專利名稱：一種適用于顆粒增強鋁基復合材料連接的超聲輔助半固態攪拌摩擦焊接方法
技術領域：
本發明涉及一種焊接方法，特別是一種適用于顆粒增強鋁基復合材料連接的超聲輔助半固態攪拌摩擦焊接方法，屬于材料連接技術領域。
背景技術：
由于具有高比強度、高耐磨性、可熱處理性好、制備工藝靈活等優點，顆粒增強鋁基復合材料在航空、航天、軍事、汽車、電子等領域有著廣泛的應用前景。作為新一代的先進工程材料，顆粒增強鋁基復合材料的焊接問題是目前國內外學者的研究熱點。從目前的研究現狀來看，所有適用于鋁合金的焊接方法均可適用于鋁基復合材料的焊接，但由于基本鋁合金與增強相之間的物理性能的差異以及熱力學的不穩定性，利用常規熔焊方法很難獲得高質量的焊接接頭。攪拌摩擦焊是英國焊接研究所在1991年發明的一種固相連接技術，具有低變形、高強度、無常規熔焊缺陷與綠色無污染等優點，它的出現在顆粒增強鋁基復合材料的連接提供了一條新的思路。在鋁基復合材料中SiC等增強相的硬度非常高，如果利用采用普通材料制作攪拌工具的話，在焊接后期攪拌摩擦頭的磨損會非常嚴重，甚至會有折斷的危險，因此，有人提出利用GT35鋼結硬質合金來制造攪拌針，但GT35鋼結硬質合金的價格非常昂貴，不利于攪拌摩擦焊技術在顆粒增強鋁基復合材料中推廣與應用。

發明內容
本發明為了解決現有常規攪拌摩擦焊技術在連接顆粒增強鋁基復合材料時存在攪拌工具磨損嚴重且攪拌工具的制造成本高等缺點，提出一種基于軸肩固定、 攪拌針高速旋轉且振動的超聲輔助半固態攪拌摩擦焊方法。為實現上述目的，本發明采用的技術方案是一種適用于顆粒增強鋁基復合材料連接的超聲輔助半固態攪拌摩擦焊接方法，具體采用以下步驟步驟一、將焊件A和焊件B對接放置且位于同一水平面上，并用夾具裝夾在工作臺上。步驟二、組成攪拌工具的攪拌針呈鋸齒狀，其最大直徑大于I. 5倍工件厚度且錐角小于5°，攪拌針以1000 5000rpm的轉速扎入待焊部位；組成攪拌工具的軸肩固定，且軸肩直徑大于2倍的工件厚度；超聲換能器的超聲波通過與超聲變幅桿相聯的攪拌針直接傳遞到待焊接區內部，超聲波的參數如下頻率為16 60K以及振幅為20 50 μ m ;攪拌工具扎入速度為I 4mm/min，攪拌針扎入工件深度比工件厚度小O. I O. 3mm，軸肩不扎入工件，保持軸肩端面與工件上表面緊密貼合，以便于改善焊縫表面的質量并減少接頭的強度損失。步驟三、當攪拌工具達到設定的下扎深度時，攪拌針停止下扎且繼續旋轉I 5分鐘；然后，攪拌工具以50 1000mm/min的速度沿著焊件A與焊件B的對接面水平方向移動，直到焊接完成為止。本發明的有益效果是一、攪拌針高速旋轉且振動與焊接件相互摩擦為待焊部分提供大量的熱，導致材料溫度介于固相線與液相線溫度之間(即半固態溫度)，使得攪拌針附近材料的軟化程度加大，旋轉扭轉與前進阻力相應的減少，可有效防止隧道、S形線等缺陷的產生以及降低了對裝夾工具和攪拌工具的要求，適用于顆粒增強鋁基復合材料的焊接。二、攪拌工具的軸肩固定且不扎入工件表面，對處于軟化狀態下的焊接材料進行碾壓，可防止攪拌區材料流出焊件，避免飛邊缺陷的產生，使焊件的表面質量更好，大大提高了焊接頭的力學性能。三、將攪拌針、超聲變幅桿及超聲換能器做成一個整體，攪拌針的錐角較小且成鋸齒狀，可增加與待焊材間的接觸面積，都有利于超聲波有效地放大并傳遞到焊接部分的內部，利用超聲波的特性來細化晶粒以及減少焊材對攪拌針的磨損作用，提高接頭性能，推動焊接技術在顆粒增強鋁基復合材料中的應用。


