CN107460416B

CN107460416B - 搅拌摩擦焊拼焊板固溶时效一体化成形方法

Info

Publication number: CN107460416B
Application number: CN201710628941.3A
Authority: CN
Inventors: 胡志力; 华林; 李锦�
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2017-07-28
Filing date: 2017-07-28
Publication date: 2019-07-23
Anticipated expiration: 2037-07-28
Also published as: CN107460416A

Abstract

本发明公开了一种搅拌摩擦焊拼焊板固溶时效一体化成形方法，包括如下步骤：（1）固溶保温：将铝合金板进行固溶处理并保温。（2）搅拌摩擦焊拼焊板：利用搅拌摩擦焊设备将两块固溶后的铝合金板焊接在一起，获得搅拌摩擦焊拼焊板。（3）热变形和模内淬火：将搅拌摩擦焊拼焊板加热到固溶温度，然后立即移入带有水道的模具内进行冲压，同时进行模内淬火。（4）时效处理：变形得到的产品移入到时效炉中进行时效处理。采用本发明的方法，可以防止固溶处理导致搅拌摩擦焊拼焊板异常晶粒长大的问题，改善搅拌摩擦焊拼焊板的成形性和力学性能。同时能减少前期资本的投入、同时也可以提高生产效率，促进了铝合金搅拌摩擦焊拼焊板的应用。

Description

搅拌摩擦焊拼焊板固溶时效一体化成形方法

技术领域

本发明涉及一种金属板料的制造成形方法，具体涉及搅拌摩擦焊拼焊板固溶时效一体化成形方法，属于塑形加工技术领域。

背景技术

随着汽车行业的迅速发展，环境污染和资源短缺问题日益突出，节约资源和减少污染成为汽车行业亟待解决的两大问题。着眼于可持续发展，减轻汽车质量，降低燃油消耗及减少排放污染的任务显得尤为迫切，汽车轻量化技术是解决这些问题的重要途径之一。研究表明，若汽车整车重量降低10%，燃油效率可提高6%~8%；排放降低13%。近年来，为了实现汽车轻量化，目前常采用轻量化材料和拼焊板成形技术的方法来减轻汽车重量。由于铝及铝合金具有密度小，导电性好，耐蚀性强，散热性好，更重要的是其具有高的比强度，能够满足汽车材料的使用要求，符合汽车轻量化发展趋势。另外，铝合金还是除钢铁材料外最大限度的可回收利用材料，目前的回收率约85%，到2010年将上升至90%。因而铝合金在汽车车身上得到了广泛应用，成为了一种典型的汽车轻量化材料。

但是铝合金在应用存在两大问题：其一，铝合金由于其有极强的氧化能力、较大的导热系数和比热容、线膨胀系数大、容易产生气孔等因素导致铝合金拼焊连接困难；其二，铝合金在室温条件下冲压容易出现回弹和破裂的伸长率小，弹性系数仅为钢板的 1/3，成形金属流动困难等因素导致其成形性能较差；因而铝合金在汽车上的应用受到了一定的限制。首先为了解决铝合金连接难题，通常采用FSW的方式，这种固态连接方式具有优质、高效、焊接变形小、无污染等优点。其次为了解决铝合金成形差的难题，目前许多铝合金板材冲压成形通常采用铝合金热冲压技术，采用铝合金高温成形方式：铝合金塑性好、变形抗力低、成形难度低。

根据现有文献表明：在高强钢热冲压技术的基础上，英国帝国理工大学的林建国首先提出了针对铝合金的热处理和热成形相结合的复合工艺，即热成形-淬火一体化新工艺( solution heat treatment，forming and cold-die quenching，HFQ)。南京航空航天的陈明和申请的中国专利提出了一种可热处理铝合金同步淬火热成形工艺，主要是将2XXX系、6XXX系、7XXX系铝合金毛坯加热到固溶温度然后保温，接下来将毛坯移入带有冷却水道的模具中进行冲压保温，然后进行外形切割，最后将得到的最终形状零件进行时效处理。哈尔滨工业大学的凡晓波研究了6A02铝合金板材热成形-淬火一体化工艺机理研究；还有吉林大学的曹闯德研究了7075铝合金车身结构件冷模具淬火热成形工艺成形性能的模拟研究。前面的研究的是均是铝合金板料的热成形工艺。

