專利名稱：防止鋁合金攪拌摩擦焊縫晶粒在熱處理中反常長大的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于焊接領域，具體涉及一種防止鋁合金攪拌摩擦焊接接頭焊縫區(qū)晶粒在焊后熱處理過程中發(fā)生反常長大的方法。
背景技術：
攪拌摩擦焊接的基本原理如歐洲專利EP0615480-B1所述，在攪拌摩擦焊接過程中，利用高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭與工件摩擦產(chǎn)生的熱量使被焊材料局部塑化，當攪拌頭沿著焊接界面向前移動時，塑化材料在攪拌頭的轉(zhuǎn)動摩擦力作用下由攪拌頭的前部移向后部，并在攪拌頭的擠壓下形成致密的固相焊縫。雖然采用攪拌摩擦焊接的方法可以實現(xiàn)較熔焊方法更為優(yōu)質(zhì)的連接，但接頭的軟化問題依然存在。特別是對于可熱處理強化的鋁合金，接頭強度的降低更為嚴重。為了最大限度地發(fā)揮可熱處理強化鋁合金高強度的特點，焊后固溶熱處理技術已被應用到這種鋁合金的攪拌摩擦焊接領域，以便解決以上問題。
焊后固溶熱處理技術能夠顯著提高鋁合金攪拌摩擦焊接構件整體性能的案例如美國專利US6802444-B1、US6168067-B1和US6780525-B2所述，熱處理后構件的強度、硬度、耐腐蝕性均得到顯著提高。但是，由于攪拌摩擦焊接接頭焊縫區(qū)是由細小的等軸晶粒組成，等軸晶粒在固溶處理過程中的不穩(wěn)定性導致晶粒發(fā)生反常長大。專利WO2004104258-A1指出，熱處理后焊縫區(qū)晶?？蛇_到200μm左右。如此粗大的等軸晶粒勢必惡化接頭的性能，因此必須采取有效措施來防止焊縫區(qū)晶粒在熱處理過程中發(fā)生的反常長大，以便使焊后固溶熱處理技術能夠更好地應用到攪拌摩擦焊接領域。
目前關于防止鋁合金攪拌摩擦焊接接頭焊縫區(qū)晶粒在焊后固溶處理中發(fā)生反常長大的方法的報道較少。歐洲專利EP1285707-A1通過在焊縫區(qū)預置中間合金層的方法來避免該區(qū)在隨后的固溶熱處理中發(fā)生晶粒反常長大的問題，但專利中并未闡述防止晶粒長大的效果。而且，這種方法還存在明顯的不足之處。首先，歐洲專利EP1285707-A1在實施時難于找到有效的中間合金層，即使能夠找到，如何制備也是個有待解決的問題；其次，中間合金層的引入對攪拌摩擦焊接過程會產(chǎn)生一定的影響，甚至對焊縫成形產(chǎn)生破壞作用；再次，引入的中間合金成分不同于被焊材料，因而所形成的焊縫成分必然與母材不同，這樣就會對焊縫的某些性能造成不利的影響。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術中防止鋁合金攪拌摩擦焊接接頭焊縫區(qū)晶粒在焊后固溶熱處理中發(fā)生反常長大的方法存在難以實施及影響焊縫性能的缺點的問題，本發(fā)明提出了一種防止鋁合金攪拌摩擦焊縫晶粒在熱處理中反常長大的方法，它通過控制焊接工藝參數(shù)來防止鋁合金攪拌摩擦焊接接頭焊縫區(qū)晶粒在焊后固溶熱處理過程中發(fā)生反常長大。本發(fā)明的方法不但能有效避免焊縫區(qū)晶粒的反常長大現(xiàn)象，而且工藝簡單，易于實現(xiàn)。
本發(fā)明可以通過以下步驟實現(xiàn)首先確定攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度，然后，在所述攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度對應的焊接速度的范圍內(nèi)根據(jù)待焊鋁合金材料的材質(zhì)和尺寸以及攪拌頭類型確定不產(chǎn)生焊接缺陷的焊接速度的選擇范圍，最后，選擇上述范圍的上限值作為焊接速度對待焊鋁合金材料進行攪拌摩擦焊接，所述鋁合金材料是能進行熱處理的鋁合金材料。
本發(fā)明還可以通過以下步驟實現(xiàn)首先確定焊接速度，然后，在所述焊接速度對應的攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度的范圍內(nèi)根據(jù)待焊鋁合金材料的材質(zhì)和尺寸以及攪拌頭類型確定不產(chǎn)生焊接缺陷的攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度的選擇范圍，最后選擇上述范圍的下限值作為攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度對待焊鋁合金材料進行攪拌摩擦焊接，所述鋁合金材料是能進行熱處理的鋁合金材料。
上述不產(chǎn)生焊接缺陷是指保證材料充分塑化而不在焊縫中形成隧道型空洞缺陷。本發(fā)明方法所提到的攪拌摩擦焊接是指利用高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭與工件摩擦產(chǎn)生的熱量使被焊材料局部塑化，當攪拌頭沿著焊接界面向前移動時，塑化材料在攪拌頭的轉(zhuǎn)動摩擦力作用下由攪拌頭的前部移向后部，并在攪拌頭的擠壓下形成致密的固相焊縫。
