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CN111975153A - 锁底结构搅拌摩擦焊接方法 - Google Patents

锁底结构搅拌摩擦焊接方法 Download PDF

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CN111975153A
CN111975153A CN202010712836.XA CN202010712836A CN111975153A CN 111975153 A CN111975153 A CN 111975153A CN 202010712836 A CN202010712836 A CN 202010712836A CN 111975153 A CN111975153 A CN 111975153A
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CN
China
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friction stir
stir welding
stirring tool
welding method
laser beam
Prior art date
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Application number
CN202010712836.XA
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English (en)
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汤化伟
崔凡
李文亚
邹阳帆
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Northwestern Polytechnical University
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Northwestern Polytechnical University
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Abstract

本发明一种锁底结构搅拌摩擦焊接方法，属于焊接技术领域；该方法主要用于锁底结构焊接，利用搅拌工具与母材摩擦以及激光束作用在搅拌工具上产生的双重热量作为焊接热源，其中锁底结构中的对接面通过搅拌摩擦焊进行焊接，搭接面通过双重热源熔化放置在搭接界面中的钎料实现自钎焊。该方法可同时实现锁底结构对接面的搅拌摩擦焊和搭接面的自钎焊，此外通过双重热源可将焊接温度提高至500℃以上，扩大了钎料选择范围。可以根据产品不同工艺性能需求选择适宜的钎料，能够有效提高接头的力学性能、耐腐蚀性等。

