CN104646820A - 一种用于铝合金厚板焊接的搅拌头及其焊接方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于铝合金厚板焊接的搅拌头以及焊接方法，包括搅拌针、轴肩和夹持端，搅拌针设于轴肩上端中心位置，其特征在于：所述搅拌头是采用N含量在0.4%～0.7%的奥氏体高氮钢加工而成的整体结构，搅拌针与轴肩连接的根部呈非比例加粗设计；焊接时采用双面搅拌摩擦焊的方法焊接。本发明的搅拌头采用奥氏体高氮钢加工而成的整体结构，与轴肩连接的搅拌针采用非比例加粗设计，大大增加了搅拌头的强度、降低了搅拌针断裂的几率，使用寿命大为提高；采用双面搅拌摩擦焊进行焊接，与采用单面焊接相比，焊接接头的抗拉强度提高10%以上，焊缝没有焊接气孔、裂纹、疏松和未焊透等缺陷，焊缝内部质量达到Ⅰ级，提高了焊接接头的力学性能。

Description

一种用于铝合金厚板焊接的搅拌头及其焊接方法
技术领域
本发明属于焊接技术领域，具体地说是一种用于铝合金厚板焊接的搅拌头及其焊接方法。
背景技术
2×××系和7×××系热处理变形强化铝合金为高强度铝合金，板材的抗拉强度均在400MPa以上。其中的7A52、7A05和2519等铝合金就是该类高强铝合金的代表，随着高强铝合金在大型结构件上的应用，不仅可以明显降低结构件的重量，同时，还可以由结构件的轻量化带来诸多其它方面的便利。
搅拌摩擦焊（friction stir weld缩写为FSW）英国焊接研究所（TWI）在1991年首先发明的一种新型固态连接工艺，专门用来焊接常规氩弧焊接工艺（TIG和MIG）不能焊或焊接质量差的有色轻金属材料。尤其在焊接20mm厚度以下的高强铝合金具有明显优势，但是在焊接20mm-40mm厚度高强铝合金，目前仍然存在以下问题，如搅拌头的寿命普遍较低，只能焊接几百米长的焊缝，而且破坏形式绝大部分是与搅拌头轴肩相连的搅拌针从根部断裂；焊接接头强度较低约为母材的65%。因此，焊接技术制约了高强铝合金在航空航天、武器装备以及运输等行业上的推广应用。
随着科学技术快速发展，尤其是搅拌摩擦焊技术和奥氏体高氮钢材料应用技术的出现，为解决高强度铝合金厚板的焊接提供了技术基础。含N在0.40%-0.70%奥氏体高氮钢材料具有明显的性能优势，氮的加入提高了奥氏体高氮钢的屈服强度而不降低材料韧性，特别是通过冷加工进一步提高强度，以18Mn18Cr0.6N奥氏体高氮钢为例，在变形量为40%时，其屈服强度可从600MPa提高到1400MPa以上，而断裂韧性仍保持着较高的数值，高氮钢之所以具有如此高的加工硬化率，是由于高氮含量降低了堆垛层错能，造成稳定的位错排列。同时，奥氏体高氮钢还具有高温断裂韧性。因此，采用奥氏体高氮钢制作搅拌头可以明显搅拌头的使用寿命。在搅拌头设计方面，传统的搅拌针为圆柱形或圆锥形，在焊接厚板高强铝合金时，搅拌针根部容易断裂，因此需要对现有的搅拌头进行改进，而且厚板高强铝合金的焊接传统是采用单面搅拌摩擦焊，由于沿厚度方向温度场和流场差别较大，造成接头性能降低，因此采用双面焊接方式，明显提高了焊接接头的力学性能。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种用于铝合金厚板焊接的搅拌头，具有不易断裂、使用寿命长的特点。
本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种铝合金厚板焊接的焊接方法，采用双面搅拌摩擦焊进行焊接，焊接接头强度高、质量好。
本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：一种用于铝合金厚板焊接的搅拌头，包括搅拌针、轴肩和夹持端，搅拌针设于轴肩上端中心位置，其特征在于：所述搅拌头是采用N含量在0.4%～0.7%的奥氏体高氮钢加工而成的整体结构，搅拌针与轴肩连接的根部呈非比例加粗设计。
