CN105880826B - 一种避免底部缺陷、提高接头性能的厚板搅拌摩擦焊接方法 - Google Patents
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Abstract
一种避免底部缺陷、提高接头性能的厚板搅拌摩擦焊接方法，其特征是：采用不同轴肩大小和搅拌针长短的搅拌头，在不同焊接工艺参数下对板材进行多次搅拌摩擦焊的工艺；每一次焊接使用的搅拌头比上一次焊接使用的搅拌头轴肩更大，搅拌针更短；每一次焊接的工艺参数不同，后一次焊接比前一次焊接的转速与进给速度比值更大。本发明的搅拌摩擦焊接方法能够避免厚板焊接过程中底部缺陷的产生，提高厚板板材焊接接头性能，实现厚板板材高质量的搅拌摩擦焊接。本发明避免了设备的额外投入和工艺的繁杂，降低了生产成本、提高了生产效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种焊接方法，尤其是一种搅拌摩擦焊接方法，具体地说是一种通过多次不同参数的搅拌摩擦焊来避免底部缺陷、提高接头性能的厚板搅拌摩擦焊接方法。
背景技术
搅拌摩擦焊（FSW）是1991年由英国焊接研究所（The Welding Institute, TWI）发明的（US 5460317）一种新型固相连接技术，该技术的原理是利用搅拌头与材料的强烈摩擦和对软化材料的搅拌作用，使焊缝连接区处于热塑性状态并使其趋于熔化、混合，随着搅拌头向前行进，在搅拌头的后方形成焊缝，完成固相连接。搅拌摩擦焊过程中，搅拌头轴肩产热量占到搅拌头产热量的80%-90%，而搅拌针产热只占到总体产热的10%-20%；厚板由于板材厚度较大，轴肩产生的热量几乎不能及时传导到板材底部区域，所以利用普通搅拌摩擦焊接工艺，板材底部常常因为热输入量不足导致该区域材料的流动性不足，在板材底部区域容易产生孔洞和沟槽等缺陷。板材底部孔洞和沟槽的出现极大降低了接头性能。
为了增大厚板底部材料的塑性金属流动性，提高中厚板的连接强度，发明专利“一种镁、铝合金中厚板搅拌摩擦焊方法”（专利公开号：CN102689090A）采用在焊缝底部施加辅助热源来预热焊接区金属，提高板材底部热输入量，从而提高板材底部材料流动性，避免连接缺陷的产生。然而，这种方法会带来焊接接头中出现大范围软化区的问题，同时该方法增加了连接设备的复杂性。
发明专利“一种高强度铝合金厚板地热输入搅拌摩擦焊接方法”（专利公开号：CN103624398A）采用在被焊厚板边缘侧加工出规定尺寸的多级台阶形状，进行多层重叠、多道次搅拌摩擦焊的工艺，实现高强铝合金厚板的搅拌摩擦连接，提高接头的性能。然而，此种方法需要大大增加连接过程板材的焊前处理时间，焊接过程的装夹和处理时间，极大的降低了焊接效率。
发明内容
本发明的目的是针对现有厚板（厚度为10-50毫米）搅拌摩擦焊接中存在的板材底部区域容易产生孔洞和沟槽等缺陷，而避免这些缺陷的工艺复杂，需要大量辅助设备而造成焊接成本过高的问题，提供一种避免底部缺陷、提高接头性能的厚板搅拌摩擦焊接方法。
本发明的技术方案是：
一种避免底部缺陷、提高接头性能的厚板搅拌摩擦焊接方法，其特征是用不同轴肩大小和搅拌针长短的搅拌头，在不同焊接工艺参数下对板材进行至少三次搅拌摩擦焊接，以逐次消除搅拌针底部因热输入量不足引起的焊接缺陷，提高焊接质量。它包括以下步骤：
1）第一次焊接时采用小轴肩、搅拌针长度与板材厚度相匹配的搅拌头在高转速、低进给速度下进行搅拌摩擦焊接，以实现厚板底部的有效焊接；
2）第二次焊接采用中轴肩、针长为第一次使用搅拌头针长的四分之三，在次高转、次低进给速度下沿着第一次焊接的焊缝进行，以实现厚板中部的有效焊接，改善厚板中间焊接质量；
3）第三次焊接采用大轴肩、针长为第一次使用搅拌头针长的二分之一，中等厚度板材工艺条件下沿着第二次焊接的焊缝进行，以实现厚板上部焊接质量的改善，提高厚板的整体焊接性能。
