本發(fā)明涉及一種鋁銅異種金屬旋轉(zhuǎn)摩擦焊接方法，特別涉及一種添加中間層的鋁銅異種金屬旋轉(zhuǎn)摩擦焊接方法。

背景技術(shù)：

鋁、銅異種接頭結(jié)構(gòu)件具有較高的導(dǎo)電率、導(dǎo)熱率、抗腐蝕性能以及良好的機(jī)械加工性能，因此在電子科技及化學(xué)工程等領(lǐng)域有著不可替代的地位。從結(jié)構(gòu)與功能的實現(xiàn)以及經(jīng)濟(jì)的角度來看，鋁、銅異種材料的連接具有重大的研究價值。鋁的密度只有銅的1/3，鋁與銅形成連接件可明顯減輕結(jié)構(gòu)的重量，發(fā)揮各自的優(yōu)點，而且能降低生產(chǎn)成本。但鋁表面極易氧化，所形成的氧化膜十分牢固，導(dǎo)熱和導(dǎo)電性很差，采用機(jī)械連接難以滿足熱、電等使用性能的要求。因此，在實際生產(chǎn)中廣泛采用焊接方法來實現(xiàn)鋁、銅異種金屬的可靠連接。然而，由于鋁、銅的化學(xué)成分、物理性能差別較大(特別是熔點相差423℃，線膨脹系數(shù)相差40％以上)，并且鋁與銅的固態(tài)互溶度很小，在高溫下二者能形成多種金屬間化合物，如AlCu₃、AlCu₂、AlCu及Al₂Cu等，因此，傳統(tǒng)的熔焊方法很難得到優(yōu)質(zhì)的鋁、銅異種金屬接頭。旋轉(zhuǎn)摩擦焊這一固相連接技術(shù)具有焊接時間短、焊接溫度低等優(yōu)點，可以顯著減少鋁、銅異種焊接接頭中金屬間化合物的生成，在鋁、銅異種金屬的焊接研究及應(yīng)用方面提供了新的思路。

文獻(xiàn)“Sahin M.Joining of aluminium and copper materials with friction welding[J].International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2010,49(5):527-534.”利用旋轉(zhuǎn)摩擦焊，在不同的焊接參數(shù)下進(jìn)行了鋁、銅異種接頭的焊接實驗。結(jié)果表明，采用合理的焊接參數(shù)可以獲得強(qiáng)度滿足要求的鋁、銅異種金屬旋轉(zhuǎn)摩擦焊接頭，接頭最大強(qiáng)度為140MPa，為鋁母材金屬強(qiáng)度的70％，銅母材金屬強(qiáng)度的48％，通過對旋轉(zhuǎn)摩擦焊接頭的微觀組織觀察分析發(fā)現(xiàn)，在焊接界面處生成了具有脆硬特性的鋁銅金屬間化合物，該金屬間化合物的生成是導(dǎo)致接頭強(qiáng)度下降的最主要因素。雖然通過優(yōu)化焊接參數(shù)減少了焊接界面處鋁銅金屬間化合物的數(shù)量，獲得了比采用傳統(tǒng)熔焊強(qiáng)度更高的鋁、銅異種金屬摩擦焊接頭，但通過優(yōu)化焊接參數(shù)的途徑無法徹底避免金屬間化合物的生成，這也是導(dǎo)致鋁、銅異種金屬旋轉(zhuǎn)摩擦焊接頭最大強(qiáng)度仍比鋁母材金屬低30％的最主要原因。金屬間化合物的存在不僅影響接頭的強(qiáng)度，而且會增加鋁、銅異種金屬接頭的阻抗，導(dǎo)致電器設(shè)備運行過程中產(chǎn)熱增大及電力的損耗增加，影響電器設(shè)備服役性能。因此有必要提出一種能夠避免金屬間化合物生成的鋁、銅異種金屬摩擦焊方法，從而提高鋁、銅異種金屬結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度、改善其服役性能(減小阻抗、增大導(dǎo)熱率)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有鋁銅異種金屬旋轉(zhuǎn)摩擦焊接方法接頭強(qiáng)度低的不足，本發(fā)明提供一種添加中間層的鋁銅異種金屬旋轉(zhuǎn)摩擦焊接方法。該方法首先將鋁金屬與中間層金屬進(jìn)行旋轉(zhuǎn)摩擦焊接，再將帶有中間層金屬的鋁金屬與銅金屬進(jìn)行旋轉(zhuǎn)摩擦焊接，中間層金屬采用與鋁和銅具有較高固溶度的金屬，焊接過程中，中間層金屬分別向鋁、銅兩側(cè)擴(kuò)散，形成固溶體。雖然鋁、銅也同時向中間層擴(kuò)散，但由于旋轉(zhuǎn)摩擦焊具有焊接時間短、焊接溫度低的特點，因此鋁、銅向中間層的擴(kuò)散物質(zhì)濃度低，不足以形成大量的金屬間化合物，并且旋轉(zhuǎn)摩擦焊在摩擦及頂鍛過程中工件會在軸向位置產(chǎn)生一定長度的縮短量，所以鋁、銅向中間層擴(kuò)散所形成的少量金屬間化合物將以飛邊的形式被擠出，最終獲得的鋁、銅異種金屬摩擦焊接頭中沒有鋁銅金屬間化合物生成，提高了接頭強(qiáng)度。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案：一種添加中間層的鋁銅異種金屬旋轉(zhuǎn)摩擦焊接方法，其特點是包括以下步驟：

