【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种制备强韧化异质复合接头的装置及方法，属于固相焊接与连接。
技术介绍
1、交通运输、航空航天、船舶等行业为了减轻运载工具重量、降低燃料消耗和温室气体排放量，越来越多地使用异种金属复合承力结构，如铝/钢、铝/钛，铝/铜等，对异种金属焊接技术需求越来越旺盛。以铝/钢为例，如在船舶上采用铝-钢复合材料，可起到稳固连接甲板钢材料和船舱铝合金的作用，从而保证船舶的安全运行。但是，铝合金与钢的物理、化学性能差别较大，采用传统熔化焊无法实现两种材料的有效连接，其主要原因在于室温下铁在铝中的溶解度极低，易反应生成多种高硬度金属间化合物，一直是焊接领域的一大难题。控制接头界面处imcs的生成及其尺度，是成功进行异质焊接的关键。异质材料连接可分为机械连接、熔化焊、钎焊和固相焊。其中，机械连接方法尽管不会在界面产生imcs，但会带来附加重量，对结构减重不利；熔化焊以界面高热输入为主，极易导致界面化合物的增厚；钎焊很难获得高强度的焊接接头且钎料的存在常导致耐腐蚀性变差；固相焊方法焊接时母材不熔化，可以很好地控制界面imcs的生成，适用于异质材料的连接。
2、当前，对于异质材料的固相连接，提升性能的主要方式为调控界面化合物形态和改变异质材料界面结构。一种方式是通过在异质材料界面加入过渡层改善界面化合物形态，如在铝/钢复合板制造过程中加入钛合金过渡层，避免了铝铁化合物的生产，但是材料内部将出现两个异质界面，间接地增加了铝/钢复合结构界面组织的调控难度及其失效风险。另一种主要方式是在异质材料较硬材料侧进行孔或槽的制造，增强异质材料
3、因此，亟需开发新型焊接技术，以实现异质材料焊接接头的强韧化和密封性等要求，为异质材料可靠制造提供技术支持与指导。
技术实现思路
1、本专利技术为解决铝/钢、铝/钛等异种材料焊接单一界面结合弱、传统焊铆结构设计难填充等导致的强韧性和密封性差的问题，进而提出一种搅拌摩擦铆焊制备强韧化异质复合接头的装置及方法。
2、本专利技术为解决上述问题采取的技术方案是：本专利技术所述一种搅拌摩擦铆焊制备强韧化异质复合接头的装置包括成形复合装置、宏微观多尺度结构和专用焊材；
3、成形复合装置由工作部和冷金属过渡焊机组成，宏微观多尺度结构由钢板和铝板组成，专用焊材设置在钢板和铝板之间，工作部和冷金属过渡焊机的焊枪设置在专用焊材的上方。
4、进一步的，工作部包括同步旋转表面精加工铣刀、内凹型轴肩、同轴主动搅拌针和多个偏心从动搅拌针；
5、内凹型轴肩固定在同步旋转表面精加工铣刀的下表面，同轴主动搅拌针设置在内凹型轴肩下表面的中部，多个偏心从动搅拌针沿圆周方向设置在内凹型轴肩的下表面。
6、本专利技术所述一种搅拌摩擦铆焊制备强韧化异质复合接头的方法的步骤具体包括：
7、步骤1、依据铝/钢材质和焊接接头性能需求，选取合适的冷金属过渡焊机，并设计选用焊材，使实现界面组织的设计与调控；
8、步骤2、设计并制造增强界面冶金与驱动材料强流动的工作部，所述工作部包含外部同步旋转表面精加工铣刀，内凹形轴肩、同轴主动搅拌针和偏心从动搅拌针，依据板材尺寸和性能，按工作部设计形状与尺寸以及两个从动搅拌针的空间分布，在热机耦合作用下驱动材料填充宏微观多尺度结构，并增强水平和垂直方向的界面冶金结合；
9、步骤3、在钢板待焊表面位置机械加工预制毫米级凹槽，凹槽深度不大于钢板厚度，并在对接面制备坡口，用于增强铝/钢对接面接触面积；在高纯氩气环境中，采用激光毛化在钢板宏观凹槽底面和侧面、凹槽外侧钢板表面、以及坡口表面制备微观微米级刻痕，氩气环境防止表面氧化阻碍冶金反应，微米级刻痕增强铝/钢界面微观机械互锁效应；
10、步骤4、焊接前，采用对接配置形式，将具有宏微观多尺度结构的钢板与铝合金板材平放在工作台上，并在钢板和铝合金板之间设置一定的间隙，保证冷金属过渡沉积焊丝可充分填充坡口区域，使用约束工装加持铝板和钢板，保证焊接界面接触状态与装配精度；
11、步骤5、焊接时，将冷金属过渡沉积焊枪置于铝/钢对界面正上方，专用焊丝逐步送进，通过焊枪的逐步摆动，将焊丝熔化，沉积并填充至对接坡口间隙以及宏微观凹槽内部，直至焊缝表面形成一定的余高，焊枪继续前进，完成对接坡口的逐步填充；
12、步骤6、当冷金属过渡沉积与搅拌摩擦处理完成后，获得强韧化异质复合接头。
13、进一步的，冷金属过渡沉积焊枪输出功率为1000-3000w，焊接电压为20-40v，焊接电流为10-100a。
14、进一步的，工作部内凹形轴肩直径较偏心从动搅拌针中心到内凹轴肩中心距离大1-10mm，偏心从动搅拌针中心距内凹轴肩中心较主动搅拌针半径大2-10mm；同轴主动搅拌针长度较偏心从动搅拌针大0.5-5mm；内凹轴肩直径为铝合金板厚的3～5倍。
15、进一步的，宏观凹槽深度为0.5-10mm，凹槽宽度为2-20mm，槽底面与侧面夹角为30～150°，多宏观凹槽焊接时，凹槽宽度为1-200mm；微观激光刻痕深度为1-100μm，刻痕宽度为1-100μm，刻痕间距为1-5000μm；钢侧坡口角度为5-90°。