圖I是攪拌工具的結構示意圖。圖2是適用于顆粒增強鋁基復合材料連接的超聲輔助半固態攪拌摩擦焊接過程示意圖。圖3是攪拌摩擦焊接過程攪拌工具與兩塊待焊板材的位置關系示意圖。
具體實施例方式如圖I所示攪拌針I、超聲變幅桿3及超聲換能器4被做成一個整體，有效的將超聲波放大并傳遞到待焊部分；攪拌工具5由攪拌針I、固定軸肩2、超聲變幅桿3及超聲換能器4組成，固定軸肩2套裝在攪拌針I上，其中攪拌針I的錐角較小且成鋸齒狀，可增加與焊材間的接觸面積，進而提高了超聲波的影響效能和提高待焊接部分的溫度。如圖2所示將焊件A6和焊件B7對接放置且位于同一水平面上(即將焊件A6與焊件B7組對)，所述焊件A6和焊件B7均為板材。如圖3所示固定軸肩2的下端面與待焊件的上表面保持緊密貼合但不扎入，攪拌針I的扎入深度為H，焊接件A6與焊接件B7的厚度均為T。實施例一本實施方式所述的一種適用于顆粒增強鋁基復合材料連接的超聲輔助半固態攪拌摩擦焊工藝方法是按照以下步驟實現的步驟一、將焊件A6和焊件B7對接放置且位于同一水平面上(即將焊件A6與焊件 B7組對))，并用夾具裝夾在工作臺上；所述焊件A6和焊件B7均為板材。步驟二、組成攪拌工具5的攪拌針I呈鋸齒狀，最大直徑大于I. 5倍工件厚度，且錐角小于5°，以1000 5000rpm的轉速扎入待焊部位(即焊件A6與焊件B7的對接面); 組成攪拌工具5的軸肩2固定(即不旋轉)且軸肩直徑大于2倍的工件厚度；超聲換能器 4的超聲波通過與超聲變幅桿3相聯的攪拌針I直接傳遞到待焊接區內部，超聲波的參數如下頻率為16 60K以及振幅為20 50 μ m ;攪拌工具5扎入速度為I 4mm/min，攪拌針 I扎入工件深度比工件厚度小O. I O. 3mm，軸肩2不扎入工件，保持軸肩端面與工件上表面緊密貼合，以便于改善焊縫表面的質量并減少接頭的強度損失。步驟三、當攪拌工具5達到設定的下扎深度時，攪拌針I停止下扎且繼續旋轉I 5分鐘；然后，攪拌工具4以50 2500mm/min的速度沿著焊件A6與焊件B7的對接面水平方向移動，直到焊接完成為止。
實施例二本實施方式在步驟二中，所述的攪拌針的旋轉速度為3000 5000rpm。可根據焊件A6與焊件B7以及焊接過程中的溫度的具體情況來選擇攪拌針的旋轉速度，使工件達到半固態。其它步驟與實施例一方案相同。實施例三本實施方式在步驟二中，所述的超聲波頻率為40K 60K。可根據焊件A6與焊件 B7的具體情況以及攪拌針I的磨損情況來選擇超聲波的頻率，使焊核及其附近區域的晶粒得到充分細化，提高接頭性能。其它步驟與實施例一方案相同。實施例四本實施方式在步驟三中，所述的攪拌工具5以50 200mm/min的速度沿著水平方向移動。可根據焊件A6與焊件B7以及焊接過程中的溫度具體情況來選擇攪拌工具的移動速度，使工件達到半固態。其它步驟與實施例一方案相同。實施例五本實施方式在步驟三中，所述的當攪拌工具5達到設定的下扎深度時，攪拌針I停止下扎且繼續旋轉4 5分鐘。可根據焊件A6與焊件B7以及焊接過程中的溫度的具體情況來選擇攪拌針的繼續旋轉時間，使工件得到充分的預熱，使工件更容易達到半固態。其它步驟與實施例四方案相同。
