CN108817651A - 一种铝合金板焊接方法 - Google Patents

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秦永强
胡叶明
黄�俊
陈顺华
王岩
崔接武
周士昂
张勇
吴玉程
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    • B23K20/122—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding using a non-consumable tool, e.g. friction stir welding
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Abstract

本发明涉及一种铝合金板焊接方法，包括以下步骤：将待焊板材的边缘接口加工成倾斜接口截面，清洗打磨后对接固定于夹持装置上；在铝板表面的焊接区内打盲孔；将Al粉、Sc粉、Zr粉球磨混合得混合粉末；将一半混合粉末均匀填充到板材上表面盲孔中，用短搅拌针搅拌填充区封槽，同样操作完成下表面填充与封槽，再采用双面搅拌摩擦焊进行多道次、平行重叠焊，焊接的同时进行冷却。本发明的倾斜接口加大了有效焊接面积；双面搅拌摩擦焊不仅消除了热机影响区、热影响区，而且与倾斜接口搭配可以增加焊接板材的可焊厚度，提高焊缝强度，消除焊缝背部缝隙缺陷。将冷却与焊接同步减少因下表面搅拌的热输入影响而增加的上表面搅拌区尺寸粗大的析出相。

Description

一种铝合金板焊接方法
技术领域
本发明涉及焊接领域，具体涉及一种铝合金板焊接方法。
背景技术
铝及其合金具有密度小，塑性高，比强度高，优良导电、导热性和抗腐蚀性好等优点，决定了其在工业上重要的地位和发展。不仅大量用于军事工业、农业、轻工业、重工业、和交通运输事业，也广泛用于建筑结构材料、体育用品和家庭生活用品等。在工程实践中，铝合金的焊接必不可少，若采用传统融化焊接技术难免出现焊接接头严重软化，焊接强度低，焊缝附近产生热裂纹和气孔，焊接变形等问题。
搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding，FSW)是由英国焊接研究所(The WeldingInstitute，TWI)于1991年提出的一种固态连接方法。与熔化焊接技术相比，具有细化晶粒、拉伸性能好、无尘烟、无飞溅、节能、焊后残余应力和变形小等优点。但其存在的热机影响区(Thermo Mechanical Affected Zone，TMAZ)和热影响区(Heat Affected Zone，HAZ)往往成为薄弱区域。而双面搅拌摩擦焊可以有效消除热机影响区和热影响区，但会因下表面搅拌的热输入的影响而增加了上表面搅拌区尺寸粗大的析出相数量，大大影响了焊接区域的力学性能。
发明内容
本发明目的在于：提供一种倾斜焊接接口的铝合金双面搅拌摩擦焊焊接方法，倾斜接口加大了有效焊接面积，双面搅拌摩擦焊不仅有效消除了热机影响区、热影响区，而且与倾斜接口搭配可以增加焊接板材的可焊厚度，提高焊缝强度，消除焊缝背部缝隙缺陷。通过加入的强化元素可以提高搅拌区强度、硬度。焊后冷却装置可以有效减少因下表面搅拌的热输入影响而增加的上表面搅拌区尺寸粗大的析出相。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种铝合金板焊接方法，包括以下步骤：
S1：将两块待焊板材的边缘接口预先加工成倾斜接口截面，并清洗打磨后，对接固定于夹持装置上；
S2：在铝板表面的焊接区内打盲孔；
S3：将Al粉、Sc粉、Zr粉球磨混合得到均匀混合粉末；
S4：将步骤S3得到的一半混合粉末均匀填充到板材的上表面盲孔中，用短搅拌针搅拌填充区封槽，同样操作完成下表面填充与封槽，再采用双面搅拌摩擦焊先进行多道次、平行重叠焊，并在搅拌头后方安装高压液氮冷却装置，喷头用固定装置固定于搅拌头后方，与焊接同步行进，用于冷却刚刚焊接完成的铝板。
优选地，步骤S1中倾斜接口截面与水平面的夹角为30°～45°。
优选地，步骤S2中盲孔直径为1～3mm，深度为2～4mm，盲孔间隔为3～5mm，盲孔区域两边边缘与接口线距离不小于一个搅拌头直径，待焊铝板上表面、下表面均要打盲孔，其中盲孔区域全部覆盖接口区域，之后的搅拌头焊接区域覆盖整个盲孔区域。
优选地，步骤S2中所述的焊接区包括上表面焊接区和下表面焊接区，将搅拌焊接痕迹近似看成抛物线则：上表面焊接区截面和下表面焊接区截面均由多个交叉的抛物线组成，上表面焊接区截面中抛物线的最低点与上表面焊接区截面中抛物线的最高点在同一条竖直线上，下表面焊接区截面中抛物线的最高点与下表面焊接区截面中抛物线的最低点在同一条竖直线上，即搅拌头横向移动一个轴肩半径的距离，以保证搅拌区的搭接量。
优选地，步骤S3中Al粉、Sc粉、Zr粉的质量比为1:0.2:0.1。
优选地，步骤S4中搅拌头规格和工艺参数分别为：搅拌针长度为5mm，轴肩下压量为1mm，搅拌头倾斜角为2°，焊接速度为80～120mm/min，旋转速度为800～2000r/min。
