CN103350279A - 搅拌摩擦焊接头弱连接缺陷制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种搅拌摩擦焊接头弱连接缺陷制备方法，包括：阳极化处理步骤，用于对待焊焊接试板进行阳极化处理，在待焊试板的整个表面形成一层的氧化膜；搅拌摩擦焊步骤，用于采用小轴肩的搅拌头，焊接开始时搅拌头旋转扎入待焊焊接试板，并停留预定停留时间，随后开始执行搅拌摩擦焊焊接以形成弱连接缺陷。本发明提供了一种能够获取典型搅拌摩擦焊弱连接缺陷的搅拌摩擦焊接头弱连接缺陷制备方法。

Description

搅拌摩擦焊接头弱连接缺陷制备方法
技术领域
本发明涉及搅拌摩擦焊焊缝缺陷检测领域，更具体地说，本发明涉及一种搅拌摩擦焊接头弱连接缺陷制备方法，适用于铝合金搅拌摩擦焊焊接头缺陷定性和有效评估。
背景技术
搅拌摩擦焊（Friction stir welding，FSW）作为一种快速发展的新型固相焊接方法，自发明以来就受到制造工业的密切关注和支持，已逐渐成为轻合金材料的主导焊接方法，在新型飞机、空间飞行器、舰船、高速列车、汽车、电子、电力以及能源等行业得到了广泛的应用和深入发展。虽然FSW已经在轻金属材料领域得到快速发展和工业应用，但是仍然还有许多FSW基础性问题需要深入研究和理解，如FSW接头中缺陷种类、原因还缺乏系统认识，比如“洋葱环”和“S”线缺乏明确的物理学和冶金学解释，缺陷检测和质量评定标准尚未建立，缺陷的表征研究仅处于探索阶段。然而，FSW焊缝缺陷在一定程度上会对产品的安全性和服役的性能产生较大影响，因此无损检测成为国内外推广FSW在重要工业领域中应用的瓶颈问题。
目前现有技术中，也开展了搅拌摩擦焊焊接接头典型缺陷形成机制及检测方面的研究，其中具体研究了包铝陷入缺陷、隧道孔缺陷、未焊透缺陷的超声回波动态波形，并分析了各缺陷动态波形的成因。但是，包铝陷入缺陷的包铝层/铝合金基体界面的动态回波特征，并不能模拟铝合金搅拌摩擦焊焊接过程中产生的焊接缺陷，特别是搅拌摩擦焊接头的典型缺陷——弱连接缺陷（也称为“残余氧化膜缺陷”）。要实现搅拌摩擦焊焊接接头弱连接缺陷，特别是残余氧化膜缺陷的复现和表征，需要从缺陷产生源头来进行制备，通过低倍宏观和微观形貌进行可视化验证。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在上述缺陷，提供一种能够获取典型搅拌摩擦焊弱连接缺陷的搅拌摩擦焊接头弱连接缺陷制备方法，其能够，解决现有搅拌摩擦焊焊接接头弱连接缺陷有效检测及评估的定量和定性等问题。
为了实现上述技术目的，本发明提出一种搅拌摩擦焊接头弱连接缺陷制备方法，其包括：
阳极化处理步骤：对待焊焊接试板进行阳极化处理，在待焊试板的整个表面形成一层的氧化膜；
搅拌摩擦焊步骤：采用小轴肩的搅拌头，焊接开始时搅拌头旋转扎入待焊焊接试板，并停留预定停留时间，随后开始执行搅拌摩擦焊焊接以形成弱连接缺陷。
优选地，所述的搅拌摩擦焊接头弱连接缺陷制备方法还包括在阳极化处理步骤之后并且在搅拌摩擦焊步骤之前执行预处理步骤，用于采用丙酮除去待焊焊接试板表面油污，或者/并且清除试板部分表面的氧化膜。
优选地，所述焊接试板是铝合金焊接试板，所述氧化膜是Al2O3氧化膜。
优选地，待焊铝合金试板的整个表面的氧化膜的厚度范围为30-50um。
