專利名稱：一種增強(qiáng)接頭力學(xué)性能的攪拌摩擦焊接工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬材料焊接領(lǐng)域，特別提供了一種增強(qiáng)接頭力學(xué)性能的攪拌摩擦焊接工藝，適用于焊接鋁合金、鎂合金、銅合金、鋼鐵等金屬材料。
背景技術(shù)：
攪拌摩擦焊(FSW)是英國焊接研究所于1991年發(fā)明的一種固相焊接工藝。由于 FSW具有能量利用率高、環(huán)境友好、焊接缺陷少、焊縫殘余應(yīng)力小等優(yōu)點(diǎn)，其接頭性能較熔化焊有很大提高，自發(fā)明后受到了廣泛關(guān)注，在航空航天、車輛、船舶等領(lǐng)域獲得日益廣泛的應(yīng)用。然而，盡管FSW大大降低了焊接熱輸入量，對(duì)于FSW接頭，尤其對(duì)熱處理強(qiáng)化合金或加工硬化態(tài)合金，F(xiàn)SW后，由于熱影響區(qū)(HAZ)發(fā)生明顯的軟化，斷裂發(fā)生在熱影響區(qū)，使得接頭的性能較母材明顯降低。比如，對(duì)于FSW純銅板(H1/2態(tài))，即使采用較低熱輸入量的FSW 參數(shù)，由于HAZ的退火軟化，F(xiàn)SW接頭的屈服強(qiáng)度僅有IOOMPa左右，較母材( 250MPa)明顯降低。對(duì)于沉淀強(qiáng)化的6061-T651鋁合金，HAZ的強(qiáng)化相發(fā)生溶解/粗化，也使接頭強(qiáng)度明顯低于母材。對(duì)于鋼鐵等高熔點(diǎn)金屬材料，焊接過程中的溫度更高，這不僅需要惰性氣體的保護(hù)而且使HAZ的退火軟化作用更為顯著。另外，在此條件下，攪拌頭的磨損十分嚴(yán)重， 大大限制了其工程應(yīng)用。由哈爾濱工業(yè)大學(xué)申請(qǐng)的《水下環(huán)境中的攪拌摩擦焊接方法》(中國專利公開號(hào) CN 101439439A)表明攪拌摩擦焊接不受外界環(huán)境約束，可實(shí)現(xiàn)水環(huán)境焊接，同時(shí)水環(huán)境中接頭性能有所提高(比如，對(duì)于2219鋁合金接頭可由常規(guī)FSW的320MPa提高到水環(huán)境中的343MPa)。然而在這種靜止或準(zhǔn)靜止的水環(huán)境中，焊核區(qū)產(chǎn)生的熱量也難以快速傳輸，HAZ 的退火軟化作用仍然明顯，對(duì)于上述的加工硬化型、沉淀強(qiáng)化型高強(qiáng)銅合金、鋁合金及鋼鐵來說，焊接系數(shù)仍然很低。要實(shí)現(xiàn)此類材料的高質(zhì)量攪拌摩擦焊接，不僅需要低的熱輸入還需要快速的冷卻速度來大幅降低熱影響區(qū)的退火軟化作用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種增強(qiáng)接頭力學(xué)性能的攪拌摩擦焊接工藝，解決現(xiàn)有技術(shù)中焊核區(qū)產(chǎn)生的熱量也難以快速傳輸，以及HAZ的退火軟化作用明顯等問題。