CN102076455B - 使用至少两个交替的模式的摩擦搅拌焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及将至少一个由金属合金A制成的第一零件与至少一个由不同的金属合金B制成的第二零件通过摩擦搅拌进行焊接的方法，其中：所述第一和第二零件并排放置；借助于以被称为前进速度的速度移动的旋转工具实现所述第一和第二零件之间的连接，其特征在于，在连续状态下该工具的所述前进速度具有至少两个交替的模式：第一模式，在该第一模式中使用第一平均前进速度V1；以及第二模式，在该第二模式中使用第二平均前进速度V2，速度V1和V2明显不同，其差值一般为最高前进速度的至少30％，最小前进速度为0。根据本发明的焊接组件对生产用在运输车辆制造中的板材和型材是特别有利的。
Description
技术领域
本发明涉及通过摩擦搅拌焊接方法来进行金属零件的焊接。更具体地，本发明涉及将具有非常不同的机械特性的两个零件焊接在一起。
背景技术
通常我们知道，在制造用于航空结构的半成品和结构件时，某些所需的性能一般不能彼此独立地同时进行优化。表示为“静态机械强度”（具体是拉伸强度Rm和屈服强度Rp0.2）的性能，以及表示为“损伤容限”（具体是对裂纹扩展的强度和阻抗力）的性能有时就是这样。对于结构件设计的每次使用，必须在静态机械性能和损伤容限性能之间需求一种适当的平衡。在此将其称为“性能平衡”。如果需要的话，在某些情况下，另外的性能，比如耐腐蚀性也可包括在性能平衡中，并且确定被称为“静态机械性能”或“损伤容限”中的两个或两个以上性能（比如具有互不相容倾向的屈服强度和伸长率）之间的平衡同样是必要的。对于某些零件或结构件，需要对性能平衡进行优化是特别重要的，对于这些零件或结构件，如果静态机械性能在其几何形状的一端得到优化，而损伤容限在其几何形状的另一端得到优化的话，就能够得到最好的结果。对结构件的每一部分具有优化特性的零件进行焊接就能够得到具有优化性能的结构件。
专利申请EP1799391（Alcan Rhenalu）公开了包括由不同性能平衡的铝合金制造的至少两部分的结构件的制造方法，所述两部分被焊接在一起，而且所述部分的其中之一（i）由不同于所述两部分中的另一部分的铝合金制成和/或（ii）具有不同于所述两部分中的另一个的初始冶金状态，并且其中所述两部分中的至少一个在焊接之前被预回火，其中该结构件在焊接后回火，使得所述两部分中的每一个都为最终的冶金状态。
TWI（焊接研究所）在英国于20世纪90年代开始进行摩擦搅拌焊接方法的研究。该方法在铝合金装配领域得到迅速发展。其原理是借助于经由一个使待组装的两种材料混合的旋转工具施加至金属的强剪切力来实现非熔融焊接。首先，在移动所述工具从而逐步实现焊接之前，通过摩擦金属表面上的肩部来加热金属，由此减小屈服应力。所述肩部还可容纳该金属并保持压力，以避免该金属喷射到焊接区以外。
该方法可避免产生热开裂问题，尤其能够焊接被视为不可熔融焊接的合金，比如含有镁的合金2XXX或含有铜的合金7XXX，这些都是通常在航空结构中使用的合金。
摩擦搅拌焊接方法的主要参数是：工具几何形状的选择、工具的旋转速度和前进速度（也称为焊接速度），以及施加在工具上的力。这些参数并非是彼此独立的。通常地，例如，旋转速度必须随着焊接速度的增加而增加。另外，优化的焊接速度通常与焊接厚度成反比（参见例如“Le soudage par friction-malaxage”，R.CAZES，LesTechniques de l’Ingénieur，BM77461-9）。
专利申请DE19953260A1系统地描述了焊接速度、旋转速度、施加的力、工具高度的循环变化的可能性，但没有明确指出所选择的实施方案以及在何种情况下这些实施方案是有利的。
专利申请US2004-046003描述了工具旋转速度的循环变化，以改善塑化金属的混合。
