CN108746983A - 一种提高t型接头焊接性能的焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高T型接头焊接性能的焊接方法，所焊接的T型接头包括垂直相连的壁板和筋板，包括以下步骤：首先将所述的筋板固定在壁板的正面；然后在壁板的背面，从壁板的一端开始，将所述的搅拌头从壁板的背面在对应于筋板与壁板接触面的位置向下旋转插入搅拌头，直至轴肩插入壁板内0.1‑0.2mm，旋转并停留3‑5s后，以一定的速度沿着筋板延伸的方向移动，完成单方向焊接；最后以第一道焊接线的终点为起点，沿着筋板的延伸方向反方向进行二次焊接。本发明正反方向双道次焊接，解决了常规的搅拌摩擦焊接在进行T型接头焊接时容易产生弱结合这一严重的缺陷，焊接效率高，自动化程度高，使得接头性能显著提高。
Description
技术领域
本发明属于搅拌摩擦焊领域，具体涉及一种提高T型接头焊接性能的焊接方法。
背景技术
目前，T型接头结构在航空航天、轨道交通、石油化工、汽车车体、船舶、桥梁等支撑结构中应用广泛。它既可以承载单向应力又可以承载多组组合力，T型接头的应用在减轻自重，提高壁板稳定性方面优势巨大。但目前T型接头主要通过挤压成型、熔焊、铆接、粘结的方式获得。而上述成型方式均存在有以下不足之处：挤压T型接头要受到模具尺寸的严格限制且加工成本较高；采用熔焊又会使T型接头出现较大的变形、软化以及气孔等问题；铆接则会产生严重的应力集中。
由于搅拌摩擦焊在固相焊接技术中明显的优势，因此采用搅拌摩擦焊焊接T型接头会是一种极具发展前景的工艺，尤其是针对与中厚或者薄板的壁板的焊接。此外，国内外已经看到搅拌摩擦焊T型接头在商业运用中的潜力，如在战斗机的裙翼上成功实现了薄板搅拌摩擦焊的T型接头的连接。但是现有技术中的搅拌摩擦焊接在进行T型接头连接时容易产生弱结合这一严重的缺陷。弱结合区普遍存在于焊缝后退侧，虽然位于搅拌针的搅拌区域，发生了塑性变形但未形成有效的物理连接，常规检测手段也难以检测到此类缺陷。而接头前进侧则结合牢固，因此寻求一种新的焊接方法解决或减小这一缺陷，以消除前进侧与后退侧的组织差异。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种提高T型接头焊接性能的焊接方法。
实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种提高T型接头焊接性能的焊接方法，所焊接的T型接头包括垂直相连的壁板和筋板，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将所述的筋板固定在壁板的正面；
(2)在壁板的背面，从壁板的一端开始，将所述的搅拌头从壁板的背面在对应于筋板与壁板接触面的位置向下旋转插入搅拌头，直至轴肩插入壁板内0.1-0.2mm，旋转并停留3-5s后，以一定的速度沿着筋板延伸的方向移动，完成单方向焊接；
(3)以第一道焊接线的终点为起点，沿着筋板的延伸方向反方向进行二次焊接。
根据权利要求1所述的一种提高T型接头焊接性能的焊接方法，其特征在于：焊接时，所采用的搅拌头顶端的搅拌针比壁板的厚度长1-2mm，搅拌针顶端的直径为筋板板厚的0.7-0.8倍，搅拌针的表面设有旋转螺纹；所述的搅拌头上端的轴肩直径为筋板板厚的2.5-3.5倍，优选的为筋板板厚的3倍。
作为本发明的进一步改进，所述的搅拌头的旋转方向与所述搅拌针表面螺纹的旋向相反。
作为本发明的进一步改进，焊接开始时，所述的搅拌针的轴线与筋板厚度的中心平面共面。
作为本发明的进一步改进，焊接过程中，所述的搅拌头的轴线与所述筋板平行面所在的平面之间的夹角为2-3°。
作为本发明的进一步改进，焊接过程中，所述的搅拌头的旋转速度为800-2000r/min，所述的焊具的移动速度为200-500mm/min。
作为本发明的进一步改进，采用T型工装上分别固定壁板和筋板，所述的壁板和筋板之间的间隙小于0.2mm。
本发明的有益效果：本发明正反方向双道次焊接，配合专用的搅拌工具，解决了常规的搅拌摩擦焊接在进行T型接头焊接时容易产生弱结合这一严重的缺陷。焊接效率高，焊后变形小，接头性能显著提高，对于搅拌摩擦焊技术在T型接头的工程化应用具有重要的意义。
附图说明
图1为搅拌头尺寸图；
图2为焊接开始时搅拌头与T型接头的位置结构示意图；
图3为焊接过程中搅拌头与T型接头的位置结构示意图；
图4为本发明的T型接头的焊接过程示意图；
图5(a)和图5(b)分别为采用一次焊接和本发明的焊接方法的T型接头在焊缝处的宏观金相图；
图6(a)和6(b)分别为采用一次焊接所得到的单道次AS侧和RS侧在焊缝处的微观金相图，图6(c)和图6(d)分别为采用二次焊接所得到的单道次AS侧和RS侧在焊缝处的微观金相图；
其中：1-T型接头，101-壁板，102-筋板，2-搅拌头，201-搅拌针，202-轴肩。
