本發(fā)明涉及一種攪拌摩擦焊方法，用于金屬材料的高質(zhì)量焊接。

背景技術(shù)：

攪拌摩擦焊是英國焊接研究所發(fā)明的一種固相連接新工藝技術(shù)，可有效避免傳統(tǒng)熔化焊產(chǎn)生的氣孔和裂紋等各種缺陷，具有節(jié)能環(huán)保、連接溫度低、焊后殘余應(yīng)力小以及接頭性能高等一系列優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)認(rèn)為不可焊的高強(qiáng)鋁合金(如2×××系和7×××系鋁合金)的高質(zhì)量焊接，裝置示意圖如圖1。攪拌摩擦焊自發(fā)明起便受到了廣泛的關(guān)注，是世界焊接技術(shù)發(fā)展史上自發(fā)明到工業(yè)應(yīng)用時(shí)間跨度最短的連接技術(shù)，被譽(yù)為繼激光焊后“焊接史上的第二次革命”，在航空航天、船舶、汽車等領(lǐng)域的焊接方面具有廣闊的應(yīng)用前景。其工作原理是一個(gè)帶有軸肩和攪拌針的焊接工具高速旋轉(zhuǎn)并將攪拌針擠入對接板材的接縫處，直至軸肩與工件緊密接觸，在摩擦熱和攪拌針擠壓的作用下，材料發(fā)生軟化，攪拌針的攪動(dòng)作用使接縫兩側(cè)的材料產(chǎn)生塑性流變和混合，通過焊接工具的前移形成密實(shí)無缺陷的焊縫。

金屬材料經(jīng)過攪拌摩擦焊后，焊縫在攪拌摩擦產(chǎn)生的高溫?zé)嵫h(huán)作用下，強(qiáng)化相發(fā)生了粗化或回溶，導(dǎo)致焊縫的熱機(jī)影響區(qū)成為焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)，在硬度、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、應(yīng)力作用下的腐蝕等方面的綜合性能亟需提高，同時(shí)，攪拌摩擦焊接頭的表面粗糙度非常大，進(jìn)一步影響了焊接接頭的綜合性能。

豪克能是一種由電能轉(zhuǎn)換的、高頻、高能量密度、振幅很小的超聲波能和沖擊能的復(fù)合能，豪克能技術(shù)是利用金屬在常溫狀態(tài)下的冷塑性特點(diǎn)，將豪克能作用在金屬零件表面進(jìn)行無研磨劑的研磨、強(qiáng)化和微小形變處理，一次加工即可使零件表面達(dá)到鏡面并實(shí)現(xiàn)改性的能量加工技術(shù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種基于豪克能技術(shù)的攪拌摩擦焊方法，能夠確保待焊基材待焊面光滑，避免空氣等進(jìn)入攪拌摩擦焊接頭，減少“s”形線的形成率，降低焊接接頭的缺陷率，改善焊接接頭表面粗糙度，提高攪拌摩擦焊接頭綜合性能。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案包括以下步驟：首先采用豪克能技術(shù)對待焊基材表面繼續(xù)進(jìn)行處理，使待焊基材表面粗糙度減小為0.01～0.2μm；然后用丙酮去除表面油污后，對豪克能技術(shù)處理后的待焊基材進(jìn)行攪拌摩擦焊；焊接結(jié)束后鏟掉接頭上表面的飛邊，并將過渡區(qū)域打磨光滑；繼續(xù)采用豪克能技術(shù)對焊接接頭表面進(jìn)行處理，最終使材料表面粗糙度減小為0.01～0.2μm，表面顯微硬度大于300hv。

所述豪克能技術(shù)的加工工具頭的振動(dòng)頻率是10～40khz，振幅是5～30μm，沿橫軸移動(dòng)速度是5～30mm/min，沿縱軸移動(dòng)速度是10～200mm/min。

所述的攪拌摩擦焊分預(yù)焊和正式焊，預(yù)焊采用的攪拌頭軸肩直徑為1～20mm，攪拌針長度為1～15mm，端部直徑為1～15mm，根部直徑為1～20mm，旋轉(zhuǎn)速度為50～1000r/min，焊接速度為50～1000mm/min，攪拌頭傾斜角為0～5°，壓入深度為0～1mm；正式焊采用的攪拌頭軸肩直徑為1～20mm，攪拌針長度為1～15mm，端部直徑為1～15mm，根部直徑為1～20mm，旋轉(zhuǎn)速度為100～2000r/min，焊接速度為100～1000mm/min，攪拌頭傾斜角為0-5°，壓入深度為0～1mm。

