CN107717209A - 一种高强铝合金的搅拌摩擦焊方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高强铝合金的搅拌摩擦焊方法，在对高强铝合金待焊件进行搅拌摩擦焊的同时，同步对焊接完成部分进行冷喷涂处理，从而在高强铝合金焊接接头处形成冷喷涂层。本发明不仅可以方便有效地提高搅拌摩擦焊焊接接头的抗应力腐蚀能力，延长搅拌摩擦焊焊接接头的使用寿命，而且能够减少处理过程、提高处理效率、节省处理时间，使处理效果稳定可靠，经济实用。

Description

一种高强铝合金的搅拌摩擦焊方法
技术领域
本发明涉及金属材料连接技术领域，尤其涉及一种高强铝合金(所述高强铝合金是指室温时抗拉强度不低于600MPa且250℃时抗拉强度不低于280MPa的铝合金)的搅拌摩擦焊方法。
背景技术
搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding，FSW)是利用一种特殊形式的搅拌头边旋转边前进，通过搅拌头与工件的摩擦产生热量，摩擦热使该部位金属处于热塑性状态，并在搅拌头的压力作用下从其前端向后部塑性流动，从而使待焊件压焊为一个整体。与传统的焊接方法相比，搅拌摩擦焊具有接头质量高、焊接变形小、残余应力小、焊接过程无污染等优点，是铝、镁等轻合金的优选焊接方法，因此自1991年英国焊接研究所(The WeldingInstitute)发明这一固相焊接技术以来，搅拌摩擦焊被广泛用于航空航天，轨道运输，海洋船舶等领域。搅拌摩擦焊的焊缝从组织上可分为四种不同的区域：焊核区(Weld NuggetZone，WNZ)、热机影响区(Thermo-Mechanically Affected Zone，TMAZ)、热影响区(Heat-Affected Zone，HAZ)和轴肩影响区(Should-Affected Zone，SAZ)，这四个区域的组织差异较大，例如：焊核区由经过回复再结晶的细小等轴晶组成，而热机影响区由未经再结晶拉长的晶粒组成；由于组织成分上的差异，这四个区域的抗应力腐蚀能力存在很大差异，通常热机影响区和热影响区的抗应力腐蚀能力较弱，因此如何提高搅拌摩擦焊焊接接头的抗应力腐蚀能力成为亟待解决的技术问题。
在现有技术中，提高搅拌摩擦焊焊接接头抗应力腐蚀能力的处理方法是在对待焊件进行搅拌摩擦焊后对焊接接头进行热处理。但热处理工艺会受到设备限制，大的结构件无法应用，而且处理过程较为复杂，处理时间较长，升降温过程较难精准控制，因此这种处理方法存在很大的不稳定性。
发明内容
针对现有技术中的上述不足之处，本发明提供了一种高强铝合金的搅拌摩擦焊方法，不仅可以方便有效地提高搅拌摩擦焊焊接接头的抗应力腐蚀能力，延长搅拌摩擦焊焊接接头的使用寿命，而且能够减少处理过程、提高处理效率、节省处理时间，使处理效果稳定可靠，经济实用。
一种高强铝合金的搅拌摩擦焊方法，在对高强铝合金待焊件进行搅拌摩擦焊的同时，同步对焊接完成部分进行冷喷涂处理，在高强铝合金焊接接头处形成冷喷涂层。
优选地，所述对焊接完成部分进行冷喷涂处理包括：采用粒度为20～30μm的冷喷涂颗粒对焊接完成部分进行冷喷涂处理，送粉速率为30g/min，送粉距离为25mm，使高强铝合金焊接接头处形成厚度为2mm的冷喷涂层。
优选地，所述的冷喷涂颗粒为纯铝颗粒、2000系列高强铝合金颗粒、6000系列高强铝合金颗粒、7000系列高强铝合金颗粒中的至少一种。
优选地，所述的焊接完成部分是指高强铝合金焊接接头处完成焊接并且温度场为400℃的位置。
