CN108296624A - 一种提高铝合金搅拌摩擦点焊接头强度的方法 - Google Patents

一种提高铝合金搅拌摩擦点焊接头强度的方法 Download PDF

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Abstract

一种提高铝合金搅拌摩擦点焊接头强度的方法，按照以下步骤进行：步骤1，将板厚1～20mm已做表面清洗的铝合金板以搭接形式放置在FSW设备焊接工作台上，在两层合金板之间放入厚度为0.01～1mm的中间层，将两层铝合金板装夹固定；步骤2，将超声变幅杆置于铝合金板下方待焊部位，顶住下铝合金板背部并施加0.1～2Mpa静压力，超声振动连续或间断施加，振动的参数如下：频率为10～80kHz，振幅为2～60um；步骤3，选择尺寸合适的搅拌工具以500～3000r/min转速扎入铝合金板，下扎速度为1～300mm/min，搅拌针下扎到指定位置后，维持焊接时间1～60s，之后旋转抽出搅拌头，关闭超声设备，焊接结束，本方法应用范围广，可以用于不同板厚的铝合金搅拌摩擦点焊，可以用于同种牌号铝合金以及异种铝合金之间的搅拌摩擦点焊。

Description

一种提高铝合金搅拌摩擦点焊接头强度的方法
技术领域：
本发明属于焊接技术领域，特别涉及一种提高铝合金搅拌摩擦点焊接头强度的方法。
背景技术：
铝合金以其比重小，比强度高，具有良好的成形性能和工艺性能等一系列优良特性，在诸多领域特别是航空航天、轨道交通等领域得到了广泛应用，由搅拌摩擦焊接技术衍生出的搅拌摩擦点焊作为铝合金连接的有效方式之一，逐渐应用于工业设计和生产中，然而，对于传统的铝合金搅拌摩擦点焊接头，在其界面存在一个不完全结合区域，即Hook区域，在点焊接头破坏失效之前，裂纹优先由Hook区扩展，Hook区缺陷的存在是搅拌摩擦点焊接头中最薄弱的环节，是影响接头强度的主要因素，因此，如何改善Hook区缺陷为提高搅拌摩擦点焊接头强度的努力方向之一，目前Hook缺陷的改善技术得到了广泛的关注，相关学者对此进行了积极的探索和研究，如从增强界面材料流动的角度考虑改变搅拌头形状尺寸以及从增加界面处产热的角度考虑改变焊接工艺参数，但都只能在一定程度上减小Hook缺陷，并未从正面积极地改善Hook区域的承载能力，从而达到提高铝合金搅拌摩擦点焊接头强度的目的。
中国发明专利“一种可消除搅拌摩擦点焊Hook的方法”(公布号：CN103949768A，公布日：2014.07.30)，该方法能在一定程度上消除Hook缺陷，但该方法不能一次成型，需对上一道工序产生的Hook缺陷进行二次消除，导致其效率较低，且其使用的是无针搅拌头，被焊接材料仅为薄板铝合金，因此此方法具有局限性；中国发明专利“一种功率超声辅助搅拌摩擦点焊装置及方法”(公布号：CN103801815A，公布日：2014.05.21)，该方法只利用超声增强材料流动，在一定程度上改善材料填充侧面的弱连接问题，但Hook缺陷依旧存在，且缺陷区强度未得到改善；中国发明专利“一种用于钢-铝异种金属热致搅拌摩擦点钎焊方法”(公布号：CN107309564A，公布日：2017.11.03)，该方法利用搅拌摩擦焊的产热实现了钎焊的效果，减少了搅拌头的磨损，但是由于添加钎料强度普遍远低于待连接材料强度，使接头强度受限，此外，由于钎焊所需焊接温度较高，且其焊接过程需要经历一定的时间，因此该方法对于焊接工具以及焊接参数的选择具有一定局限性，同时存在着焊接时间过长的弊端；由以上改变铝合金搅拌摩擦点焊接头强度的方法可知，这些方法均存在各自的局限性，因此，本发明寻求一种操作稳定、方法简单、便于实施且效率较高的铝合金搅拌摩擦点焊方法，可有效提高铝合金搅拌摩擦点焊接头的强度。
发明内容：