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種增強(qiáng)接頭力學(xué)性能的攪拌摩擦焊接工藝，過程如下用小尺寸軸肩的攪拌頭， 以較低熱輸入的攪拌摩擦焊接參數(shù)進(jìn)行焊接，在焊接過程中以高壓流動(dòng)冷卻介質(zhì)快速冷卻焊縫，得到性能優(yōu)異的攪拌摩擦焊接接頭；所用焊接工具軸肩直徑8 14毫米，攪拌摩擦焊接參數(shù)焊接工具轉(zhuǎn)速400 800 轉(zhuǎn)/分鐘、行進(jìn)速度50 200毫米/分鐘。所述的增強(qiáng)接頭力學(xué)性能的攪拌摩擦焊接工藝，焊接過程中以高壓流動(dòng)冷卻介質(zhì)快速冷卻焊縫，選用的冷卻介質(zhì)為水、冰水混合物、干冰甲醇混合物或液氮酒精混合物等低溫冷卻介質(zhì)，使冷卻介質(zhì)溫度在室溫 -50°C范圍內(nèi)，高壓流動(dòng)冷卻介質(zhì)的壓力為0. 4-0. 6MPa。所述的增強(qiáng)接頭力學(xué)性能的攪拌摩擦焊接工藝，以高壓噴頭裝置噴射高壓流動(dòng)冷卻介質(zhì)，高壓噴頭裝置固定在安裝攪拌頭的機(jī)座上，隨攪拌頭一起運(yùn)動(dòng)，噴頭對(duì)準(zhǔn)攪拌頭軸肩行進(jìn)方向后側(cè)的焊縫形成區(qū)。所述的增強(qiáng)接頭力學(xué)性能的攪拌摩擦焊接工藝，攪拌摩擦焊接工藝用于金屬材料鋁合金、鎂合金、銅合金或鋼鐵的焊接。本發(fā)明的有益效果是1、本發(fā)明提供了一種增強(qiáng)接頭力學(xué)性能的攪拌摩擦焊接工藝，用小尺寸軸肩的攪拌頭，以較低熱輸入的攪拌摩擦焊接(FSW)參數(shù)進(jìn)行焊接，在焊接過程中以高壓流動(dòng)冷卻介質(zhì)快速冷卻焊縫，大大降低焊核及熱影響區(qū)(HAZ)溫度，得到性能優(yōu)異的攪拌摩擦焊接接頭。2、本發(fā)明增強(qiáng)接頭力學(xué)性能的攪拌摩擦焊接工藝中，焊接過程中選用的冷卻介質(zhì)可有水、冰水混合物、干冰甲醇混合物以及液氮酒精混合物等低溫冷卻介質(zhì)，高壓噴頭裝置固定在安裝攪拌頭的機(jī)座上隨攪拌頭一起運(yùn)動(dòng)，噴頭對(duì)準(zhǔn)攪拌頭軸肩行進(jìn)方向的后側(cè)(即焊縫形成區(qū))。所用焊接工具軸肩直徑8 14毫米，焊接工具轉(zhuǎn)速400 800轉(zhuǎn)/分鐘、行進(jìn)速度50 200毫米/分鐘。與常規(guī)攪拌摩擦焊接方法相比，本發(fā)明工藝明顯提高焊接接頭的力學(xué)性能，簡(jiǎn)單實(shí)用。用此種工藝焊接鋼鐵等高熔點(diǎn)材料時(shí)，不僅可以提高力學(xué)性能， 而且冷卻介質(zhì)可以代替惰性氣體進(jìn)行保護(hù)，避免氧化。同時(shí)攪拌頭磨損減輕，大大降低了成本。因此，有理由相信這種新的攪拌摩擦焊接工藝在高強(qiáng)度有色金屬及鋼鐵材料焊接領(lǐng)域?qū)⒂兄鴱V闊的工業(yè)應(yīng)用前景。3、本發(fā)明可以明顯提高焊接接頭的力學(xué)性能，尤其適用于沉淀強(qiáng)化型、加工硬化態(tài)有色金屬材料及鋼鐵材料的焊接。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1使用3毫米厚的Tl冷軋態(tài)(H)純銅板材，屈服強(qiáng)度330MPa。