Description

锁底结构搅拌摩擦焊接方法
技术领域
本发明属于焊接技术领域，具体涉及一种锁底结构搅拌摩擦焊接方法。
背景技术
冷却面板作为一种单流体(气体或液体)热交换器，通常选用铝合金、铜合金等材料制作，具有散热效率高、温度梯度小等特点，在电力电子、航空航天、船舶等领域有着广阔的应用前景，是各类高功率电子设备的理想散热元件。
冷却面板主要由底板和盖板组成，采用锁底结构进行焊接。锁底结构是一种在焊缝背部无法施加刚性垫板的情况下，采用的特殊焊接结构。焊缝一侧母材加工出工艺台阶作为焊缝背部支撑，该结构具有对接接头以及搭接接头的双重特征。锁底结构目前广泛应用于冷却面板的焊接。
搅拌摩擦焊作为一种新型的绿色固相焊接技术，能避免熔焊过程中产生的气孔、裂纹等缺陷，是冷却面板的理想焊接方法。但是由于焊接原理的原因，采用传统的搅拌摩擦焊技术进行冷却面板锁底结构的焊接只能焊接对接面，搭接面无法进行全部焊接。因此，现有焊接方法一方面在搭接面处会形成“Hook”缺陷，降低接头力学性能，另一方面在搭接面处会形成缝隙，后续导电氧化时易进入腐蚀液，存在腐蚀风险。
文献1“申请公布号是CN104923927A的中国发明专利”公布了一种用于异种金属搭接结构的搅拌摩擦焊-钎焊复合焊接方法。该方法通过在异种金属板材之间放置低熔点软钎料，利用搅拌工具与母材摩擦产生的摩擦热使钎料熔化，实现搭接界面的钎焊。该焊接方法焊接热源单纯依靠搅拌摩擦焊产生的摩擦热，焊接过程中的温度一般不超过500℃，只能选用熔点较低的软钎料(如Zn基钎料)，进行搭接界面的钎焊。因软钎料焊接后接头的力学性能较低，并且选择范围较窄。因此，无法满足实际生产中各种工艺性能需求，如力学性能、耐腐蚀性等。
因此，为解决上述问题，特提供一种新的技术方案。
发明内容
要解决的技术问题：
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种锁底结构搅拌摩擦焊接方法，该方法主要用于锁底结构焊接，锁底结构中的对接面通过搅拌工具的机械搅拌和激光束的热作用实现焊接；搭接面通过搅拌工具与母材摩擦、激光束的热作用形成双重热源，熔化放置在搭接界面中的钎料实现自钎焊，可有效解决搭接面“Hook”缺陷技术难题，提高接头力学性能。此外，通过双重热源可将焊接温度提高至500℃以上，将钎料选择范围由软钎料扩展至硬钎料。可以根据产品特殊工艺性能需求选择适宜的钎料。
本发明的技术方案是：一种锁底结构搅拌摩擦焊接方法，其特征在于具体步骤如下：
步骤一：加工锁底结构的底板和盖板，底板一侧加工出工艺台阶，盖板的厚度比工艺台阶的台阶高度薄0.1mm～0.2mm；
步骤二：将钎料填充于底板与盖板装配后的搭接面中；
步骤三：采用中心带盲孔的搅拌工具对底板与盖板的对接面进行焊接，在焊接过程中，将激光束沿盲孔轴向打入，并在盲孔内进行多次反射，直至激光束能量被搅拌工具吸收转化为热能，搅拌工具再通过热传导方式将热量传递至母材。
步骤四：锁底结构中的对接面通过搅拌工具的机械搅拌和激光束的热作用实现焊接；搭接面通过搅拌工具与母材摩擦、激光束的热作用形成双重热源，熔化放置在搭接界面中的钎料实现自钎焊。
本发明的进一步技术方案是：所述步骤二中，能够选用熔点为500℃以上的软钎料，或者是熔点为500℃以下的硬钎料，所述钎料熔点在双重热源产生的温度以下。
本发明的进一步技术方案是：所述步骤二中，钎料采用箔、粉末状态直接填充，或通过电镀、喷涂的方式进行填充。
本发明的进一步技术方案是：所述步骤三中，搅拌工具的材质为高熔点合金，高温合金、耐热钢或热作磨具钢。
本发明的进一步技术方案是：所述步骤三中，搅拌工具的盲孔内壁为弧形，增加局部对激光的漫反射，以提高加热效率。
本发明的进一步技术方案是：所述步骤三中，搅拌工具的盲孔直径大于激光束直径，并小于搅拌针直径；所述盲孔深度能够到达搅拌针区域。
本发明的进一步技术方案是：所述步骤三中，激光束加热应至少包括聚焦、正离焦或负离焦方式；通过调节激光束输出波形以及正负离焦量进行精确调控，输出波形包括功率幅值和脉冲。
有益效果
本发明的有益效果在于：本发明的锁底结构搅拌摩擦焊接方法主要用于锁底结构焊接，该方法可同时实现锁底结构对接面和搭接面的焊接，有效解决搭接面“Hook”缺陷技术难题，接头抗拉强度可提高40％以上。此外，通过双重热源可将焊接温度提高至500℃以上，将钎料选择范围由软钎料扩展至硬钎料。可以根据产品特殊工艺性能需求选择适宜的钎料，如选择铝基钎料提升产品耐腐蚀性。
附图说明
图1是本发明实施例的锁底结构搅拌摩擦焊接方法焊前装配的示意图。
图2是本发明实施例的锁底结构搅拌摩擦焊接方法焊接过程的示意图。
附图标记说明：1底板、2盖板、3对接面、4搭接面、5钎料、6搅拌工具、7激光束、8盲孔、9搅拌针。
具体实施方式