用等厚铝合金板替代传统的钢使车身质量得到一定的降低，为了使汽车进一步轻量化，于是提出了采用拼焊结构替代原来的结构，使汽车质量进一步降低。因此韩国的Ko,Dae-Hoon和Kim,Jae-Hong提出将HFQ应用于6061铝合金搅拌摩擦焊拼焊板成形中，发现了在对拼焊板进行固溶处理时会导致接头异常晶粒长大，结果表明HFQ工艺不适用于6061铝合金搅拌摩擦焊拼焊板的成形。后来，印度的D Muruganandam研究了焊后热处理对搅拌摩擦焊拼焊接头力学的性能的影响；并且得出了在高温热处理时会导致晶粒的异常长大，从而导致力学性能的下降；验证了上述的说法；2016年，专利申请号为201610863973.7提出了一种抑制搅拌摩擦焊接头异常晶粒长大的方法，它用于防止在后续热处理及热成形中出现AGG(Abnormal Grain Growth，异常晶粒长大或者二次再结晶)，该方法虽然一定程度上抑制了AGG，但是采用该方法将降低拼焊板的强度。2009年，专利申请号为200910248688.4提供了一种提高不连续增强铝基复合材料搅拌磨擦焊接头强度的工艺，该工艺适用于可热处理强化的不连续增强铝基复合材料。该方法的目的是使焊接性能好，没有考虑到AGG的现象。

综上所述，目前HFQ工艺在铝合金板的变形上应用较成熟，但是对于HFQ工艺应用于搅拌摩擦焊，由于拼焊板固溶之后会产生AGG的原因应用受到了极大的限制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种搅拌摩擦焊拼焊板的固溶时效一体化成形方法，采用本方法可以在防止拼焊接头晶粒异常长大的问题前提下将固溶时效一体化成形工艺应用搅拌摩擦焊拼焊板上。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种搅拌摩擦焊拼焊板固溶时效一体化成形方法，包括如下步骤：

（1）固溶保温：将铝合金板进行固溶处理并保温；

（2）搅拌摩擦焊拼焊板：利用搅拌摩擦焊设备将两块固溶后的铝合金板焊接在一起，获得搅拌摩擦焊拼焊板；

（3）热变形和模内淬火：将搅拌摩擦焊拼焊板加热到固溶温度，然后立即移入带有水道的模具内进行冲压，同时进行模内淬火；

（4）时效处理：变形得到的产品移入到时效炉中进行时效处理。

更进一步的方案是：

步骤（1）中，固溶处理的温度460℃～580℃，保温时间10min～60min。

在本发明中，固溶时加热的温度必须低于共晶温度（即最大固溶温度），如果温度过高会导致过烧的现象产生，温度过低起强化作用的溶质不能最大限度融入铝合金固溶体中，由于不同铝合金对应不同的固溶温度，本发明中根据常规的铝合金的固溶温度的数值，提供了一个固溶处理的温度范围，在该温度范围中，能够形成最优质量的铝合金固溶体。

同时，保温时间的设置也是为了使强化相充分溶解，使组织充分转变到淬火的状态。由于保温时间长短主要取决于成分、原始组织及加热温度的影响，本发明根据发明人多次试验结果，给出了一个保温时间的范围，以配合固溶温度共同对铝合金板进行处理，形成最优质量的铝合金固溶体。

更进一步的方案是：

步骤（3）中，固溶温度460℃～580℃。

在步骤（3）中，由于在焊接过程中拼焊板的温度有一定的下降，因此需要对拼焊板进一步加热到固溶，然后进行冲压淬火，才能提高拼焊板的冲压淬火效果。

更进一步的方案是：

步骤（4）中，转移时间小于或等于2小时。

由于淬火后时效前在室温的停留会对铝合金性能产生一定程度上的不利影响，因此转移时间不能超过两小时。

更进一步的方案是：

步骤（4）中，时效温度：160℃～200℃，时效时间：6h～18h。

固溶处理后的过饱和固溶，经过时效处理，脱溶析出大量弥散强化相，可以提高合金的力学性能。为了充分析出弥散强化相，需要保温6h～18h。

采用本发明的方法，可以在满足产品性能的前提下，防止固溶处理导致搅拌摩擦焊拼焊板异常晶粒长大的问题，极大改善搅拌摩擦焊拼焊板的成形性和力学性能。同时本发明方法可以直接用于现有的热冲压生产线，这样极大减少了前期资本的投入、同时也可以提高生产效率，促进了铝合金搅拌摩擦焊拼焊板的应用。最重要的是采用替换材料和拼焊结构组合的方法也大幅度减轻的质量，提高了汽车燃油经济性。

另外，需要说明的是，本发明中，淬火是在模内淬火，不需要放入水中，带有水道的模具在冲压变形时和拼焊板接触从而达到淬火的目的；由于热变形和淬火几乎同时完成，缩短了工艺流程，从而提高生产效率。同时，在铝合金热变形得到产品冷却之后，会产生回弹的现象，严重影响产品的尺寸精度；而模内淬火，是热变形和淬火同步完成；因此可以抑制回弹的产生，成形产品尺寸精度高，也能够达到提高产品强度的目的。

同时，铝合金在常温下成形性相对较差，很难一次性成形形状复杂的零件。在冲压成形过程中，变形抗力大，变形后回弹量较大，影响了零件的成形精度。所以采用热变形，用以提高板料的成形能力和减小回弹等缺陷，提高成形性和成形精度。因此采用热变形对冲压设备吨位要求较低，而且能改善铝合金拼焊板的成形性，提高精度。

