CN106956074A - 基于豪克能技术的搅拌摩擦焊方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于豪克能技术的搅拌摩擦焊方法，首先采用豪克能技术对待焊基材表面继续进行处理，使待焊基材表面粗糙度减小为0.01～0.2μm；然后用丙酮去除表面油污后，对豪克能技术处理后的待焊基材进行搅拌摩擦焊；焊接结束后铲掉接头上表面的飞边，并将过渡区域打磨光滑；继续采用豪克能技术对焊接接头表面进行处理，最终使材料表面粗糙度减小为0.01～0.2μm，表面显微硬度大于300HV。本发明能够确保待焊基材待焊面光滑，避免空气等进入搅拌摩擦焊接头，减少“S”形线的形成率，降低焊接接头的缺陷率，改善焊接接头表面粗糙度，提高搅拌摩擦焊接头综合性能。

Description

基于豪克能技术的搅拌摩擦焊方法
技术领域
本发明涉及一种搅拌摩擦焊方法，用于金属材料的高质量焊接。
背景技术
搅拌摩擦焊是英国焊接研究所发明的一种固相连接新工艺技术，可有效避免传统熔化焊产生的气孔和裂纹等各种缺陷，具有节能环保、连接温度低、焊后残余应力小以及接头性能高等一系列优点，可实现传统认为不可焊的高强铝合金(如2×××系和7×××系铝合金)的高质量焊接，装置示意图如图1。搅拌摩擦焊自发明起便受到了广泛的关注，是世界焊接技术发展史上自发明到工业应用时间跨度最短的连接技术，被誉为继激光焊后“焊接史上的第二次革命”，在航空航天、船舶、汽车等领域的焊接方面具有广阔的应用前景。其工作原理是一个带有轴肩和搅拌针的焊接工具高速旋转并将搅拌针挤入对接板材的接缝处，直至轴肩与工件紧密接触，在摩擦热和搅拌针挤压的作用下，材料发生软化，搅拌针的搅动作用使接缝两侧的材料产生塑性流变和混合，通过焊接工具的前移形成密实无缺陷的焊缝。
金属材料经过搅拌摩擦焊后，焊缝在搅拌摩擦产生的高温热循环作用下，强化相发生了粗化或回溶，导致焊缝的热机影响区成为焊接接头的薄弱环节，在硬度、屈服强度、抗拉强度、应力作用下的腐蚀等方面的综合性能亟需提高，同时，搅拌摩擦焊接头的表面粗糙度非常大，进一步影响了焊接接头的综合性能。
豪克能是一种由电能转换的、高频、高能量密度、振幅很小的超声波能和冲击能的复合能，豪克能技术是利用金属在常温状态下的冷塑性特点，将豪克能作用在金属零件表面进行无研磨剂的研磨、强化和微小形变处理，一次加工即可使零件表面达到镜面并实现改性的能量加工技术。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于豪克能技术的搅拌摩擦焊方法，能够确保待焊基材待焊面光滑，避免空气等进入搅拌摩擦焊接头，减少“S”形线的形成率，降低焊接接头的缺陷率，改善焊接接头表面粗糙度，提高搅拌摩擦焊接头综合性能。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：首先采用豪克能技术对待焊基材表面继续进行处理，使待焊基材表面粗糙度减小为0.01～0.2μm；然后用丙酮去除表面油污后，对豪克能技术处理后的待焊基材进行搅拌摩擦焊；焊接结束后铲掉接头上表面的飞边，并将过渡区域打磨光滑；继续采用豪克能技术对焊接接头表面进行处理，最终使材料表面粗糙度减小为0.01～0.2μm，表面显微硬度大于300HV。
所述豪克能技术的加工工具头的振动频率是10～40KHz，振幅是5～30μm，沿横轴移动速度是5～30mm/min，沿纵轴移动速度是10～200mm/min。
所述的搅拌摩擦焊分预焊和正式焊，预焊采用的搅拌头轴肩直径为1～20mm，搅拌针长度为1～15mm，端部直径为1～15mm，根部直径为1～20mm，旋转速度为50～1000r/min，焊接速度为50～1000mm/min，搅拌头倾斜角为0～5°，压入深度为0～1mm；正式焊采用的搅拌头轴肩直径为1～20mm，搅拌针长度为1～15mm，端部直径为1～15mm，根部直径为1～20mm，旋转速度为100～2000r/min，焊接速度为100～1000mm/min，搅拌头倾斜角为0-5°，压入深度为0～1mm。