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
以下将结合图1～图2对本发明的锁底结构搅拌摩擦焊接方法作进一步的详细描述。
具体实施方式一：
1)加工锁底结构的底板和盖板；
参见图1，加工锁底结构底板1和盖板2，所述底板1与所述盖板2装配后形成对接面3和搭接面4；盖板2的厚度比工艺台阶的台阶高度薄0.1mm，用于预留搭接面4装配间隙，以填充钎料5；
2)将钎料5填充于底板1与盖板2装配后的搭接面4中，如图1所示。
3)采用中心带盲孔8的搅拌工具6对底板1与盖板2的对接面3进行焊接，搅拌工具6中心盲孔8深度要到达搅拌针9，盲孔8内壁为弧形。在焊接过程中，将激光束7沿盲孔8轴向打入，并在盲孔8内进行多次反射，直至大部分能量被搅拌工具6吸收转化为热能，搅拌工具6再通过热传导方式将热量传递至母材。
4)锁底结构中的对接面3通过搅拌工具6的机械搅拌和激光束7的热作用实现焊接；搭接面4通过搅拌工具6与母材摩擦、激光束7的热作用形成双重热源，熔化放置在搭接面4中的钎料5实现自钎焊。
具体实施方式二：本实施方式为对实施方式一的进一步限定，本实施方式中母材可以采用铝合金、镁合金、铜合金等有色金属，也可以对异种材料金属实施焊接。其他与实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式为对实施方式一的进一步限定，本实施方式中钎料5选用熔点为500℃以上的软钎料，或者是熔点为500℃以下的硬钎料，所述钎料5熔点在双重热源产生的温度以下。其他与实施方式一相同。
具体实施方式四：本实施方式为对实施方式一的进一步限定，本实施方式中钎料5可采用粉末状态直接填充，或通过电镀、喷涂的方式进行填充。其他与实施方式一相同。
具体实施方式五：本实施方式为对实施方式一的进一步限定，本实施方式中搅拌工具6的材质为高熔点合金，高温合金、耐热钢或热作磨具钢。其他与实施方式一相同。
具体实施方式六：本实施方式为对实施方式一的进一步限定，本实施方式中激光束7加热应至少包括聚焦、正离焦或负离焦方式。通过调节激光束7输出波形(功率幅值、脉冲)以及正负离焦量进行精确调控。其他与实施方式一相同。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种锁底结构搅拌摩擦焊接方法，其特征在于具体步骤如下：
步骤一：加工锁底结构的底板和盖板，底板一侧加工出工艺台阶，盖板的厚度比工艺台阶的台阶高度薄0.1mm～0.2mm；
步骤二：将钎料填充于底板与盖板装配后的搭接面中；
步骤三：采用中心带盲孔的搅拌工具对底板与盖板的对接面进行焊接，在焊接过程中，将激光束沿盲孔轴向打入，并在盲孔内进行多次反射，直至激光束能量被搅拌工具吸收转化为热能，搅拌工具再通过热传导方式将热量传递至母材；
步骤四：锁底结构中的对接面通过搅拌工具的机械搅拌和激光束的热作用实现焊接；搭接面通过搅拌工具与母材摩擦、激光束的热作用形成双重热源，熔化放置在搭接界面中的钎料实现自钎焊。
2.根据权利要求1所述锁底结构搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：所述步骤二中，能够选用熔点为500℃以上的软钎料，或者是熔点为500℃以下的硬钎料，所述钎料熔点在双重热源产生的温度以下。
3.根据权利要求1所述锁底结构搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：所述步骤二中，钎料采用箔、粉末状态直接填充，或通过电镀、喷涂的方式进行填充。
4.根据权利要求1所述锁底结构搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：所述步骤三中，搅拌工具的材质为高熔点合金，高温合金、耐热钢或热作磨具钢。
5.根据权利要求1所述锁底结构搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：所述步骤三中，搅拌工具的盲孔内壁为弧形，增加局部对激光的漫反射，以提高加热效率。
6.根据权利要求1所述锁底结构搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：所述步骤三中，搅拌工具的盲孔直径大于激光束直径，并小于搅拌针直径；所述盲孔深度能够到达搅拌针区域。
7.根据权利要求1所述锁底结构搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：所述步骤三中，激光束加热应至少包括聚焦、正离焦或负离焦方式；通过调节激光束输出波形以及正负离焦量进行精确调控，输出波形包括功率幅值和脉冲。
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