描电镜图，(a)实施例1，(b)实施例2，(c)实施例3。
29.附图标记：1-初始板材i，2-初始板材ii，3-t型全阻隔层，4-t型全阻隔层竖一字部，5-焊具搅拌头，6-焊具的轴肩，7-搅拌针，8-后退侧，9-前进侧，10-t型全阻隔层横一字部左侧下表面，11-t型全阻隔层横一字部右侧下表面，12-起始焊接位置，13-t型全阻隔层竖一字部的左侧面，14-t型全阻隔层竖一字部的右侧面，15-初始板材i的上表面，16-初始板材ii的上表面，17-初始板材i的右侧面，18-初始板材ii的左侧面；
30.d-焊具轴肩直径，l-焊具搅拌针长度，d
1-搅拌针根部直径，d
2-搅拌针端部直径，h-t型全阻隔层总高度，h
1-t型全阻隔层竖一字部高度，h
2-t型全阻隔层横一字部高度，w-t型全阻隔层竖一字部宽度，δ-初始板材厚度。
具体实施方式
31.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
32.实施例1
33.一种通过预置t型全阻隔层焊接高熔点异种金属的方法，如图1、2所示，包括以下步骤：
34.步骤1.材料选取：如图1所示，选用t2纯铜作为初始板材i1，选用304镀锌钢作为初
始板材ii2，厚度δ均为1mm；选用7b04铝合金板材，通过铣削工艺得到适用的t型全阻隔层3，预置于待连接的两块初始板材中间，如图2所示，t型全阻隔层3的总高度h为2.8mm，竖一字部4的高度h1为1mm，宽度w为1mm，横一字部高度h2为1.8mm，宽度不小于轴肩直径d，长度不小于焊缝长度；
35.步骤2.焊前准备：如图1所示，将初始板材i1和ii2与t型全阻隔层3进行表面清理后组装，初始板材i1和ii2与t型全阻隔层竖一字部4为对接形式，而t型全阻隔层3的横一字部两侧分别搭接在两块初始板材上；将初始板材i1置于焊缝的后退侧8，初始板材ii2置于前进侧9；t型全阻隔层3的横一字部左侧下表面10与位于下方的初始板材i1的上表面15紧密接触，t型全阻隔层3横一字部右侧下表面11与位于下方的初始板材ii2的上表面16紧密接触，t型全阻隔层竖一字部4的左侧面13与初始板材i1的右侧面17紧密接触，t型全阻隔层竖一字部4的右侧面14与初始板材ii2的左侧面18紧密接触；采用焊接工装将初始板材i1和ii2及t型全阻隔层3一同固定在机床工作台上；
36.步骤3.设置搅拌摩擦焊的焊接参数：焊机主轴倾角2.5
°
，焊具搅拌头5的旋转速度为800rpm，焊具搅拌头5的行进速度为100mm/min，焊具的轴肩6的直径d为12mm，焊具的轴肩6压入量为0.2mm，搅拌针7长度l为2.6mm，根部直径d1为5.12mm，端部直径d2为4.13mm；
37.步骤4.开始焊接：启动机床，使搅拌头5移动至起始焊接位置12，起始焊接位置为t型全阻隔层竖一字部正上方的横一字部处，且搅拌针的中轴线与竖一字部的中心线处于同一条直线上，以800rpm旋转速度扎入t型全阻隔层3，待焊具的轴肩6扎入深度至0.2mm时，搅拌头5以100mm/min的行进速度移动，按照设定轨迹实施焊接。
38.实施例2
39.一种通过预置t型全阻隔层焊接高熔点异种金属的方法，如图1、2所示，包括以下步骤：
40.步骤1.材料选取：如图1所示，选用t2纯铜作为初始板材i1，选用304镀锌钢作为初始板材ii2，厚度δ均为1mm；选用7b04铝合金板材，通过铣削工艺得到适用的t型全阻隔层3，预置于待连接的两块初始板材中间，如图2所示，t型全阻隔层3的总高度h为2.8mm，竖一字部4的高度h1为1mm，宽度w为1mm，横一字部高度h2为1.8mm，宽度不小于轴肩直径d，长度不小于焊缝长度；
41.步骤2.焊前准备：如图1所示，将初始板材i1和ii2与t型全阻隔层3进行表面清理后组装，初始板材i1和ii2与t型全阻隔层竖一字部4为对接形式，而t型全阻隔层3的横一字部两侧分别搭接在两块初始板材上；将初始板材i1置于后退侧8，初始板材ii2置于前进侧9；t型全阻隔层3的横一字部左侧下表面10与位于下方的初始板材i1的上表面15紧密接触，t型全阻隔层3横一字部右侧下表面11与位于下方的初始板材ii2的上表面16紧密接触，t型全阻隔层竖一字部4的左侧面13与初始板材i1的右侧面17紧密接触，t型全阻隔层竖一字部4的右侧面14与初始板材ii2的左侧面18紧密接触；采用焊接工装将初始板材i1和ii2及t型全阻隔层3一同固定在机床工作台上；
42.步骤3.设置搅拌摩擦焊的焊接参数：焊机主轴倾角2.5
°