优选地，所用搅拌头的轴肩直径9-12mm，搅拌头旋转扎入时的旋转速度介于600-1500rpm；搅拌头扎入后距试板下表面0.1-0.18mm，；并且预定停留时间为3s。
优选地，搅拌摩擦焊焊接时的工艺参数为：搅拌头旋转速度为600-1500rpm，搅拌头前进速度为60-150mm/min，搅拌头相对于待焊焊接试板的上表面的倾角为2.5-3.5°。
优选地，在搅拌头行进过程中保证前进速度和旋转速度为1：10。
优选地，在预处理步骤中，清除了试板部分下表面和侧面的氧化膜。
优选地，清除了试板部分上表面和下表面的氧化膜。
优选地，清除了试板部分上表面和侧面的氧化膜。
本发明的有益成果包括：本发明提供了一种能够获取典型搅拌摩擦焊弱连接缺陷的搅拌摩擦焊接头弱连接缺陷制备方法，其能够解决现有搅拌摩擦焊焊接接头弱连接缺陷有效检测及评估的定量和定性等问题。
附图说明
结合附图，并通过参考下面的详细描述，将会更容易地对本发明有更完整的理解并且更容易地理解其伴随的优点和特征，其中：
图1示意性地示出了根据本发明具体实施例的搅拌摩擦焊接头弱连接缺陷制备方法的流程图。
图2示意性地示出了根据本发明实施例的铝合金阳极化处理Al2O3氧化膜金相照片。
图3示意性地示出了根据本发明第一实施例制备的近表面Al2O3氧化膜阵列缺陷宏观金相照片。
图4示意性地示出了根据本发明第二实施例制备的焊核区“S”形弱连接缺陷宏观金相照片。
图5示意性地示出了根据本发明第三实施例的制备的根部“S”形弱连接缺陷宏观金相照片。
需要说明的是，附图用于说明本发明，而非限制本发明。注意，表示结构的附图可能并非按比例绘制。并且，附图中，相同或者类似的元件标有相同或者类似的标号。
具体实施方式
为了使本发明的内容更加清楚和易懂，下面结合具体实施例和附图对本发明的内容进行详细描述。
本申请的发明人采用光学显微镜等对根部未焊合、残余氧化膜等弱连接缺陷进行低倍宏观和微观形貌的可视化观测，给出了搅拌摩擦接头的微尺度弱连接缺陷的制备和有效评估的技术途径。
本发明提供一种搅拌摩擦焊焊接接头残余氧化膜缺陷制备方法，是将待焊铝合金（例如2219系列铝合金）进行表面阳极化处理，直接对其进行搅拌摩擦焊装焊，其中可以采用不同清理氧化膜的方式，制备典型搅拌摩擦焊弱连接缺陷。而且，搅拌摩擦焊焊接过程中通过搅拌头的轴肩和搅拌针螺纹，把工件上表面和侧面的高密度、细小和紧贴的Al2O3颗粒阵列弥散分布于搅拌摩擦焊焊核区上端并流入焊核区，经腐蚀后形成“S”形弱连接缺陷，形成分布在焊缝近表面处（例如约200um）平行焊缝表面的氧化膜阵列缺陷以及分布在焊核区和根部的“S”形的弱连接缺陷。
图1示意性地示出了根据本发明具体实施例的搅拌摩擦焊接头弱连接缺陷制备方法的流程图。
阳极化处理步骤S1：对待焊焊接试板（例如可以是铝合金焊接试板，大小例如为：300×90×6mm）进行阳极化处理，在待焊试板的整个表面形成一层的氧化膜（例如，Al2O3氧化膜）；优选地，待焊铝合金试板的整个表面的氧化膜的厚度范围为30-50um；
预处理步骤S2：所述预处理步骤S2是可选步骤；具体地说，可以在预处理步骤S2中采用丙酮除去待焊焊接试板表面油污，或者/并且可以在预处理步骤S2中例如利用三角刮刀清除试板部分表面（例如，上表面、侧面和/或下表面）的氧化膜。
