CN103624398B - 一种高强度铝合金厚板低热输入搅拌摩擦焊方法 - Google Patents

Abstract

一种高强度铝合金厚板低热输入搅拌摩擦焊方法，其主要是：在被焊厚板边缘侧加工出多级台阶形状，采用高转速的搅拌头和高行进速度组合的低热输入规范进行焊接，焊完后冷却至室温；而后装入与第一级台阶对应的填充板，并采用与上述相同的焊接参数在此层范围内进行多道次、平行重叠焊，相邻焊缝的重叠宽度不小于搅拌头轴肩半径。其余各层的焊接均采用与第一层填充板焊接相同的焊接工艺。本发明可用小型搅拌摩擦焊设备实现对中、厚板工件的多道、多层、低热输入搅拌摩擦接；避免了大厚度板材搅拌摩擦焊对搅拌头材料性能的特殊要求及焊接中易出现折断等技术难题；同时也避免了高强铝合金厚板搅拌摩擦焊中易出现的接头区软化问题。

Description

一种高强度铝合金厚板低热输入搅拌摩擦焊方法

技术领域：

本发明涉及一种金属焊接方法，特别是用于高强铝合金厚板的焊接方法。

背景技术：

本领域的技术人员都知道，高强铝合金厚板的焊接除了具有普通铝合金焊接的特点外，由于其厚度大，再加上铝合金的高导热性，采用普通熔化焊方法时，需采用多层、多道低热输入工艺。但是，多层焊易造成焊缝中出现氧化物夹杂、焊后热裂纹严重以及焊接接头易出现软化区等严重问题，使得采用普通焊接方法时的厚板高强铝合金焊接难度非常大。

搅拌摩擦焊是由英国焊接研究所于1991年发明的一种热力耦合作用下的固态焊接技术。与传统的熔焊相比，在时效强化型高强铝合金的焊接中显示了无以比拟的优势。截至目前，搅拌摩擦焊已实现厚度为0.8～100mm铝合金材料的单道焊接；而双面焊可以焊接的最大板厚达到180mm。然而，在实际的厚板高强铝合金的搅拌摩擦焊接中，会遇到如下问题：（1）由于高的焊接阻力，所用搅拌摩擦焊设备及专用卡具多设计成大刚度结构，设备投资大。（2）所用搅拌头因也要承受大的焊接阻力，其尺寸也很大。同时为避免焊接过程中的折断，需要特殊耐热高强合金制造。（3）为保证焊接区金属的充分塑化及避免焊接缺陷的形成，所采用的焊接参数多为高热输入特点，这将带来明显的热影响区软化问题。

为降低厚板铝合金搅拌摩擦焊中焊接阻力大，塑性金属流动性差等问题，发明专利“一种镁、铝合金中厚板搅拌摩擦焊方法”（专利公开号：CN102689090A）中采用在焊缝背面施加辅助热源来预热焊接区金属，降低焊接阻力，增加金属的流动性。然而，这种方法会带来焊接接头中出现大范围的软化区的问题。

对于高强铝合金搅拌摩擦焊接头中存在的软化区问题，通常的方法是采用整体或局部焊后热处理焊等措施。其中，采用整体热处理受到工件尺寸、整体变形以及焊缝区晶粒出现异常长大等的限制；采用热压缩空气、电弧、火焰等手段对焊核区进行局部热处理虽然可改善软化区域的问题，但同时会带来新的软化区及焊接结构变形等问题。采用水冷或水下焊接方法已被证明是解决焊接热影响区软化的有效方法，例如：发明专利“采用介质冷却搅拌摩擦焊方法及装置”（公开号：CN1739902A）、发明专利“一种提高水下搅拌摩擦焊焊接接头塑性的方法”（公开号：CN101934426）、发明专利“一种增强接头力学性能的搅拌摩擦焊工艺”（公开号：CN102528268）中都提及采用水雾、高压水流和水下等方式对焊缝进行冷却，但是这些方法均只对薄板焊接有效，而对于中、厚板，由于热传导能力的限制，冷却效果并不明显。

发明内容：

本发明的目的是提供一种可以在小型焊接设备上完成的不仅能有效抑制焊接接头软化区的形成，还可显著提高接头的综合力学性能的一种高强度铝合金厚板低热输入搅拌摩擦焊方法。本发明主要是采用低热输入焊接参数的多层重叠、多道次搅拌摩擦焊工艺，实现高强铝合金厚板的焊接。

本发明的技术方案具体如下：

1、用机械加工方法在被焊厚板边缘侧加工出规定尺寸的多级台阶形状，每级台阶高度为2-3mm，宽度与搅拌头轴肩半径相等；把两块被焊板的加工边水平对置装配，板底部靠紧并形成向上的“V”型缺口形状。

2、采用转速为1000-3000转/分钟的搅拌头和1000-2000mm/分钟行进速度组合的低热输入规范焊接底层对接缝，最好待搅拌轴轴肩和工件表面接触并停留5秒后搅拌头开始移动，采用的搅拌头其搅拌针长度比被焊处板厚小0.1mm，焊完后清理焊缝表面并冷却至室温，其可以是自然冷却，也可以采用随焊气冷或水冷措施冷却。

