一種避免底部缺陷、提高接頭性能的厚板攪拌摩擦焊接方法
【專利摘要】一種避免底部缺陷、提高接頭性能的厚板攪拌摩擦焊接方法，其特征是：采用不同軸肩大小和攪拌針長短的攪拌頭，在不同焊接工藝參數(shù)下對板材進(jìn)行多次攪拌摩擦焊的工藝；每一次焊接使用的攪拌頭比上一次焊接使用的攪拌頭軸肩更大，攪拌針更短；每一次焊接的工藝參數(shù)不同，后一次焊接比前一次焊接的轉(zhuǎn)速與進(jìn)給速度比值更大。本發(fā)明的攪拌摩擦焊接方法能夠避免厚板焊接過程中底部缺陷的產(chǎn)生，提高厚板板材焊接接頭性能，實(shí)現(xiàn)厚板板材高質(zhì)量的攪拌摩擦焊接。本發(fā)明避免了設(shè)備的額外投入和工藝的繁雜，降低了生產(chǎn)成本、提高了生產(chǎn)效率。
【專利說明】
一種避免底部缺陷、提高接頭性能的厚板攪拌摩擦焊接方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種焊接方法，尤其是一種攪拌摩擦焊接方法，具體地說是一種通過 多次不同參數(shù)的攪拌摩擦焊來避免底部缺陷、提高接頭性能的厚板攪拌摩擦焊接方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 攪拌摩擦焊(FSW)是1991年由英國焊接研究所(The Welding Institute, TWI)發(fā) 明的(US 5460317)-種新型固相連接技術(shù)，該技術(shù)的原理是利用攪拌頭與材料的強(qiáng)烈摩擦 和對軟化材料的攪拌作用，使焊縫連接區(qū)處于熱塑性狀態(tài)并使其趨于熔化、混合，隨著攪拌 頭向前行進(jìn)，在攪拌頭的后方形成焊縫，完成固相連接。攪拌摩擦焊過程中，攪拌頭軸肩產(chǎn) 熱量占到攪拌頭產(chǎn)熱量的80%_90%，而攪拌針產(chǎn)熱只占到總體產(chǎn)熱的10%-20%;厚板由于板 材厚度較大，軸肩產(chǎn)生的熱量幾乎不能及時(shí)傳導(dǎo)到板材底部區(qū)域，所以利用普通攪拌摩擦 焊接工藝，板材底部常常因?yàn)闊彷斎肓坎蛔銓?dǎo)致該區(qū)域材料的流動(dòng)性不足，在板材底部區(qū) 域容易產(chǎn)生孔洞和溝槽等缺陷。板材底部孔洞和溝槽的出現(xiàn)極大降低了接頭性能。
[0003] 為了增大厚板底部材料的塑性金屬流動(dòng)性，提高中厚板的連接強(qiáng)度，發(fā)明專利"一 種鎂、鋁合金中厚板攪拌摩擦焊方法"（專利公開號:CN102689090A)采用在焊縫底部施加輔 助熱源來預(yù)熱焊接區(qū)金屬，提高板材底部熱輸入量，從而提高板材底部材料流動(dòng)性，避免連 接缺陷的產(chǎn)生。然而，這種方法會(huì)帶來焊接接頭中出現(xiàn)大范圍軟化區(qū)的問題，同時(shí)該方法增 加了連接設(shè)備的復(fù)雜性。
[0004] 發(fā)明專利"一種高強(qiáng)度鋁合金厚板地?zé)彷斎霐嚢枘Σ梁附臃椒?（專利公開號： CN103624398A)采用在被焊厚板邊緣側(cè)加工出規(guī)定尺寸的多級臺(tái)階形狀，進(jìn)行多層重疊、多 道次攪拌摩擦焊的工藝，實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)鋁合金厚板的攪拌摩擦連接，提高接頭的性能。然而，此 種方法需要大大增加連接過程板材的焊前處理時(shí)間，焊接過程的裝夾和處理時(shí)間，極大的 降低了焊接效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有厚板(厚度為10-50毫米)攪拌摩擦焊接中存在的板材底 部區(qū)域容易產(chǎn)生孔洞和溝槽等缺陷，而避免這些缺陷的工藝復(fù)雜，需要大量輔助設(shè)備而造 成焊接成本過高的問題，提供一種避免底部缺陷、提高接頭性能的厚板攪拌摩擦焊接方法。