CN104070287B - 一种抑制高强铝合金搅拌摩擦焊接头软化的方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种抑制高强铝合金搅拌摩擦焊接头软化的装置，它是由多个焊缝背面的局部加热装置、焊缝正面的强制冷却装置和外部程序控制器构成。一种抑制高强铝合金搅拌摩擦焊接头软化的方法，主要是把预焊接的工件对置平放于加热装置的支撑平台上，将强制冷却装置压在待焊铝合金板材上，用螺栓将强制冷却装置和加热装置上固定在一起，将预焊接的铝合金板材卡紧，焊接开始前，接通加热装置并达到设定温度，焊接开始后，打开水冷装置喷水阀门，对焊缝两侧及搅拌头前后侧均进行水冷，加热装置始终处于设定温度状态，焊接完成后，关闭加热器和冷却装置，得到理想焊接接头。本发明实现了在线焊缝热处理，解决了高强铝合金焊接接头软化问题。

Description

一种抑制高强铝合金搅拌摩擦焊接头软化的方法及装置

技术领域本发明涉及金属材料焊接领域，特别涉及一种抑制高强铝合金焊接接头软化的方法及装置。

背景技术搅拌摩擦焊是英国焊接研究所于1991年发明的一种热力耦合作用下的固态焊接技术，具有能量利用率高、环境友好、焊接冶金缺陷少、残余应力小等优点，自发明后受到广泛关注，并已在航空航天、轨道交通以及船舶等领域得到日益广泛的应用。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。但是，对于高强铝合金而言，经搅拌摩擦焊焊接后的接头某一区域中会出现软化的问题。主要表现为焊接接头横向硬度分布呈“W”型或“V”型分布，其中，“W”型硬度分布的接头，其软化区在热影响区或热机械影响区；“V”型硬度分布的接头，软化区在焊缝中心的焊核区。软化区的存在，必然会显著影响焊接接头的力学性能。因此如何控制和调整焊接接头的组织转变及其硬度分布，进而控制焊接接头的力学性能，就成为重点关注的问题。

为避免焊接接头的软化，通常的方法是采用低热输入焊接参数、整体或局部焊后热处理焊等措施。其中，低热输入焊接参数虽然在一定程度上能减小接头软化的倾向，但低热输入焊接参数(如低主轴转速、高行进速度、小的轴肩尺寸等)会导致搅拌区塑化程度降低，进而增大在焊核区出现孔洞、隧道等焊接缺陷的危险；采用整体热处理受到工件尺寸及整体变形的限制，对于峰值时效的合金还会导致母材的过时效而使性能下降；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这一区域的软化问题，但同时会带来新的热影响区软化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，但是这些方法仅解决了热影响区软化，而焊核区硬度下降的问题并未根本解决。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够同时在线解决焊接接头热影响区、热机械影响区和焊核区出现的软化问题的抑制高强铝合金搅拌摩擦焊接头软化的方法及装置。本发明主要是采用焊缝背面沿长度方向的局部加热和正面强对流冷却相结合的搅拌摩擦焊方法，通过背面局部加热和正面强冷的合理配合，解决搅拌摩擦焊接头的软化问题。

本发明的技术方案如下：

本发明的装置由多个焊缝背面的局部加热装置、焊缝正面的强制冷却装置和外部程序控制器构成。其中，每个焊缝背面局部加热装置主要包括支撑平台和加热器，在支撑工件的支撑平台的两边分别设有两个通孔，在该支撑平台的正中，沿焊缝纵向设有加热器，该加热器的宽度略小于搅拌头轴肩尺寸，长度与支撑平台长度相同，高度与平台表面平齐，该加热器外壳为金属外壳，最好为高强度铜合金外壳，其内部设有电阻加热元件，该焊缝背面的局部加热装置既起到加热焊缝区的作用，又起到支撑焊缝成型的作用。每个焊缝正面的强制冷却装置为金属箱体，最好为高强度不锈钢箱体，箱体的一边设有与上述加热器相对应的一对槽孔，箱体内设有沿焊缝长度方向分布的主管道和与焊缝垂直分布的多个分管道，主管道两端设有快速连接管接头，用于与相邻的强制冷却装置通过软管相连，在箱体的一侧设有与分管道相通的高压喷嘴，冷却水由喷嘴处喷出并对焊缝进行强制冷却。在焊接时，用螺栓通过强制冷却装置上的槽孔和上述加热装置上的通孔将它们固定在一起，同时作为紧固装置来装卡工件。本装置根据实际工件的焊缝长度或需要可采用多个加热装置和强制冷却装置串联的形式，每个加热器的电源开关和冷却装置的喷水开关均由外部控制器控制，每个开关可单独控制每个单元，具有并联特性。