优选地，步骤S4中的双面搅拌摩擦焊具体工艺为：
(1)将正、反搅拌头移至板材一侧边缘位置，控制其高速旋转并迁入待焊板材，沿着焊接方向匀速进行，重复相同操作完成第一组3～5道次平行重叠焊；
(2)完成第一组平行重叠焊之后，将搅拌头迁出待焊板材，并控制搅拌头回到第一组的起始焊接位置，并向垂直于焊接方向即横向移动一个轴肩半径的距离，保证搅拌区的搭接量，重复相同操作完成第二组3～5道次平行重叠焊，直至搅拌区覆盖整个接口。
本发明的有益效果在于：
1、与竖直接口相比，倾斜接口加大了有效焊接面积。
2、双面搅拌摩擦焊不仅有效消除了热机影响区、热影响区，而且与倾斜接口搭配可以增加焊接板材的可焊厚度，提高焊缝强度，消除焊缝背部缝隙缺陷。
3、加入的强化元素可以提高搅拌区强度、硬度。
4、将冷却与焊接同步可以有效减少因下表面搅拌的热输入影响而增加的上表面搅拌区尺寸粗大的析出相。
附图说明
图1是本发明的待焊铝合金板材对接示意图；
图2是本发明的铝合金板材焊接截面示意图；
附图标记中：10-上表面、20-下表面、11-上表面焊接区截面、21-下表面焊接区截面、30-倾斜接口截面。
具体实施方式
下面结合具体实例对本发明做进一步的详细说明。以下实例涉及到的铝合金为商用7075铝合金挤压板，其化学成分为：Zn:5.1-6.1、Mg:2.1-2.9、Cu:1.2-2.0、Si:0.40、Fe:0.50Mn:0.30、Cr:0.18-0.28、Ti:0.20、Al:余量。
实施例1：
7075铝合金挤压板规格为：长×宽×厚＝170mm×90mm×8mm。将两块待焊挤压板的边缘接口预先加工成倾斜接口截面30，倾斜角与水平面成30°，并清洗打磨后，对接固定于夹持装置上。采用特制搅拌头在焊接表面打盲孔，盲孔直径2mm，深度4mm，间隔4mm，将球磨均匀的Al、Sc、Zr混合粉末填充压实后封槽，上、下表面10、20相同操作，混合粉末配比为Al-0.2Sc-0.1Zr(质量比)。采用型号为SXT-10龙门移动式搅拌摩擦焊机进行双面搅拌摩擦焊，搅拌针规格和工艺参数分别为：搅拌针长度：5mm，轴肩下压量：1mm，搅拌头倾斜角：2°，焊接速度：90mm/min，旋转速度：1200r/min。在搅拌针经过的后方安装高压压液氮冷却装置，直至搅拌区覆盖整个接口。倾斜接口加大了有效焊接面积，双面FSW不仅有效消除了热机影响区、热影响区，而且与倾斜接口搭配可以增加焊接板材的可焊厚度，相比单面FSW可消除焊缝背部缝隙缺陷。
实施例2：
7075铝合金挤压板规格为：长×宽×厚＝170mm×90mm×8mm。将两块待焊挤压板表面清洗打磨后，对接固定于夹持装置上。采用特制搅拌头在焊接表面打盲孔，盲孔直径2mm，深度4mm，间隔4mm，将球磨均匀的Al、Sc、Zr混合粉末填充压实后封槽，混合粉末配比为Al-0.2Sc-0.1Zr(质量比)。采用型号为SXT-10龙门移动式搅拌摩擦焊机进行单面搅拌摩擦焊，搅拌针规格和工艺参数分别为：搅拌针长度：5mm，轴肩下压量：1mm，搅拌头倾斜角：2°，焊接速度：90mm/min，旋转速度：1200r/min。在搅拌针经过的后方步进安置冲压液氮冷却，直至搅拌区覆盖整个接口。与实施例1相比，有效焊接面积减少，而且在焊缝背部存在缝隙缺陷，因此限制了可焊接板材的厚度。由于是单面FSW，所以依然存在着热机影响区、热影响区的薄弱区域。
实施例3：
7075铝合金挤压板规格为：长×宽×厚＝170mm×90mm×8mm。将两块待焊挤压板的边缘接口预先加工成倾斜接口截面30，倾斜角与水平面成30°，并清洗打磨后，对接固定于夹持装置上。采用特制搅拌头在焊接表面打盲孔，盲孔直径2mm，深度4mm，间隔4mm，将球磨均匀的Al、Sc、Zr混合粉末填充压实后封槽，混合粉末配比为Al-0.2Sc-0.1Zr(质量比)。采用型号为SXT-10龙门移动式搅拌摩擦焊机进行单面搅拌摩擦焊，完成第一组平行重叠焊之后，将搅拌头迁出板材，并控制搅拌头回到第一组的起始焊接位置，并向垂直于焊接方向即横向移动一个轴肩半径的距离，保证搅拌区的搭接量。重复相同操作完成第二组平行重叠焊搅，直至搅拌区覆盖整个接口。搅拌针规格和工艺参数分别为：搅拌针长度：5mm，轴肩下压量：1mm，搅拌头倾斜角：2°，焊接速度：90mm/min，旋转速度：1200r/min。在搅拌针经过的后方步进安置冲压液氮冷却。与实施例2相比，有效焊接面积增加，但焊缝背部仍然存在缝隙缺陷，同样存在着热机影响区、热影响区的薄弱区域。其成效优于实施例2，劣于实施例1。
图1是本发明的待焊铝合金板材对接示意图，图2是本发明的铝合金板材焊接截面示意图；从图中可以看出：焊接区包括上表面焊接区和下表面焊接区，将搅拌焊接痕迹近似看成抛物线则：上表面焊接区截面11和下表面焊接区截面21均由多个交叉的抛物线组成，上表面焊接区截面11中抛物线的最低点与上表面焊接区截面11中抛物线的最高点在同一条竖直线上，下表面焊接区截面21中抛物线的最高点与下表面焊接区截面21中抛物线的最低点在同一条竖直线上，即搅拌头横向移动一个轴肩半径的距离，以保证搅拌区的搭接量。