作为改进，所述搅拌针的头部呈圆台形或圆柱形，搅拌针的根部H2高度不大于搅拌针高度H1的1/2。
作为改进，所述搅拌针的头部为圆台形，搅拌针的根部为非比例加粗的圆台形，就是搅拌针的根部的顶部夹角θ2为搅拌针的头部的顶部夹角θ1的110%～180%。
再改进，所述奥氏体高氮钢是指高氮钢板或棒或锻件，其加工过程中的变形量不小于40%。
再改进，所述轴肩与搅拌针相连接的上段为圆台形，轴肩的下段为圆柱形。
本发明解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为：一种铝合金厚板的焊接方法，其特征在于包括以下步骤：
1）设计搅拌头：采用整体设计，即夹持端、轴肩、搅拌针采用同一块采用N含量在0.4%～0.7%的奥氏体高氮钢材料加工而成；搅拌针的头部呈圆台形或圆柱形，所述搅拌针与轴肩连接的根部呈非比例加粗设计；
2）采用双面搅拌摩擦焊的方法焊接：其中第一面焊接采用的搅拌针的高度不小于待焊铝合金厚板的一半厚度进行焊接，第二面是在第一面焊缝的背面进行焊接，第二面焊接采用的搅拌针的高度不小于待焊铝合金厚板的一半厚度。
作为改进，所述铝合金厚板是指抗拉强度不低于400Mpa、厚度在20.0mm～40mm的热处理变形强化铝合金。
作为优选，所述奥氏体高氮钢是指高氮钢板或棒或锻件，其加工过程中的变形量不小于40%。
再改进，所述搅拌针的头部为圆台形，搅拌针的根部为非比例加粗的圆台形，其中搅拌针的根部的顶部夹角θ2为搅拌针的头部的顶部夹角θ1的110%～180%；搅拌针的根部H2高度不大于搅拌针高度H1的1/2。
与现有技术相比，本发明的优点在于：搅拌头采用奥氏体高氮钢加工而成的整体结构，在焊接高强度厚板铝合金时，与热作模具钢H13相比，强度明显增大，不易断裂，且搅拌头的使用寿命可提高10%以上；与轴肩连接的搅拌针采用非比例加粗设计，降低了搅拌针断裂的几率，与现有的圆柱形或圆锥形搅拌针设计相比，使用寿命可提高15%以上；采用双面搅拌摩擦焊进行焊接，与采用单面焊接相比，焊接接头的抗拉强度提高10%以上，焊缝没有焊接气孔、裂纹、疏松和未焊透等缺陷，焊缝内部质量达到Ⅰ级。本发明的搅拌头使用寿命长、根部不易断裂，本发明的焊接方法明显提高了焊接接头的力学性能。
附图说明
图1是本发明的搅拌头的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
本实施例为焊接20mm厚7A52高强铝合金的搅拌头与方法，包括以下步骤：
（1）搅拌头的材料：搅拌头的材料采用含N在0.4%的奥氏体高氮钢，在加工过程中奥氏体高氮钢的变形量为45%。（2）搅拌头整体设计：搅拌头采用整体设计，即夹持端3、轴肩2、搅拌针1采用同一块奥氏体高氮钢材料加工而成。（3）搅拌头结构设计：搅拌针的头部呈圆台形，通过与轴肩连接的搅拌针根部采用非比例加粗设计，也为圆台形，θ2=16°，θ1=10°；H2=8mm，H1=19.7mm。轴肩与搅拌针相连接的上段为圆台形，轴肩的下段为圆柱形，轴肩的底面中心设置了夹持端。（4）焊接方法：对高强度厚板铝合金采用双面焊接方法焊接，正面采用19.7mm的搅拌头进行焊接，焊接之后焊缝背面采用15.0mm搅拌头进行焊接。该案例同样适合于含N量为0.5%和0.7%的奥氏体高氮钢的搅拌头。
实施例2
本实施例为焊接30mm厚7A52高强铝合金的搅拌头与方法，包括以下步骤：