专利US6,450,394描述了使用摩擦搅拌焊接来制造机身结构件的方法。此专利提到了改变焊接速度和旋转速度以使焊接条件适合于不同产品厚度的可能性。焊接的参数应该与待焊接的合金相适应，特别是与其热硬度或者热屈服应力相适应。对于在给定冶金状态下的每一种合金，对于给定的焊接厚度，能够在工具的焊接速度和旋转速度方面得到优化的焊接条件。优化的前进速度通常是能够获得满意焊接质量，尤其是没有孔和没有表面缺陷的最高速度。当焊接两种具有不同机械特性、特别是具有不同热屈服应力的金属材料时，一般使用最适合于该合金中的任一种的参数之间的中间焊接参数。但是，在一些情况下，特别是当两种待焊接材料之间热屈服应力差别很大时，找到满意的中间条件实际上是很困难，甚至是不可能的。
有必要提供一种方法，以能够对该问题提供解决方案，该方法包括通过摩擦搅拌焊接来焊接具有不同金属合金（尤其是具有很大不同的热屈服应力）的两个或两个以上的零件。
发明内容
本发明的目的是通过摩擦搅拌来对至少一个由金属合金A制成的第一零件和至少一个由不同的金属合金B制成的第二零件进行焊接的方法，其中：
--所述第一零件和第二零件并排放置，
--借助于以被称为前进速度的速度移动的旋转工具，实现所述第一零件和第二零件之间的连接，
其特征在于，在连续状态下该工具的所述前进速度具有至少两个交替的模式：第一模式，在该第一模式中使用第一平均前进速度V1；以及第二模式，在该第二模式中使用第二平均前进速度V2，速度V1和V2明显不同，其差值一般为最高前进速度的至少20%，优选为其至少30%，最小的前进速度为0。
本发明的第二个目的是一种由金属合金制成的第一零件和第二零件之间的组件，该组件能够通过根据本发明的摩擦搅拌焊接方法获得，其特征在于，所述第一零件和第二零件的焊接能不同，在焊接操作中使用的冶金状态下以及对于所焊接的厚度，其因子至少等于1.5。
本发明的另一个目的是一种在航空结构中使用的结构件，其包括根据本发明的组件。
附图说明
图1是描述摩擦搅拌焊接法的总体示意图。
图2是在实验中使用的工具的图形。尺寸的单位是mm。
图3是焊接实验1的断面图。
图4是焊接实验2的断面图。
图5是焊接实验41号的断面图。
图6是实验41的力矩测量值和前进速度记录的图表。
图7是实验46的力矩测量值和前进速度记录的图表。
图8是实验48的力矩测量值和前进速度记录的图表。
具体实施方式
合金的定义是遵循本领域专业人员熟知的铝业协会（AA）的规定。在欧洲标准EN515中描述了冶金状态的定义。
除非有相反的规定，静态机械特征，换句话说，抗拉强度Rm、0.2%偏移量的屈服强度Rp0.2以及断裂伸长率A，都是按照标准EN10002-1的拉伸实验确定的，取样和实验方向由标准EN485-1确定。
图1描述了摩擦搅拌焊接的操作。将两个零件（20）和（21）并排放置。在垂直方向（13）上受到力F的工具（1）在水平方向上以前进速度V移动，同时在方向（12）上以旋转速度R旋转。前进侧是由于工具的旋转而使该工具表面的局部方向与焊接方向（11）一致的侧，零件（20）被放置在前进侧上。而后退侧是由于工具的旋转而使该工具表面的局部方向与焊接方向（11）相反的一侧，零件（21）被放置在后退侧上。工具的旋转速度R是工具在旋转方向（12）旋转的速度。前进速度是工具沿焊接方向（11）移动的速度。在本发明的范围内，将在给定时间内瞬时前进速度的平均值称为平均前进速度。
摩擦搅拌焊接的操作一般包括三个阶段：接合阶段，在该接合阶段期间使工具与待焊接的零件接触；连续搅拌阶段，在该连续搅拌阶段期间使工具规则地在待焊接的零件上前进；以及脱离阶段，在该脱离阶段期间使工具与待焊接的零件分离。在某些情况下，在旋转速度和前进速度方面的特定状态可用于在接合阶段和脱离阶段期间。本发明涉及连续状态，即在搅拌阶段所用的方法参数。
