CN109848543A - 一种搅拌摩擦加工预防铝合金角接头层状撕裂的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种搅拌摩擦加工预防铝合金角接头层状撕裂的方法，包括以下步骤：步骤一：将与铝合金翼板等厚度的引入板和引出板分别置于待焊接焊缝的开始端和结束端，并用压板和夹具将引入板、引出板和铝合金翼板固定在机床上；步骤二：对铝合金翼板需要焊接位置进行预处理，去除其表面氧化层；步骤三：根据铝合金翼板厚度方向要处理的深度要求选取相对应的搅拌摩擦加工头，确定相邻道次加工的轴肩搭接率；步骤四：安装好搅拌摩擦加工头，进行搅拌摩擦加工；本发明在铝合金翼板表面进行同向单道或多道次搅拌摩擦加工预处理，在预处理区域进行熔焊焊接可显著抑制层状撕裂缺陷的形成。
Description
技术领域
本发明属于材料加工技术领域，具体涉及一种搅拌摩擦加工预防铝合金角接头层状撕裂的方法。
背景技术
由于铝合金具有强度高、塑性好、抗蚀性和易成型等优点，使其在航空航天、高速列车、船舶等领域获得广泛应用。目前铝合金的焊接工艺主要包括:熔化极惰性气体保护焊(Metal inert-gas welding)、非熔化极惰性气体钨极保护焊(Tungsten Inert GasWelding)、激光焊(Laser welding)和搅拌摩擦焊(Friction stir welding)等。采用熔化极惰性气体保护焊、非熔化极惰性气体钨极保护焊和激光对铝合金进行焊接时，容易出现气孔、裂纹和变形等缺陷。目前针对铝合金薄板的搅拌摩擦焊接工艺比较成熟，可以避免熔焊的常见缺陷。但铝合金厚板的搅拌摩擦焊接还处于工程试验阶段，而且传统的熔焊方法(如MIG焊、TIG焊)具有成本低，操作灵活性高等优点，可以实现较为复杂形式接头的焊接。由于铝合金厚板焊接结构件往往是作为承重部位，接头机械性能决定了该焊接结构件的安全性和可靠性，所以，很多情况下铝合金厚板依然采用传统的熔焊方法。
层状撕裂通常发生在大厚度碳钢、合金钢，甚至大厚度的铝合金的焊接结构件中，在大量的铝合金厚板焊接工程中,由于结构设计的需要,经常存在着十字形、T形和角接接头，这些类型的接头结构在刚性约束的条件下焊接.非常容易在焊缝根部或热影响区内出现具有阶梯状的裂纹即层状撕裂。铝合金厚板焊接结构件出现层状撕裂主要原因是由于铝合金厚板在轧制过程中，夹杂物沿着轧向分布，导致铝合金厚板力学性能存在各向异性，沿厚度方向(Z向)性能最差。铝合金厚板焊接过程中，在刚性拘束的条件下，焊缝收缩会在Z向产生很大焊接应力，当该应力超过母材金属厚度方向(Z向)的塑性变形能力时，夹杂物与金属基体之间就会发生分离而产生裂纹，从而形成层状撕裂。焊接结构件中层状撕裂是危险性非常大的缺陷。一般层状撕裂很难检测,难以修复，而且在交变载荷作用下,断续的层状撕裂易发生扩展，形成一个大裂纹,并再次扩展,直至整个焊接结构破坏,且整个过程的周期非常短。
目前，关于防止层状撕裂的措施主要包括：1.降低夹杂物含量；2.接头形式设计的优化；3.焊接工艺的调整，采用小线能量焊接取代大能量焊接,焊前预热等,均可抑制层状撕裂的发生。一旦发现接头中存在层状撕裂，需要用砂轮打磨或碳弧气刨清除裂纹，再重新进行焊补，返修要求非常高，且返修难度也比较大。中国专利201410711050.0公布了一种防止金属焊接层状撕裂的方法，主要是通过在T型接头底板上堆焊过渡层，并对T型接头进行后热处理；全部角焊缝焊接完成后进行焊后热处理，来防止T型厚板焊接接头构件上产生层状撕裂缺陷。上述方法主要预防大厚度钢板焊接结构件中层状撕裂的发生，但其工艺繁琐，操作难度较大，工艺不易控制，不适合预防铝合金厚板焊接结构件中层状撕裂的发生。