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种提高铝合金搅拌摩擦点焊接头强度的方法，本方法可有效提高铝合金搅拌摩擦点焊接头的强度。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种提高铝合金搅拌摩擦点焊接头强度的方法，按照以下步骤进行：
步骤1，将板厚1～20mm已做表面清洗的铝合金板以搭接形式放置在FSW设备焊接工作台上，在两层铝合金板之间放入厚度为0.01～1mm的中间层，将两层铝合金板装夹固定；
步骤2，将超声变幅杆置于铝合金板下方待焊部位，顶住下铝合金板背部并施加0.1～2Mpa静压力，超声振动连续或间断施加，振动的参数如下：频率为10～80kHz，振幅为2～60um；
步骤3，选择尺寸合适的搅拌工具以500～3000r/min转速扎入铝合金板，下扎速度为1～300mm/min，搅拌针下扎到指定位置后，维持焊接时间1～60s，之后旋转抽出搅拌头，关闭超声设备，焊接结束。
所述铝合金板设置为2024铝合金板、5083铝合金板、6061铝合金板、1060铝合金板、6181-T4铝合金板或7075铝合金板。
所述中间层设置为纯银夹层、纯锌夹层、锌铝合金夹层或纯铜夹层。
所述两铝合金板可为同种型号的厚度相同铝合金板、可为同种型号的厚度不同的铝合金板、也可为不同型号厚度不同的铝合金板。
本发明的机理为：
针对铝合金搅拌摩擦点焊接头存在Hook缺陷影响接头强度问题，常规点焊接头Hook区域为孔洞缺陷，成为影响接头性能的重要因素之一，如图1，采用添加中间层(Zn、Cu、Ag或合金层)，并在焊接过程中施加超声振动，首先，由于中间层加入，搅拌区材料的流动应力减小，搅拌针下方材料对两侧Hook区域的挤压应力减小，可以在一定程度上减小Hook区域，增加有效连接面积；其次，在搅拌区域形成固态连接的同时，利用搅拌针搅拌摩擦产热提供的软化材料环境，超声空化效应去除铝合金表面氧化膜，并且在搅拌头轴肩顶锻力的作用下，使Hook缺陷区域界面处待连接材料紧密贴合，铝合金及中间层之间形成良好的润湿效果，并迅速发生扩散连接，与此同时，超声声流效应可进一步促进原子间的扩散，消除Hook缺陷，形成良好的冶金接头，如图3。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
1、焊接接头有效连续面积增加，Hook区域形成冶金连接承载能力得到提高；
2、焊前无需对板材进行特殊加工和处理，且焊接时间较短，焊接过程一次完成；
3、搅拌工具无需使用特定形状，与常规搅拌摩擦点焊所用搅拌工具可以通用；
4、本方法应用范围广，可以用于不同厚度的铝合金板搅拌摩擦点焊，可以用于同种牌号铝合金以及异种铝合金之间的搅拌摩擦点焊。
附图说明：
图1为搅拌摩擦点焊接头Hook缺陷示意图；
图2为常规搅拌摩擦点焊接头显微结构图；
图3为本发明得到的搅拌摩擦点焊接头显微结构图。
1-铝合金板，2-Hook缺陷。
具体实施方式：
本发明实施例中，对铝合金板材的搅拌摩擦点焊是在搅拌摩擦焊接设备上进行，铝合金板材搅拌摩擦点焊接头显微结构图采用电子显微镜观察。
实施例1
本实施例采用厚度3mm的2024铝合金板，中间层采用厚度为0.05mm的纯锌夹层。
一种提高铝合金搅拌摩擦点焊接头强度的方法，按照以下步骤进行：
步骤1，将两张厚度为3mm的2024铝合金板以上下搭接形式放置在FSW设备焊接工作台上，在两层铝合金板之间放入厚度为0.05mm的纯锌夹层，将铝合金板装夹固定；
步骤2，将超声变幅杆移动至铝合金板下方待焊部位，顶住下铝合金板背部并施加1Mpa静压力，连续施加频率为50KHz、振幅为4um的超声振动；
