CN100363142C - 防止铝合金搅拌摩擦焊缝晶粒在热处理中反常长大的方法 - Google Patents
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Abstract
防止铝合金搅拌摩擦焊缝晶粒在热处理中反常长大的方法，它属于焊接领域，它是为了解决现有技术中防止铝合金搅拌摩擦焊接接头焊缝区晶粒在焊后固溶热处理中发生反常长大的方法存在难以实施及影响焊缝性能的缺点的问题。本发明通过控制焊接工艺参数的方法(在不产生焊接缺陷的前提下尽量采用高焊速或低转速，焊接工艺参数是指焊接速度和搅拌头旋转速度)来控制在焊态条件下焊缝区的组织结构，使该区域组织结构在焊态条件下具有较高的应变能；这种含有较高应变能的等轴晶组织在随后的固溶热处理过程中由于形核质点的增多而形成细小晶粒的组织结构。因此，通过控制焊接工艺参数的方法能够解决焊缝区晶粒在焊后固溶热处理中发生反常长大的问题。
Description
技术领域
本发明属于焊接领域，具体涉及一种防止铝合金搅拌摩擦焊接接头焊缝区晶粒在焊后热处理过程中发生反常长大的方法。
背景技术
搅拌摩擦焊接的基本原理如欧洲专利EP0615480-B1所述，在搅拌摩擦焊接过程中，利用高速旋转的搅拌头与工件摩擦产生的热量使被焊材料局部塑化，当搅拌头沿着焊接界面向前移动时，塑化材料在搅拌头的转动摩擦力作用下由搅拌头的前部移向后部，并在搅拌头的挤压下形成致密的固相焊缝。虽然采用搅拌摩擦焊接的方法可以实现较熔焊方法更为优质的连接，但接头的软化问题依然存在。特别是对于可热处理强化的铝合金，接头强度的降低更为严重。为了最大限度地发挥可热处理强化铝合金高强度的特点，焊后固溶热处理技术已被应用到这种铝合金的搅拌摩擦焊接领域，以便解决以上问题。
焊后固溶热处理技术能够显著提高铝合金搅拌摩擦焊接构件整体性能的案例如美国专利US6802444-B1、US6168067-B1和US6780525-B2所述，热处理后构件的强度、硬度、耐腐蚀性均得到显著提高。但是，由于搅拌摩擦焊接接头焊缝区是由细小的等轴晶粒组成，等轴晶粒在固溶处理过程中的不稳定性导致晶粒发生反常长大。专利WO2004104258-A1指出，热处理后焊缝区晶粒可达到200μm左右。如此粗大的等轴晶粒势必恶化接头的性能，因此必须采取有效措施来防止焊缝区晶粒在热处理过程中发生的反常长大，以便使焊后固溶热处理技术能够更好地应用到搅拌摩擦焊接领域。
目前关于防止铝合金搅拌摩擦焊接接头焊缝区晶粒在焊后固溶处理中发生反常长大的方法的报道较少。欧洲专利EP1285707-A1通过在焊缝区预置中间合金层的方法来避免该区在随后的固溶热处理中发生晶粒反常长大的问题，但专利中并未阐述防止晶粒长大的效果。而且，这种方法还存在明显的不足之处。首先，欧洲专利EP1285707-A1在实施时难于找到有效的中间合金层，即使能够找到，如何制备也是个有待解决的问题；其次，中间合金层的引入对搅拌摩擦焊接过程会产生一定的影响，甚至对焊缝成形产生破坏作用；再次，引入的中间合金成分不同于被焊材料，因而所形成的焊缝成分必然与母材不同，这样就会对焊缝的某些性能造成不利的影响。
发明内容
为了解决现有技术中防止铝合金搅拌摩擦焊接接头焊缝区晶粒在焊后固溶热处理中发生反常长大的方法存在难以实施及影响焊缝性能的缺点的问题，本发明提出了一种防止铝合金搅拌摩擦焊缝晶粒在热处理中反常长大的方法，它通过控制焊接工艺参数来防止铝合金搅拌摩擦焊接接头焊缝区晶粒在焊后固溶热处理过程中发生反常长大。本发明的方法不但能有效避免焊缝区晶粒的反常长大现象，而且工艺简单，易于实现。
