CN108326413A - 一种焊缝加强型搅拌摩擦焊方法 - Google Patents

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刘黎明
曾凡宇
宋刚
常颖
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Abstract

本发明提供一种焊缝加强型搅拌摩擦焊方法，其特征在于包括如下步骤：板材处理及对接：先将待焊板材表面进行清洗和去氧化膜处理，将两块或两块以上的待焊板材依次进行对接；焊接准备：根据不同的焊接需求，在待焊板材的上表面和/或下表面同时/分别设置添加板材并与所述待焊板材固定限位，其中，所述添加板材与所述待焊板材为同质、或异质的金属板材，且所述添加板材的厚度根据所述待焊板材的强度设定；焊接：设定焊接所需的参数，采用单轴肩或双轴肩搅拌摩擦焊头对待焊板材以及添加板材同时进行施焊，焊后得到加强型的搅拌摩擦焊接头。本发明有效提高了焊接强度，满足结构件设计需求，强化异质金属焊接性能。

Description

一种焊缝加强型搅拌摩擦焊方法
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，尤其涉及一种通过改变接头结构提高搅拌摩擦焊接头强度的方法，即一种焊缝加强型搅拌摩擦焊方法。
背景技术
搅拌摩擦焊作为一种固相连接技术，因具有强度高、焊后残余应力及变形小等优点，在航空、航天、汽车、船舶等结构制造领域得到了广泛应用。搅拌摩擦焊接过程中，高速旋转的搅拌头插入焊接构件内部，并沿着焊缝向前移动，通过搅拌头的高速旋转带动周围材料进入塑性流动，使焊接构件前进侧的材料和返回侧的材料进行交换达到金属连接目的。虽然搅拌摩擦焊与熔化焊接相比具有上述诸多优点，然而其仍存在如下问题：
1)铝合金搅拌摩擦焊后热机影响区、热影响区与母材相比不可避免的会发生软化，导致接头强度与母材相比有所降低，这种冶金反应导致的性能降低无法通过焊接参数的优化得到避免，镁合金等其他材料焊接时也同样存在类似的情况。
2)相比搅拌针，轴肩在焊接时产生大量的热输入，导致焊接接头上表面熔宽大于下表面，同时板材上方热影响区宽度也大于下方，过多的热输入会降低接头性能，同时受力时应力分布不均匀。
3)镁/铝、铝/钢等异质金属焊接时，不可避免的生成金属间化合物，严重恶化接头的性能。
由于以上原因，一些金属搅拌摩擦焊焊后强度与母材相比有所降低，以6xxx系和7xxx系铝合金为例，拉伸强度只能达到母材的80％左右，需要改进的方法以提高接头的强度。
发明内容
根据上述提出的技术问题，而提供一种焊缝加强型搅拌摩擦焊方法。本发明主要通过在待焊板材的上下表面、或上表面、或下表面设置添加板材进行同时焊接，从而提高了有效连接位置的厚度，弥补了热影响区软化等对接头性能的影响，同时降低了在焊缝位置应力力集，减少了轴肩对板材的热输入，减小了热影响区尺寸，提高了焊接强度，满足结构件设计需求；另外，还可以通过改变添加板材的材料属性通过合金化的方法来强化异质金属焊接性能。
本发明采用的技术手段如下：
S1、板材处理及对接：先将待焊板材表面进行清洗和去氧化膜处理，将两块或两块以上的待焊板材依次进行对接；
S2、焊接准备：根据不同的焊接需求，在待焊板材的上表面和/或下表面同时/分别设置添加板材并与所述待焊板材固定限位，其中，所述添加板材与所述待焊板材为同质、或异质的金属板材，且所述添加板材的厚度根据所述待焊板材的强度设定；
S3、焊接：设定焊接所需的参数，采用单轴肩或双轴肩搅拌摩擦焊头对待焊板材以及添加板材同时进行施焊，焊后得到加强型的搅拌摩擦焊接头。
进一步地，所述待焊板材为厚度大于等于0.5mm的板材。所述添加板材的厚度、材料依据待焊板材的材料及强度设计而定。
进一步地，焊接过程中使用的搅拌针为单轴肩搅拌针或双轴肩搅拌针，所述搅拌针的形状为圆柱体、圆锥体、多边形柱体或根据需要设置的形状等，不局限于上述的形状。
进一步地，根据需要，还可选用带螺纹的搅拌针。
进一步地，所述待焊板材的材质为铝合金、镁合金、钛合金、钢铁、铜合金或镍合金等等。
较现有焊接工艺相比，本发明具有以下优点：
1、焊缝与母材相比厚度增加，改变了接头的结构，从而可以通过其横截面积的增加提高接头受力时承受的最大失效载荷，从而抵消热影响区软化带来接头强度降低。
2、上下板的存在减少了轴肩对母材的产热影响，降低了影响区的宽度，同时使焊缝形状以及热影响区分布更加均匀，消除了焊缝尺寸导致的应力集中。
3、焊接异质金属时，可以使用与被焊母材不同的第三种材料作为添加板材，从而通过合金化作用减少金属间化合物的生成，提高焊接接头力学性能。
基于上述理由本发明可在焊接领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明采用在待焊板材上下表面同时设置添加板材的焊接过程示意图。
图2为本发明图1焊后的焊接接头示意图。