对于给定的金属合金，在给定的冶金状态下以及对于给定的焊接厚度下，具有优化的焊接参数，以此参数所能够得到的焊缝，其表面和断面视觉上的质量都是令人满意的，其机械强度达到最大值，同时可使用尽可能最高的焊接速度。该优化的参数主要由前进速度、旋转速度和施加的力来决定。可以估计到，确定这些优化参数的精确度为约10%之内。在这些优化条件下所必需的测量力矩是所考虑的合金的流变特征的指标。测量力矩在此指的是在焊接操作时所测量的力矩减去工具无负载旋转时测量的力矩。基于优化参数和测量力矩，对在给定冶金状态下的给定合金和给定焊接厚度，确定焊接能。
焊接能（J/m）=测量力矩×旋转速度×2π/前进速度
测量力矩的单位是N?m，旋转速度的单位是rpm，前进速度的单位是m/min。
实施例1的表1给出了用于AA2050-T3合金和AA7449-T6合金在焊接厚度为20mm时的优化参数。在该给定焊接厚度，AA7449-T6合金的焊接能大约为在T3回火性下合金AA2050的三倍左右。
本发明能够焊接由不同金属合金制成的零件。术语“不同金属合金”具体指的是焊接能明显不同的合金，其因子为1.5、2或2.5。这可涉及例如两种热屈服应力有很大不同的铝合金，或者一种是铝合金，一种是钛合金，或者甚至是钢或铜合金和钛或铝的合金。
在具有高焊接能的铝合金中，本发明对5XXX和7XXX系列合金是特别有利的。表7另外提供了对于由合金AA7449、AA2022和AA7040制造的板材的测量或估计焊接能。表7的结果表明，如在EP1799391中所述的连接板材的焊接能并未表现出明显不同的焊接能。
对于由在最终冶金状态下具有大于500MPa，优选大于530MPa的屈服强度的7XXX合金制造的零件与另一种不同金属合金进行摩擦搅拌焊接，本发明是特别有利的。所谓最终冶金状态下指的是焊接组件在经历可能的回火处理之后该零件的冶金状态。
在具有较小焊接能的合金当中，本发明对2XXX、6XXX和8XXX系列的合金是特别有利的。本发明特别有利于由铝-锂型铝合金，即含有至少0.8wt%的锂的铝-锂型铝合金制成的零件与不同金属合金制成的零件（尤其是在最终冶金状态下具有大于500MPa的屈服强度的7XXX合金制成的零件）的摩擦搅拌焊接。
在本发明的范围内，由选自AA2X39、AA2X24、AA2X98、AA2X95、AA2X96、AA2X50、AA6X56和AA6X82的合金制造的零件可与由选自AA7X49、AA7X55、AA7X50、AA7X75、AA7X85和AA5X82的合金制造的零件进行摩擦搅拌焊接。AA7X49指的是AA7049、AA7149、AA7249、AA7349和AA7449合金，这一原理适应于其他所引用的合金。优选的钛合金是合金Ti-6Al-4V。
根据本发明，通过摩擦搅拌焊接方法将由不同金属合金制造的零件焊接，其中，
--零件被并排放置，
--借助于以被称为前进速度的速度移动的旋转工具实现所述零件之间的连接，
在连续状态下该工具的前进速度具有至少两个交替的模式：第一模式，其中使用第一平均前进速度V1；第二模式，其中使用第二平均前进速度V2，速度V1和V2明显不同，其差值一般为最高前进速度的至少20%，优选为至少30%，最小前进速度为0。
这些零件可通过能够实现摩擦搅拌焊接连接的各种几何形状进行连接，定位的精确度并不关键。焊接操作主要在被放置成边对边的零件上进行（对接焊），适用于其他连接结构，诸如填角焊接、T形焊接或叠式焊接。
本发明人惊喜地发现，将加热时间（此时前进速度很小，甚至为0）和冷却时间（此时前进速度提高）交替可解决焊接合金屈服应力差过大的问题。为了获得期望的效果，速度V1和V2必须明显不同，其差值一般为至少20%，优选至少为30%。在本发明的一个有利的实施方案中，V1和V2之间的差值至少等于30mm/min。
优选地，在一个周期中交替进行第一和第二模式，该周期的时间T小于15s，优选为0.1～10s，有利地为0.5～7s。每毫米焊缝进行的周期数取决于所用的焊接速度，其本身特别取决于金属合金的组成和零件的厚度，通常每50mm焊缝要15个周期。
