CN103949768A - 一种可消除搅拌摩擦点焊Hook缺陷的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可消除搅拌摩擦点焊Hook缺陷的方法，在无针搅拌摩擦点焊的基础上，通过叠加环形FSW焊缝的方法，成功消除了Hook缺陷，保证了焊接接头的可靠性，使得接头的力学性能提升了一倍。此外，本方法的焊接过程简便易操作，焊接效率高，对焊接设备的要求较低，在常规FSW设备上即可完成，对FSSW工艺的工程应用具有很大的推动作用。

Description

一种可消除搅拌摩擦点焊Hook缺陷的方法
技术领域
本发明属于搅拌摩擦焊接领域，具体涉及一种可消除搅拌摩擦点焊Hook缺陷的方法，该方法加工的接头剪切强度较常规搅拌摩擦点焊接头可提高近一倍。该焊接方法操作简便，易加工成型，接头质量高，可靠性好，易于推广应用。
背景技术
英国焊接研究所(The Welding Institute)发明的搅拌摩擦焊(Friction StirWelding,简称FSW，美国专利NO.5,460,317)，是一种优质、高效、环保、节能的新型固相焊接工艺，因其能实现传统熔焊难以焊接的高强铝合金、镁合金、钛合金、铜合金等的连接而成为航空航天等国防领域和高速列车等民用领域中轻质合金结构件连接不可替代的关键技术。搅拌摩擦点焊(Friction stir spot welding,简称FSSW)是在FSW工艺基础上研发的一种点焊工艺，研究表明该工艺在铝合金、镁合金等轻质金属焊接过程中取代传统的电阻电焊、激光焊、铆接等具有不可比拟的优点。以铝合金为例，采用传统电阻点焊焊接铝合金时，由于铝合金导热快，热量难以集中，无法形成有效的焊核；采用激光焊时，铝合金对激光束的反射作用强，能量易散失，且焊后易形成气孔等缺陷；而采用铆接需在结构件上开孔并加铆钉，这不仅会增加工序和结构件重量，而且易从开孔处腐蚀脱落。FSSW工艺可完全消除上述缺点，其焊前无需加工任何辅助结构件，焊接过程简便易操作，焊接效率高，接头性能也明显由于传统点连接工艺。然而采用常规FSSW工艺时，不可避免的会产生匙孔和Hook缺陷。为消除匙孔，德国和日本等学者分别提出了回填式搅拌摩擦点焊(Re-filling FSSW或Double-acting FSSW)和无针搅拌摩擦点焊(Pinless FSSW)。这两种工艺均能成功消除匙孔，获得平整光滑的点焊接头，但它们都仍然无法消除内部的Hook缺陷。大量研究表明，常规带匙孔的搅拌摩擦点焊、回填式搅拌摩擦点焊及无针搅拌摩擦点焊所得接头，其失效形式均主要起源于Hook缺陷，所产生的裂纹沿一定方向扩展并最终导致接头失效。目前，还没有有效的消除Hook缺陷的方法，这严重制约了搅拌摩擦点焊技术在航空航天等重要领域的应用。
采用常规FSSW工艺焊接铝合金、镁合金等轻质材料时不可避免的会产生匙孔和Hook缺陷，回填式搅拌摩擦点焊虽然能消除匙孔，但不能消除内部的Hook缺陷，且其焊接设备及搅拌头加工复杂，需同时实现搅拌头轴肩和搅拌针的双向运动，对设备要求较高。无针搅拌摩擦点焊的出现在消除匙孔的同时也简化了焊接工艺，其焊接过程方便易操作，所得接头力学性能也较好。但接头内部的Hook缺陷仍是导致其接头失效的主要因素，这也限制了FSSW工艺在航空航天等领域的应用。因此，研发能消除Hook缺陷的方法具有重要的意义。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种可消除搅拌摩擦点焊Hook缺陷的方法，获得的接头组织致密、无气孔、无裂纹，并且操作工艺简单，生产周期短、效率高，生产成本低廉。
技术方案
一种可消除搅拌摩擦点焊Hook缺陷的方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：在无针搅拌头的轴肩端面加工深度为0.1～0.5mm、半径大于0.5mm的3～5条渐开线凹槽；
步骤2：将两块被焊材料以搭接的形式固定在搅拌摩擦焊接FSW设备上，驱动无针搅拌头以300-2000rpm的旋转速度、大于10mm/min的下压速度进行点焊，获得一个点焊接头，该接头会在焊核区与焊缝边缘之间形成一个自两板对接面延伸至焊缝上表面的Hook缺陷；
步骤3：以步骤2所得点焊接头的中心为圆心，以该圆心至Hook缺陷处距离为半径，驱动搅拌头沿该路径移动进行FSW焊接，使得焊核完全覆盖Hook缺陷；FSW焊接的旋转速度、焊接速度、下压量的参数选择根据所焊接材料的工艺标准。
所述的无针搅拌头是指轴肩端面无搅拌针。
所述的被焊材料是指厚度为0.1～3.0mm的薄板铝合金、镁合金或铜合金。
有益效果
本发明提出的一种可消除搅拌摩擦点焊Hook缺陷的方法，在无针搅拌摩擦点焊的基础上，通过叠加环形FSW焊缝的方法，成功消除了Hook缺陷，保证了焊接接头的可靠性，使得接头的力学性能提升了一倍。此外，本方法的焊接过程简便易操作，焊接效率高，对焊接设备的要求较低，在常规FSW设备上即可完成，对FSSW工艺的工程应用具有很大的推动作用。
附图说明
图1：无针搅拌头实物图：(a)无针搅拌头整体形貌，(b)搅拌头端面
1—无针搅拌头，2—轴肩端面，3—轴肩端面的渐开线凹槽；
图2：现有技术焊接示意图
图3：本发明实施例示意图
1—无针搅拌头，A—搅拌头旋转方向，B—FSSW接头中心，C—焊接方向(搅拌头移动方向)，D—搅拌头轴心运动轨迹，R—环形焊缝半径。
图4：第一步所得FSSW接头：(a)外观形貌,(b)横截面形貌；
图5：第二步所得FSSW叠加FSW接头：(a)外观形貌,(b)横截面形貌；
图6：两种FSSW工艺的接头拉伸性能：(a)最大载荷,(b)载荷-位移曲线。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
采用无针搅拌头焊接厚度为1.5mm的2024-T3铝合金。第一步，进行FSSW试验。选用无针搅拌头轴肩直径为Φ15mm，轴肩端面加工有3条深度为0.3mm，半径为1mm的渐开线凹槽。将搅拌头置于焊接设备上，并以950rpm的速度旋转，旋转方向为逆时针，下压量、下压速度及焊接停留时间分别为0.3mm、30mm/min和15s。所得FSSW接头形貌如图3所示，接头表面光滑平整，但内部会产生向上延伸的Hook缺陷(Hook缺陷为向上延伸的裂纹)。第二步，换用直径为Φ10mm的无针搅拌头，将搅拌头中心沿X轴移动6mm(测得FSSW接头中心距Hook距离为6mm)，选用焊接参数：旋转速度950rpm、焊接速度30mm/min、下压量0.1mm，环形焊缝圆心为原FSSW接头中心，半径为6mm。所得接头形貌如图4所示，可看出Hook缺陷已被成功消除。常规带Hook缺陷的FSSW接头与FSSW叠加FSW接头的拉伸载荷-位移曲线如图5所以，结果表明，本发明的方法所得接头拉伸强度较常规带Hook缺陷接头提高近一倍。性能提高的主要原因是消除了接头的Hook缺陷，且在原始Hook位置处形成细晶区，有效阻止了裂纹的扩展，从而大幅提高了接头的力学性能。
图2为常规的无针搅拌摩擦点焊示意图，将被焊材料用夹具固定在FSW焊接设备上。1为无针搅拌头，A为搅拌头旋转方向，搅拌头在主轴带动下旋转、下压、停留、退出。此FSSW工艺获得的接头无匙孔，但接头内部会在焊核区与焊缝边缘中间出现环形Hook缺陷。图3为叠加FSW环焊示意图，B为所得FSSW接头的中心。将搅拌头沿X轴移动至与B距离R处，R为原始FSSW接头中心与环形Hook缺陷之间的距离，即将搅拌头中心移至环形Hook缺陷上方。之后，驱动无针搅拌头1以选定的焊接参数(包括旋转速度、焊接速度、下压量等)沿着D所示的环焊缝进行FSW焊接，C为焊接方向。此目的是通过FSW环焊缝的焊核区覆盖原始的FSSW接头中的Hook缺陷，使Hook缺陷处的金属重新形核，从而达到消除Hook缺陷的目的。