图3为本发明采用在待焊板材下表面设置添加板材的焊接过程示意图。
图4为本发明图3焊后的焊接接头示意图。
图中：1、待焊板材Ⅰ；2、待焊板材Ⅱ；3、添加板材Ⅰ；4、添加板材Ⅱ；5、搅拌头；6、焊缝。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
一种焊缝加强型搅拌摩擦焊方法，包括如下步骤：
S1、板材处理及对接：先将待焊板材表面进行清洗和去氧化膜处理，将两块或两块以上的待焊板材依次进行对接；
S2、焊接准备：根据不同的焊接需求，在待焊板材的上表面和下表面下同时添加、或在下表面添加、或在上表面添加与待焊板材同质、或异质的金属板材，所述添加板材的厚度根据待焊板材的强度进行设计，然后再将两者进行共同固定限位。所述待焊板材的材质为铝合金、镁合金、钛合金、钢铁、铜合金或镍合金。所述待焊板材为厚度大于等于0.5mm的板材。
S3、焊接：设定焊接所需的参数，采用单轴肩或双轴肩搅拌摩擦焊头对待焊板材以及添加板材同时进行施焊，焊后得到加强型的搅拌摩擦焊接头。焊接过程中使用的搅拌针为单轴肩搅拌针或双轴肩搅拌针，所述搅拌针的形状为圆柱体、圆锥体、多边形柱体或根据需要设置的形状等，不局限于上述形状，还可以根据需要选用带有螺纹的搅拌针。
实施例1
采用本发明焊接同质6061铝合金，如图1所示，待焊板材Ⅰ1和待焊板材Ⅱ2的板材厚度均为8mm，添加板材是厚度为1mm的6061铝合金，进行如下步骤焊接：
将待焊板材Ⅰ1和待焊板材Ⅱ2对接，采用在其上表面和下表面同时设置添加板材Ⅰ3和添加板材Ⅱ4的方法进行搅拌摩擦焊，搅拌头5为双轴肩搅拌头，其中，轴肩半径为8mm，搅拌针半径为3mm，长度为9.8mm，圆柱体上半部为顺时针螺纹，下半部为逆时针螺纹，焊接参数为：搅拌头 5的转速1900rad/min，焊接速度80mm/min，下压量为0.05mm。
焊接接头示意图如图2所示(图中6为焊缝)，焊后由于上、下表面的添加板材Ⅰ3和添加板材Ⅱ4的存在，使板材有效连接位置厚度由传统方法的8mm增加至10mm，同时热影响区宽度由传统方法的3.5mm减小到2mm，拉伸失效载荷可以达到母材95％以上。
实施例2
采用本发明的方法焊接异质6061和5083铝合金，如图3所示，待焊板材Ⅰ1和待焊板材Ⅱ2的板材厚度均为2mm，下表面设置添加板材Ⅱ4 为厚度0.6mm的5083铝合金，进行如下步骤焊接：
将待焊板材Ⅰ1和待焊板材Ⅱ2对接，采用在其下表面设置添加板材Ⅱ4的方法进行搅拌摩擦焊，其中，搅拌头5轴肩半径为6mm，搅拌针半径为2mm，圆柱体带螺纹，长度为2.2mm，焊接参数为：搅拌头转速 1200rad/min，焊接速度100mm/min，下压量为0.05mm。
焊后接头如图4所示，由于下表面的添加板材Ⅱ4的存在，使板材有效连接位置厚度由传统方法的2mm增加至2.6mm，拉伸失效载荷可以达到母材95％以上。
实施例3
采用本发明的方法焊接6061铝合金和AZ31镁合金，待焊板材Ⅰ1和待焊板材Ⅱ2的板材厚度均为2mm，上表面设置纯锌，厚度为0.6mm的添加板材Ⅰ3，进行如下步骤焊接：
将待焊板材Ⅰ1和待焊板材Ⅱ2对接，采用在其上表面设置添加板材Ⅰ3的方法进行搅拌摩擦焊，其中，搅拌头5轴肩半径为6mm，搅拌针半径为2mm，圆锥体带螺纹，长度为2.45mm，焊接参数为：搅拌头转速 1400rad/min，焊接速度120mm/min，下压量为0.1mm。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种焊缝加强型搅拌摩擦焊方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、板材处理及对接：先将待焊板材表面进行清洗和去氧化膜处理，将两块或两块以上的待焊板材依次进行对接；
S2、焊接准备：根据不同的焊接需求，在待焊板材的上表面和/或下表面同时/分别设置添加板材并与所述待焊板材固定限位，其中，所述添加板材与所述待焊板材为同质、或异质的金属板材，且所述添加板材的厚度根据所述待焊板材的强度设定；
S3、焊接：设定焊接所需的参数，采用单轴肩或双轴肩搅拌摩擦焊头对待焊板材以及添加板材同时进行施焊，焊后得到加强型的搅拌摩擦焊接头。
2.根据权利要求1所述的焊缝加强型搅拌摩擦焊方法，其特征在于，所述待焊板材为厚度大于等于0.5mm的板材。
3.根据权利要求1所述的焊缝加强型搅拌摩擦焊方法，其特征在于，焊接过程中使用的搅拌针为单轴肩搅拌针或双轴肩搅拌针，所述搅拌针的形状为圆柱体、圆锥体、多边形柱体或根据需要设置的形状。
4.根据权利要求3所述的焊缝加强型搅拌摩擦焊方法，其特征在于，所述搅拌针表面还设有螺纹。
5.根据权利要求1所述的焊缝加强型搅拌摩擦焊方法，其特征在于，所述待焊板材的材质为铝合金、镁合金、钛合金、钢铁、铜合金或镍合金。
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