不管是先確定攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度還是先確定焊接速度，本發(fā)明都是通過控制焊接工藝參數(shù)的方法(在不產(chǎn)生焊接缺陷的前提下盡量采用高焊速或低轉(zhuǎn)速，焊接工藝參數(shù)是指焊接速度和攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度)來控制在焊態(tài)條件下焊縫區(qū)的組織結構，使該區(qū)域組織結構在焊態(tài)條件下具有較高的應變能；這種含有較高應變能的等軸晶組織在隨后的固溶熱處理過程中由于形核質(zhì)點的增多而形成細小晶粒的組織結構。因此，通過控制焊接工藝參數(shù)的方法能夠解決焊縫區(qū)晶粒在焊后固溶熱處理中發(fā)生反常長大的問題。


圖1是攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為800rpm、焊接速度為100mm/min時，2219-O鋁合金進行常規(guī)攪拌摩擦焊接接頭的橫截面示意圖；圖2是攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為800rpm、焊接速度為400mm/min時，2219-O鋁合金進行常規(guī)攪拌摩擦焊接接頭的橫截面示意圖；圖3是攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為800rpm、焊接速度為100mm/min時，2219-T6鋁合金進行常規(guī)攪拌摩擦焊接接頭的橫截面示意圖；圖4是攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為800rpm、焊接速度為260mm/min時，2219-T6鋁合金進行常規(guī)攪拌摩擦焊接接頭的橫截面示意圖；圖5是圖1的熱處理態(tài)鋁合金攪拌摩擦焊接接頭的橫截面示意圖；圖6是圖2的熱處理態(tài)鋁合金攪拌摩擦焊接接頭的橫截面示意圖；圖7是圖3的熱處理態(tài)鋁合金攪拌摩擦焊接接頭的橫截面示意圖；圖8是圖4的熱處理態(tài)鋁合金攪拌摩擦焊接接頭的橫截面示意圖；圖9是采用焊接速度為400mm/min、攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為700rpm進行焊接后的熱處理態(tài)2219-O鋁合金攪拌摩擦焊接接頭的橫截面示意圖；圖10是采用焊接速度為400mm/min、攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為1200rpm進行焊接后的熱處理態(tài)2219-O鋁合金攪拌摩擦焊接接頭的橫截面示意圖。
具體實施例方式
具體實施方式
一本具體實施方式
是通過這樣的方法來實現(xiàn)的首先確定攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度，然后，在所述攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度對應的焊接速度的范圍內(nèi)根據(jù)待焊鋁合金材料的材質(zhì)和尺寸以及攪拌頭類型確定不產(chǎn)生焊接缺陷的焊接速度的選擇范圍，最后，選擇上述范圍的上限值作為焊接速度對待焊鋁合金材料進行攪拌摩擦焊接，所述鋁合金材料是能進行熱處理的鋁合金材料。上述不產(chǎn)生焊接缺陷是指保證材料充分塑化而不在焊縫中形成隧道型空洞缺陷；所述攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度的范圍為100～6000rpm；所述攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度對應的焊接速度的范圍為50～2000mm/min。本發(fā)明中，參數(shù)的選擇范圍可以憑實驗確定。
具體實施方式
二本具體實施方式
與具體實施方式
一的不同點是本具體實施方式
采用2219-O鋁合金為待焊鋁合金材料，其尺寸為300mm×100mm×5mm，接頭類型為對接，采用錐形螺紋攪拌頭，攪拌頭的軸肩直徑為14mm(毫米)，攪拌針長為4.8mm，攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為800rpm(轉(zhuǎn)數(shù)每分鐘)，此時根據(jù)待焊鋁合金材料的材質(zhì)和尺寸以及攪拌頭類型確定不產(chǎn)生焊接缺陷的焊接速度的選擇范圍為100～400mm/min(毫米每分鐘)，因此，依據(jù)具體實施方式
一，選擇上述范圍的上限值400mm/min為焊接速度來對2219-O鋁合金材料進行攪拌摩擦焊接。其他步驟與具體實施方式
一相同。本具體實施方式