例如，根据制备缺陷的类型，可以在预处理步骤中分别制备这样三种类型的焊接试板：仅保留上表面氧化膜层（1号试板，见第一实施例），仅保留上侧面氧化膜层（2号试板，见第二实施例），仅保留下表面氧化膜层（3号试板，见第三实施例）。
搅拌摩擦焊步骤S3：采用小轴肩的搅拌头（优选地，所用搅拌头的轴肩直径9-12mm），焊接开始时搅拌头旋转扎入（优选地，搅拌头旋转扎入时的旋转速度介于600-1500rpm；进一步优选地，搅拌头旋转扎入时的旋转速度介于600-1000rpm）待焊焊接试板（优选地，搅拌头扎入后距试板下表面0.1-0.18mm），并停留预定停留时间（例如，预定停留时间为3s），随后开始执行搅拌摩擦焊焊接以形成弱连接缺陷。
优选地，搅拌摩擦焊焊接时的工艺参数优选为：低热输入量，在搅拌头行进过程中保证前进速度和旋转速度为1：10，搅拌头旋转速度为600-1500rpm，搅拌头前进速度为60-150mm/min（进一步优选地，60-100mm/min），搅拌头相对于待焊焊接试板的上表面的倾角为2.5-3.5°。
<第一实施例>
如图2所示，对厚度为6mm的待焊2219铝合金试板进行整体阳极化处理（氧化膜层厚度不超过50um）。结合图3说明本实施方式，本实施方式所述一种适用于铝合金搅拌摩擦焊近表面弱连接缺陷制备：焊前采用丙酮除去油污，三角刮刀严格清除试板侧面和下表面氧化膜，将处理后铝合金试板以对接形式刚性夹持固定，然后对母材实施搅拌摩擦焊，搅拌头前进速度为60-150mm/min，旋转速度为600-1000rpm，搅拌头倾角为2.5-3.5度，开始以较大旋转速度1500rpm扎入试板，待下压量距试板背面0.1-0.18mm时，停留3s，然后沿焊缝方向前进，直到焊接完成为止。
由本实施方式所产生的搅拌摩擦焊接头，焊缝表面无沟槽以及焊缝内部无孔洞、隧道孔等大尺度缺陷，对上述接头进行金相取样、打磨、抛光和腐蚀处理之后，在接头横截面距离接头正面下方0.2mm处即可观察到50-200um宽的氧化膜阵列带缺陷，如图3所示。
<第二实施例>
结合图4说明本实施方式，本实施方式所述一种适用于铝合金搅拌摩擦焊焊核区“S”形弱连接缺陷制备。
如图2所示，对厚度为6mm的待焊2219铝合金试板进行整体阳极化处理（氧化膜层厚度不超过50um）。结合图4说明本实施方式，本实施方式所述一种适用于铝合金搅拌摩擦焊近表面弱连接缺陷制备：焊前采用丙酮除去油污，三角刮刀严格清除试板上表面和下表面氧化膜，将处理后铝合金试板以对接形式刚性夹持固定，然后对母材实施搅拌摩擦焊，搅拌头前进速度为60-150mm/min，旋转速度为600-1000rpm，搅拌头倾角为2.5-3.5度，开始以较大旋转速度1500rpm扎入试板，待下压量距试板背面0.1-0.18mm时，停留3s，然后沿焊缝方向前进，直到焊接完成为止。
本实施方式与具体实施方式一不同的是阳极化氧化膜保留面不同，其它与具体实施方式一相同。焊核区“S”缺陷分布方式是起源于焊缝表面，通过焊核区前进侧，回转到焊核区后退侧延伸至焊缝根部。
<第三实施例>
结合图5说明本实施方式，本实施方式所述一种适用与铝合金搅拌摩擦焊根部“S”形弱连接缺陷制备。