本发明的有益效果是：能够使待焊基材表面光滑，焊接产品的缺陷率得到降低，减少了“S”形线的形成率，提高了焊缝中薄弱环节的性能，大幅降低了焊接接头的表面粗糙度，达到提高焊接接头综合性能的目的，进一步扩展了豪克能技术在搅拌摩擦焊的工业化应用范围。具体优点如下：
1、待焊金属基材经过豪克能技术处理后，大幅降低待焊基材待焊表面粗糙度，有效减少了“S”形线等缺陷的产生，降低了焊接接头的缺陷率，增强了焊缝中薄弱环节的性能，提高了焊接接头的综合性能(如：硬度、屈服强度、抗拉强度、延伸率、耐点蚀性能和耐应力腐蚀性能)；
2、焊接接头经过豪克能技术处理后，表面粗糙度非常小，表面达到镜面效果，残余压应力分布均匀，进一步提高了搅拌摩擦焊接头综合性能；
3、工艺简单易行、成本低廉，无目前所使用的阳极化工艺的环境污染问题，耗能少，丸粒的重复使用率高，豪克能刀具更换简单；
4、适用范围广，本发明可以适用于各种金属材料，广泛应用于机床、仪表、船舶、飞机、航空航天材料、矿山设备、化工等领域。
附图说明
图1是搅拌摩擦焊工艺原理示意图；
图2是豪克能技术示意图；
图3是2A14铝合金横截面显微组织的OM像；
图4是经豪克能技术处理后待焊基材横截面形貌的OM像；
图5是焊缝中焊核区的OM像；
图6是焊缝中焊核区晶粒的TEM像；
图7是搅拌摩擦焊接接头表面经豪克能技术处理后表面粗糙度显微像；
图8是焊接接头经豪克能技术处理前后在3.5％NaCl水溶液中的动电位扫描极化曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
本发明属于金属材料搅拌摩擦焊领域，具体说是待焊金属基材表面经过豪克能技术后，采用搅拌摩擦焊技术将待焊基材焊接的方法。本发明首先采用豪克能技术对待焊基材进行处理，将超声波能和冲击能的复合能作用在待焊基材表面，使待焊基材表面达到镜面水平。采用搅拌摩擦焊技术将待焊基材焊接起来，减少了“S”形线的生成率，提高焊接接头的综合性能。而后继续采用豪克能技术对焊接接头表面进行处理，使焊接接头表面达到镜面水平，进一步提高焊接接头的综合性能。本发明适用范围广，装置简单易操作、成本低、生产效率高、无污染，焊接接头综合性能提高明显。
本发明以金属材料为对象，首先采用豪克能设备HKUSM30S对待焊基材表面继续进行处理，加工工具头的振动频率是10-40KHz，振幅是5-30μm，沿横轴移动速度是5-30mm/min，沿纵轴移动速度是10-200mm/min。最终使材料表面粗糙度减小为0.01-0.2μm。
利用上海拓璞数控科技有限公司生产的FSW5020箱底搅拌摩擦焊接系统对豪克能技术处理的待焊基材沿长度方向进行搅拌摩擦焊，焊接前用丙酮去除表面油污。预焊采用的搅拌头轴肩直径为1-20mm，搅拌针长度为1-15mm，端部直径1-15mm，根部直径1-20mm，旋转速度为50-1000r/min，焊接速度为50-1000mm/min，搅拌头倾斜角0-5°，压入深度为0-1mm。正式焊采用的搅拌头轴肩直径为1-20mm，搅拌针长度为1-15mm，端部直径1-15mm，根部直径1-20mm，旋转速度为100-2000r/min，焊接速度为100-1000mm/min，搅拌头倾斜角0-5°，压入深度为0-1mm。焊接结束后将接头上表面的飞边铲掉，用砂轮将过渡区域打磨光滑。
继续采用豪克能设备HKUSM30S对焊接接头表面进行处理，加工工具头的振动频率是10-40KHz，振幅是5-30μm，沿横轴移动速度是5-30mm/min，沿纵轴移动速度是10-200mm/min。最终使材料表面粗糙度减小为0.01-0.2μm，表面显微硬度大于300HV。