的焊態(tài)接頭焊縫區(qū)的典型組織如圖1和圖2所示；而焊后熱處理態(tài)接頭焊縫區(qū)的微觀組織如圖5和圖6所示，所述熱處理的固溶溫度為540℃，保溫時間為32分鐘，時效溫度為165℃，保溫時間為18小時。從圖5可以看出，當焊接速度為100mm/min時，焊縫區(qū)晶粒在熱處理過程中發(fā)生明顯長大，晶粒尺寸約1000～2000μm(微米)；從圖6可以看出，當焊接速度為400mm/min的情況下，焊縫區(qū)晶粒的長大程度明顯降低，平均晶粒尺寸約20～40μm。這說明，采用高速焊的方法能夠有效防止焊縫區(qū)晶粒在焊后固溶熱處理中發(fā)生的反常長大。
具體實施方式
三本具體實施方式
與具體實施方式
一的不同點是本具體實施方式
采用2219-T6鋁合金作為待焊鋁合金材料，其尺寸為300mm×100mm×5mm，接頭類型為對接，采用錐形螺紋攪拌頭，攪拌頭軸肩直徑為14mm，攪拌針長為4.8mm，攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度為800rpm，此時根據(jù)待焊鋁合金材料的材質(zhì)和尺寸以及攪拌頭類型確定不產(chǎn)生焊接缺陷的焊接速度的選擇范圍為100～260mm/min，因此，依據(jù)具體實施方式
一，選擇上述范圍的上限值260mm/min為焊接速度來對2219-T6鋁合金材料進行攪拌摩擦焊接。其他步驟與具體實施方式
一相同。本具體實施方式
的焊態(tài)接頭焊縫區(qū)典型組織如圖3和圖4所示；而焊后熱處理接頭焊縫區(qū)的微觀組織如圖7和圖8所示，所述熱處理的條件與具體實施方式
一提到的熱處理條件相同。從圖7可以看出，當焊接速度為100mm/min時，焊縫區(qū)晶粒在熱處理過程中發(fā)生明顯長大，晶粒尺寸達到500～1000μm；從圖8可以看出，當焊接速度為260mm/min的情況下，焊縫區(qū)晶粒的長大程度明顯降低，平均晶粒尺寸約10～20μm。這說明，采用高速焊的方法能夠有效防止焊縫區(qū)晶粒在焊后固溶熱處理中發(fā)生的反常長大。
具體實施方式
四本具體實施方式
是通過這樣的方法來實現(xiàn)的首先確定焊接速度，然后，在所述焊接速度對應的攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度的范圍內(nèi)根據(jù)待焊鋁合金材料的材質(zhì)和尺寸以及攪拌頭類型確定不產(chǎn)生焊接缺陷的攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度的選擇范圍，最后選擇上述范圍的下限值作為攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度對待焊鋁合金材料進行攪拌摩擦焊接，所述鋁合金材料是能進行熱處理的鋁合金材料。上述不產(chǎn)生焊接缺陷是指保證材料充分塑化而不在焊縫中形成隧道型空洞缺陷；所述焊接速度的范圍為50～2000mm/min；所述焊接速度對應的攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度的范圍為100～6000rpm。
具體實施方式
五本具體實施方式
與具體實施方式
四的不同點是本具體實施方式
采用2219-O鋁合金為待焊鋁合金材料，其尺寸為300mm×100mm×5mm，接頭類型為對接，采用錐形螺紋攪拌頭，攪拌頭的軸肩直徑為14mm，攪拌針長為4.8mm，焊接速度為400mm/min，此時根據(jù)待焊鋁合金材料的材質(zhì)和尺寸以及攪拌頭類型確定不產(chǎn)生焊接缺陷的攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度的選擇范圍為700～1200rpm，因此，依據(jù)具體實施方式
四，選擇上述范圍的下限值700rpm為攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度來對2219-O鋁合金材料進行攪拌摩擦焊接。其他步驟與具體實施方式
四相同。本具體實施方式
焊后的熱處理態(tài)接頭焊縫區(qū)的微觀組織如圖9和圖10所示，所述熱處理的條件與具體實施方式
一提到的熱處理條件相同。從圖9可以看出，當攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度為700rpm的情況下，焊縫區(qū)晶粒未發(fā)生明顯的長大現(xiàn)象，平均晶粒尺寸約10～20μm；從圖10可以看出，當攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度為1200rpm時，焊縫區(qū)晶粒在熱處理過程中發(fā)生明顯長大，晶粒尺寸約500～1000μm。這說明，采用低轉(zhuǎn)速焊接的方法能夠有效防止焊縫區(qū)晶粒在焊后固溶熱處理中發(fā)生的反常長大。
權利要求
