CN104959726A - 一种消除前进侧Hook缺陷的搅拌摩擦搭接焊方法 - Google Patents

一种消除前进侧Hook缺陷的搅拌摩擦搭接焊方法 Download PDF

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Abstract

一种消除前进侧Hook缺陷的搅拌摩擦搭接焊方法，它涉及一种搅拌摩擦焊接方法。本发明为了解决现有的搅拌摩擦搭接焊接头前进侧存在Hook缺陷，减少接头有效承载厚度从而降低接头力学性能的问题。本发明的在传统搭接结构的基础上增加了凸台的设计，改变了被焊工件的几何形状，消除了前进侧的原始搭接界面，从而成功消除Hook缺陷的影响。本发明的搅拌摩擦搭接焊方法包括以下步骤：步骤一、确定被焊工件的几何参数：确定倒“T”形被焊工件向后退侧延伸距离W1、凸台宽度W2以及凸台高度H；步骤二、固定被焊工件；步骤三、确定搅拌头的施焊位置；步骤四、搅拌摩擦焊接。本发明的焊接方法用于搅拌摩擦搭接焊。

Description

一种消除前进侧Hook缺陷的搅拌摩擦搭接焊方法
技术领域
本发明涉及一种搅拌摩擦焊的焊接方法，具体涉及一种消除前进侧Hook缺陷的搅拌摩擦搭接焊方法，焊接技术领域。
背景技术
搅拌摩擦焊(FSW)技术是在世界范围内获得专利保护的新型固相连接技术，也是世界焊接技术发展史上自发明到应用时间跨度最短的一项连接技术。由于在制造成本和焊接质量等方面的优越性，这项技术在铝合金等低熔点材料的焊接方面应用广泛。自发明以来，人们在搅拌摩擦对接焊方面的研究较多，在搅拌摩擦搭接焊方面的研究相对较少。航空飞机蒙皮和肋板以及高速列车车体等结构件中存在大量的搭接形式，因此获得性能优良的搭接接头具有重要的工程意义。然而，在搅拌摩擦搭接焊过程中，焊核两侧的原始搭接界面因焊缝金属的塑性流动引起向上或者向下的弯曲变形，从而在前进侧形成了Hook缺陷，在后退侧形成了“冷搭接”缺陷，这两种界面缺陷的存在降低了搭接接头的力学性能。其中前进侧的Hook缺陷对接头拉剪性能影响较大，因此消除前进侧的Hook缺陷对于提高搅拌摩擦搭接焊接头力学性能具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的搅拌摩擦搭接焊接头前进侧存在Hook缺陷，减少接头有效承载厚度从而降低接头力学性能的问题。进而提供一种消除前进侧Hook缺陷的搅拌摩擦搭接焊方法。
本发明的技术方案是：一种消除前进侧Hook缺陷的搅拌摩擦搭接焊方法包括如下步骤：
步骤一、确定被焊工件的参数：
根据平板被焊工件的厚度T、横向搭接宽度L、搅拌针直径D2和轴肩直径D1，确定倒“T”形被焊工件上表面垂直凸台的横向宽度W2、高度H和倒“T”形被焊工件向后退侧延伸距离W1，凸台的横向宽度W2不小于轴肩半径与搅拌针半径之和，即W2不小于0.5(D1+D2)，凸台的高度H为平板被焊工件的厚度T，倒“T”形被焊工件向后退侧延伸距离W1为横向搭接宽度L与凸台的横向宽度W2之差，即W1＝L-W2；
步骤二、固定被焊工件：
利用夹具将平板被焊工件与倒“T”形被焊工件固定在工作台上，使平板被焊工件紧密搭接于倒“T”形被焊工件的上方，且平板被焊工件的一侧与倒“T”形被焊工件凸台的一侧紧密贴合，完成被焊工件的组装；
步骤三、确定搅拌头的施焊位置：
将搅拌头移至横向搭接宽度L范围内，并使搅拌头的搅拌针位于平板被焊工件的一侧与倒“T”形被焊工件凸台的一侧紧密贴合的贴合面上方，搅拌头的搅拌针所在轴心线水平方向距离贴合面的距离在0.5D2范围内变动，保证焊接过程中贴合面能够被完全搅拌即可，完成搅拌头的定位；
步骤四、搅拌摩擦焊接：
搅拌头以2-100毫米/分钟的下压速度压入平板被焊工件与倒“T”形被焊工件的焊缝中，搅拌头的轴肩压入平板被焊工件的深度为0.1-1毫米，控制搅拌头的旋转速度为200-3000转/分钟，搅拌头的焊接速度为20-1500毫米/分钟并沿平行于平板被焊工件与倒“T”形被焊工件贴合面的方向行走，直至焊接完成。
本发明与现有技术相比具有以下效果：
本发明在传统搭接结构形式基础上，突破性地将两平行板材的搭接改为平板与倒“T”型板材的搭接，即本申请中的：平板被焊工件1和倒“T”形被焊工件2，这一搭接结构形式通过倒“T”形被焊工件2的凸台，巧妙地消除了传统搭接结构中前进侧的原始搭接界面，使搅拌摩擦搭接焊接头中前进侧Hook缺陷得以完全消除，因此可以提高搭接接头的力学性能。
本发明工艺简便，易于实现，适用于各种厚度的搭接结构，可以显著提高搭接接头的力学性能。
附图说明
图1是本发明中搅拌摩擦搭接焊的焊接结构示意图，其中1为平板被焊工件，2为倒“T”形被焊工件，3为搅拌头；ω为搅拌头旋转速度，箭头代表搅拌头逆时针旋转。
图2是搅拌头与两块待焊板材水平方向相对位置示意图，其中左侧为后退侧，右侧为前进侧，D1为搅拌头轴肩直径，D2为搅拌针直径，L为横向搭接宽度，W1为倒“T”形被焊工件2向后退侧延伸距离，W2为凸台的横向宽度，H为凸台的高度，T为平板被焊工件1的厚度；