本发明的方法如下：

(1)把预焊接的两块高强铝合金板材对置平放于加热装置的支撑平台上，对接缝置于沿长度方向的铜制加热器表面中心位置，再将强制冷却装置压在待焊铝合金板材上，用螺栓通过强制冷却装置上的槽孔与上述加热装置上的通孔将它们固定在一起，将预焊接的铝合金板材卡紧，将外部控制器与加热器和强制冷却装置分别连接。

(2)焊接前，首先接通搅拌头下方的加热器电源，通过外部控制器控制加热器上表面的温度达到设定温度后开始焊接，设定温度为100℃～400℃。根据搅拌头行进速度确定下一个加热器的接通时间。

(3)焊接开始时，搅拌头以设定转速钻入被焊工件，待搅拌头的轴肩与工件接触后，通过外部控制器控制打开冷却系统喷水阀门，对搅拌头两侧及后侧区域进行强制冷却。控制喷水压力为0.1～0.3MPa。

(4)焊接过程中，搅拌头以设定移动速度沿焊缝纵向移动，对搅拌头后侧已焊完焊缝保温1～5分钟后关闭相应的加热器，同时关闭对应的强制冷却装置。

本发明所述的铝合金为厚度是2～12mm的2000、6000、7000系列各种型号高强度铝合金。

本发明所依据的原理是：利用焊缝背面的辅助加热，可以解决焊核区因强化相粒子在焊接过程中的回溶而引起的硬度下降问题，促进强化相在冷却过程中的析出，进而提高焊核区的硬度。利用焊缝上表面强制水冷来抑制热影响区因过热而引起的软化；同时还可抑制因背面加热带来的二次热影响区的形成。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1)通过合理的选择焊接参数并配合上述加热及强制冷装置，可以彻底解决时效强化铝合金焊接接头软化问题，特别是焊核区的软化问题。

2)焊缝背面的辅助加热，一方面可以降低焊缝厚度方向的温度梯度，同时对减小焊接残余应力也非常有益。

3)实现了在线焊缝热处理，简化了时效强化铝合金焊接接头的热处理工艺，提高了生产效率。

4)本发明的装置易拆卸，易组装，整合度高，并且通过管线可将多个焊接单元进行连续组装，特别适合超长焊缝的焊接。

5)工装中的加热和冷却装置能够通过外部控制器分别调控，如焊前预热，焊后冷却与焊后时效等，冷却或者加热制度可根据工艺要求随时调整以获得优良焊缝。

附图说明

图1为本发明加热装置示意简图。

图2为本发明强制冷却装置示意简图。

图3为本发明装置及焊接工作状态主视示意简图。

图4为本发明外部控制器示意简图。

图5为本发明实施例1的2024铝合金搅拌摩擦焊接头硬度分布曲线图。

具体实施方式

如图1所示，焊缝背面局部加热装置主要包括支撑平台1和加热器2，在支撑工件的支撑平台的两边分别设有两个通孔，在该支撑平台的正中，沿焊缝纵向设有加热器，该加热器的宽度略小于搅拌头轴肩尺寸，长度与支撑平台长度相同，高度与平台表面平齐，该加热器外壳为高强度铜合金，其内部设有电阻加热元件，加热器的电源开关3由外部程序器控制。如图2所示，焊缝正面的强制冷却装置4为高强度不锈钢箱体，箱体的一边设有与上述加热器相对应的一对槽孔5，箱体内设有冷却水通道，在冷却水通道的两端设有快速接头6，在箱体的一侧设有若干与冷却水通道相通的喷嘴7，冷却水由喷嘴处喷出并对焊缝进行强制冷却。在焊接时，将两个强制冷却装置喷嘴相对置于加热装置的支撑平台上，用螺栓10通过强制冷却装置的槽孔和上述加热装置上的通孔将它们固定在一起，同时作为紧固装置来装卡工件。本装置根据实际工件的焊缝长度或需要可采用多个加热装置和强制冷却装置串联的形式，每个加热和冷却装置的开关均由外部控制器控制。本装置外部控制器如图4所示，外部控制器由连接强制冷却装置和加热器的开关11以及控制器12主体构成，每个开关可单独控制每个单元，具有并联特性。