如图2所示，对厚度为6mm的待焊2219铝合金试板进行整体阳极化处理（氧化膜层厚度不超过50um）。结合图5说明本实施方式，本实施方式所述一种适用于铝合金搅拌摩擦焊近表面弱连接缺陷制备：焊前采用丙酮除去油污，三角刮刀严格清除试板上表面和侧面氧化膜，将处理后铝合金试板以对接形式刚性夹持固定，然后对母材实施搅拌摩擦焊，搅拌头前进速度为60-150mm/min，旋转速度为600-1000rpm，搅拌头倾角为2.5-3.5度，开始以较大旋转速度1500rpm扎入试板，待下压量距试板背面0.1-0.18mm时，停留3s，然后沿焊缝方向前进，直到焊接完成为止。
本实施方式与具体实施方式一不同的是阳极化氧化膜保留面不同，其它与具体实施方式一相同。根部“S”形缺陷分布方式是由底面氧化膜缺陷在焊核区下端的塑性金属强烈流动形成，并与焊核区“S”形缺陷相贯通。
根据上述各个实施例，铝合金极具氧化，搅拌摩擦焊过程形成的弱连接缺陷在合理工艺范围内，主要是由于铝合金试板在搅拌摩擦焊焊接过程形成，新形成的氧化膜在搅拌头搅拌作用下形成，本实施方式所制备的缺陷同实际焊接过程中产生的缺陷源头、机理是一致的，并且该发明所制备的缺陷具有可重复性。
所述的搅拌摩擦焊缺陷制备方法及工艺，可适用于铝合金、镁合金等金属材料的搅拌摩擦焊弱连接缺陷（近表面氧化膜阵列缺陷和“S”形弱连接缺陷）制备。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种搅拌摩擦焊接头弱连接缺陷制备方法，其特征在于包括：
阳极化处理步骤：对待焊焊接试板进行阳极化处理，在待焊试板的整个表面形成一层的氧化膜；
搅拌摩擦焊步骤：采用小轴肩的搅拌头，焊接开始时搅拌头旋转扎入待焊焊接试板，并停留预定停留时间，随后开始执行搅拌摩擦焊焊接以形成弱连接缺陷。
2.如权利要求1所述的搅拌摩擦焊接头弱连接缺陷制备方法，其特征在于还包括在阳极化处理步骤之后并且在搅拌摩擦焊步骤之前执行预处理步骤，用于采用丙酮除去待焊焊接试板表面油污，或者/并且清除试板部分表面的氧化膜。
3.如权利要求1或2所述的搅拌摩擦焊接头弱连接缺陷制备方法，其特征在于，所述焊接试板是铝合金焊接试板，所述氧化膜是Al2O3氧化膜。
4.如权利要求1或2所述的搅拌摩擦焊接头弱连接缺陷制备方法，其特征在于，待焊铝合金试板的整个表面的氧化膜的厚度范围为30-50um。
5.如权利要求1或2所述的搅拌摩擦焊接头弱连接缺陷制备方法，其特征在于，所用搅拌头的轴肩直径9-12mm，搅拌头旋转扎入时的旋转速度介于600-1500rpm；搅拌头扎入后距试板下表面0.1-0.18mm，；并且预定停留时间为3s。
6.如权利要求1或2所述的搅拌摩擦焊接头弱连接缺陷制备方法，其特征在于，搅拌摩擦焊焊接时的工艺参数为：搅拌头旋转速度为600-1500rpm，搅拌头前进速度为60-150mm/min，搅拌头相对于待焊焊接试板的上表面的倾角为2.5-3.5°。
7.如权利要求1或2所述的搅拌摩擦焊接头弱连接缺陷制备方法，其特征在于，在搅拌头行进过程中保证前进速度和旋转速度为1：10。
8.如权利要求2所述的搅拌摩擦焊接头弱连接缺陷制备方法，其特征在于，在预处理步骤中，清除了试板部分下表面和侧面的氧化膜。
9.如权利要求2所述的搅拌摩擦焊接头弱连接缺陷制备方法，其特征在于，清除了试板部分上表面和下表面的氧化膜。
10.如权利要求2所述的搅拌摩擦焊接头弱连接缺陷制备方法，其特征在于，清除了试板部分上表面和侧面的氧化膜。
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