步驟一、打磨鋁金屬1、銅金屬3和中間層金屬2的待焊接端面。

步驟二、將鋁金屬1夾持在摩擦焊機(jī)固定端，將中間層金屬2夾持在摩擦焊機(jī)旋轉(zhuǎn)端。設(shè)定焊接參數(shù)為：焊接轉(zhuǎn)速1200～1500rpm，焊接壓力60～80MPa，軸向縮短量5mm，頂鍛壓力100～110MPa，頂鍛時間4～6s。運行摩擦焊機(jī)，進(jìn)行鋁金屬1及中間層金屬2的摩擦焊接。

步驟三、對帶有中間層金屬2的鋁金屬1焊接接頭進(jìn)行加工，保留5mm長度的中間層金屬2。對中間層金屬2端面進(jìn)行打磨、清洗，去除加工過程中殘留的油污、雜質(zhì)。

步驟四、將銅金屬3夾持在摩擦焊機(jī)的旋轉(zhuǎn)端，將帶有5mm長度中間層2的鋁金屬1夾持在摩擦焊機(jī)固定端。設(shè)定焊接參數(shù)為：焊接轉(zhuǎn)速1200rpm，焊接壓力80～90MPa，軸向縮短量5mm，頂鍛壓力100～120MPa，頂鍛時間5～6s，運行摩擦焊機(jī)，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)摩擦焊接。

所述鋁金屬1的材料是1100純鋁或7050鋁合金的任一種。

所述銅金屬3的材料是T2紫銅。

所述中間層金屬2的材料是ZAMAK3鋅合金或鎳金屬的任一種。

本發(fā)明的有益效果是：該方法首先將鋁金屬與中間層金屬進(jìn)行旋轉(zhuǎn)摩擦焊接，再將帶有中間層金屬的鋁金屬與銅金屬進(jìn)行旋轉(zhuǎn)摩擦焊接，中間層金屬采用與鋁和銅具有較高固溶度的金屬，焊接過程中，中間層金屬分別向鋁、銅兩側(cè)擴(kuò)散，形成固溶體。雖然鋁、銅也同時向中間層擴(kuò)散，但由于旋轉(zhuǎn)摩擦焊具有焊接時間短、焊接溫度低的特點，因此鋁、銅向中間層的擴(kuò)散物質(zhì)濃度低，不足以形成大量的金屬間化合物，并且旋轉(zhuǎn)摩擦焊在摩擦及頂鍛過程中工件會在軸向位置產(chǎn)生一定長度的縮短量，所以鋁、銅向中間層擴(kuò)散所形成的少量金屬間化合物將以飛邊的形式被擠出，最終獲得的鋁、銅異種金屬摩擦焊接頭中沒有鋁銅金屬間化合物生成，提高了接頭強(qiáng)度。經(jīng)檢測，接頭強(qiáng)度由背景技術(shù)的140MPa提高到148～300MPa。