權利要求
1.一種適用于顆粒增強鋁基復合材料連接的超聲輔助半固態攪拌摩擦焊接方法，具體采用以下步驟步驟一、將焊件A和焊件B對接放置且位于同一水平面上，并用夾具裝夾在工作臺上；步驟二、組成攪拌工具的攪拌針呈鋸齒狀，其最大直徑大于I. 5倍工件厚度且錐角小于5°，攪拌針以1000 5000rpm的轉速扎入待焊部位；組成攪拌工具的軸肩固定，且軸肩直徑大于2倍的工件厚度；超聲換能器的超聲波通過與超聲變幅桿相聯的攪拌針直接傳遞到待焊接區內部，超聲波的參數如下頻率為16 60K以及振幅為20 50 μ m ;攪拌工具扎入速度為I 4mm/min，攪拌針扎入工件深度比工件厚度小O. I O. 3mm，軸肩不扎入工件，保持軸肩端面與工件上表面緊密貼合；步驟三、當攪拌工具達到設定的下扎深度時，攪拌針停止下扎且繼續旋轉I 5分鐘； 然后，攪拌工具以50 1000mm/min的速度沿著焊件A與焊件B的對接面水平方向移動，直到焊接完成為止。
2.如權利要求I所述的一種適用于顆粒增強鋁基復合材料連接的超聲輔助半固態攪拌摩擦焊接方法，其特征在于所述的焊件A和焊件B均為板材。
3.如權利要求I所述的一種適用于顆粒增強鋁基復合材料連接的超聲輔助半固態攪拌摩擦焊接方法，其特征在于所述的攪拌工具由攪拌針、固定軸肩、超聲變幅桿及超聲換能器組成，固定軸肩套裝在攪拌針上，攪拌針、超聲變幅桿及超聲換能器為一個整體。
4.如權利要求I所述的一種適用于顆粒增強鋁基復合材料連接的超聲輔助半固態攪拌摩擦焊接方法，其特征在于在步驟二中，攪拌針的旋轉速度為3000 5000rpm。
5.如權利要求I所述的一種適用于顆粒增強鋁基復合材料連接的超聲輔助半固態攪拌摩擦焊接方法，其特征在于在步驟二中，所述的超聲波頻率為40K 60K。
6.如權利要求I所述的一種適用于顆粒增強鋁基復合材料連接的超聲輔助半固態攪拌摩擦焊接方法，其特征在于在步驟三中，所述的攪拌工具以50 200mm/min的速度沿著水平方向移動。
7.如權利要求6所述的一種適用于顆粒增強鋁基復合材料連接的超聲輔助半固態攪拌摩擦焊接方法，其特征在于在步驟三中，所述的當攪拌工具達到設定的下扎深度時，攪拌針停止下扎且繼續旋轉4 5分鐘。
全文摘要
一種基于攪拌工具旋轉且振動的適用于顆粒增強鋁基復合材料連接的超聲輔助半固態攪拌摩擦焊工藝法，解決了現有常規攪拌摩擦焊技術在連接顆粒增強鋁基復合材料時存在攪拌工具磨損嚴重且攪拌工具的制造成本高等問題。將焊件A和焊件B對接裝夾在工作臺上；攪拌工具的攪拌針以1000～5000rpm的轉速扎入待焊部位，攪拌工具的固定軸肩不旋轉且不扎入工件，保持固定軸肩的下端面與工件上邊面緊密貼合；超聲換能器的超聲波通過與超聲變幅桿相聯的攪拌針直接傳遞到待焊接區內部；當攪拌工具達到設定的下扎深度時，攪拌工具以50～1000mm/min的速度沿著焊縫方向移動。本發明有效的將超聲波傳遞到待焊接部分，不僅細化了攪拌區的晶粒還可大大降低攪拌針的磨損。
文檔編號B23K20/12GK102581473SQ20121006001
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月8日 優先權日2012年3月8日
發明者呂贊, 姬書得, 岳玉梅, 張利國, 李亮, 許志武 申請人:沈陽航空航天大學