优选地，维持第一模式的时间为T1，而维持第二模式的时间为T2，T1加T2至少等于时间T的20%。时间T1和T2实际上表示该周期时间中足以观察到对焊缝质量影响的部分。在本发明一个有利的实施方案中，T1和T2实质上是相等的，即其差值不大于20%。优选地，在参数T1、T2以s表示，V1和V2以mm/s表示时，服从如下的关系式：
1<（T1V1－T2V2）2<400
一般说来，在冷却时间（高前进速度）实现的前进距离大约为3mm，而在加热时间（慢前进速度）实现的前进距离小于1mm。
基于每一个零件确定分别采取的优化参数的基础，可以找到待用于焊接操作的参数。一个重要的参数是在连续状态下的平均焊接前进速度，即，在整个连续状态期间的平均前进速度。例如，当仅使用在时间T1和T2中具有平均前进速度V1和V2的两个模式时，V=（T1×V1＋T2×V2）/（T1＋T2）。有利地，在由需要最高焊接能的零件的优化前进速度加/减其20%所限定的范围内的速度被用作连续状态下的平均前进速度V。
将旋转速度的变化与前进速度的变化组合可扩大加热时间和冷却时间。但是，使用在连续状态下实质上恒定的工具旋转速度是有利的。此外，摩擦搅拌焊接设备的电机难以承受工具旋转速度的变化，这些变化会导致设备寿命明显降低。另外，本发明人认为，当在连续状态下工具的旋转速度实质上是恒定时，焊缝的质量及其再现性会更好。
优选地，工具的旋转速度在由用于需要最高焊接能的零件的工具优化旋转速度加/减其20%所限定的范围内。本发明人发现，当旋转速度高于需要最高焊接能的零件的优化旋转速度正20%时，在加热时间内达到的温度会变得太高，并且可能产生毛刺，此外，测量力矩可能会不稳定，而这会导致焊缝的质量不均匀。
对于某些合金的组合，待焊接零件的相对位置对焊缝质量会造成影响。在本发明的一个有利的实施方案中，需要最高焊接能的零件被放置在后退侧。
本发明可用于各种厚度零件的焊接。然而，当焊接厚度为1～40mm，优选为10～30mm，更优选为12～20mm时，本发明是特别有利的。焊接速度与焊接厚度是相适应的。在一个有利的实施方案中，第一和第二零件是由铝合金制成的，以mm/min为单位的V1和V2之间的差值至少等于600/t，其中t是以mm为单位的焊接厚度。
本发明能够得到使用摩擦搅拌焊接方法焊接的组件，这种组件按照现有技术的方法是无法得到的，因为焊缝质量和机械性能都达不到要求。因此，本发明通过在由金属合金制造的第一零件和第二零件之间的摩擦搅拌焊接能够得到焊接组件，其特征在于，在该焊接厚度下焊接时的冶金状态下，该第一和第二零件的焊接能不同，其因子至少等于1.5。
根据本发明焊接的组件，对于拉伸机长度L0=80mm，其伸长率有利地至少为1.5%，优选为至少2.5%，和/或其拉伸强度Rm等于具有最高拉伸强度零件的拉伸强度的至少46%，优选为至少48%。
根据本发明焊接的组件，对于制造用来制造运输车辆的板材或型材是特别有利的。特别是，根据本发明的组件被用于制造铁路车辆、公共交通车辆、海上运输工具、汽车和航空器。根据本发明的组件在航空结构关于结构件的制造中是尤其有利的。术语“结构件”指的是在机械结构中使用的零件，在此结构中，静态和/或动态机械特性对于结构的整体性能是特别重要的，对于这种结构的计算通常是预先规定或者是给定的。一般这涉及到其失效会对所述结构、使用者、最终用户或其他人的安全造成危险的金属零件。对于飞机来说，这些结构件特别包括构成机身的零件（诸如机身蒙皮）、机身加强筋或加强件、舱壁、圆周框架、机翼蒙皮、加强筋、加强件和肋条和翼梁以及水平或竖直稳定器，以及地板型材、座位导轨和机门。
实施例
实施例1