如图3所示，在焊接时，将两块预焊接的厚度为4mm的2024高强度铝合金板材9对置平放于加热装置的支撑平台上，将两个强制冷却装置喷嘴相对压在待焊铝合金板材上，用螺栓通过强制冷却装置上的槽孔和上述加热装置上的通孔将它们固定在一起，将铝合金板卡紧，对接缝位于加热器中心线。冷却水通过软管和快速接头进入强制冷却装置，焊接前，接通加热器的电源，对被焊铝板进行预热至200℃，搅拌头8以800转/min的转速旋转钻入对接缝中，待搅拌头上的轴肩与铝板接触后，打开控制冷却装置的高压水开关，喷水压力为0.2MPa，从水冷装置中通过喷嘴向外喷水；同时，搅拌头按100mm/min的速度沿对接缝纵向移动，对搅拌头后侧已焊完焊缝保温1～5分钟后关闭相应的加热器，同时关闭对应的强制冷却装置。焊接后对焊接接头进行硬度分布测量，测试结果如图5所示，与未采用本方法焊接的接头硬度分布对比可见，本发明的沿焊缝横向的硬度分布比较均匀。

Claims (6)

1.一种抑制高强铝合金搅拌摩擦焊焊接接头软化的装置，它是由多个焊缝背面的局部加热装置、多个焊缝正面的强制冷却装置和多个外部程序控制器构成，其中，每个焊缝背面局部加热装置主要包括支撑平台和加热器，在支撑工件的支撑平台的两边分别设有两个通孔，在该支撑平台的正中，沿焊缝纵向设有加热器，该加热器的宽度略小于搅拌头轴肩尺寸，长度与支撑平台长度相同，高度与平台表面平齐，该加热器外壳为金属外壳，其内部设有电阻加热元件，其特征在于：每个焊缝正面的强制冷却装置为金属箱体，箱体的一边设有与上述加热器相对应的一对槽孔，箱体内设有沿焊缝长度方向分布的主管道和与焊缝垂直分布的多个分管道，主管道两端设有快速连接管接头，用于与相邻的强制冷却装置通过软管相连，在箱体的一侧设有与分管道相通的高压喷嘴；在焊接时，用螺栓通过强制冷却装置上的槽孔和上述加热装置上的通孔将它们固定在一起，同时作为紧固装置来装卡工件；每个加热器的电源开关及温控和冷却装置的喷水开关及压力均由外部程序控制器控制。

2.根据权利要求1所述的抑制高强铝合金搅拌摩擦焊焊接接头软化的装置，其特征在于：根据实际工件的焊缝长度或需要采用多个加热装置和强制冷却装置串联组成。

3.根据权利要求1或2所述的抑制高强铝合金搅拌摩擦焊焊接接头软化的装置，其特征在于：所述加热器外壳最好是高强度铜合金外壳，所述强制冷却装置的箱体最好是高强度不锈钢箱体。

4.一种抑制高强铝合金搅拌摩擦焊焊接接头软化的方法，其特征在于：

(1)把预焊接的两块铝合金板材对置平放于加热装置的支撑平台上，对接缝置于沿长度方向的铜制加热器表面中心位置，再将强制冷却装置压在待焊铝合金板材上，用螺栓通过强制冷却装置与上述加热装置上的通孔将它们固定在一起，将预焊接的铝合金板材卡紧，将外部程序控制器与加热器和强制冷却装置分别连接；

(2)焊接前，首先接通搅拌头下方的加热器电源，通过外部程序控制器控制加热器上表面的温度达到设定温度后开始焊接，设定温度为100℃～400℃，根据搅拌头行进速度确定下一个加热器的接通时间；

(3)焊接开始时，搅拌头以设定转速钻入被焊工件，待搅拌头的轴肩与工件接触后，通过外部控制器控制打开冷却系统喷水阀门，对搅拌头两侧及后侧区域进行强制冷却，控制喷水压力为0.1～0.3MPa；

(4)焊接过程中，搅拌头以设定移动速度沿焊缝纵向移动，对搅拌头后侧已焊完焊缝保温1～5分钟后关闭相应的加热器，同时关闭对应的强制冷却装置。

5.根据权利要求4所述的一种抑制高强铝合金搅拌摩擦焊焊接接头软化的方法，其特征在于：所述的铝合金为2000、6000、7000系列各种型号高强铝合金。

6.根据权利要求4或5所述的一种抑制高强铝合金搅拌摩擦焊焊接接头软化的方法，其特征在于：所述的铝合金板材的厚度为2～12mm。