搅拌摩擦加工技术(FSP)是一种用于材料微观组织改性和制造的方法。其原理主要是利用高速旋转的搅拌摩擦加工头对加工区域材料进行剧烈的搅拌，使加工区的金属发生剧烈塑性变形、破碎和混合，加工区纤维状组织转变成细小的等轴晶组织，实现加工区域组织的致密化和均匀化。特别是采用搅拌摩擦加工制备的超细晶铝合金，其强度、塑性和材料延展性都得到很大提高。搅拌摩擦加工技术具有自动化程度高、过程易于控制、绿色环保和成本低廉等优点。因此，本发明对铝合金厚板接头进行预处理，使其组织均匀细小，破坏夹杂物的分布特征，降低接头出现层状撕裂的概率，保证焊接结构件的安全性和可靠性。
发明内容
本发明提供了一种搅拌摩擦加工预防铝合金角接头层状撕裂的方法，使得加工区发生完全动态再结晶，形成细小的等轴晶，提高了该部位抗焊接开裂能力，技术方案如下：
一种搅拌摩擦加工预防铝合金角接头层状撕裂的方法，包括以下步骤：
步骤一：对铝合金翼板待焊接的区域进行标记，划出与焊缝重合的标记线，将与铝合金翼板等厚度的引入板和引出板分别置于标记线的开始端和结束端，并用压板和夹具将引入板、引出板和铝合金翼板固定在机床上；
步骤二：对铝合金翼板待焊接的位置进行机械打磨处理，去除其表面氧化层，使得板材露出金属光泽，并用丙酮擦洗表面，风干备用；
步骤三：根据铝合金翼板厚度方向要处理的深度要求选取相对应的搅拌摩擦加工头，确定相邻道次加工的轴肩搭接率；
步骤四：安装好搅拌摩擦加工头，使搅拌加工头中心线对准待焊接区域的标记线，设定好搅拌摩擦加工的工艺参数，加工长度从引入板开始，到引出板加工结束，搅拌摩擦加工头高速旋转并缓慢的插入待处理铝合金翼板，当搅拌摩擦加工头轴肩与板材接触后，搅拌针停留一段时间，使得初始阶段加工区的金属具有较高的流动能力和温度，最终获得无缺陷的细小等轴晶组织的加工区域；
步骤五：搅拌摩擦加工过程中，对铝合金翼板进行冷却；
步骤六：待上一道次加工完成后，按照确定的搅拌摩擦加工搭接率，搅拌摩擦加工头横向偏离一段距离，再次按照步骤四的工艺参数进行下一道次加工；
步骤七：重复步骤六若干次，直至搅拌摩擦加工区域的总宽度大于铝合金翼板待焊接区域的宽度，当所有搅拌摩擦加工工作完成后，采用角磨机对搅拌摩擦加工表面进行打磨，去除搅拌摩擦加工形成的飞边，最后用丙酮溶液清洗试板表面，风干后进行铝合金翼板与铝合金腹板之间角焊缝的熔焊焊接。
所述步骤三中搅拌摩擦加工头的选取标准为搅拌针的长度略大于铝合金翼板焊接时的焊缝深度。
优选的，所述步骤三中的搅拌摩擦加工头为锥形三斜面右螺旋搅拌头，其搅拌针的长度范围为4-8mm，搅拌针根部直径范围为8-15mm，搅拌针端部直径范围为3-5mm。
所述方法适用于厚度大于10mm的铝合金板。
所述步骤三中轴肩搭接率的确定方法如下：
定义L为每道次中心线之间的偏移距离，D为搅拌针根部直径，轴肩搭接率＝1-L/D。
优选的，多道次加工的轴肩搭接率为0.3-0.7。
优选的，引入板的宽度为20-50mm，引出板的宽度为20-30mm。
优选的，所述步骤四中搅拌摩擦加工的工艺参数如下：
搅拌摩擦加工头转速为550-650r/min，行进速度为130-200mm/min，搅拌针倾斜角度为3-4.5°，压下量为0.1-0.5mm,搅拌摩擦加工头插入速度为10-50mm/min。
优选的，所述步骤四中，搅拌针插入板材后，以10-20mm/min的速度行进一段距离，再以设定的130-200mm/min行进速度进行加工。