，焊具搅拌头5的旋转速度为800rpm，焊具搅拌头5的行进速度为200mm/min，焊具的轴肩6的直径d为12mm，焊具的轴肩6压入量为0.2mm，搅拌针7长度l为2.6mm，根部直径d1为5.12mm，端部直径d2为4.13mm；
43.步骤4.开始焊接：启动机床，使搅拌头5移动至起始焊接位置12，起始焊接位置为t
型全阻隔层竖一字部正上方的横一字部处，且搅拌针的中轴线与竖一字部的中心线处于同一条直线上，以800rpm旋转速度扎入t型全阻隔层3，待焊具的轴肩6扎入深度至0.2mm时，搅拌头5以200mm/min的行进速度移动，按照设定轨迹实施焊接。
44.实施例3
45.一种通过预置t型全阻隔层焊接高熔点异种金属的方法，如图1、2所示，包括以下步骤：
46.步骤1.材料选取：如图1所示，选用t2纯铜作为初始板材i1，选用304镀锌钢作为初始板材ii2，厚度δ均为1mm；选用7b04铝合金板材，通过铣削工艺得到适用的t型全阻隔层3，预置于待连接的两块初始板材中间，如图2所示，t型全阻隔层3的总高度h为2.8mm，竖一字部4的高度h1为1mm，宽度w为2mm，横一字部高度h2为1.8mm，宽度不小于轴肩直径d，长度不小于焊缝长度；
47.步骤2.焊前准备：如图1所示，将初始板材i1和ii2与t型全阻隔层3进行表面清理后组装，初始板材i1和ii2与t型全阻隔层竖一字部4为对接形式，而t型全阻隔层3的横一字部两侧分别搭接在两块初始板材上；将初始板材i1置于后退侧8，初始板材ii2置于前进侧9；t型全阻隔层3的横一字部左侧下表面10与位于下方的初始板材i1的上表面15紧密接触，t型全阻隔层3横一字部右侧下表面11与位于下方的初始板材ii2的上表面16紧密接触，t型全阻隔层竖一字部4的左侧面13与初始板材i1的右侧面17紧密接触，t型全阻隔层竖一字部4的右侧面14与初始板材ii2的左侧面18紧密接触；采用焊接工装将初始板材i1和ii2及t型全阻隔层3一同固定在机床工作台上；
48.步骤3.设置搅拌摩擦焊的焊接参数：焊机主轴倾角2.5
°
，焊具搅拌头5的旋转速度为800rpm，焊具搅拌头5的行进速度为200mm/min，焊具的轴肩6的直径d为12mm，焊具的轴肩6压入量为0.2mm，搅拌针7长度l为2.6mm，根部直径d1为5.12mm，端部直径d2为4.13mm；
49.步骤4.开始焊接：启动机床，使搅拌头5移动至起始焊接位置12，起始焊接位置为t型全阻隔层竖一字部正上方的横一字部处，且搅拌针的中轴线与竖一字部的中心线处于同一条直线上，以800rpm旋转速度扎入t型全阻隔层3，待焊具的轴肩6扎入深度至0.2mm时，搅拌头5以200mm/min的行进速度移动，按照设定轨迹实施焊接。
50.焊后检测：
51.实施例1、2、3所得接头焊后测量接头各区域的硬度分布，如图3所示，铜母材的平均硬度为：84.5hv，钢母材的平均硬度为：178.3hv。实施例1的接头中心焊缝区的平均硬度为：151.5hv，最低硬度为：137.6hv，最高硬度为：176hv；实施例2的接头中心焊缝区的平均硬度为：149.9hv，最低硬度为：132.1hv，最高硬度为：153.5hv；实施例3的接头中心焊缝区的平均硬度为：150.7hv，最低硬度为：137.8hv，最高硬度为：175.3hv。三个实施案例所得接头中心焊缝区的硬度值均介于钢母材与铜母材之间。经拉伸试验测试，预置t型全阻隔层焊接的接头焊缝区的平均断裂强度为217.7mpa，接头断裂强度损失在允许范围内。由硬度和拉伸结果，焊接质量良好。
52.使用游标卡尺对三个实施案例的焊具的搅拌针进行测量，焊前长度为2.60mm，焊后长度为2.60mm，基本无磨损。
53.对实施例1、2、3所得接头拉伸断口进行x射线衍射分析，x射线衍射结果如图4所示。对实施例1，化合物主要为al2cu、al4cu9等铝铜化合物，几乎不存在有害的铜钢化合物；
对实施例2，断口处几乎不存在化合物；对实施例3，化合物主要为al2cu、al4cu9等铝铜化合物，几乎不存在有害的铜钢化合物。使用扫描电镜对焊缝进行微观分析，实施例1、2、3的扫描电镜图如图5所示，观察分析并结合x射线衍射分析结果，实施例1在焊缝后退侧仅存在一层厚度为1μm左右的连续铝铜化合物，化合物含量低；而实施例2和3在焊缝后退侧均只存在一层厚度略低于1μm的连续铝铜化合物，化合物含量更低。
54.以上技术方案阐述了本发明的技术思路，不能以此限定本发明的保护范围，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上技术方案所作的任何改动及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。