本發(fā)明的有益效果是：能夠使待焊基材表面光滑，焊接產(chǎn)品的缺陷率得到降低，減少了“s”形線的形成率，提高了焊縫中薄弱環(huán)節(jié)的性能，大幅降低了焊接接頭的表面粗糙度，達(dá)到提高焊接接頭綜合性能的目的，進(jìn)一步擴(kuò)展了豪克能技術(shù)在攪拌摩擦焊的工業(yè)化應(yīng)用范圍。具體優(yōu)點(diǎn)如下：

1、待焊金屬基材經(jīng)過豪克能技術(shù)處理后，大幅降低待焊基材待焊表面粗糙度，有效減少了“s”形線等缺陷的產(chǎn)生，降低了焊接接頭的缺陷率，增強(qiáng)了焊縫中薄弱環(huán)節(jié)的性能，提高了焊接接頭的綜合性能(如：硬度、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率、耐點(diǎn)蝕性能和耐應(yīng)力腐蝕性能)；

2、焊接接頭經(jīng)過豪克能技術(shù)處理后，表面粗糙度非常小，表面達(dá)到鏡面效果，殘余壓應(yīng)力分布均勻，進(jìn)一步提高了攪拌摩擦焊接頭綜合性能；

3、工藝簡單易行、成本低廉，無目前所使用的陽極化工藝的環(huán)境污染問題，耗能少，丸粒的重復(fù)使用率高，豪克能刀具更換簡單；

4、適用范圍廣，本發(fā)明可以適用于各種金屬材料，廣泛應(yīng)用于機(jī)床、儀表、船舶、飛機(jī)、航空航天材料、礦山設(shè)備、化工等領(lǐng)域。

附圖說明

圖1是攪拌摩擦焊工藝原理示意圖；

圖2是豪克能技術(shù)示意圖；

圖3是2a14鋁合金橫截面顯微組織的om像；

圖4是經(jīng)豪克能技術(shù)處理后待焊基材橫截面形貌的om像；

圖5是焊縫中焊核區(qū)的om像；

圖6是焊縫中焊核區(qū)晶粒的tem像；

圖7是攪拌摩擦焊接接頭表面經(jīng)豪克能技術(shù)處理后表面粗糙度顯微像；

圖8是焊接接頭經(jīng)豪克能技術(shù)處理前后在3.5％nacl水溶液中的動(dòng)電位掃描極化曲線。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明，本發(fā)明包括但不僅限于下述實(shí)施例。

本發(fā)明屬于金屬材料攪拌摩擦焊領(lǐng)域，具體說是待焊金屬基材表面經(jīng)過豪克能技術(shù)后，采用攪拌摩擦焊技術(shù)將待焊基材焊接的方法。本發(fā)明首先采用豪克能技術(shù)對待焊基材進(jìn)行處理，將超聲波能和沖擊能的復(fù)合能作用在待焊基材表面，使待焊基材表面達(dá)到鏡面水平。采用攪拌摩擦焊技術(shù)將待焊基材焊接起來，減少了“s”形線的生成率，提高焊接接頭的綜合性能。而后繼續(xù)采用豪克能技術(shù)對焊接接頭表面進(jìn)行處理，使焊接接頭表面達(dá)到鏡面水平，進(jìn)一步提高焊接接頭的綜合性能。本發(fā)明適用范圍廣，裝置簡單易操作、成本低、生產(chǎn)效率高、無污染，焊接接頭綜合性能提高明顯。

本發(fā)明以金屬材料為對象，首先采用豪克能設(shè)備hkusm30s對待焊基材表面繼續(xù)進(jìn)行處理，加工工具頭的振動(dòng)頻率是10-40khz，振幅是5-30μm，沿橫軸移動(dòng)速度是5-30mm/min，沿縱軸移動(dòng)速度是10-200mm/min。最終使材料表面粗糙度減小為0.01-0.2μm。