Claims (3)

1.一种可消除搅拌摩擦点焊Hook缺陷的方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：在无针搅拌头的轴肩端面加工深度为0.1～0.5mm、半径大于0.5mm的3～5条渐开线凹槽；
步骤2：将两块被焊材料以搭接的形式固定在搅拌摩擦焊接FSW设备上，驱动无针搅拌头以300-2000rpm的旋转速度、大于10mm/min的下压速度进行点焊，获得一个点焊接头，该接头会在焊核区与焊缝边缘之间形成一个自两板对接面延伸至焊缝上表面的Hook缺陷；
步骤3：以步骤2所得点焊接头的中心为圆心，以该圆心至Hook缺陷处距离为半径，驱动搅拌头沿该路径移动进行FSW焊接，使得焊核完全覆盖Hook缺陷；FSW焊接的旋转速度、焊接速度、下压量的参数选择根据所焊接材料的工艺标准。
2.根据权利要求1所述可消除搅拌摩擦点焊Hook缺陷的方法，其特征在于：所述的无针搅拌头是指轴肩端面无搅拌针。
3.根据权利要求1所述可消除搅拌摩擦点焊Hook缺陷的方法，其特征在于：所述的被焊材料是指厚度为0.1～3.0mm的薄板铝合金、镁合金或铜合金。
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