用軸肩直徑14毫米的攪拌頭進(jìn)行焊接，在焊接過程中以高壓(本實(shí)施例中，壓力為0. 左右)流動(dòng)冷卻水快速冷卻焊縫，在焊接工具轉(zhuǎn)速分別為400和800轉(zhuǎn)/分鐘、行進(jìn)速度50毫米/分鐘的焊接參數(shù)下，獲得無缺陷的焊接接頭。室溫拉伸試驗(yàn)顯示，在400轉(zhuǎn)/分鐘的參數(shù)下，接頭的屈服強(qiáng)度為320MPa，與母材強(qiáng)度接近；在800轉(zhuǎn)/分鐘的參數(shù)下，接頭的屈服強(qiáng)度降為^OMPa。本實(shí)施例中，以高壓噴頭裝置噴射高壓流動(dòng)冷卻介質(zhì)，高壓噴頭裝置固定在安裝攪拌頭的機(jī)座上，隨攪拌頭一起運(yùn)動(dòng)，噴頭對(duì)準(zhǔn)攪拌頭軸肩行進(jìn)方向后側(cè)的焊縫形成區(qū)。比較例1使用3毫米厚的Tl冷軋態(tài)(H)純銅板材，屈服強(qiáng)度330MPa。在空氣中用軸肩直徑14毫米的攪拌頭進(jìn)行常規(guī)攪拌摩擦焊接，在工具轉(zhuǎn)速分別為400和800轉(zhuǎn)/分鐘、行進(jìn)速度50毫米/分鐘的焊接參數(shù)下，獲得無缺陷的焊接接頭。室溫拉伸試驗(yàn)顯示，在400轉(zhuǎn) /分鐘的參數(shù)下，接頭的屈服強(qiáng)度為200MPa ；在800轉(zhuǎn)/分鐘的參數(shù)下，接頭的屈服強(qiáng)度降為1 OOMPa，與母材相比明顯降低。實(shí)施例2
使用3毫米厚的Tl冷軋態(tài)(H)純銅板材，屈服強(qiáng)度330MPa。用軸肩直徑14毫米的攪拌頭進(jìn)行焊接，焊接過程中以高壓(本實(shí)施例中，壓力為0. 左右)流動(dòng)液氮與酒精的混合物(本實(shí)施例中，冷卻介質(zhì)溫度約為-50°C )快速冷卻焊縫，在焊接工具轉(zhuǎn)速為600 轉(zhuǎn)/分鐘、行進(jìn)速度50毫米/分鐘的焊接參數(shù)下，獲得無缺陷的焊接接頭。接頭無明顯熱影響區(qū)，拉伸性能與母材相等，焊核區(qū)晶粒明顯細(xì)化(晶粒尺寸約500納米)。本實(shí)施例中，以高壓噴頭裝置噴射高壓流動(dòng)冷卻介質(zhì)，高壓噴頭裝置固定在安裝攪拌頭的機(jī)座上，隨攪拌頭一起運(yùn)動(dòng)，噴頭對(duì)準(zhǔn)攪拌頭軸肩行進(jìn)方向后側(cè)的焊縫形成區(qū)。比較例2使用3毫米厚的Tl冷軋態(tài)(H)純銅板材，屈服強(qiáng)度330MPa。在空氣中用軸肩直徑14毫米的攪拌頭進(jìn)行常規(guī)攪拌摩擦焊接，在工具轉(zhuǎn)速為600轉(zhuǎn)/分鐘、行進(jìn)速度50毫米 /分鐘的焊接參數(shù)下，獲得無缺陷的焊接接頭。接頭的屈服強(qiáng)度降為130MPa，與母材相比明顯降低，焊核區(qū)晶粒尺寸約10微米。實(shí)施例3使用3毫米厚的6061-T651和7075-T651軋制板材，強(qiáng)度分別為3IOMI^a和575MPa， 用軸肩直徑10毫米的攪拌頭進(jìn)行焊接，焊接過程中以高壓(本實(shí)施例中，壓力為0. 