图3是本发明获得的搅拌摩擦搭接焊接头宏观截面形貌，其中左侧为后退侧，右侧为前进侧，2mm代表宏观截面形貌的标尺。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至图2说明本实施方式，本实施方式的搅拌摩擦焊接方法步骤如下：
步骤一、根据平板被焊工件1的厚度T、横向搭接宽度L、搅拌针直径D2和轴肩直径D1，确定倒“T”形被焊工件2上表面垂直凸台的横向宽度W2、高度H和倒“T”形被焊工件2向后退侧延伸距离W1，凸台的横向宽度W2不小于轴肩半径与搅拌针半径之和，即W2不小于0.5(D1+D2)，凸台的高度H为平板被焊工件1的厚度T，倒“T”形被焊工件2向后退侧延伸距离W1为横向搭接宽度L与凸台的横向宽度W2之差，即W1＝L-W2；
步骤二、固定被焊工件：利用夹具将平板被焊工件1与倒“T”形被焊工件2固定在工作台上，使平板被焊工件1紧密搭接于倒“T”形被焊工件2上方，且平板被焊工件1一侧与倒“T”形被焊工件2凸台一侧紧密贴合，完成被焊工件的组装；
步骤三、确定搅拌头的施焊位置：将搅拌头3移至横向搭接宽度L范围内，并使搅拌针位于贴合面上方，搅拌头3的搅拌针所在轴心线水平方向距离贴合面的距离在0.5D2范围内变动，保证焊接过程中贴合面能够被完全搅拌即可，完成搅拌头3的定位；
步骤四、搅拌摩擦焊接：搅拌头3以2-100毫米/分钟的下压速度压入平板被焊工件1与倒“T”形被焊工件2的焊缝中，轴肩压入平板被焊工件的深度为0.1-1毫米，控制搅拌头旋转速度为200-3000转/分钟，搅拌头3焊接速度为20-1500毫米/分钟沿平行于平板被焊工件1与倒“T”形被焊工件2贴合面的方向行走，直至焊接完成。
图1为本发明中搅拌摩擦搭接焊的焊接结构示意图，下板由传统的平板状改为倒“T”形。图2为搅拌头与两块待焊板材水平方向相对位置示意图，前进侧的原始搭接界面得以完全消除。图3为本发明在转速1500rpm、焊速1250mm/min时获得的搭接接头的宏观截面形貌，此时焊缝内部成形良好，没有Hook缺陷，接头的拉剪性能高达670N/mm，比相同工艺参数下采用传统搭接结构所得接头拉剪性能提高了11.1％。这一结果证明本发明可以显著提高搅拌摩擦搭接焊接头的拉剪性能。
其中，图3在水平方向的左侧为后退侧，右侧为前进侧。
具体实施方式二：结合图1-2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一中凸台的横向宽度W2为轴肩直径D1，倒“T”形被焊工件2向后退侧延伸距离W1为轴肩直径D1，以保证倒“T”形被焊工件2在焊接过程中承受住来自轴向的压力。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1-2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤三中搅拌头3的搅拌针所在轴心线位于平板被焊工件1的一侧与倒“T”形被焊工件2凸台的一侧紧密贴合的贴合面正上方，以保证焊接过程中贴合面被完全搅拌。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：结合图1-2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤四中搅拌头3以5毫米/分钟的下压速度压入被焊工件。可以根据平板被焊工件1和倒“T”形被焊工件2的具体情况选择搅拌头3的下压速度，以减小搅拌头3的下压阻力。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：结合图1-2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤四中轴肩压入平板被焊工件与倒“T”形被焊工件的深度为0.25毫米。其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式六：结合图1-2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤四中控制搅拌头旋转速度为800-1200转/分钟，搅拌头3焊接速度为100-300毫米/分钟沿平行于平板被焊工件1与倒“T”形被焊工件2贴合面的方向行走。可以根据平板被焊工件1和倒“T”形被焊工件2的具体情况选择搅拌头3的旋转速度和焊接速度，以减小搅拌头3的前进阻力。其它步骤与具体实施方式一相同。
虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但并非用以限定本发明的保护范围，本领域技术人员还可以在本发明思路内做其他变化，以及应用到本发明未提及的领域中，当然，这些依据本发明思路所做的变化都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (6)