（1）搅拌头的材料：搅拌头的材料采用含N在0.4%的奥氏体高氮钢，在加工过程中奥氏体高氮钢的变形量为50%。（2）搅拌头整体设计：搅拌头采用整体设计，即搅拌头夹持端3、轴肩2、搅拌针1采用同一块奥氏体高氮钢材料加工而成。（3）搅拌头结构设计：搅拌针的头部呈圆台形，通过与轴肩连接的搅拌针根部采用非比例加粗设计，也为圆台形，θ2=14°，θ1=10°；H2=12mm，H1=29.7mm。轴肩与搅拌针相连接的上段为圆台形，轴肩的下段为圆柱形，轴肩的底面中心设置了夹持端。（4）焊接方法：对高强度厚板铝合金采用双面焊接方法焊接，正面采用29.7mm的搅拌头进行焊接，焊接之后焊缝背面采用20mm搅拌头进行焊接。该案例同样适合于含N量为0.5%和0.7%的奥氏体高氮钢的搅拌头。
实施例3
本实施例为焊接40mm厚7A52高强铝合金的搅拌头与方法，包括以下步骤：
（1）搅拌头的材料：搅拌头的材料采用含N在0.4%的奥氏体高氮钢，在加工过程中奥氏体高氮钢的变形量为50%。（2）搅拌头整体设计：搅拌头采用整体设计，即搅拌头夹持端3、轴肩2、搅拌针1采用同一块奥氏体高氮钢材料加工而成。（3）搅拌头结构设计：搅拌针的头部呈圆台形，通过与轴肩连接的搅拌针根部采用非比例加粗设计，也为圆台形，θ2=16°，θ1=12°；H2=12mm，H1=34.7mm。轴肩与搅拌针相连接的上段为圆台形，轴肩的下段为圆柱形，轴肩的底面中心设置了夹持端。（4）焊接方法：对高强度厚板铝合金采用双面焊接方法焊接，正面采用34.7mm的搅拌头进行焊接，焊接之后焊缝背面采用20mm搅拌头进行焊接。该案例同样适合于含N量为0.5%和0.7%的奥氏体高氮钢的搅拌头。
最后，对上述三个实施例中的7A52高强铝合金搅拌摩擦焊焊缝进行焊后检测，未发现焊接气孔、裂纹、疏松和未焊透等缺陷，焊缝内部质量达到Ⅰ级，接头强度可以达到母材的0.8以上。
本发明不局限于上述实施方式，只要是说明书中提及的方案均落在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于铝合金厚板焊接的搅拌头，包括搅拌针、轴肩和夹持端，搅拌针设于轴肩上端中心位置，其特征在于：所述搅拌头是采用N含量在0.4%～0.7%的奥氏体高氮钢加工而成的整体结构，搅拌针与轴肩连接的根部呈非比例加粗设计。
2.根据权利要求1所述的搅拌头，其特征在于：所述搅拌针的头部呈圆台形或圆柱形，搅拌针的根部H2高度不大于搅拌针高度H1的1/2。
3.根据权利要求2所述的搅拌头，其特征在于：所述搅拌针的头部为圆台形，搅拌针的根部为非比例加粗的圆台形，其中搅拌针的根部的顶部夹角θ2为搅拌针的头部的顶部夹角θ1的110%～180%。
4.根据权利要求1所述的搅拌头，其特征在于：所述奥氏体高氮钢是指高氮钢板或棒或锻件，其加工过程中的变形量不小于40%。
5.根据权利要求1所述的搅拌头，其特征在于：所述轴肩与搅拌针相连接的上段为圆台形，轴肩的下段为圆柱形。
6.一种铝合金厚板的焊接方法，其特征在于包括以下步骤：
1）设计搅拌头：采用整体设计，即夹持端、轴肩、搅拌针采用同一块N含量在0.4%～0.7%的奥氏体高氮钢材料加工而成；搅拌针的头部呈圆台形或圆柱形，所述搅拌针与轴肩连接的根部呈非比例加粗设计；
2）采用双面搅拌摩擦焊的方法焊接：其中第一面焊接采用搅拌针的高度不小于待焊铝合金厚板的一半厚度进行焊接，第二面是在第一面焊缝的背面进行焊接，第二面焊接采用搅拌针的高度不小于待焊铝合金厚板的一半厚度。
7.根据权利要求6所述的焊接方法，其特征在于：所述铝合金厚板是指抗拉强度不低于400Mpa、厚度在20.0mm～40mm的热处理变形强化铝合金。
8.根据权利要求6所述的焊接方法，其特征在于：所述奥氏体高氮钢是指高氮钢板或棒或锻件，其加工过程中的变形量不小于40%。
9.根据权利要求6所述的焊接方法，其特征在于：所述搅拌针的头部为圆台形，搅拌针的根部为非比例加粗的圆台形，其中搅拌针的根部的顶部夹角θ2为搅拌针的头部的顶部夹角θ1的110%～180%；搅拌针的根部H2高度不大于搅拌针高度H1的1/2。
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