在此实施例中，进行摩擦搅拌焊接。对于厚度40mm的合金AA2050-T351和合金AA7449-T6，确定优化焊接速度、优化旋转速度和焊接能，焊接厚度为20mm，使用具有深度0.5mm的120°三个平面的锥形工具，其横切面的几何特征如在图2中所示（尺寸以mm来表示），机器的型号是MTS在板材的每一侧上加工0.2mm以除去表面氧化物。可以达到对应于最高焊接速度的优化条件，同时在断面（特别是没有孔，参见图4）和表面（特别是没有毛刺，参见图3）方面都得到满意的焊接质量。
在表1中给出得到的结果。
表1：优化摩擦搅拌焊接情况
实施例2
在此实施例中，用与实施例1相同的机器和工具进行由AA2050-T351合金制成的板材与由AA7449-T6合金制成的板材的摩擦搅拌焊接。在每侧上使用三个夹子将板材固定至焊接台。在连续状态下焊接速度和工具旋转速度保持恒定。在表2中给出不同实验使用的参数以及得到的结果。
表2：以恒定前进速度进行摩擦搅拌焊接实验
图3是实验1得到的焊缝的断面。接合紧密性良好，尽管在表面上观察到许多“毛刺”的缺陷（30）。图4是实验2得到的焊缝断面。表面质量是令人满意的（没有毛刺），但接合的紧密性有缺陷：在该区域中观察到许多孔（31）。
实施例3
在此实施例中，用与在实施例1和实施例2中相同的机器和工具，通过按照本发明的摩擦搅拌焊接实现由合金AA2050-T351制成的板材与合金AA7449-T6制成的板材的焊接。
在每侧上使用3个夹子将板材固定至焊接台。合金2050-T3制成板材被放置在前进侧上，而合金7449-T6制成的板材被放置在后退侧上。在表3中给出了对于不同实验中使用的参数，以及得到的结果。图6、图7和图8分别显示出实验41、46和48的力矩测量和前进速度测量记录的图表。
表3.以脉动前进速度进行的摩擦搅拌焊接实验
实验41获得最好的结果。图5是实验41获得的焊缝的断面。它的特征是没有毛刺，并且有满意的紧密性。对于实验46，观察到一些毛刺，紧密性也有一些缺陷，然而这样的特征可以认为合格。对于实验48，表面情况合格（有一些毛刺），但紧密性是良好。图6显示出对实验41测量的力矩是稳定的，对每个周期是可再现的，这表明在很长的长度上可以很容易地进行焊接。图7和图8显示出，对于实验46和48测量的力矩不如在实验41的情况下那么稳定，这表明对于太长的焊缝可能会遇到困难。
在155℃进行焊接后回火18h以后测量实验2和41的静态机械特性（拉伸机长度L0=80mm），并显示在表4中。在表4中还显示了在相同冶金状态下由合金2050和7449制成的没有焊接的样品的机械特性。根据本发明方法制造的组件，达到的伸长率非常高。还观察到拉伸强度明显增大。
表4.对实验2和41测试的静态机械特性
| 实验号 | Rp0.2(MPa) | Rm(MPa) | A(%) | Rm(焊接)/Rm7449 |
| 2050T8 | 520 | 549 | 11.58 |
| 7449T79 | 602 | 634 | 12.02 | |
| 2 | 254 | 267 | 0.4 | 42% |
| 41 | 244 | 312 | 2.7 | 49% |
实施例4
在此实施例中，在实验41所限定的条件下通过摩擦搅拌焊接将由合金AA2050-T8制成的板材与由合金AA7449-T6制成的板材焊接在一起。使用了两个回火条件以达到T8的回火状态，表5中给出了这些条件。
表5.在不同的焊接前回火和焊接后回火条件下进行焊接的实验
对于实验51、54和57，得到的焊缝具有良好的表面情况和满意的紧密性。
在表6中显示出得到的机械特性（拉伸机长度L0=80mm）。
表6.对实验51、54和57测量的静态机械特性
| 实验号 | Rp0.2(MPa) | Rm(MPa) | A(%) | Rm(焊接)/Rm7449 |
| 2050T8 | 520 | 549 | 11.58 | |
| 7449T79 | 602 | 634 | 12.02 | |
| 57 | 248 | 336 | 2.55 | 53% |