步骤3，选择针长为3.2mm的搅拌头以1200r/min的转速扎入铝合金板，下扎速度为60mm/min，下扎深度为3.4mm，维持焊接时间5s，之后旋转抽出搅拌头，关闭超声设备，焊接结束。
实施例2
本实施例采用厚度为1.7mm的5083铝合金板和厚度为1.5mm的6061铝合金板，中间层采用厚度为0.05mm的纯银夹层。
一种提高铝合金搅拌摩擦点焊接头强度的方法，按照以下步骤进行：
步骤1，将厚度为1.7mm的5083铝合金板和厚度为1.5mm的6061铝合金板以上下搭接形式放置在FSW设备焊接工作平台上，在两层铝合金板之间放入厚度为0.05mm的纯银夹层，将铝合金板装夹固定；
步骤2，将超声变幅杆移动至铝合金板下方待焊部位，顶住下铝合金板背部并施加0.2Mpa静压力，连续施加频率为38kHz、振幅为5um的超声振动；
步骤3，选择针长为1.8mm的搅拌头以500r/min的转速扎入铝合金板，下扎速度为100mm/min，下扎深度为1.9mm，维持焊接时间2s，之后旋转抽出搅拌头，关闭超声设备，焊接结束。
实施例3
本实施例采用厚度分别为5mm和2mm的2024铝合金板，中间层采用厚度为0.01mm的纯锌夹层。
一种提高铝合金搅拌摩擦点焊接头强度的方法，按照以下步骤进行：
步骤1，将两张厚度分别为5mm和2mm的2024铝合金板以上下搭接形式放置在FSW设备焊接工作平台上，在两层铝合金板之间放入厚度为0.01mm的纯锌夹层，将铝合金板装夹固定；
步骤2，将超声变幅杆移动至铝合金板下方待焊部位，顶住下铝合金板背部并施加0.2Mpa静压力，连续施加频率为78kHz、振幅为2um的超声振动；
步骤3，选择针长为4.5mm的搅拌头以1000r/min的转速扎入铝合金板，下扎速度为50mm/min，下扎深度为4.8mm，维持焊接时间60s，之后旋转抽出搅拌头，关闭超声设备，焊接结束。
实施例4
本实施例采用厚度分别为10mm和20mm的1060铝合金板，中间层采用厚度为0.08mm的锌铝合金夹层。
一种提高铝合金搅拌摩擦点焊接头强度的方法，按照以下步骤进行：
步骤1，将两张厚度分别为10mm和20mm的1060铝合金板以上下搭接形式放置在FSW设备焊接工作平台上，在两层铝合金板之间放入厚度为0.08mm的锌铝合金夹层，将铝合金板装夹固定；
步骤2，将超声变幅杆移动至铝合金板下方待焊部位，顶住下铝合金板背部并施加2Mpa静压力，断续施加频率为10kHz、振幅为60um的超声振动，其中间隔和施加的时间均为2s；
步骤3，选择针长为10.5mm的搅拌头以800r/min的转速扎入铝合金板，下扎速度为280mm/min，下扎深度为11mm，维持焊接时间30s，之后旋转抽出搅拌头，关闭超声设备，焊接结束。
实施例5
本实施例采用厚度为1.8mm的6181-T4铝合金板，中间层采用厚度为0.01mm的纯铜夹层。
一种提高铝合金搅拌摩擦点焊接头强度的方法，按照以下步骤进行：
步骤1，将两张厚度为1.8mm的6181-T4铝合金板以上下搭接形式放置在FSW设备焊接工作平台上，在两层铝合金板之间放入厚度为0.01mm的纯铜夹层，将铝合金板装夹固定；
步骤2，将超声变幅杆移动至铝合金板下方待焊部位，顶住下铝合金板背部并施加0.15Mpa静压力，连续施加频率为20kHz、振幅为20um的超声振动；
步骤3，选择针长为1.8mm的搅拌头以2900r/min的转速扎入铝合金板，下扎速度为90mm/min，下扎深度为2.0mm，维持焊接时间50s，之后旋转抽出搅拌头，关闭超声设备，焊接结束。
实施例6
本实施例采用两张厚度为3mm的2024铝合金板，中间层采用厚度为0.02mm的纯锌夹层。
一种提高铝合金搅拌摩擦点焊接头强度的方法，按照以下步骤进行：
步骤1，将两张厚度为3mm的2024铝合金板以上下搭接形式放置在FSW设备焊接工作平台上，在两层铝合金板之间放入厚度为0.02mm的纯锌夹层，将铝合金板装夹固定；