16、进一步的，工作部的主轴旋转速度为10～10000rpm，焊接速度为1～5000mm/min，焊具倾角范围为0°～5°，搅拌摩擦高精度成形工作部内凹轴肩扎入铝合金板的压入量为0-1mm；搅拌摩擦高精度成形工作部与冷金属过渡焊机之前的距离为5-500mm。
17、本专利技术的有益效果是：
18、1、本专利技术兼顾“机械互锁+界面冶金”的双重模式，通过在钢侧宏微观多尺度结构和坡口设计，增强异质材料之间的宏微观机械互锁和界面反应，显著提高接头强度与韧性；
19、2、冷金属过渡沉积有效补充了宏微观凹槽和刻痕填充所需材料，增大异质接头界面结合面积，促使水平和垂直方向形成界面冶金连接，显著高于传统单一焊接冶金界面承载，有效保证异质接头结构各向承载；进一步避免了上板材料填充导致的焊缝减薄问题，实现了接头的等厚大承载设计；同时，冷金属过渡沉积过程的热效应可软化钢侧材料，降低搅拌摩擦高精度成形工作部的磨损，延长其使用寿命；
20、3、专用焊材设计涵盖了可异质界面剧烈反应的合金元素，有效异质界面反应层的生长，并可强化铝/钢对接间隙焊缝；制备异质接头界面主要为单纯的非晶组织或极薄的金属间化合物层，避免了传统钎焊引入的其他元素导致的腐蚀性差的问题；
21、4、同轴主动搅拌针和偏心从动搅拌针设计不仅有利于破碎铝/钢垂直和水平界面反应层，并使其弥散分布，而且可转变焊缝内部组本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种搅拌摩擦铆焊制备强韧化异质复合接头的装置，其特征在于，包括成形复合装置(1)、宏微观多尺度结构(2)和专用焊材(3)；
2.根据权利要求1所述的一种搅拌摩擦铆焊制备强韧化异质复合接头的装置，其特征在于，工作部(1)包括同步旋转表面精加工铣刀(10101)、内凹型轴肩(10102)、同轴主动搅拌针(10103)和多个偏心从动搅拌针(10104)；
3.一种搅拌摩擦铆焊制备强韧化异质复合接头的方法，其特征在于，具体步骤包括：
4.根据权利要求3所述的一种搅拌摩擦铆焊制备强韧化异质复合接头的方法，其特征在于，冷金属过渡沉积焊枪(10201)输出功率为1000-3000W，焊接电压为20-40V，焊接电流为10-100A。
5.根据权利要求3所述的一种搅拌摩擦铆焊制备强韧化异质复合接头的方法，其特征在于，工作部(101)内凹形轴肩(10102)直径较偏心从动搅拌针(10104)中心到内凹轴肩(10102)中心距离大1-10mm，偏心从动搅拌针(10104)中心距内凹轴肩(10102)中心较主动搅拌针(10103)半径大2-10mm；
6.根据权利要求3所述的一种搅拌摩擦铆焊制备强韧化异质复合接头的方法，其特征在于，宏观凹槽深度为0.5-10mm，凹槽宽度为2-20mm，槽底面与侧面夹角为30～150°，多宏观凹槽焊接时，凹槽宽度为1-200mm；微观激光刻痕深度为1-100μm，刻痕宽度为1-100μm，刻痕间距为1-5000μm；钢侧坡口角度为5-90°。
7.根据权利要求3所述的一种搅拌摩擦铆焊制备强韧化异质复合接头的方法，其特征在于，工作部(101)的主轴旋转速度为10～10000rpm，焊接速度为1～5000mm/min，焊具倾角范围为0°～5°，搅拌摩擦高精度成形工作部(101)内凹轴肩(10102)扎入铝合金板(202)的压入量为0-1mm；搅拌摩擦高精度成形工作部(101)与冷金属过渡焊机(102)之前的距离为5-500mm。
...【技术特征摘要】
1.一种搅拌摩擦铆焊制备强韧化异质复合接头的装置，其特征在于，包括成形复合装置(1)、宏微观多尺度结构(2)和专用焊材(3)；
2.根据权利要求1所述的一种搅拌摩擦铆焊制备强韧化异质复合接头的装置，其特征在于，工作部(1)包括同步旋转表面精加工铣刀(10101)、内凹型轴肩(10102)、同轴主动搅拌针(10103)和多个偏心从动搅拌针(10104)；
3.一种搅拌摩擦铆焊制备强韧化异质复合接头的方法，其特征在于，具体步骤包括：
4.根据权利要求3所述的一种搅拌摩擦铆焊制备强韧化异质复合接头的方法，其特征在于，冷金属过渡沉积焊枪(10201)输出功率为1000-3000w，焊接电压为20-40v，焊接电流为10-100a。
5.根据权利要求3所述的一种搅拌摩擦铆焊制备强韧化异质复合接头的方法，其特征在于，工作部(101)内凹形轴肩(10102)直径较偏心从动搅拌针(10104)中心到内凹轴肩(10102)中心距离大1-10mm，偏心从动搅拌针(10104)中心距内凹轴肩(10...
【专利技术属性】
技术研发人员：孟祥晨，王伟，高嘉泽，谢聿铭，杭春进，黄永宪，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：
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