左右)流動(dòng)液氮與酒精的混合物(本實(shí)施例中，冷卻介質(zhì)溫度約為-50°C)快速冷卻焊縫，在焊接工具轉(zhuǎn)速為600轉(zhuǎn)/分鐘、行進(jìn)速度200毫米/分鐘的焊接參數(shù)下，獲得無缺陷的焊接接頭。接頭強(qiáng)度分別為300MI^和550MPa，與母材強(qiáng)度接近。本實(shí)施例中，以高壓噴頭裝置噴射高壓流動(dòng)冷卻介質(zhì)，高壓噴頭裝置固定在安裝攪拌頭的機(jī)座上，隨攪拌頭一起運(yùn)動(dòng)，噴頭對(duì)準(zhǔn)攪拌頭軸肩行進(jìn)方向后側(cè)的焊縫形成區(qū)。比較例3使用3毫米厚的6061-T651和7075-T651軋制板材，強(qiáng)度分別為3IOMI^a和575MPa， 在空氣中用軸肩直徑16毫米的攪拌頭進(jìn)行常規(guī)攪拌摩擦焊接，在工具轉(zhuǎn)速為600轉(zhuǎn)/分鐘、行進(jìn)速度200毫米/分鐘的焊接參數(shù)下，獲得無缺陷的焊接接頭。接頭的強(qiáng)度分別為 180MPa和41 OMPa，與母材相比明顯降低。實(shí)施例4使用2毫米厚的400MPa級(jí)SS400超細(xì)晶粒鋼板材，屈服強(qiáng)度為450MPa，鐵素體平均晶粒尺寸約10微米，用軸肩直徑10毫米的攪拌頭進(jìn)行焊接，焊接過程中以高壓(本實(shí)施例中，壓力為ο. 5ΜΙ^左右)流動(dòng)冰水混合物(本實(shí)施例中，冷卻介質(zhì)溫度為0°C )快速冷卻焊縫，在焊接工具轉(zhuǎn)速為400轉(zhuǎn)/分鐘、行進(jìn)速度50毫米/分鐘的焊接參數(shù)下，獲得無缺陷的焊接接頭。接頭屈強(qiáng)度與母材相當(dāng)，無明顯熱影響區(qū)，焊核區(qū)鐵素體晶粒尺寸約5微米。本實(shí)施例中，以高壓噴頭裝置噴射高壓流動(dòng)冷卻介質(zhì)，高壓噴頭裝置固定在安裝攪拌頭的機(jī)座上，隨攪拌頭一起運(yùn)動(dòng)，噴頭對(duì)準(zhǔn)攪拌頭軸肩行進(jìn)方向后側(cè)的焊縫形成區(qū)。比較例4使用2毫米厚400MPa級(jí)SS400超細(xì)晶粒低碳鋼板材，屈服強(qiáng)度為450MPa，鐵素體平均晶粒尺寸約10微米，用常規(guī)的MAG焊及等離子弧焊進(jìn)行焊接，熱影響區(qū)晶粒尺寸嚴(yán)重粗化，約200微米，接頭屈服強(qiáng)度約200MPa，與母材相比明顯降低。實(shí)施例5使用3毫米厚的高碳鋼板材(含碳量0. 8wt%),組織主要為鐵素體和少量球狀滲碳體組成，用軸肩直徑14毫米的攪拌頭進(jìn)行焊接，焊接過程中以高壓(本實(shí)施例中，壓力為 0. 5ΜΙ^左右)流動(dòng)冰水混合物(本實(shí)施例中，冷卻介質(zhì)溫度為0°C )快速冷卻焊縫，在焊接工具轉(zhuǎn)速為400轉(zhuǎn)/分鐘、行進(jìn)速度100毫米/分鐘的焊接參數(shù)下，獲得無缺陷的焊接接頭。 接頭組織與母材類似，韌性與母材相當(dāng)，無裂紋產(chǎn)生。本實(shí)施例中，以高壓噴頭裝置噴射高壓流動(dòng)冷卻介質(zhì)，高壓噴頭裝置固定在安裝攪拌頭的機(jī)座上，隨攪拌頭一起運(yùn)動(dòng)，噴頭對(duì)準(zhǔn)攪拌頭軸肩行進(jìn)方向后側(cè)的焊縫形成區(qū)。比較例5使用3毫米厚的高碳鋼板材(含碳量0. 8wt%),組織主要為鐵素體和少量球狀滲碳體組成，在空氣中用軸肩直徑14毫米的攪拌頭進(jìn)行常規(guī)攪拌摩擦焊接，在工具轉(zhuǎn)速為 400轉(zhuǎn)/分鐘、行進(jìn)速度100毫米/分鐘的焊接參數(shù)下，獲得無缺陷的焊接接頭。焊核及HAZ 主要為馬氏體組織，焊縫表面出現(xiàn)裂紋，與母材相比韌性急劇下降。