本发明可以通过以下步骤实现：首先确定搅拌头旋转速度，所述搅拌头旋转速度的范围为100～6000rpm，然后，在所述搅拌头旋转速度对应的焊接速度的范围内根据待焊铝合金材料的材质和尺寸以及搅拌头类型确定不产生焊接缺陷的焊接速度的选择范围，所述搅拌头旋转速度对应的焊接速度的范围为50～2000mm/min，最后，选择上述范围的上限值作为焊接速度对待焊铝合金材料进行搅拌摩擦焊接，所述铝合金材料是能进行热处理的铝合金材料。
本发明还可以通过以下步骤实现：首先确定焊接速度，所述焊接速度的范围为50～2000mm/min，然后，在所述焊接速度对应的搅拌头旋转速度的范围内根据待焊铝合金材料的材质和尺寸以及搅拌头类型确定不产生焊接缺陷的搅拌头旋转速度的选择范围，所述焊接速度对应的搅拌头旋转速度的范围为100～6000rpm，最后选择上述范围的下限值作为搅拌头旋转速度对待焊铝合金材料进行搅拌摩擦焊接，所述铝合金材料是能进行热处理的铝合金材料。
上述不产生焊接缺陷是指保证材料充分塑化而不在焊缝中形成隧道型空洞缺陷。本发明方法所提到的搅拌摩擦焊接是指利用高速旋转的搅拌头与工件摩擦产生的热量使被焊材料局部塑化，当搅拌头沿着焊接界面向前移动时，塑化材料在搅拌头的转动摩擦力作用下由搅拌头的前部移向后部，并在搅拌头的挤压下形成致密的固相焊缝。
不管是先确定搅拌头旋转速度还是先确定焊接速度，本发明都是通过控制焊接工艺参数的方法(在不产生焊接缺陷的前提下尽量采用高焊速或低转速，焊接工艺参数是指焊接速度和搅拌头旋转速度)来控制在焊态条件下焊缝区的组织结构，使该区域组织结构在焊态条件下具有较高的应变能；这种含有较高应变能的等轴晶组织在随后的固溶热处理过程中由于形核质点的增多而形成细小晶粒的组织结构。因此，通过控制焊接工艺参数的方法能够解决焊缝区晶粒在焊后固溶热处理中发生反常长大的问题。
附图说明
图1是搅拌头旋转速度为800rpm、焊接速度为100mm/min时，2219-O铝合金进行常规搅拌摩擦焊接接头的横截面示意图；图2是搅拌头旋转速度为800rpm、焊接速度为400mm/min时，2219-O铝合金进行常规搅拌摩擦焊接接头的横截面示意图；图3是搅拌头旋转速度为800rpm、焊接速度为100mm/min时，2219-T6铝合金进行常规搅拌摩擦焊接接头的横截面示意图；图4是搅拌头旋转速度为800rpm、焊接速度为260mm/min时，2219-T6铝合金进行常规搅拌摩擦焊接接头的横截面示意图；图5是图1的热处理态铝合金搅拌摩擦焊接接头的横截面示意图；图6是图2的热处理态铝合金搅拌摩擦焊接接头的横截面示意图；图7是图3的热处理态铝合金搅拌摩擦焊接接头的横截面示意图；图8是图4的热处理态铝合金搅拌摩擦焊接接头的横截面示意图；图9是采用焊接速度为400mm/min、搅拌头旋转速度为700rpm进行焊接后的热处理态2219-O铝合金搅拌摩擦焊接接头的横截面示意图；图10是采用焊接速度为400mm/min、搅拌头旋转速度为1200rpm进行焊接后的热处理态2219-O铝合金搅拌摩擦焊接接头的横截面示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：本具体实施方式是通过这样的方法来实现的：首先确定搅拌头旋转速度，然后，在所述搅拌头旋转速度对应的焊接速度的范围内根据待焊铝合金材料的材质和尺寸以及搅拌头类型确定不产生焊接缺陷的焊接速度的选择范围，最后，选择上述范围的上限值作为焊接速度对待焊铝合金材料进行搅拌摩擦焊接，所述铝合金材料是能进行热处理的铝合金材料。上述不产生焊接缺陷是指保证材料充分塑化而不在焊缝中形成隧道型空洞缺陷；所述搅拌头旋转速度的范围为100～6000rpm；所述搅拌头旋转速度对应的焊接速度的范围为50～2000mm/min。本发明中，参数的选择范围可以凭实验确定。