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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为了说明的清楚、简洁，本说明书中所述的壁板101的“正面”和“背面”，并不是带面壁板101有“正面”和“背面”之分，而是用于区分壁板101与筋板102的接触面与非接触面。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1-2所示的搅拌摩擦焊焊接T型接头1的工艺图，所焊接的T型接头1包括垂直相连的壁板101和筋板102，所述的壁板101位于水平方向，所述的筋板102从壁板101的正面与其垂直相连，对壁板101起支撑作用。为了使得T型连接件中的壁板101和筋板102能够紧密结合，通过对搅拌摩擦焊工艺进行以下改进，具体的工艺方法如下：
步骤1)：将T型接头1的筋板102和壁板101分别固定在T型工装上，保证筋板102与壁板101贴合紧密，在接触面的位置两者之间间隙小于0.2mm。
步骤2)：采用搅拌摩擦焊工具，其中所使用的焊具中的搅拌头2顶端的搅拌针201的长度比壁板101板厚长约1～2mm；将所述的焊具移动至壁板101背面一侧的上方，保证搅拌针201的顶端位于筋板102厚度中心面，并以设定的旋转速度旋转向下插入壁板101中，直至轴肩202插入壁板101内0.1-0.2mm。插入后搅拌头2在该起始点在旋转的状态下停留3-5s，以便进行预热，之后以一定的速度沿平行于筋板102的延伸方向进行焊接直至另一端的端末，完成第一条焊缝的焊接。
步骤3)：然后在第一条焊缝的终点的位置为第二条焊缝的起点，将焊具的主轴旋转180°，采用与步骤2相同焊接工艺参数完成反方向的焊接，从而焊接完成。
焊接过程中包括以下工艺参数：焊接时搅拌头2的旋转方向保持着与搅拌针201表面的螺纹旋向相反的方向进行旋转，搅拌头2的以800-2000r/min的旋转速度进行旋转；所述的焊具的移动速度为200-500mm/min；同时焊接过程中，所述的搅拌头2的轴线与筋板所在的平行平面之间的夹角保持为2-3°。
本发明的具体实施例中，采用同一种尺寸的搅拌头对4mm+5mm 6082-T6铝合金板材进行测试。比较了采用单方向的一次焊接与本发明的焊接方法所焊接的T型接头1的在焊接处的结合强度，具体的实验参数和测试结果如表1所示：
通过比较表1中的对比例和实施例中的数据可以看出，本发明的焊接方法能够通过提高T性接头的纵向拉伸性能来提高T型连接件在连接处的结合力的强度。
为了达到获得好的焊接效果，焊接过程中，需要选用合适尺寸的搅拌头2。表2为采用不同尺寸的搅拌头2焊接的T型接头1的在焊接处的结合强度。
由表2中的数据可以看出，所使用的搅拌针201顶端的直径d需要控制合理的范围，当选用的搅拌针201顶端的直径d过大不仅不能形成良好的结合了，还容易在焊接处产生裂缝。比较实施例3-1和实施例3-2可以看出，搅拌针201的长度的增加能够明显提高T型接头的纵向拉伸。比较实施例3-3、实施例3-4和实施例3-5的数据可以看出，轴肩202直径D对横向拉伸强度有明显的影响。
因此本发明所采用的搅拌头2顶端的搅拌针201的长度h比壁板101的厚度长1-2mm，搅拌针201顶端的直径d为筋板102板厚的0.7-0.8倍，搅拌针201的表面设有旋转螺纹；所述的搅拌头2上端的轴肩202直径D为筋板102板厚的2.5-3.5倍，优选的为筋板102板厚的3倍。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (7)
1.一种提高T型接头焊接性能的焊接方法，所焊接的T型接头包括垂直相连的壁板和筋板，其特征在于：包括以下步骤：
1)将所述的筋板固定在壁板的正面；
2)在壁板的背面，从壁板的一端开始，将所述的搅拌头从壁板的背面在对应于筋板与壁板接触面的位置向下旋转插入搅拌头，直至轴肩插入壁板内0.1-0.2mm，旋转并停留3-5s后，以一定的速度沿着筋板延伸的方向移动，完成单方向焊接；
3)以第一道焊接线的终点为起点，沿着筋板的延伸方向反方向进行二次焊接。
2.根据权利要求1所述的一种提高T型接头焊接性能的焊接方法，其特征在于：焊接时，所采用的搅拌头顶端的搅拌针比壁板的厚度长1-2mm，搅拌针顶端的直径为筋板板厚的0.7-0.8倍，搅拌针的表面设有旋转螺纹；所述的搅拌头上端的轴肩直径为筋板板厚的2.5-3.5倍，优选的为筋板板厚的3倍。
3.根据权利要求1所述的一种提高T型接头焊接性能的焊接方法，其特征在于：所述的搅拌头的旋转方向与所述搅拌针表面螺纹的旋向相反。
4.根据权利要求1所述的一种提高T型接头焊接性能的焊接方法，其特征在于：焊接开始时，所述的搅拌针的轴线与筋板厚度的中心平面共面。
5.根据权利要求4所述的一种提高T型接头焊接性能的焊接方法，其特征在于：焊接过程中，所述的搅拌头的轴线与所述筋板平行面所在的平面之间的夹角为2-3°。
6.根据权利要求1所述的一种提高T型接头焊接性能的焊接方法，其特征在于：焊接过程中，所述的搅拌头的旋转速度为800-2000r/min，所述的焊具的移动速度为200-500mm/min。
7.根据权利要求1所述的一种提高T型接头焊接性能的焊接方法，其特征在于：采用T型工装上分别固定壁板和筋板，所述的壁板和筋板之间的间隙小于0.2mm。
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