Claims (7)

1.一种铝合金板焊接方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：将两块待焊板材的边缘接口预先加工成倾斜接口截面，并清洗打磨后，对接固定于夹持装置上；
S2：在铝板表面的焊接区内打盲孔；
S3：将Al粉、Sc粉、Zr粉球磨混合得到均匀混合粉末；
S4：将步骤S3得到的一半混合粉末均匀填充到板材的上表面盲孔中，用短搅拌针搅拌填充区封槽，同样操作完成下表面填充与封槽，再采用双面搅拌摩擦焊先进行多道次、平行重叠焊，并在搅拌头后方安装高压液氮冷却装置，喷头用固定装置固定于搅拌头后方，与焊接同步行进，用于冷却刚刚焊接完成的铝板。
2.根据权利要求1所述的一种铝合金板焊接方法，其特征在于：步骤S1中倾斜接口截面与水平面的夹角为30°～45°。
3.根据权利要求1所述的一种铝合金板焊接方法，其特征在于：步骤S2中盲孔直径为1～3mm，深度为2～4mm，盲孔间隔为3～5mm，盲孔区域两边边缘与接口线距离不小于一个搅拌头直径，待焊铝板上表面、下表面均要打盲孔，其中盲孔区域全部覆盖接口区域，之后的搅拌头焊接区域覆盖整个盲孔区域。
4.根据权利要求1所述的一种铝合金板焊接方法，其特征在于：步骤S2中所述的焊接区包括上表面焊接区和下表面焊接区，将搅拌焊接痕迹近似看成抛物线则：上表面焊接区截面和下表面焊接区截面均由多个交叉的抛物线组成，上表面焊接区截面中抛物线的最低点与上表面焊接区截面中抛物线的最高点在同一条竖直线上，下表面焊接区截面中抛物线的最高点与下表面焊接区截面中抛物线的最低点在同一条竖直线上，即搅拌头横向移动一个轴肩半径的距离，以保证搅拌区的搭接量。
5.根据权利要求1所述的一种铝合金板焊接方法，其特征在于：步骤S3中Al粉、Sc粉、Zr粉的质量比为1:0.2:0.1。
6.根据权利要求1所述的一种铝合金板焊接方法，其特征在于：步骤S4中搅拌头规格和工艺参数分别为：搅拌针长度为5mm，轴肩下压量为1mm，搅拌头倾斜角为2°，焊接速度为80～120mm/min，旋转速度为800～2000r/min。
7.根据权利要求1所述的一种铝合金板焊接方法，其特征在于：步骤S4中的双面搅拌摩擦焊具体工艺为：
(1)将正、反搅拌头移至板材一侧边缘位置，控制其高速旋转并迁入待焊板材，沿着焊接方向匀速进行，重复相同操作完成第一组3～5道次平行重叠焊；
(2)完成第一组平行重叠焊之后，将搅拌头迁出待焊板材，并控制搅拌头回到第一组的起始焊接位置，并向垂直于焊接方向即横向移动一个轴肩半径的距离，保证搅拌区的搭接量，重复相同操作完成第二组3～5道次平行重叠焊，直至搅拌区覆盖整个接口。
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