| 51 | 243 | 345 | 2.88 | 54% |
| 54 | 244 | 343 | 2.99 | 54% |
实施例5
在此实施例中，通过与其它合金的比较来确定或估计对于用合金A2022-T851、合金AA7040-T6和合金AA7449-T6制造的厚度13.5mm或16mm板材的优化焊接速度、优化旋转速度和焊接能，其焊接厚度为13.5mm或16mm。能够得到对应于最高焊接速度的优化条件，同时在断面（特别是没有孔）和在表面方面（特别是没有毛刺，参见图3）都得到满意的焊缝质量。
在表7中给出了结果。
表7：优化摩擦搅拌焊接条件
*：估计值
Claims (18)
1.一种摩擦搅拌焊接方法，用于将至少一个由金属合金A制成的第一零件与至少一个由不同的金属合金B制成的第二零件进行焊接，其中：
--所述第一和第二零件被并排放置，
--借助于以被称为前进速度的速度移动的旋转工具实现所述第一和第二零件之间的连接，
其特征在于，在连续状态下该工具的所述前进速度具有至少两个交替的模式：第一模式，在该第一模式中使用第一平均前进速度V1；以及第二模式，在该第二模式中使用第二平均前进速度V2，速度V1和V2明显不同，其差值为最高前进速度的至少20%，最小前进速度为0。
2.根据权利要求1所述的方法，其中V1和V2之间的差值为至少30mm/min。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中所述第一和第二模式在一个周期内交替，该周期的时间T小于15s。
4.根据权利要求3所述的方法，其中第一模式维持的时间为T1，第二模式维持的时间为T2，T1加T2至少等于时间T的20%。
5.根据权利要求4所述的方法，其中用秒表示的参数T1、T2以及用mm/s表示的V1和V2符合以下关系式：
1<(T1V1－T2V2)2<400。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其中为每一个所述零件确定优化前进速度，其中在连续状态下的平均焊接速度V在由需要最高焊接能的零件的优化前进速度加/减其20%所限定的范围内。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其中在连续状态下该工具的旋转速度是恒定的。
8.根据权利要求7所述的方法，其中为每一个零件分别确定优化工具旋转速度，其中该工具旋转速度被包括在由需要最高焊接能的零件的优化工具旋转速度加/减其20%所限定的范围内。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其中需要最高焊接能的零件被放置在后退侧。
10.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述第一零件是由铝合金制成的。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述第二零件是由铝合金制成的。
12.根据权利要求11所述的方法，其中用mm/min表示的V1和V2之间的差值至少等于600/t，其中t是用mm表示的焊接厚度。
13.根据权利要求11或权利要求12所述的方法，其中所述第一零件是由合金7XXX制成的，在最终冶金状态下其屈服强度大于500MPa。
14.根据权利要求11或12所述的方法，其中所述第二零件是由铝-锂合金制成的。
15.根据权利要求11或12所述的方法，其中焊接厚度为1～40mm。
16.根据权利要求1所述的方法，其中速度V1和V2之间的差值为最高前进速度的至少30%。
17.根据权利要求3所述的方法，其中所述周期的时间T为0.1～10s。
18.根据权利要求15所述的方法，其中焊接厚度为10～30mm。
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