權(quán)利要求
1.一種增強(qiáng)接頭力學(xué)性能的攪拌摩擦焊接工藝，其特征在于過程如下用小尺寸軸肩的攪拌頭，以較低熱輸入的攪拌摩擦焊接參數(shù)進(jìn)行焊接，在焊接過程中以高壓流動(dòng)冷卻介質(zhì)快速冷卻焊縫，得到性能優(yōu)異的攪拌摩擦焊接接頭；所用焊接工具軸肩直徑8 14毫米，攪拌摩擦焊接參數(shù)焊接工具轉(zhuǎn)速400 800轉(zhuǎn) /分鐘、行進(jìn)速度50 200毫米/分鐘。
2.按照權(quán)利要求1所述的增強(qiáng)接頭力學(xué)性能的攪拌摩擦焊接工藝，其特征在于，焊接過程中以高壓流動(dòng)冷卻介質(zhì)快速冷卻焊縫，選用的冷卻介質(zhì)為水、冰水混合物、干冰甲醇混合物或液氮酒精混合物等低溫冷卻介質(zhì)，使冷卻介質(zhì)溫度在室溫 -50°C范圍內(nèi)，高壓流動(dòng)冷卻介質(zhì)的壓力為0. 4-0. 6MPa。
3.按照權(quán)利要求1所述的增強(qiáng)接頭力學(xué)性能的攪拌摩擦焊接工藝，其特征在于，以高壓噴頭裝置噴射高壓流動(dòng)冷卻介質(zhì)，高壓噴頭裝置固定在安裝攪拌頭的機(jī)座上，隨攪拌頭一起運(yùn)動(dòng)，噴頭對(duì)準(zhǔn)攪拌頭軸肩行進(jìn)方向后側(cè)的焊縫形成區(qū)。
4.按照權(quán)利要求1所述的增強(qiáng)接頭力學(xué)性能的攪拌摩擦焊接工藝，其特征在于，攪拌摩擦焊接工藝用于金屬材料鋁合金、鎂合金、銅合金或鋼鐵的焊接。
全文摘要
本發(fā)明涉及金屬材料焊接領(lǐng)域，特別提供了一種增強(qiáng)接頭力學(xué)性能的攪拌摩擦焊接工藝，適用于焊接鋁合金、鎂合金、銅合金、鋼鐵等金屬材料，解決現(xiàn)有技術(shù)中焊核區(qū)產(chǎn)生的熱量也難以快速傳輸，以及HAZ的退火軟化作用明顯等問題。用小尺寸軸肩的攪拌頭，以較低熱輸入的攪拌摩擦焊接參數(shù)進(jìn)行焊接，在焊接過程中以高壓流動(dòng)冷卻介質(zhì)快速冷卻焊縫，得到性能優(yōu)異的攪拌摩擦焊接接頭。本發(fā)明可以明顯提高焊接接頭的力學(xué)性能，尤其適用于沉淀強(qiáng)化型、加工硬化態(tài)有色金屬材料及鋼鐵材料的焊接。
文檔編號(hào)B23K20/26GK102528268SQ20101059494
公開日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2010年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月17日
發(fā)明者肖伯律, 薛鵬, 馬宗義 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院金屬研究所