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案是： 一種避免底部缺陷、提高接頭性能的厚板攪拌摩擦焊接方法，其特征是用不同軸肩大 小和攪拌針長短的攪拌頭，在不同焊接工藝參數(shù)下對板材進(jìn)行至少三次攪拌摩擦焊接，以 逐次消除攪拌針底部因熱輸入量不足引起的焊接缺陷，提高焊接質(zhì)量。它包括以下步驟： 1) 第一次焊接時(shí)采用小軸肩、攪拌針長度與板材厚度相匹配的攪拌頭在高轉(zhuǎn)速、低進(jìn) 給速度下進(jìn)行攪拌摩擦焊接，以實(shí)現(xiàn)厚板底部的有效焊接； 2) 第二次焊接采用中軸肩、針長為第一次使用攪拌頭針長的四分之三，在次高轉(zhuǎn)、次低 進(jìn)給速度下沿著第一次焊接的焊縫進(jìn)行，以實(shí)現(xiàn)厚板中部的有效焊接，改善厚板中間焊接 質(zhì)量； 3)第三次焊接采用大軸肩、針長為第一次使用攪拌頭針長的二分之一，中等厚度板材 工藝條件下沿著第二次焊接的焊縫進(jìn)行，以實(shí)現(xiàn)厚板上部焊接質(zhì)量的改善，提高厚板的整 體焊接性能。
[0007] 本發(fā)明還可通過逐次縮短攪拌頭針長、加大軸肩直徑、降低轉(zhuǎn)速提高進(jìn)給速度的 方法進(jìn)行三次以上的焊接，但最后一次焊接時(shí)攪拌頭為焊接中等厚度板材的攪拌頭、工藝 參數(shù)為焊接中等厚度板材的工藝參數(shù)。
[0008] 本發(fā)明的關(guān)鍵是： 1、采用小軸肩、攪拌針長度略小于或與板材厚度相匹配的攪拌頭在高轉(zhuǎn)速、低進(jìn)給速 度下進(jìn)行攪拌摩擦焊接。攪拌針端部有增大摩擦的槽狀結(jié)構(gòu)，攪拌針上有螺紋，增大攪拌針 的摩擦產(chǎn)熱，攪拌頭軸肩有凹槽。配合攪拌頭高轉(zhuǎn)速、低進(jìn)給速度的工藝條件，厚板底部材 料產(chǎn)熱充分，材料流動(dòng)性好，板材底部將不會(huì)產(chǎn)生缺陷，底部連接質(zhì)量高。
[0009] 2、采用中軸肩、針長為前次使用攪拌頭針長的四分之三，在次高轉(zhuǎn)、次低進(jìn)給速度 下沿著第一次焊接的焊縫進(jìn)行第二次攪拌摩擦焊接。攪拌針端部有槽狀結(jié)構(gòu)，攪拌針上有 螺紋，攪拌頭軸肩有凹槽，配合攪拌頭次高轉(zhuǎn)、次低進(jìn)給速度的工藝條件，在板材厚度四分 之三附近區(qū)域，材料產(chǎn)熱充分，材料流動(dòng)性好，不會(huì)產(chǎn)生缺陷，連接質(zhì)量高。
[0010] 3、經(jīng)過前兩次攪拌摩擦焊接，厚板底部二分之一厚度已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了、無缺陷、高質(zhì)量 焊接，沒有實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量焊接的板材厚度僅為原來的二分之一，為中等厚度。采用焊接中等厚 度板材的攪拌頭大軸肩、針長為第一次使用攪拌頭針長的二分之一，在中等板材厚度工藝 條件下沿著第二次焊接的焊縫進(jìn)行第三次攪拌摩擦焊接，獲得板厚二分之一以上區(qū)域的高 質(zhì)量連接。
[0011] 4、經(jīng)過三次不同攪拌頭和焊接參數(shù)的焊接，避免了厚板板材底部的缺陷產(chǎn)生、提 高了厚板板材焊接接頭性能，實(shí)現(xiàn)了厚板板材高質(zhì)量的攪拌摩擦焊接。
[0012] 本發(fā)明的有益效果： 本發(fā)明的攪拌摩擦焊接方法能夠避免厚板焊接過程中底部缺陷的產(chǎn)生，提高厚板板材 焊接接頭性能，實(shí)現(xiàn)厚板板材高質(zhì)量的攪拌摩擦焊接。同時(shí)，本發(fā)明的方法避免了設(shè)備的額 外投入和工藝的繁雜，降低了生產(chǎn)成本、提高了生產(chǎn)效率。
[0013] 本發(fā)明無需增加額外的設(shè)備，僅利用現(xiàn)有的攪拌摩擦焊接設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)厚板材的 快速焊接，對超厚板材的焊接也具有一定的指導(dǎo)意義。