优选地，对高强铝合金待焊件进行搅拌摩擦焊与对焊接完成部分进行冷喷涂处理位于高强铝合金待焊件的同一侧或位于高强铝合金待焊件的不同侧。
优选地，对高强铝合金待焊件进行搅拌摩擦焊的速度与对焊接完成部分进行冷喷涂处理的速度相同。
优选地，所述高强铝合金待焊件的材料为可热处理强化的2000系列高强铝合金、6000系列高强铝合金、7000系列高强铝合金。
优选地，所述搅拌摩擦焊为传统搅拌摩擦焊、双轴肩搅拌摩擦焊、静轴肩搅拌摩擦焊中的至少一种。
本发明所提供的高强铝合金的搅拌摩擦焊方法将冷喷涂处理技术应用于提高高强铝合金搅拌摩擦焊焊接接头的抗应力腐蚀上，在对高强铝合金待焊件进行搅拌摩擦焊的同时，同步对焊接完成部分进行冷喷涂处理，从而在高强铝合金焊接接头处形成冷喷涂层，这能够方便有效地提高搅拌摩擦焊焊接接头的抗应力腐蚀能力，延长搅拌摩擦焊焊接接头的使用寿命。冷喷涂处理利用搅拌摩擦焊焊接过程中产生的热量作为热源，在高强铝合金焊接接头焊接后未完全冷却仍具有较高温度时进行冷喷涂处理，这不仅可以提高冷喷涂颗粒与高强铝合金焊接接头区域的结合强，而且减少了冷喷涂处理前进行预热的过程，无需外加热源，提高了处理效率，节省了处理时间，实现了搅拌摩擦焊与冷喷涂处理的一体化同步完成，焊后不需要任何的其他处理就能使高强铝合金焊接接头的抗应力腐蚀能力大幅提高。可见，本发明不仅可以方便有效地提高搅拌摩擦焊焊接接头的抗应力腐蚀能力，延长搅拌摩擦焊焊接接头的使用寿命，而且能够减少处理过程、提高处理效率、节省处理时间，使处理效果稳定可靠，经济实用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例中高强铝合金的搅拌摩擦焊方法的工作原理示意图一。
图2为本发明实施例中高强铝合金的搅拌摩擦焊方法的工作原理示意图二。
图3为本发明实施例中高强铝合金的搅拌摩擦焊方法的工作原理示意图三。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
下面对本发明中高强铝合金的搅拌摩擦焊方法进行详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
一种高强铝合金的搅拌摩擦焊方法，用于对高强铝合金待焊件进行搅拌摩擦焊，其具体包括：在对高强铝合金待焊件进行搅拌摩擦焊的同时，同步对焊接完成部分进行冷喷涂处理，从而在高强铝合金焊接接头处形成冷喷涂层。
其中，该高强铝合金的搅拌摩擦焊方法可包括以下内容：
(1)所述搅拌摩擦焊为传统搅拌摩擦焊、双轴肩搅拌摩擦焊、静轴肩搅拌摩擦焊中的至少一种。所述高强铝合金待焊件的材料为可热处理强化的2000系列高强铝合金、6000系列高强铝合金、7000系列高强铝合金。在实际应用中，进行搅拌摩擦焊的焊接设备可以采用现有技术中的搅拌摩擦焊设备，并且焊接参数的选择可以根据所焊材料各自物理性能及差异进行选择。
(2)所述的焊接完成部分是指高强铝合金焊接接头处完成焊接并且温度场为400℃的位置；在对高强铝合金待焊件进行搅拌摩擦焊的同时，同步对这些焊接完成部分进行冷喷涂处理，从而可以利用搅拌摩擦焊焊接过程中产生的热量进行冷喷涂处理，即形成一种随焊冷喷的技术；这种在高强铝合金焊接接头焊接后未完全冷却仍具有较高温度时进行冷喷涂处理，不仅可以提高冷喷涂颗粒与高强铝合金焊接接头区域的结合强，而且减少了冷喷涂处理前采用其他外加热源进行预热的过程，无需外加其他热源，提高了处理效率，节省了处理时间，实现了焊接和抗应力腐蚀一步完成，焊后不需要任何的其他处理就能使高强铝合金焊接接头的抗应力腐蚀能力大幅提高。在实际应用中，对高强铝合金待焊件进行搅拌摩擦焊的速度与对焊接完成部分进行冷喷涂处理的速度最好保持相同，但对高强铝合金待焊件进行搅拌摩擦焊与对焊接完成部分进行冷喷涂处理可以位于高强铝合金待焊件的同一侧，也可以位于高强铝合金待焊件的不同侧。