3、而后装入与第一级台阶缺口宽度和厚度相等、与被焊板材同质的填充板，并采用与底部焊缝相同的焊接参数，在此层范围内进行多道次、平行重叠焊，相邻焊缝的重叠宽度不小于搅拌头轴肩半径。最好焊接底层以外其余各层、各道焊缝所用的搅拌头，其搅拌针长度比被焊处厚度大0.5mm。

4、其余各层焊缝的焊接采用与第一层填充板焊接时相同的焊接工艺。

本发明所依据的原理是采用多层重叠、多道次的低热输入焊接参数来降低高强铝合金厚板搅拌摩擦焊焊缝区的总热输入量，进而抑制接头热影响区的软化问题，减小焊接残余应力和变形。同时，后焊的焊缝对于前道焊缝具有一定的焊后时效作用，促进焊缝内部的强化相析出，进而提高焊缝区的硬度和强度。此外，该方法可以实现在小型设备上完成高强铝合金厚板的搅拌摩擦焊。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1.本发明的高强度铝合金厚板低热输入搅拌摩擦焊方法，其焊接总热输入小，由于每次焊接完成后均要冷却至室温，因此总体上焊接接头的总热输入量仅为每道焊缝的热输入量。

2.焊接残余应力和变形小。

3.可在小型设备上完成大厚度工件的焊接。

5.焊接时对设备刚度要求小，不需要特殊设计的搅拌头，焊接设备投资小。

6.本发明适用于厚度≥15mm，2000和7000系列铝合金平板对接或圆筒件环焊缝和直焊缝。

附图说明：

图1为本发明中使用的搅拌头立体示意简图。

图2是本发明实施例底层焊缝焊接示意简图。

图3本发明实施例第一层焊缝焊接示意图。

图4本发明实施例第二层焊缝焊接示意图。

图中：1为搅拌头，2为搅拌头轴肩，3为搅拌头中的搅拌针，4、5为待焊工件，6为填充板条A，7为填充板条B。

具体实施方式：

本发明方法所采用的搅拌头1，如图1所示，其上有轴肩2和搅拌针3。用机械加工方法在被焊厚板边缘侧加工出规定尺寸的二级台阶形状，每级台阶高度为2mm，宽度与搅拌头轴肩半径相等；把两块被焊板的加工边水平对置装配并固定于焊接设备的工作平台上，板底部梯形边缘靠紧形成向上的“V”型缺口形状，如图2所示。将转速为1500转/分钟的搅拌针慢慢插入工件4和5的对接缝中，此时搅拌针的长度小于底部板厚0.1mm，待轴肩和工件表面接触并停留5秒后，搅拌头或工件以1000mm/分钟行进速度沿焊接方向移动，直至底板焊缝焊接完成。焊完后清理焊缝表面并冷却至室温，其可以是自然冷却，也可以采用随焊气冷或水冷措施冷却。而后按图3所示装入与第一级台阶缺口宽度和厚度相等、与被焊板材同质的填充板条A6，并采用与底部焊缝相同的焊接参数完成这层内多道、重叠焊缝的焊接，此时的搅拌针长度大于填充板条A的厚度0.5mm，相邻两道焊缝重叠宽度不小于搅拌头轴肩的半径，每道焊缝焊完后均要求自然冷却至室温后再开始下一道焊缝的焊接。再按图4所示装入与第二级台阶缺口宽度和厚度相等、与被焊板材同质的填充板条B7，采用与焊接填充板条A相同的工艺规范完成填充板条B内焊缝的焊接。

Claims (5)

1.一种高强度铝合金厚板低热输入搅拌摩擦焊方法，其特征在于：

1）用机械加工方法在被焊厚板边缘侧加工出规定尺寸的多级台阶形状，每级台阶高度为2-3mm，宽度与搅拌头轴肩半径相等，把两块被焊板的加工边水平对置装配，板底部靠紧并形成向上的“V”型缺口形状；

2）采用转速为1000-3000转/分钟的搅拌头和1000-2000mm/分钟行进速度组合的低热输入规范焊接底部对接缝，焊完后清理焊缝表面并冷却至室温；

3）而后装入与第一级台阶缺口宽度和厚度相等、与被焊板材同质的填充板，并采用与底部焊缝相同的焊接参数，在此层范围内进行多道次、平行重叠焊，相邻焊缝的重叠宽度不小于搅拌头轴肩半径；

4）其余各层焊缝的焊接采用与第一层填充板焊接时相同的焊接工艺。

2.根据权利要求1所述的一种高强度铝合金厚板低热输入搅拌摩擦焊方法，其特征在于：待搅拌头轴肩和工件表面接触并停留5秒后搅拌头开始移动。

3.根据权利要求1或2所述的一种高强度铝合金厚板低热输入搅拌摩擦焊方法，其特征在于：焊接底层焊缝采用的搅拌头搅拌针长度比被焊处板厚小0.1mm。

4.根据权利要求3所述的一种高强度铝合金厚板低热输入搅拌摩擦焊方法，其特征在于：焊接底层以外其余各层、各道焊缝所用的搅拌头，其搅拌针长度比被焊处厚度大0.5mm。

5.根据权利要求4所述的一种高强度铝合金厚板低热输入搅拌摩擦焊方法，其特征在于：采用随焊气冷或水冷措施冷却。