[0014] 本發(fā)明具有方法簡單，效率高的優(yōu)點(diǎn)，同比可提高焊接效率50%以上，投入可節(jié)省 50%以上。
[0015] 本發(fā)明的焊接質(zhì)量能達(dá)到優(yōu)秀等級，實(shí)際檢測焊接部位無空洞和隧道缺陷。
【附圖說明】
[0016] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例第一次焊接示意圖。
[0017] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例第一次焊接使用的攪拌頭示意簡圖。
[0018] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例第二次焊接示意圖。
[0019] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例第二次焊接使用的攪拌頭示意簡圖。
[0020] 圖5為本發(fā)明實(shí)施例第三此焊接示意圖。
[0021 ]圖6為本發(fā)明實(shí)施例第三此焊接使用的攪拌頭示意簡圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
[0023] 如圖1-6所示。
[0024] 一種避免底部缺陷、提高接頭性能的厚板攪拌摩擦焊接方法，分三次進(jìn)行，第一次 焊接示意圖如圖1所示，其中1、2為待焊板材，待焊板材為板厚30mm的2024-T3鋁合金。第一 次焊接所采用的攪拌頭3,如圖2所示，其上有軸肩4和攪拌針5,軸肩4直徑為30mm;攪拌針5 攪拌針長29.5mm，根部直徑為10mm，端部直徑為5mm。攪拌頭的轉(zhuǎn)速為3000rpm，攪拌頭的進(jìn) 給速度為15mm/min。焊接完成后將板材冷卻至室溫，其可以自然冷卻也可以采用隨焊氣冷 或水冷措施冷卻。配合攪拌頭高轉(zhuǎn)速、低進(jìn)給速度的工藝條件，厚板底部材料產(chǎn)熱充分，材 料流動(dòng)性好，板材底部將不會(huì)產(chǎn)生缺陷，底部連接質(zhì)量高。由于攪拌攪拌頭轉(zhuǎn)速高，進(jìn)給速 度小，攪拌頭軸肩區(qū)域產(chǎn)熱量高，板材上部將會(huì)過熱而產(chǎn)生缺陷。
[0025]板材冷卻至室溫后進(jìn)行第二次焊接，第二次焊接示意圖如圖3所示，焊接過程攪拌 頭運(yùn)行的軌跡和第一次焊接相同，焊接過程將沿著第一次焊接的焊縫進(jìn)行。第二次焊接所 采用的攪拌頭6,如圖4所示，其上有軸肩7和攪拌針8,軸肩7直徑為35mm;攪拌針8攪拌針長 22.5mm，根部直徑為10mm，端部直徑為4mm。攪拌頭的轉(zhuǎn)速為2500rpm，攪拌頭的進(jìn)給速度為 20mm/min。焊接完成后將板材冷卻至室溫，其可以自然冷卻也可以采用隨焊氣冷或水冷措 施冷卻。配合攪拌頭次高轉(zhuǎn)、次低進(jìn)給速度的工藝條件，在板材厚度四分之三附近區(qū)域，材 料產(chǎn)熱充分，材料流動(dòng)性好，不會(huì)產(chǎn)生缺陷，連接質(zhì)量高。由于攪拌攪拌頭轉(zhuǎn)速偏高，進(jìn)給速 度偏小，攪拌頭軸肩區(qū)域產(chǎn)熱量較高，板材上部將會(huì)過熱而降低性能。
[0026]經(jīng)過前兩次攪拌摩擦焊接，厚板底部二分之一厚度已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了、無缺陷、高質(zhì)量焊 接，沒有實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量焊接的板材厚度僅為原來的二分之一，為中等厚度。板材冷卻至室溫后 進(jìn)行第三次焊接，第三次焊接示意圖如圖5所示，焊接過程攪拌頭運(yùn)行的軌跡和第二次焊接 相同，焊接過程將沿著第二次焊接的焊縫進(jìn)行。第三次焊接所采用的攪拌頭9,如圖4所示， 其上有軸肩1 〇和攪拌針11，軸肩1 〇直徑為40mm;攪拌針11攪拌針長15mm，根部直徑為10mm， 端部直徑為3mm。攪拌頭的轉(zhuǎn)速為2000rpm，攪拌頭的進(jìn)給速度為25mm/min。焊接完成后將板 材冷卻至室溫，完成焊接。此時(shí)，接頭底部、中部、上部都實(shí)現(xiàn)了有效的焊接。