(3)搅拌摩擦焊可采用现有技术中的搅拌摩擦焊设备，冷喷涂处理可采用现有技术中的冷喷涂设备。在本发明实施例中，搅拌摩擦焊设备的搅拌头在前对高强铝合金待焊件进行搅拌摩擦焊，同时冷喷涂设备的涂喷枪在后对焊接完成部分进行冷喷涂处理，工作时两者同步运动，从而可以在高强铝合金焊接接头处形成冷喷涂层，实现了搅拌摩擦焊与冷喷涂一体化完成。在实际应用中，冷喷涂设备的冷喷涂处理根据对不同焊接接头可分为以下两种方式：①如图1所示，对高强铝合金待焊件1进行搅拌摩擦焊与对焊接完成部分2进行冷喷涂处理可以位于高强铝合金待焊件1的同一侧，即搅拌摩擦焊设备的搅拌头4和冷喷涂设备的涂喷枪5位于高强铝合金待焊件1的同一侧，两者可固定在一起并且冷喷涂设备的涂喷枪5位于搅拌头4后温度场为400℃的位置，两者同步运动，冷喷涂设备的涂喷枪可以具有一定程度的摆动功能，从而可实现多层涂层的覆盖，最终在高强铝合金焊接接头处形成冷喷涂层3；②如图2和图3所示，对高强铝合金待焊件1进行搅拌摩擦焊与对焊接完成部分2进行冷喷涂处理可以位于高强铝合金待焊件1的不同侧，即搅拌摩擦焊设备的搅拌头4和冷喷涂设备的涂喷枪5位于高强铝合金待焊件1的不同侧，例如：搅拌摩擦焊设备的搅拌头4为立焊，在高强铝合金待焊件1正面进行搅拌摩擦焊，而冷喷涂设备的涂喷枪5在高强铝合金待焊件1背面进行冷喷涂处理，并且位于搅拌头4后温度场为400℃的位置，同时冷喷涂设备可具有可调控运行速度的功能使其能够保持在固定温度场下进行工作，并且冷喷涂设备的涂喷枪可以具有一定程度的摆动功能，从而可实现多层涂层的覆盖，最终在高强铝合金焊接接头处形成冷喷涂层3。
(4)所述对焊接完成部分进行冷喷涂处理可以包括：采用粒度为20～30μm的冷喷涂颗粒对焊接完成部分进行冷喷涂处理，送粉速率为30g/min，送粉距离为25mm，使高强铝合金焊接接头处形成厚度为2mm的冷喷涂层。所述的冷喷涂颗粒为纯铝颗粒、2000系列高强铝合金颗粒、6000系列高强铝合金颗粒、7000系列高强铝合金颗粒中的至少一种。在实际应用中，所述的冷喷涂处理除了本发明明确要求的技术参数外均可以按照现有技术中的冷喷涂处理技术进行，本发明中的冷喷涂处理工艺是将粉末颗粒预加热，并通过高压的作用使粉末颗粒以较高速度撞击基体表面，通过多层的堆积形成保护涂层，具有低成本、快速高效、无氧化、组织均匀、可百分百回收利用等优点。
具体地，本发明中高强铝合金的搅拌摩擦焊方法将冷喷涂处理技术应用于提高高强铝合金搅拌摩擦焊焊接接头的抗应力腐蚀上，在对高强铝合金待焊件进行搅拌摩擦焊的同时，同步对焊接完成部分进行冷喷涂处理，从而在高强铝合金焊接接头处形成冷喷涂层，这能够方便有效地提高搅拌摩擦焊焊接接头的抗应力腐蚀能力，延长搅拌摩擦焊焊接接头的使用寿命。冷喷涂处理利用搅拌摩擦焊焊接过程中产生的热量作为热源，在高强铝合金焊接接头焊接后未完全冷却仍具有较高温度时进行冷喷涂处理，这不仅可以提高冷喷涂颗粒与高强铝合金焊接接头区域的结合强，而且减少了冷喷涂处理前采用其他外加热源进行预热的过程，无需外加其他热源，提高了处理效率，节省了处理时间，实现了搅拌摩擦焊与冷喷涂处理的一体化同步完成，焊后不需要任何的其他处理就能使高强铝合金焊接接头的抗应力腐蚀能力大幅提高。