利用上海拓璞數(shù)控科技有限公司生產(chǎn)的fsw5020箱底攪拌摩擦焊接系統(tǒng)對豪克能技術(shù)處理的待焊基材沿長度方向進(jìn)行攪拌摩擦焊，焊接前用丙酮去除表面油污。預(yù)焊采用的攪拌頭軸肩直徑為1-20mm，攪拌針長度為1-15mm，端部直徑1-15mm，根部直徑1-20mm，旋轉(zhuǎn)速度為50-1000r/min，焊接速度為50-1000mm/min，攪拌頭傾斜角0-5°，壓入深度為0-1mm。正式焊采用的攪拌頭軸肩直徑為1-20mm，攪拌針長度為1-15mm，端部直徑1-15mm，根部直徑1-20mm，旋轉(zhuǎn)速度為100-2000r/min，焊接速度為100-1000mm/min，攪拌頭傾斜角0-5°，壓入深度為0-1mm。焊接結(jié)束后將接頭上表面的飛邊鏟掉，用砂輪將過渡區(qū)域打磨光滑。

繼續(xù)采用豪克能設(shè)備hkusm30s對焊接接頭表面進(jìn)行處理，加工工具頭的振動(dòng)頻率是10-40khz，振幅是5-30μm，沿橫軸移動(dòng)速度是5-30mm/min，沿縱軸移動(dòng)速度是10-200mm/min。最終使材料表面粗糙度減小為0.01-0.2μm，表面顯微硬度大于300hv。

本發(fā)明以2a14鋁合金為處理對象，2a14為al-mg-si-cu系合金，加工500mm×500mm×5mm的鋁合金板，首先采用豪克能設(shè)備hkusm30s對待焊基材表面繼續(xù)進(jìn)行處理，加工工具頭的振動(dòng)頻率是30khz，振幅是10μm，沿橫軸移動(dòng)速度是15mm/min，沿縱軸移動(dòng)速度是80mm/min。最終使待焊基材表面粗糙度減小為0.175μm(如圖4)。

采用豪克能技術(shù)對2a14鋁合金待焊基材表面處理后，利用上海拓璞數(shù)控科技有限公司生產(chǎn)的fsw5020箱底攪拌摩擦焊接系統(tǒng)對待焊基材沿長度方向進(jìn)行攪拌摩擦焊，焊接前用丙酮去除表面油污。預(yù)焊采用的攪拌頭軸肩直徑為12mm，攪拌針長度為2mm，端部直徑5mm，根部直徑6mm，旋轉(zhuǎn)速度為800r/min，焊接速度為400mm/min，攪拌頭傾斜角2.5°，壓入深度充分(0.2mm)。正式焊采用的攪拌頭軸肩直徑為18mm，攪拌針長度為3mm，端部直徑6mm，根部直徑7mm，旋轉(zhuǎn)速度為600r/min，焊接速度為200mm/min，攪拌頭傾斜角2.5°，壓入深度充分(0.3mm)。焊接結(jié)束后將接頭上表面的飛邊鏟掉，用砂輪將過渡區(qū)域打磨光滑。焊縫中焊核區(qū)內(nèi)的晶粒由原始晶粒的50μm(如圖3)細(xì)化為2μm，焊縫中的焊核區(qū)未出現(xiàn)“s形線(如圖5)，tem明場像如圖6。

繼續(xù)采用豪克能設(shè)備hkusm30s對焊接接頭表面進(jìn)行處理，加工工具頭的振動(dòng)頻率是30khz，振幅是10μm，沿橫軸移動(dòng)速度是15mm/min，沿縱軸移動(dòng)速度是80mm/min。最終使材料表面粗糙度減小為0.503μm，其顯微像如圖7。攪拌摩擦焊接接頭經(jīng)豪克能技術(shù)處理前后在3.5％nacl水溶液中的動(dòng)電位掃描極化曲線如圖8，可知，與未經(jīng)豪克能技術(shù)處理的焊接接頭相比，豪克能技術(shù)處理后焊接接頭的自腐蝕電流密度由7.213×10^-8a/cm^-2降低到9.06×10^-9a/cm^-2，腐蝕電位由-1.01228v升高到-0.75342v，點(diǎn)蝕擊穿電位由-0.03075升高到0.07408v，表明經(jīng)豪克能技術(shù)處理的焊接接頭進(jìn)入鈍化狀態(tài)更快，耐點(diǎn)蝕性能得到提高。