[0027]經(jīng)過以上三次不同攪拌頭和焊接參數(shù)的焊接，避免了厚板板材底部的缺陷產(chǎn)生、 提高了厚板板材焊接接頭性能，實(shí)現(xiàn)了 2024鋁合金厚板板材高質(zhì)量的攪拌摩擦焊接。實(shí)際 檢驗(yàn)，接頭無孔洞和隧道的形成，接頭強(qiáng)度達(dá)到388MPa，達(dá)到母材的80.1%。
[0028] 對比例 對比例為一次攪拌摩擦焊接，方法參考文獻(xiàn)《2219厚板攪拌摩擦焊組織及性能分析》， 2024鋁合金焊接接頭強(qiáng)度為253MPa，為母材的52.4%。
[0029] 實(shí)施例和對比例的接頭抗拉強(qiáng)度及對比見表1。
為了進(jìn)一步提高焊接質(zhì)量或適應(yīng)更大厚度板材的攪拌摩擦焊接，具體實(shí)施時(shí)還可采用 四次或四次以上的焊接步驟進(jìn)行，但需要掌握通過逐次縮短攪拌頭針長、加大軸肩直徑、降 低轉(zhuǎn)速提高進(jìn)給速度的原則進(jìn)行，而最后一次焊接時(shí)一般采用的攪拌頭應(yīng)為焊接中等厚度 板材的攪拌頭、工藝參數(shù)也為焊接中等厚度板材的工藝參數(shù)。
[0031]本發(fā)明未涉及部分(如中等厚度板材的攪拌摩擦焊接參數(shù))等均與現(xiàn)有技術(shù)相同 或可采用現(xiàn)有技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種避免底部缺陷、提高接頭性能的厚板攪拌摩擦焊接方法，其特征是用不同軸肩 大小和攪拌針長短的攪拌頭，在不同焊接工藝參數(shù)下對板材進(jìn)行至少三次攪拌摩擦焊接， 以逐次消除攪拌針底部因熱輸入量不足引起的焊接缺陷，提高焊接質(zhì)量。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是它包括以下步驟： 1) 第一次焊接時(shí)采用小軸肩、攪拌針長度與板材厚度相匹配的攪拌頭在高轉(zhuǎn)速、低進(jìn) 給速度下進(jìn)行攪拌摩擦焊接，以實(shí)現(xiàn)厚板底部的有效焊接； 2) 第二次焊接采用中軸肩、針長為第一次使用攪拌頭針長的四分之三，在次高轉(zhuǎn)、次低 進(jìn)給速度下沿著第一次焊接的焊縫進(jìn)行，以實(shí)現(xiàn)厚板中部的有效焊接，改善厚板中間焊接 質(zhì)量； 3) 第三次焊接采用大軸肩、針長為第一次使用攪拌頭針長的二分之一，中等厚度板材 工藝條件下沿著第二次焊接的焊縫進(jìn)行，以實(shí)現(xiàn)厚板上部焊接質(zhì)量的改善，提高厚板的整 體焊接性能。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征是通過逐次縮短攪拌頭針長、加大軸肩直徑、 降低轉(zhuǎn)速提高進(jìn)給速度的方法進(jìn)行三次以上的焊接，但最后一次焊接時(shí)攪拌頭為焊接中等 厚度板材的攪拌頭、工藝參數(shù)為焊接中等厚度板材的工藝參數(shù)。4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征是所述的所有攪拌針的端部均有增大摩擦的 槽狀結(jié)構(gòu)，所有攪拌針上均有螺紋以增大攪拌針的摩擦產(chǎn)熱。5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征是所述的所有攪拌頭的軸肩均設(shè)有凹槽。
【文檔編號】B23K20/12GK105880826SQ201610219723
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月11日
【發(fā)明人】鄧永芳, 楊斌, 汪航
【申請人】江西理工大學(xué)