综上可见，本发明实施例不仅可以方便有效地提高搅拌摩擦焊焊接接头的抗应力腐蚀能力，延长搅拌摩擦焊焊接接头的使用寿命，而且能够减少处理过程、提高处理效率、节省处理时间，使处理效果稳定可靠，经济实用。
为了更加清晰地展现出本发明所提供的技术方案及所产生技术效果，下面以具体实施例对本发明中高强铝合金的搅拌摩擦焊方法进行详细描述。
实施例1
如图1所示，一种高强铝合金的搅拌摩擦焊方法，用于对6mm厚的2219高强铝合金焊接接头进行处理，其具体包括：在搅拌摩擦焊设备的搅拌头4对高强铝合金待焊件1进行搅拌摩擦焊的同时，冷喷涂设备的涂喷枪5同步对焊接完成部分2进行冷喷涂处理，从而在高强铝合金焊接接头处形成冷喷涂层3。
具体地，搅拌摩擦焊设备的搅拌头4和冷喷涂设备的涂喷枪5位于高强铝合金待焊件1的同一侧，两者固定在一起并且冷喷涂设备的涂喷枪5位于搅拌头4后温度场为400℃的位置，两者同步运动，实现了随焊冷喷。所述搅拌摩擦焊包括：对6mm厚的2219高强铝合金焊接接头进行搅拌摩擦焊，焊接速度为100mm/min，搅拌头旋转速度为500r/min，下压量控制为0.2mm。所述冷喷涂处理包括：采用粒度为20～30μm的纯铝粉末对焊接完成部分2进行冷喷涂处理，送粉速率为30g/min，送粉距离为25mm，使2219高强铝合金焊接接头1处形成厚度为2mm的冷喷涂层3。
综上可见，本发明实施例不仅可以方便有效地提高搅拌摩擦焊焊接接头的抗应力腐蚀能力，延长搅拌摩擦焊焊接接头的使用寿命，而且能够减少处理过程、提高处理效率、节省处理时间，使处理效果稳定可靠，经济实用。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种高强铝合金的搅拌摩擦焊方法，其特征在于，在对高强铝合金待焊件进行搅拌摩擦焊的同时，同步对焊接完成部分进行冷喷涂处理，从而在高强铝合金焊接接头处形成冷喷涂层。
2.根据权利要求1所述的高强铝合金的搅拌摩擦焊方法，其特征在于，所述对焊接完成部分进行冷喷涂处理包括：采用粒度为20～30μm的冷喷涂颗粒对焊接完成部分进行冷喷涂处理，送粉速率为30g/min，送粉距离为25mm，使高强铝合金焊接接头处形成厚度为2mm的冷喷涂层。
3.根据权利要求2所述的高强铝合金的搅拌摩擦焊方法，其特征在于，所述的冷喷涂颗粒为纯铝颗粒、2000系列高强铝合金颗粒、6000系列高强铝合金颗粒、7000系列高强铝合金颗粒中的至少一种。
4.根据权利要求1或2或3所述的高强铝合金的搅拌摩擦焊方法，其特征在于，所述的焊接完成部分是指高强铝合金焊接接头处完成焊接并且温度场为400℃的位置。
5.根据权利要求1或2或3所述的高强铝合金的搅拌摩擦焊方法，其特征在于，对高强铝合金待焊件进行搅拌摩擦焊与对焊接完成部分进行冷喷涂处理位于高强铝合金待焊件的同一侧或位于高强铝合金待焊件的不同侧。
6.根据权利要求1或2或3所述的高强铝合金的搅拌摩擦焊方法，其特征在于，对高强铝合金待焊件进行搅拌摩擦焊的速度与对焊接完成部分进行冷喷涂处理的速度相同。
7.根据权利要求1或2或3所述的高强铝合金的搅拌摩擦焊方法，其特征在于，所述高强铝合金待焊件的材料为可热处理强化的2000系列高强铝合金、6000系列高强铝合金、7000系列高强铝合金。
8.根据权利要求1或2或3所述的高强铝合金的搅拌摩擦焊方法，其特征在于，所述搅拌摩擦焊为传统搅拌摩擦焊、双轴肩搅拌摩擦焊、静轴肩搅拌摩擦焊中的至少一种。
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