CN103920986A - 一种针对中厚板材的搅拌摩擦双面焊方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种针对中厚板材的搅拌摩擦双面焊方法，属于新的金属材料连接方法。焊接方法如下：一、将待焊镁合金板材对接固定在工作台上；二、利用FSW设备对其进行双面焊分次焊接，将搅拌头以旋转速度ω、焊接速度Vh、下压量h进行一次焊缝焊接；三、将工件翻转，在一次焊缝的背部进行二次焊缝的焊接，焊接参数与步骤二相同。本发明通过调整二次焊缝的起始位置，可改善金属的塑性流动，有助于消除焊缝横截面两侧热力影响区的不对称性，提高接头力学性能；避免中厚板根部未焊透缺陷的产生；两次焊接也减小了表层焊缝金属出现局部过热的可能。

Description

一种针对中厚板材的搅拌摩擦双面焊方法
技术领域
本发明属于材料加工工程中的焊接工艺技术领域，具体涉及一种针对中厚板材的搅拌摩擦双面焊方法。
背景技术
镁合金具有高的比强度和比刚度，尺寸稳定性高，减振性能、导热性能、铸造性能和可切削加工性能良好，是目前工业上应用最轻的金属结构材料和特殊用途的功能材料。因此，镁合金在汽车、航空航天、轨道交通等工业领域得到一定的应用。传统上镁合金的连接主要通过熔化焊，易产生蒸发、晶粒粗大和高残余应力等缺陷。而新型的搅拌摩擦焊是一种固相连接方法，无熔化焊的缺陷，残余应力和变形小，而且适合全位置焊接。该方法经常在待焊材料的一个面上进行焊接，因此称为搅拌摩擦单面焊。
单面焊存在诸多不足：一、轴肩只作用于工件表面，易导致底部热量不足形成未焊透缺陷；二、如果通过提高旋转速度改善底部缺陷，又易出现表层焊缝过热。
发明内容
针对现有中厚板接头连接强度较低的问题，本发明的目的在于提供一种搅拌摩擦双面焊方法。
该种针对中厚板材的搅拌摩擦双面焊方法，包括以下步骤：
步骤一、焊前用酒精将待焊板材的油污清洗干净，然后将板材用夹具固定在焊接工作台上，使两板材处于对接且位于同一平面；
步骤二、搅拌头以旋转速度ω、顺时针旋转方向从上表面以插入速度Vz插入焊接起始位置，保持轴肩下压量为h；
步骤三、搅拌头以焊接速度Vh沿对接面左侧开始焊接，焊接过程中保持旋转速度不变，直到焊完右侧，从而形成一次焊接焊缝；
步骤四、将工件进行翻转，在一次焊缝位置的背部进行二次焊缝的焊接，根据二次焊缝的起始位置的不同分为同向焊接和异向焊接，焊接参数与步骤二、三相同。
本发明的有益效果：
1、利用搅拌头分别对被焊工件两个面进行焊接，可改善底部金属的塑性流动，降低板厚方向上的热力梯度，从而提高接头的力学性能；
2、当两次焊接为同向焊接时，可避免两次焊接的前进侧位于板材同侧，从而改变薄弱位置。
附图说明
图1为搅拌摩擦双面焊同向焊接示意图。
图2为搅拌摩擦双面焊异向焊接示意图。
具体实施方式
为了充分说明本发明的特性以及实施本发明的方式，下面给出实施例。
以下实施例涉及对所述焊接接头进行力学性能测试方法如下：力学性能测试：按照GB/2651-2008将实施例制得的焊接接头加工成拉伸试样2个，将试样进行准静态拉伸实验。所述稀土镁合金母材的抗拉强度为300MPa。
实施例1
将10mm厚稀土镁合金板材对接放置，固定在垫板上；搅拌头轴肩为双凹圆环形状，直径为20mm；搅拌针为锥形右旋的螺纹形，直径5～7mm，长度为4.8mm。将旋转的搅拌头与焊接面对中。开始焊接时，搅拌头以插入速度20mm/min插入焊接起始位置，轴肩下压量为0.2mm，停留2s；开始移动，保持搅拌头的旋转速度为600r/min，焊接速度为80mm/min；搅拌头移动停止后，停留2s搅拌头抽出，焊接结束，得到一次焊缝。将工件翻转，在一次焊缝起始位置的背部作为二次焊接的起始位置，进行二次焊缝的同向焊接，焊接参数与步骤二、三相同。焊接结束从而得到搅拌摩擦双面焊的同向焊接的完整焊缝。
焊接接头上下表面成形良好，没有大的变形，无明显的缺陷；经准静态拉伸力学性能测试可知：接头抗拉强度为285.6MPa，达到母材强度的95.2％，断口位于焊核区。
实施例2
将10mm厚稀土镁合金板材对接放置，固定在垫板上；一次焊缝制备方法步骤同实施例1，得到一次焊缝；将工件翻转，在一次焊缝结束位置的背部作为二次焊接的起始位置，进行二次焊缝的异向焊接，焊接参数同实施例1。焊接结束从而得到搅拌摩擦双面焊的异向焊接的完整焊缝。
焊接接头上下表面成形良好，没有大的变形，无明显的缺陷；经准静态拉伸力学性能测试可知：接头抗拉强度为267.8MPa，达到母材强度的89.3％，断口位于两次焊接的热力影响区。
实施例3