本发明还可通过逐次缩短搅拌头针长、加大轴肩直径、降低转速提高进给速度的方法进行三次以上的焊接，但最后一次焊接时搅拌头为焊接中等厚度板材的搅拌头、工艺参数为焊接中等厚度板材的工艺参数。
本发明的关键是：
1、采用小轴肩、搅拌针长度略小于或与板材厚度相匹配的搅拌头在高转速、低进给速度下进行搅拌摩擦焊接。搅拌针端部有增大摩擦的槽状结构，搅拌针上有螺纹，增大搅拌针的摩擦产热，搅拌头轴肩有凹槽。配合搅拌头高转速、低进给速度的工艺条件，厚板底部材料产热充分，材料流动性好，板材底部将不会产生缺陷，底部连接质量高。
2、采用中轴肩、针长为前次使用搅拌头针长的四分之三，在次高转、次低进给速度下沿着第一次焊接的焊缝进行第二次搅拌摩擦焊接。搅拌针端部有槽状结构，搅拌针上有螺纹，搅拌头轴肩有凹槽，配合搅拌头次高转、次低进给速度的工艺条件，在板材厚度四分之三附近区域，材料产热充分，材料流动性好，不会产生缺陷，连接质量高。
3、经过前两次搅拌摩擦焊接，厚板底部二分之一厚度已经实现了、无缺陷、高质量焊接，没有实现高质量焊接的板材厚度仅为原来的二分之一，为中等厚度。采用焊接中等厚度板材的搅拌头大轴肩、针长为第一次使用搅拌头针长的二分之一，在中等板材厚度工艺条件下沿着第二次焊接的焊缝进行第三次搅拌摩擦焊接，获得板厚二分之一以上区域的高质量连接。
4、经过三次不同搅拌头和焊接参数的焊接，避免了厚板板材底部的缺陷产生、提高了厚板板材焊接接头性能，实现了厚板板材高质量的搅拌摩擦焊接。
本发明的有益效果：
本发明的搅拌摩擦焊接方法能够避免厚板焊接过程中底部缺陷的产生，提高厚板板材焊接接头性能，实现厚板板材高质量的搅拌摩擦焊接。同时，本发明的方法避免了设备的额外投入和工艺的繁杂，降低了生产成本、提高了生产效率。
本发明无需增加额外的设备，仅利用现有的搅拌摩擦焊接设备即可实现厚板材的快速焊接，对超厚板材的焊接也具有一定的指导意义。
本发明具有方法简单，效率高的优点，同比可提高焊接效率50%以上，投入可节省50%以上。
本发明的焊接质量能达到优秀等级，实际检测焊接部位无空洞和隧道缺陷。
附图说明
图1为本发明实施例第一次焊接示意图。
图2为本发明实施例第一次焊接使用的搅拌头示意简图。
图3为本发明实施例第二次焊接示意图。
图4为本发明实施例第二次焊接使用的搅拌头示意简图。
图5为本发明实施例第三此焊接示意图。
图6为本发明实施例第三此焊接使用的搅拌头示意简图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1-6所示。
一种避免底部缺陷、提高接头性能的厚板搅拌摩擦焊接方法，分三次进行，第一次焊接示意图如图1所示，其中1、2为待焊板材，待焊板材为板厚30mm的2024-T3铝合金。第一次焊接所采用的搅拌头3，如图2所示，其上有轴肩4和搅拌针5，轴肩4直径为30mm；搅拌针5搅拌针长29.5mm，根部直径为10mm，端部直径为5mm。搅拌头的转速为3000rpm，搅拌头的进给速度为15mm/min。焊接完成后将板材冷却至室温，其可以自然冷却也可以采用随焊气冷或水冷措施冷却。配合搅拌头高转速、低进给速度的工艺条件，厚板底部材料产热充分，材料流动性好，板材底部将不会产生缺陷，底部连接质量高。由于搅拌搅拌头转速高，进给速度小，搅拌头轴肩区域产热量高，板材上部将会过热而产生缺陷。
板材冷却至室温后进行第二次焊接，第二次焊接示意图如图3所示，焊接过程搅拌头运行的轨迹和第一次焊接相同，焊接过程将沿着第一次焊接的焊缝进行。第二次焊接所采用的搅拌头6，如图4所示，其上有轴肩7和搅拌针8，轴肩7直径为35mm；搅拌针8搅拌针长22.5mm，根部直径为10mm，端部直径为4mm。搅拌头的转速为2500rpm，搅拌头的进给速度为20mm/min。焊接完成后将板材冷却至室温，其可以自然冷却也可以采用随焊气冷或水冷措施冷却。配合搅拌头次高转、次低进给速度的工艺条件，在板材厚度四分之三附近区域，材料产热充分，材料流动性好，不会产生缺陷，连接质量高。由于搅拌搅拌头转速偏高，进给速度偏小，搅拌头轴肩区域产热量较高，板材上部将会过热而降低性能。