本发明以2A14铝合金为处理对象，2A14为Al-Mg-Si-Cu系合金，加工500mm×500mm×5mm的铝合金板，首先采用豪克能设备HKUSM30S对待焊基材表面继续进行处理，加工工具头的振动频率是30KHz，振幅是10μm，沿横轴移动速度是15mm/min，沿纵轴移动速度是80mm/min。最终使待焊基材表面粗糙度减小为0.175μm(如图4)。
采用豪克能技术对2A14铝合金待焊基材表面处理后，利用上海拓璞数控科技有限公司生产的FSW5020箱底搅拌摩擦焊接系统对待焊基材沿长度方向进行搅拌摩擦焊，焊接前用丙酮去除表面油污。预焊采用的搅拌头轴肩直径为12mm，搅拌针长度为2mm，端部直径5mm，根部直径6mm，旋转速度为800r/min，焊接速度为400mm/min，搅拌头倾斜角2.5°，压入深度充分(0.2mm)。正式焊采用的搅拌头轴肩直径为18mm，搅拌针长度为3mm，端部直径6mm，根部直径7mm，旋转速度为600r/min，焊接速度为200mm/min，搅拌头倾斜角2.5°，压入深度充分(0.3mm)。焊接结束后将接头上表面的飞边铲掉，用砂轮将过渡区域打磨光滑。焊缝中焊核区内的晶粒由原始晶粒的50μm(如图3)细化为2μm，焊缝中的焊核区未出现“S形线(如图5)，TEM明场像如图6。
继续采用豪克能设备HKUSM30S对焊接接头表面进行处理，加工工具头的振动频率是30KHz，振幅是10μm，沿横轴移动速度是15mm/min，沿纵轴移动速度是80mm/min。最终使材料表面粗糙度减小为0.503μm，其显微像如图7。搅拌摩擦焊接接头经豪克能技术处理前后在3.5％NaCl水溶液中的动电位扫描极化曲线如图8，可知，与未经豪克能技术处理的焊接接头相比，豪克能技术处理后焊接接头的自腐蚀电流密度由7.213×10-8A/cm-2降低到9.06×10-9A/cm-2，腐蚀电位由-1.01228V升高到-0.75342V，点蚀击穿电位由-0.03075升高到0.07408V，表明经豪克能技术处理的焊接接头进入钝化状态更快，耐点蚀性能得到提高。

Claims (3)

1.一种基于豪克能技术的搅拌摩擦焊方法，其特征在于包括下述步骤：首先采用豪克能技术对待焊基材表面继续进行处理，使待焊基材表面粗糙度减小为0.01～0.2μm；然后用丙酮去除表面油污后，对豪克能技术处理后的待焊基材进行搅拌摩擦焊；焊接结束后铲掉接头上表面的飞边，并将过渡区域打磨光滑；继续采用豪克能技术对焊接接头表面进行处理，最终使材料表面粗糙度减小为0.01～0.2μm，表面显微硬度大于300HV。
2.根据权利要求1所述的基于豪克能技术的搅拌摩擦焊方法，其特征在于：所述豪克能技术的加工工具头的振动频率是10～40KHz，振幅是5～30μm，沿横轴移动速度是5～30mm/min，沿纵轴移动速度是10～200mm/min。
3.根据权利要求1所述的基于豪克能技术的搅拌摩擦焊方法，其特征在于：所述的搅拌摩擦焊分预焊和正式焊，预焊采用的搅拌头轴肩直径为1～20mm，搅拌针长度为1～15mm，端部直径为1～15mm，根部直径为1～20mm，旋转速度为50～1000r/min，焊接速度为50～1000mm/min，搅拌头倾斜角为0～5°，压入深度为0～1mm；正式焊采用的搅拌头轴肩直径为1～20mm，搅拌针长度为1～15mm，端部直径为1～15mm，根部直径为1～20mm，旋转速度为100～2000r/min，焊接速度为100～1000mm/min，搅拌头倾斜角为0-5°，压入深度为0～1mm。
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