优选的，根据权利要求8所述的一种搅拌摩擦加工预防铝合金角接头层状撕裂的方法，其特征在于，所述搅拌针插入板材后行进的距离小于引出板的宽度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明将铝合金翼板易形成层状撕裂的区域预先进行搅拌摩擦加工，加工区域在较高的加工温度和剧烈的塑性变形情况下发生动态再结晶，形成细小的等轴晶，同时将基体金属之间呈薄片状的夹杂物破碎成细小的呈弥散分布状态，提高了该区域抗层状撕裂的能力；本发明对铝合金翼板进行搅拌摩擦加工处理，具有效率高、工艺稳定性好和成本低等优点，可以很好的消除铝合金翼板在焊接过程中出现层状撕裂的缺陷，避免了后续对铝合金翼板焊接时，接头出现层状撕裂缺陷，从而避免了复杂的返修工作，提高了铝合金厚板焊接结构件使用的安全性和可靠性。
附图说明
图1为现有技术中角焊缝T形接头出现层状撕裂示意图。
图2为本发明在层状撕裂易发生区域搅拌摩擦加工处理示意图。
图3为本发明搅拌摩擦加工示意图。
图4为本发明搅拌摩擦加工头示意图。
图5为本发明搅拌摩擦加工轴肩搭接率示意图。
图6为本发明铝合金翼板搅拌摩擦加工后表面形貌图。
图7为本发明铝合金翼板多道次搭接搅拌摩擦加工横截面照片。
图8为现有技术中焊接前未搅拌摩擦加工角焊缝T形接头的微观照片。
图9为本发明焊接前进行搅拌摩擦加工角焊缝T形接头的微观照片。
图10为本发明铝合金翼板微观组织。
图11为本发明搅拌摩擦加工区微观组织。
其中：1-铝合金翼板；2-铝合金腹板；3-引入板；4-引出板；5-搅拌针；6-轴肩；
具体实施方式
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
如图1至图11所示，一种搅拌摩擦加工预防铝合金角接头层状撕裂的方法，包括以下步骤：
步骤一：对铝合金翼板1待焊接的区域进行标记，划出与焊缝重合的标记线，将与铝合金翼板1等厚度的引入板3和引出板4分别置于标记线的开始端和结束端，为了防止搅拌摩擦加工开始时不稳定造成加工效果不理想，加入引入板3；为了防止搅拌摩擦加工后留下匙孔，加入引出板4；并用压板和夹具将引入板3、引出板4和铝合金翼板1固定在机床上；
步骤二：对铝合金翼板1待焊接的位置进行机械打磨处理，去除其表面氧化层，使得板材露出金属光泽，并用丙酮擦洗表面，风干备用；
步骤三：根据铝合金翼板1厚度方向要处理的深度(焊缝深度)要求选取相对应的搅拌摩擦加工头，搅拌摩擦加工头的选取标准为搅拌针5的长度略长于铝合金翼板1需要加工处理的深度，即焊缝深度，优选的，所述搅拌摩擦加工头为锥形右螺旋搅拌摩擦加工头，其搅拌针5的长度范围为4-8mm，搅拌针5的根部直径范围为8-15mm，搅拌针端部直径范围为3-5mm。
确定相邻道次加工的轴肩6搭接率，在多道次搅拌摩擦加工过程中，上一道次搅拌摩擦加工的前进侧界面与下一道次返回侧界面相接，需要确定相邻道次加工的搭接率，搭接率的确定以相邻道次搅拌摩擦加工区域存在重叠区域的占比而定，具体确定方法如下：定义L为每道次中心线之间的偏移距离，D为搅拌针5根部直径，轴肩6搭接率＝1-L/D，优选的，多道次加工的轴肩6搭接率为0.3-0.7。
步骤四：安装好搅拌摩擦加工头，使搅拌加工头中心线对准待处理区域的标记线，设定好搅拌摩擦加工的工艺参数，优选的，所述步骤四中搅拌摩擦加工的工艺参数如下：搅拌摩擦加工头转速为550-650r/min，行进速度为130-200mm/min，搅拌针5倾斜角度为3-4.5°，压下量为0.1-0.5mm,搅拌摩擦加工头插入速度为10-50mm/min。
加工长度从引入板3开始，到引出板4加工结束，搅拌摩擦加工头高速旋转并缓慢的插入待处理铝合金翼板1，当搅拌摩擦加工头轴肩6与板材接触后，以10-20mm/min的速度行进20mm的距离(小于引出板4的宽度)，保证初始阶段加工区的金属具有较高的流动能力和温度，再以设定的130-200mm/min行进速度进行加工，最终获得无缺陷的细小等轴晶组织的加工区域。