1.一种消除前进侧Hook缺陷的搅拌摩擦搭接焊方法，其特征在于：搅拌摩擦搭接焊方法的步骤如下：
步骤一、确定被焊工件的几何参数：
根据平板被焊工件(1)的厚度(T)、横向搭接宽度(L)、搅拌针直径(D2)和轴肩直径(D1)，确定倒“T”形被焊工件(2)上表面垂直凸台的横向宽度(W2)、高度(H)和倒“T”形被焊工件(2)向后退侧延伸距离(W1)，凸台的横向宽度(W2)不小于轴肩半径与搅拌针半径之和，即(W2)不小于0.5(D1+D2)，凸台的高度(H)为平板被焊工件(1)的厚度(T)，倒“T”形被焊工件(2)向后退侧延伸距离(W1)为横向搭接宽度(L)与凸台的横向宽度(W2)之差，即W1＝L-W2；
步骤二、固定被焊工件：
利用夹具将平板被焊工件(1)与倒“T”形被焊工件(2)固定在工作台上，使平板被焊工件(1)紧密搭接于倒“T”形被焊工件(2)的上方，且平板被焊工件(1)的一侧与倒“T”形被焊工件(2)凸台的一侧紧密贴合，完成被焊工件的组装；
步骤三、确定搅拌头的施焊位置：
将搅拌头(3)移至横向搭接宽度(L)范围内，并使搅拌头(3)的搅拌针位于平板被焊工件(1)的一侧与倒“T”形被焊工件(2)凸台的一侧紧密贴合的贴合面上方，搅拌头(3)的搅拌针所在轴心线水平方向距离贴合面的距离在0.5D2范围内变动，完成搅拌头(3)的定位；
步骤四、搅拌摩擦焊接：
搅拌头(3)以2-100毫米/分钟的下压速度压入平板被焊工件(1)与倒“T”形被焊工件(2)的焊缝中，搅拌头(3)上的轴肩压入平板被焊工件(1)与倒“T”形被焊工件(2)的深度为0.1-1毫米，控制搅拌头(3)的旋转速度为200-3000转/分钟，搅拌头(3)的焊接速度为20-1500毫米/分钟并沿平行于平板被焊工件(1)与倒“T”形被焊工件(2)贴合面的方向行走，直至焊接完成。
2.根据权利要求1所述的一种消除前进侧Hook缺陷的搅拌摩擦搭接焊方法，其特征在于：步骤一中凸台的横向宽度(W2)为轴肩直径(D1)，倒“T”形被焊工件(2)向后退侧延伸距离(W1)为轴肩直径(D1)。
3.根据权利要求2所述的一种消除前进侧Hook缺陷的搅拌摩擦搭接焊方法，其特征在于：步骤三中搅拌头(3)的搅拌针所在轴心线位于平板被焊工件(1)的一侧与倒“T”形被焊工件(2)凸台的一侧紧密贴合的贴合面正上方。
4.根据权利要求3所述的一种消除前进侧Hook缺陷的搅拌摩擦搭接方法，其特征在于：步骤四中搅拌头(3)以5毫米/分钟的下压速度压入平板被焊工件(1)与倒“T”形被焊工件(2)中。
5.根据权利要求4所述的一种消除前进侧Hook缺陷的搅拌摩擦搭接焊方法，其特征在于：步骤四中搅拌头(3)的轴肩压入平板被焊工件(1)与倒“T”形被焊工件(2)的深度为0.25毫米。
6.根据权利要求1或5所述的一种消除前进侧Hook缺陷的搅拌摩擦搭接焊方法，其特征在于：步骤四中控制搅拌头(3)旋转速度为800-1200转/分钟，搅拌头(3)的焊接速度为100-300毫米/分钟并沿平行于平板被焊工件(1)与倒“T”形被焊工件(2)贴合面的方向行走。
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