步骤2，将超声变幅杆移动至铝合金板下方待焊部位，顶住下铝合金板背部并施加1Mpa静压力，连续施加频率为20kHz、振幅为10um的超声振动；
步骤3，选择针长为3.2mm的搅拌头以1400r/min的转速扎入铝合金板，下扎速度为80mm/min，下扎深度为3.5mm，维持焊接时间5s，之后旋转抽出搅拌头，关闭超声设备，焊接结束。
采用两张厚度为3mm的2024铝合金板，中间层采用厚度为0.02mm的纯锌夹层，经测试，在超声激励的作用下搅拌摩擦点焊接头如图3所示，在超声激励下Hook区域中间层与铝合金发生迅速扩散，形成良好的冶金结合，并通过在Instron8801型微机控制拉伸试验机对焊接后的接头进行拉伸试验，所得接头剪切力为1.52kN，。
对比例1
本实施例采用两张厚度为3mm的2024铝合金板，中间层采用厚度为0.02mm纯锌夹层，无超声激励的搅拌摩擦点焊。
步骤1，将两张厚度为3mm的2024铝合金板以上下搭接形式放置在FSW设备焊接工作平台上，在两层铝合金板之间放入厚度为0.02mm纯锌夹层，并将铝合金板装夹固定；
步骤2，选择针长为3.2mm的搅拌头以1400r/min的转速扎入铝合金板，下扎速度为80mm/min，下扎深度为3.5mm，维持焊接时间5s，之后旋转抽出搅拌头，关闭超声设备，焊接结束。
采用两张厚度为3mm的2024铝合金板，中间层采用厚度为0.02mm纯锌夹层，经测试搅拌摩擦点焊接头如图2所示，消除Hook缺陷后，通过在Instron8801型微机控制拉伸试验机对焊接后的接头进行拉伸试验，所得搅拌头剪切力为1.17kN。
从上述实施例6与对比例1测试结果可知，有中间层无超声激励的搅拌摩擦点焊所得焊接接头剪切力为1.17kN，有中间层及超声激励的搅拌摩擦点焊所得焊接接头剪切力为1.52kN，有中间层及超声激励的搅拌摩擦点焊相比于有中间层无超声激励的搅拌摩擦点焊接头剪切强度提升了30％。
最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员应当理解，依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种提高铝合金搅拌摩擦点焊接头强度的方法，其特征在于，按照以下步骤进行：
步骤1，将板厚1～20mm已做表面清洗的铝合金板以搭接形式放置在FSW设备焊接工作台上，在两层铝合金板之间放入厚度为0.01～1mm的中间层，将两层铝合金板装夹固定；
步骤2，将超声变幅杆置于铝合金板下方待焊部位，顶住下铝合金板背部并施加0.1～2Mpa静压力，超声振动连续或间断施加，振动的参数如下：频率为10～80kHz，振幅为2～60um；
步骤3，选择尺寸合适的搅拌工具以500～3000r/min转速扎入铝合金板，下扎速度为1～300mm/min，搅拌针下扎到指定位置后，维持焊接时间1～60s，之后旋转抽出搅拌头，关闭超声设备，焊接结束。
2.根据权利要求1所述的一种提高铝合金搅拌摩擦点焊接头强度的方法，其特征在于：所述铝合金板设置为2024铝合金板、5083铝合金板、6061铝合金板、1060铝合金板、6181-T4铝合金板或7075铝合金板。
3.根据权利要求1所述的一种提高铝合金搅拌摩擦点焊接头强度的方法，其特征在于：所述中间层设置为纯银夹层、纯锌夹层、锌铝合金夹层或纯铜夹层。
4.根据权利要求1所述的一种提高铝合金搅拌摩擦点焊接头强度的方法，其特征在于：所述两铝合金板可为同种型号的厚度相同铝合金板、可为同种型号的厚度不同的铝合金板、也可为不同型号厚度不同的铝合金板。
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