经过前两次搅拌摩擦焊接，厚板底部二分之一厚度已经实现了、无缺陷、高质量焊接，没有实现高质量焊接的板材厚度仅为原来的二分之一，为中等厚度。板材冷却至室温后进行第三次焊接，第三次焊接示意图如图5所示，焊接过程搅拌头运行的轨迹和第二次焊接相同，焊接过程将沿着第二次焊接的焊缝进行。第三次焊接所采用的搅拌头9，如图4所示，其上有轴肩10和搅拌针11，轴肩10直径为40mm；搅拌针11搅拌针长15mm，根部直径为10mm，端部直径为3mm。搅拌头的转速为2000rpm，搅拌头的进给速度为25mm/min。焊接完成后将板材冷却至室温，完成焊接。此时，接头底部、中部、上部都实现了有效的焊接。
经过以上三次不同搅拌头和焊接参数的焊接，避免了厚板板材底部的缺陷产生、提高了厚板板材焊接接头性能，实现了2024铝合金厚板板材高质量的搅拌摩擦焊接。实际检验，接头无孔洞和隧道的形成，接头强度达到388MPa，达到母材的80.1%。
对比例
对比例为一次搅拌摩擦焊接，方法参考文献《2219厚板搅拌摩擦焊组织及性能分析》， 2024铝合金焊接接头强度为253MPa，为母材的52.4%。
实施例和对比例的接头抗拉强度及对比见表1。
表1
| 抗拉强度（MPa） | 达到母材的强度（%） | |
| 本发明实施例 | 385 | 80.1 |
| 对比例 | 253 | 52.4 |
为了进一步提高焊接质量或适应更大厚度板材的搅拌摩擦焊接，具体实施时还可采用四次或四次以上的焊接步骤进行，但需要掌握通过逐次缩短搅拌头针长、加大轴肩直径、降低转速提高进给速度的原则进行，而最后一次焊接时一般采用的搅拌头应为焊接中等厚度板材的搅拌头、工艺参数也为焊接中等厚度板材的工艺参数。
本发明未涉及部分（如中等厚度板材的搅拌摩擦焊接参数）等均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
Claims (4)
1.一种避免底部缺陷、提高接头性能的厚板搅拌摩擦焊接方法，其特征是用不同轴肩大小和搅拌针长短的搅拌头，在不同焊接工艺参数下对板材进行至少三次搅拌摩擦焊接，以逐次消除搅拌针底部因热输入量不足引起的焊接缺陷，提高焊接质量；具体步骤如下：
1）第一次焊接时采用小轴肩、搅拌针长度与板材厚度相匹配的搅拌头在高转速、低进给速度下进行搅拌摩擦焊接，以实现厚板底部的有效焊接；
2）第二次焊接采用中轴肩、针长为第一次使用搅拌头针长的四分之三，在次高转速 、次低进给速度下沿着第一次焊接的焊缝进行，以实现厚板中部的有效焊接，改善厚板中间焊接质量；
3）第三次焊接采用大轴肩、针长为第一次使用搅拌头针长的二分之一，中等厚度板材工艺条件下沿着第二次焊接的焊缝进行，以实现厚板上部焊接质量的改善，提高厚板的整体焊接性能。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是通过逐次缩短搅拌头针长、加大轴肩直径、降低转速提高进给速度的方法进行三次以上的焊接，但最后一次焊接时搅拌头为焊接中等厚度板材的搅拌头、工艺参数为焊接中等厚度板材的工艺参数。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的所有搅拌针的端部均有增大摩擦的槽状结构，所有搅拌针上均有螺纹以增大搅拌针的摩擦产热。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的所有搅拌头的轴肩均设有凹槽。
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