本发明的有益效果是：

在焊接时，由于热输入量的不足在接头处容易产生孔洞缺陷，将固溶处理移到搅拌摩擦焊之前，可以彻底解决焊接时由于热输入量不足从而产生缺陷的问题。因此采用本工艺可以保证焊接接头质量更好。本发明与HFQ工艺有很大的不同，本发明将固溶保温移到了焊接之前，这样防止了在焊接后固溶出现的AGG的现象，解决了焊后固溶时异常晶粒长大的问题。因此可以极大改善搅拌摩擦焊拼焊板的成形性和提高力学性能。

同时采用本发明工艺可以直接应用于现有的热冲压生产线，这样极大减少了前期资本的投入、同时也可以提高生产效率，促进了铝合金搅拌摩擦焊拼焊板的应用。

更重要的是本发明工艺可以应用于搅拌摩擦焊拼焊板的成形，这样可以大幅度加快铝合金拼焊结构替代现有的等厚铝板结构和等厚钢结构，使车身质量大大降低，提高汽车燃油经济性，节省大量的资源。

附图说明

图1是本发明的工艺流程示意图；

图2是本发明的拼焊板工艺过程示意图。

图中：1-加热炉，2、3-铝合金板料，4-搅拌头，5-冲压设备，6-带有冷却水道的凸模，7-拼焊板料，8-带有冷却水道的凹模，9-变形产品，10-时效炉。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如附图1所示，本发明提供了一种搅拌摩擦焊拼焊板固溶时效一体化成形方法，包括如下步骤：

（1）固溶保温：将铝合金板进行固溶处理并保温。固溶温度460℃～580℃，保温时间10min～60min；

（2）搅拌摩擦焊拼焊板：利用搅拌摩擦焊设备将两块固溶后的铝合金板焊接在一起，根据实际情况，也可以选择将多块固溶后的铝合金板焊接在一起，获得搅拌摩擦焊拼焊板；

（3）热变形和模内淬火：将搅拌摩擦焊拼焊板加热到固溶温度，然后立即移入带有水道模具内进行冲压，同时进行模内淬火；

（4）时效处理：变形得到的产品移入到时效炉中进行时效处理。转移时间小于或等于2小时，时效温度：160℃～200℃，时效时间：6h～18h。

实施例1：采用本发明的方法对异厚异质拼焊板冲压成形

首先将异厚异质的铝合金板料2、3放入加热炉1里面进行固溶处理，然后采用搅拌摩擦焊的搅拌头4的旋转运动和水平运动的方式将固溶后的异厚同质的铝合金板料连接在一起，接下来将焊接后的搅拌摩擦焊拼焊板7加热到固溶温度后立即移入冲压机5上，通过带有冷却水道凸模6下压的作用将拼焊板7压入带有冷却水道的凹模8中进行冲压变形同时进行模内淬火，得到冲压变形之后的变形产品9，最后对冲压变形的变形产品9放入时效炉10进行人工时效，得到符合要求的产品。具体的工艺流程如图2所示。

实施例2：采用本发明的方法对异厚同质拼焊板冲压成形

首先将异厚同质的铝合金板料2、3放入加热炉1里面进行固溶处理，然后采用搅拌摩擦焊的搅拌头4的旋转运动和水平运动的方式将固溶后的异厚同质的铝合金板料连接在一起，接下来将焊接后的搅拌摩擦焊拼焊板7加热到固溶温度后立即移入冲压机5上，通过带有冷却水道凸模6下压的作用将拼焊板7压入带有冷却水道的凹模8中进行冲压变形同时进行模内淬火，得到冲压变形之后的变形产品9，最后对冲压变形的变形产品9放入时效炉10进行人工时效，得到符合要求的产品。

实施例3：采用本工艺对同厚异质拼焊板冲压成形

首先将同厚异质的铝合金板料2、3放入加热炉1里面进行固溶处理，然后采用搅拌摩擦焊的搅拌头4的旋转运动和水平运动的方式将固溶后的异厚同质的铝合金板料连接在一起，接下来将焊接后的搅拌摩擦焊拼焊板7加热到固溶温度后立即移入冲压机5上，通过带有冷却水道凸模6下压的作用将拼焊板7压入带有冷却水道的凹模8中进行冲压变形同时进行模内淬火，得到冲压变形之后的变形产品9，最后对冲压变形的变形产品9放入时效炉10进行人工时效，得到符合要求的产品。

尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。

Claims

1.一种搅拌摩擦焊拼焊板固溶时效一体化成形方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）固溶保温：将铝合金板进行固溶处理并保温；

（4）时效处理：变形得到的产品移入到时效炉中进行时效处理；

步骤（3）中，固溶温度460℃～580℃；

步骤（4）中，转移时间小于或等于2小时。

2.根据权利要求1所述搅拌摩擦焊拼焊板固溶时效一体化成形方法，其特征在于：

3.根据权利要求1所述搅拌摩擦焊拼焊板固溶时效一体化成形方法，其特征在于：

步骤（4）中，时效温度：160℃～200℃，时效时间：6h～18h。