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作詳細(xì)說明。

附圖說明

圖1是本發(fā)明添加中間層的鋁銅異種金屬旋轉(zhuǎn)摩擦焊接方法中銅金屬、鋁金屬及中間層金屬安裝示意圖。

圖2是本發(fā)明添加中間層的鋁銅異種金屬旋轉(zhuǎn)摩擦焊接方法中銅金屬、鋁金屬及中間層金屬旋轉(zhuǎn)摩擦焊后的接頭示意圖。

圖中，1-鋁金屬，2-中間層金屬，3-銅金屬。

具體實施方式

以下實施例參照圖1-2。

實施例一：采用ZAMAK3鋅合金中間層的1100純鋁和T2紫銅的旋轉(zhuǎn)摩擦焊接。

步驟1、1100純鋁與ZAMAK3鋅合金中間層的旋轉(zhuǎn)摩擦焊接。

1100純鋁1為直徑20mm、長度90mm的棒材，ZAMAK3鋅合金2為直徑20mm、長度60mm的棒材。待焊端面焊前進(jìn)行精磨處理。焊接時，首先將1100純鋁1夾持于摩擦焊機(jī)固定端，將ZAMAK3鋅合金2夾持于旋轉(zhuǎn)端，設(shè)定焊接參數(shù)為：焊接轉(zhuǎn)速1500rpm，焊接壓力60MPa，軸向縮短量5mm，頂鍛壓力100MPa，頂鍛時間6s。焊后采用線切割對鋁、鋅接頭進(jìn)行加工，保留5mm長度鋅合金層2，并將鋅合金端面進(jìn)行打磨處理。

步驟2、帶中間層的1100純鋁與T2紫銅的旋轉(zhuǎn)摩擦焊接。

T2紫銅3為直徑20mm、長度90mm的棒材，待焊端面焊前進(jìn)行精磨處理，將T2紫銅3夾持于摩擦焊機(jī)旋轉(zhuǎn)端，將鋅合金層2厚度為5mm的1100純鋁1夾持于摩擦焊機(jī)固定端，設(shè)定焊接參數(shù)為：焊接轉(zhuǎn)速1200rpm,焊接壓力80MPa，軸向縮短量5mm，頂鍛壓力100MPa，頂鍛時間6s，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)摩擦焊接。

焊后對焊接接頭進(jìn)行EDS分析，焊接界面兩側(cè)沒有鋁銅金屬間化合物的生成；對鋁、銅異種金屬焊接接頭進(jìn)行拉伸實驗，接頭強(qiáng)度為140～148MPa，接頭均在鋁金屬側(cè)發(fā)生斷裂；

實施例2：采用鎳中間層的7050鋁合金和T2紫銅的旋轉(zhuǎn)摩擦焊接。

步驟1、7050鋁合金與鎳金屬的焊接。

7050鋁合金1為直徑20mm、長度90mm的棒材，鎳金屬2為直徑20mm、長度60mm的棒材。待焊端面焊前進(jìn)行精磨處理。焊接時，首先將7050鋁合金1夾持于摩擦焊機(jī)固定端，將鎳金屬2夾持于摩擦焊機(jī)旋轉(zhuǎn)端，設(shè)定焊接參數(shù)為：焊接轉(zhuǎn)速1200rpm,焊接壓力80MPa，軸向縮短量5mm，頂鍛壓力110MPa，頂鍛時間4s。焊后采用線切割對接頭進(jìn)行加工，保留5mm長度鎳金屬2，并將端面進(jìn)行打磨處理。

步驟2、帶中間層的7050鋁合金與T2紫銅的旋轉(zhuǎn)摩擦焊接。

T2紫銅3為直徑20mm、長度90mm的棒材，，待焊端面焊前進(jìn)行精磨處理。將T2紫銅3夾持于摩擦焊機(jī)旋轉(zhuǎn)端，將帶有鎳金屬2厚度為5mm的7050鋁合金1夾持于摩擦焊機(jī)固定端，設(shè)定焊接參數(shù)為：焊接轉(zhuǎn)速1200rpm,焊接壓力90MPa，軸向縮短量5mm，頂鍛壓力120MPa，頂鍛時間5s，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)摩擦焊接。

焊后對接頭進(jìn)行EDS分析，焊接界面兩側(cè)沒有鋁銅金屬間化合物的生成；對焊接接頭進(jìn)行拉伸實驗，接頭抗拉強(qiáng)度為280～300MPa，接頭均在鋁金屬側(cè)發(fā)生斷裂。