1.防止鋁合金攪拌摩擦焊縫晶粒在熱處理中反常長大的方法，其特征在于它首先確定攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度，然后，在所述攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度對應的焊接速度的范圍內(nèi)根據(jù)待焊鋁合金材料的材質(zhì)和尺寸以及攪拌頭類型確定不產(chǎn)生焊接缺陷的焊接速度的選擇范圍，最后，選擇上述范圍的上限值作為焊接速度對待焊鋁合金材料進行攪拌摩擦焊接，所述鋁合金材料是能進行熱處理的鋁合金材料。
2.根據(jù)權利要求1所述的防止鋁合金攪拌摩擦焊縫晶粒在熱處理中反常長大的方法，其特征在于所述攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度的范圍為100～6000rpm。
3.根據(jù)權利要求1所述的防止鋁合金攪拌摩擦焊縫晶粒在熱處理中反常長大的方法，其特征在于所述攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度對應的焊接速度的范圍為50～2000mm/min。
4.根據(jù)權利要求1、2或3所述的防止鋁合金攪拌摩擦焊縫晶粒在熱處理中反常長大的方法，其特征在于它采用2219-O鋁合金為待焊鋁合金材料，其尺寸為300mm×100mm×5mm，采用錐形螺紋攪拌頭，攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為800rpm，根據(jù)待焊鋁合金材料的材質(zhì)和尺寸以及攪拌頭類型確定不產(chǎn)生焊接缺陷的焊接速度的選擇范圍為100～400mm/min。
5.根據(jù)權利要求1、2或3所述的防止鋁合金攪拌摩擦焊縫晶粒在熱處理中反常長大的方法，其特征在于它采用2219-T6鋁合金作為待焊鋁合金材料，其尺寸為300mm×100mm×5mm，采用錐形螺紋攪拌頭，攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度為800rpm，根據(jù)待焊鋁合金材料的材質(zhì)和尺寸以及攪拌頭類型確定不產(chǎn)生焊接缺陷的焊接速度的選擇范圍為100～260mm/min。
6.防止鋁合金攪拌摩擦焊縫晶粒在熱處理中反常長大的方法，其特征在于它首先確定焊接速度，然后，在所述焊接速度對應的攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度的范圍內(nèi)根據(jù)待焊鋁合金材料的材質(zhì)和尺寸以及攪拌頭類型確定不產(chǎn)生焊接缺陷的攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度的選擇范圍，最后選擇上述范圍的下限值作為攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度對待焊鋁合金材料進行攪拌摩擦焊接，所述鋁合金材料是能進行熱處理的鋁合金材料。
7.根據(jù)權利要求6所述的防止鋁合金攪拌摩擦焊縫晶粒在熱處理中反常長大的方法，其特征在于所述焊接速度的范圍為50～2000mm/min。
8.根據(jù)權利要求6所述的防止鋁合金攪拌摩擦焊縫晶粒在熱處理中反常長大的方法，其特征在于所述焊接速度對應的攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度的范圍為100～6000rpm。
9.根據(jù)權利要求6、7或8所述的防止鋁合金攪拌摩擦焊縫晶粒在熱處理中反常長大的方法，其特征在于它采用2219-O鋁合金為待焊鋁合金材料，其尺寸為300mm×100mm×5mm，采用錐形螺紋攪拌頭，焊接速度為400mm/min，根據(jù)待焊鋁合金材料的材質(zhì)和尺寸以及攪拌頭類型確定不產(chǎn)生焊接缺陷的攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度的選擇范圍為700～1200rpm。
全文摘要
防止鋁合金攪拌摩擦焊縫晶粒在熱處理中反常長大的方法，它屬于焊接領域，它是為了解決現(xiàn)有技術中防止鋁合金攪拌摩擦焊接接頭焊縫區(qū)晶粒在焊后固溶熱處理中發(fā)生反常長大的方法存在難以實施及影響焊縫性能的缺點的問題。本發(fā)明通過控制焊接工藝參數(shù)的方法(在不產(chǎn)生焊接缺陷的前提下盡量采用高焊速或低轉(zhuǎn)速，焊接工藝參數(shù)是指焊接速度和攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度)來控制在焊態(tài)條件下焊縫區(qū)的組織結構，使該區(qū)域組織結構在焊態(tài)條件下具有較高的應變能；這種含有較高應變能的等軸晶組織在隨后的固溶熱處理過程中由于形核質(zhì)點的增多而形成細小晶粒的組織結構。因此，通過控制焊接工藝參數(shù)的方法能夠解決焊縫區(qū)晶粒在焊后固溶熱處理中發(fā)生反常長大的問題。
文檔編號B23K20/12GK1748927SQ200510010420
公開日2006年3月22日 申請日期2005年10月11日 優(yōu)先權日2005年10月11日
發(fā)明者劉會杰, 陳迎春, 馮吉才 申請人:哈爾濱工業(yè)大學