具体实施方式二：本具体实施方式与具体实施方式一的不同点是：本具体实施方式采用2219-O铝合金为待焊铝合金材料，其尺寸为300mm×100mm×5mm，接头类型为对接，采用锥形螺纹搅拌头，搅拌头的轴肩直径为14mm(毫米)，搅拌针长为4.8mm，搅拌头旋转速度为800rpm(转数每分钟)，此时根据待焊铝合金材料的材质和尺寸以及搅拌头类型确定不产生焊接缺陷的焊接速度的选择范围为100～400mm/min(毫米每分钟)，因此，依据具体实施方式一，选择上述范围的上限值400mm/min为焊接速度来对2219-O铝合金材料进行搅拌摩擦焊接。其他步骤与具体实施方式一相同。本具体实施方式的焊态接头焊缝区的典型组织如图1和图2所示；而焊后热处理态接头焊缝区的微观组织如图5和图6所示，所述热处理的固溶温度为540℃，保温时间为32分钟，时效温度为165℃，保温时间为18小时。从图5可以看出，当焊接速度为100mm/min时，焊缝区晶粒在热处理过程中发生明显长大，晶粒尺寸约1000～2000μm(微米)；从图6可以看出，当焊接速度为400mm/min的情况下，焊缝区晶粒的长大程度明显降低，平均晶粒尺寸约20～40μm。这说明，采用高速焊的方法能够有效防止焊缝区晶粒在焊后固溶热处理中发生的反常长大。
具体实施方式三：本具体实施方式与具体实施方式一的不同点是：本具体实施方式采用2219-T6铝合金作为待焊铝合金材料，其尺寸为300mm×100mm×5mm，接头类型为对接，采用锥形螺纹搅拌头，搅拌头轴肩直径为14mm，搅拌针长为4.8mm，搅拌头的旋转速度为800rpm，此时根据待焊铝合金材料的材质和尺寸以及搅拌头类型确定不产生焊接缺陷的焊接速度的选择范围为100～260mm/min，因此，依据具体实施方式一，选择上述范围的上限值260mm/min为焊接速度来对2219-T6铝合金材料进行搅拌摩擦焊接。其他步骤与具体实施方式一相同。本具体实施方式的焊态接头焊缝区典型组织如图3和图4所示；而焊后热处理接头焊缝区的微观组织如图7和图8所示，所述热处理的条件与具体实施方式一提到的热处理条件相同。从图7可以看出，当焊接速度为100mm/min时，焊缝区晶粒在热处理过程中发生明显长大，晶粒尺寸达到500～1000μm；从图8可以看出，当焊接速度为260mm/min的情况下，焊缝区晶粒的长大程度明显降低，平均晶粒尺寸约10～20μm。这说明，采用高速焊的方法能够有效防止焊缝区晶粒在焊后固溶热处理中发生的反常长大。
具体实施方式四：本具体实施方式是通过这样的方法来实现的：首先确定焊接速度，然后，在所述焊接速度对应的搅拌头旋转速度的范围内根据待焊铝合金材料的材质和尺寸以及搅拌头类型确定不产生焊接缺陷的搅拌头旋转速度的选择范围，最后选择上述范围的下限值作为搅拌头旋转速度对待焊铝合金材料进行搅拌摩擦焊接，所述铝合金材料是能进行热处理的铝合金材料。上述不产生焊接缺陷是指保证材料充分塑化而不在焊缝中形成隧道型空洞缺陷；所述焊接速度的范围为50～2000mm/min；所述焊接速度对应的搅拌头旋转速度的范围为100～6000rpm。