对20mm厚AZ80镁合金进行搅拌摩擦双面焊同向对接，母材的抗拉强度为299MPa。将板材对接固定在垫板上，所用搅拌头轴肩为双凹圆环形状，直径为22mm；搅拌针为锥形右旋的螺纹形，直径6～10mm，长度为9.7mm。两次焊接的工艺参数相同，分别为：焊接旋转速度为250r/min，焊接速度为80mm/min，下压量为0.2mm。最终得到搅拌摩擦双面焊的同向焊接的完整焊缝。
焊接接头上下表面成形良好，无明显的缺陷；准静态拉伸力学性能测试得，接头抗拉强度为262.2MPa，达到母材强度的87.7％，断口位置在焊核区。
实施例4
对20mm厚AZ80镁合金进行搅拌摩擦双面焊异向对接，母材的抗拉强度为299MPa。所用搅拌头的几何尺寸和工艺参数同实施例3。
焊接接头上下表面成形良好，无明显的缺陷；准静态拉伸力学性能测试得，接头抗拉强度为221.3MPa，达到母材强度的74.0％，断口位置在两次焊接的热力影响区。
实施例5
对20mm厚AZ80镁合金进行搅拌摩擦单面焊对接，母材的抗拉强度为336.5MPa。所用搅拌头轴肩为直径为32mm；搅拌针为锥形右旋的螺纹形，直径9～14mm，长度为19.7mm。焊接的旋转速度为350r/min，焊接速度为80mm/min，下压量为0.2mm。最终得到搅拌摩擦单面焊的完整焊缝。
焊接接头上下表面成形良好，无明显的缺陷；准静态拉伸力学性能测试得，接头抗拉强度为196.6MPa，达到母材强度的58.4％，断口位置在焊核区。
本发明包括但不限于以上实施例，凡是在本发明的精神和原则之下进行的任何等同替换或局部改进，都将视为在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种针对中厚板材的搅拌摩擦双面焊方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、焊前用酒精将待焊板材的油污清洗干净，然后将板材用夹具固定在焊接工作台上，使两板材处于对接且位于同一平面；
步骤二、搅拌头以旋转速度ω、顺时针旋转方向从上表面以插入速度Vz插入焊接起始位置，保持轴肩下压量为h；
步骤三、搅拌头以焊接速度Vh沿对接面左侧开始焊接，焊接过程中保持旋转速度不变，直到焊完右侧，从而形成一次焊接焊缝；
步骤四、将工件进行翻转，在一次焊缝位置的背部进行二次焊缝的焊接，根据二次焊缝的起始位置的不同分为同向焊接和异向焊接，焊接参数与步骤二、三相同。
2.如权利要求1所述的一种针对中厚板材的搅拌摩擦双面焊方法，其特征在于，所述板材为挤压成型的Mg-Gd-Y稀土镁合金，厚度10mm。
3.如权利要求1或2所述的一种针对中厚板材的搅拌摩擦双面焊方法，其特征在于，步骤二至步骤四中同向焊接中两次焊接的前进侧热力影响区位于接头焊缝中心的两侧，而根据搅拌摩擦单面焊得知，前进侧热力影响区为焊缝的薄弱区域，而同向焊接可以有效避免两次焊接的前进侧薄弱区域位于接头的同一侧。
4.如权利要求1或2所述的一种针对中厚板材的搅拌摩擦双面焊方法，其特征在于，所用的搅拌头的几何尺寸相同。
5.如权利要求4所述的一种针对中厚板材的搅拌摩擦双面焊方法，其特征在于，所述搅拌头为双凹圆形状，搅拌针为右旋螺纹型。
6.一种针对中厚板材的搅拌摩擦双面焊方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)焊前用酒精将待焊板材的油污清洗干净，然后将板材用夹具固定在焊接工作台上，使两板材处于对接且位于同一平面；
(2)搅拌头以旋转速度ω、顺时针旋转方向从上表面以插入速度Vz插入焊接起始位置，保持轴肩下压量为h；
(3)利用搅拌摩擦焊设备对其进行双面分次焊接，搅拌头以焊接速度Vh沿对接面左侧开始焊接，焊接过程中保持旋转速度不变，直到焊完右侧，从而形成一次焊接焊缝；
(4)将工件进行翻转，在一次焊缝结束位置的背部作为二次焊接的起始位置左侧，进行二次焊缝的焊接，焊接参数与步骤(2)、(3)相同，这种焊接为异向焊接。
7.根据权利要求6所述的一种针对中厚板材的搅拌摩擦双面焊方法，其特征在于，步骤(2)、(3)和(4)中所述的异向焊接中的两次焊接的前进侧热力影响区位于接头焊缝中心的同侧，而根据搅拌摩擦单面焊得知，前进侧热力影响区为焊缝的薄弱区域，从而使异向焊接的薄弱环节出现在两次焊接的前进侧热力影响区位于焊缝中心的同侧。
8.根据权利要求6或7所述的一种针对中厚板材的搅拌摩擦双面焊方法，其特征在于，步骤(2)、(3)和(4)中所述搅拌头的几何尺寸相同。
9.根据权利要求6或7所述的一种针对中厚板材的搅拌摩擦双面焊方法，其特征在于，所述搅拌头为双凹圆形状，搅拌针为右旋螺纹型。
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