具体实施方式五：本具体实施方式与具体实施方式四的不同点是：本具体实施方式采用2219-O铝合金为待焊铝合金材料，其尺寸为300mm×100mm×5mm，接头类型为对接，采用锥形螺纹搅拌头，搅拌头的轴肩直径为14mm，搅拌针长为4.8mm，焊接速度为400mm/min，此时根据待焊铝合金材料的材质和尺寸以及搅拌头类型确定不产生焊接缺陷的搅拌头旋转速度的选择范围为700～1200rpm，因此，依据具体实施方式四，选择上述范围的下限值700rpm为搅拌头旋转速度来对2219-O铝合金材料进行搅拌摩擦焊接。其他步骤与具体实施方式四相同。本具体实施方式焊后的热处理态接头焊缝区的微观组织如图9和图10所示，所述热处理的条件与具体实施方式一提到的热处理条件相同。从图9可以看出，当搅拌头的旋转速度为700rpm的情况下，焊缝区晶粒未发生明显的长大现象，平均晶粒尺寸约10～20μm；从图10可以看出，当搅拌头的旋转速度为1200rpm时，焊缝区晶粒在热处理过程中发生明显长大，晶粒尺寸约500～1000μm。这说明，采用低转速焊接的方法能够有效防止焊缝区晶粒在焊后固溶热处理中发生的反常长大。
Claims (5)
1.防止铝合金搅拌摩擦焊缝晶粒在热处理中反常长大的方法，其特征在于它首先确定搅拌头旋转速度，所述搅拌头旋转速度的范围为100～6000mm，然后，在所述搅拌头旋转速度对应的焊接速度的范围内根据待焊铝合金材料的材质和尺寸以及搅拌头类型确定不产生焊接缺陷的焊接速度的选择范围，所述搅拌头旋转速度对应的焊接速度的范围为50～2000mm/min，最后，选择上述范围的上限值作为焊接速度对待焊铝合金材料进行搅拌摩擦焊接，所述铝合金材料是能进行热处理的铝合金材料。
2.根据权利要求1所述的防止铝合金搅拌摩擦焊缝晶粒在热处理中反常长大的方法，其特征在于它采用2219-O铝合金为待焊铝合金材料，其尺寸为300mm×100mm×5mm，采用锥形螺纹搅拌头，搅拌头旋转速度为800rpm，根据待焊铝合金材料的材质和尺寸以及搅拌头类型确定不产生焊接缺陷的焊接速度的选择范围为100～400mm/min。
3.根据权利要求1所述的防止铝合金搅拌摩擦焊缝晶粒在热处理中反常长大的方法，其特征在于它采用2219-T6铝合金作为待焊铝合金材料，其尺寸为300mm×100mm×5mm，采用锥形螺纹搅拌头，搅拌头的旋转速度为800rpm，根据待焊铝合金材料的材质和尺寸以及搅拌头类型确定不产生焊接缺陷的焊接速度的选择范围为100～260mm/min。
4.防止铝合金搅拌摩擦焊缝晶粒在热处理中反常长大的方法，其特征在于它首先确定焊接速度，所述焊接速度的范围为50～2000mm/min，然后，在所述焊接速度对应的搅拌头旋转速度的范围内根据待焊铝合金材料的材质和尺寸以及搅拌头类型确定不产生焊接缺陷的搅拌头旋转速度的选择范围，所述焊接速度对应的搅拌头旋转速度的范围为100～6000rpm，最后选择上述范围的下限值作为搅拌头旋转速度对待焊铝合金材料进行搅拌摩擦焊接，所述铝合金材料是能进行热处理的铝合金材料。
5.根据权利要求4所述的防止铝合金搅拌摩擦焊缝晶粒在热处理中反常长大的方法，其特征在于它采用2219-O铝合金为待焊铝合金材料，其尺寸为300mm×100mm×5mm，采用锥形螺纹搅拌头，焊接速度为400mm/min，根据待焊铝合金材料的材质和尺寸以及搅拌头类型确定不产生焊接缺陷的搅拌头旋转速度的选择范围为700～1200rpm。
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