步骤五：搅拌摩擦加工过程中，采用旁轴压缩气体侧吹的方法对搅拌摩擦加工头进行冷却。
步骤六：待试板上一道次加工完成后，按照确定的搅拌摩擦加工搭接率，搅拌摩擦加工头横向偏离一段距离，再次按照步骤四的工艺参数进行下一道次加工。
步骤七：重复步骤六若干次，直至搅拌摩擦加工区域的总宽度大于铝合金翼板1需要处理宽度，当所有搅拌摩擦加工工作完成后，采用角磨机对搅拌摩擦加工表面进行打磨，去除搅拌摩擦加工形成的飞边，最后用丙酮溶液清洗试板表面，风干后再进行铝合金翼板1与铝合金腹板2之间角焊缝的熔焊焊接，即可达到消除铝合金翼板在焊接过程中出现层状撕裂的缺陷的目的。
本发明的方法适用于厚度大于10mm的铝合金板。
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。
实施例1
选用16mm厚的6082-T651铝合金翼板1进行角焊缝T形接头的MIG焊接。对MIG角焊缝T形接头接头检测过程中发现，在铝合金翼板1近焊缝的热影响区发现层状撕裂缺陷。
研究认为该位置存在较多的夹杂物，夹杂物本身强度很低且弱化了基体金属在该位置的结合强度,在焊接应力的作用下,夹杂物或夹杂物与基体金属发生剥离,形成层状撕裂。
于是在对16mm厚的6082-T651铝合金进行角焊缝T形接头的MIG焊接之前，预先对铝合金翼板1进行搅拌摩擦加工处理。
将6082-T651铝合金翼板1、引入板3和引出板4固定在搅拌摩擦加工设备上，并对要处理的区域进行标记，并用角磨机对待处理表面进行机械打磨，出现金属光泽，用丙酮擦洗表面，风干备用。
搅拌摩擦加工过程中，采用旁轴压缩气体侧吹的方法对搅拌摩擦加工头进行冷却。搅拌摩擦加工的工艺参数为搅拌摩擦加工头转数为650r/min，行进速度为130mm/min，搅拌针5倾斜角度为3°，压下量为0.3mm,搅拌摩擦加工头插入速度为30/min，搅拌针5长度为6mm，轴肩6直径为15mm，搭接率为0.5。
搅拌摩擦加工区的组织为细小的等轴晶，且经剧烈的搅拌后，原来沿晶界分布的夹杂物变成弥散状态。搅拌摩擦加工处理后的铝合金翼板1采用同样的焊接工艺进行MIG焊接，对接头进行检测，未发现有层状撕裂的产生，熔合线附近搅拌摩擦加工区的细小的等轴晶粒有效的抑制层状撕裂的形成。
实施例2
选用16mm厚的6082-T651铝合金翼板1进行角焊缝T形接头的MIG焊接。对MIG角焊缝T形接头接头检测过程中发现，在铝合金翼板1近焊缝的热影响区发现层状撕裂缺陷。
研究认为该位置存在较多的夹杂物，夹杂物本身强度很低且弱化了基体金属在该位置的结合强度,在焊接应力的作用下,夹杂物或夹杂物与基体金属发生剥离,形成层状撕裂。
于是在对16mm厚的6082-T651铝合金进行角焊缝T形接头的MIG焊接之前，预先对铝合金翼板1进行搅拌摩擦加工处理。
将6082-T651铝合金翼板1、引入板3和引出板4固定在搅拌摩擦加工设备上，并对要处理的区域进行标记，并用角磨机对待处理表面进行机械打磨，出现金属光泽，用丙酮擦洗表面，风干备用。
搅拌摩擦加工过程中，采用旁轴压缩气体侧吹的方法对搅拌摩擦加工头进行冷却。搅拌摩擦加工的工艺参数为搅拌摩擦加工头转数为550r/min，行进速度为200mm/min，搅拌针5倾斜角度为4.5°，压下量为0.5mm,搅拌摩擦加工头插入速度为50/min，搅拌针5长度为4mm，轴肩6直径为15mm，搭接率为0.3。
搅拌摩擦加工区的组织为细小的等轴晶，且经剧烈的搅拌后，原来沿晶界分布的夹杂物变成弥散状态。搅拌摩擦加工处理后的铝合金翼板1采用同样的焊接工艺进行MIG焊接，对接头进行检测，未发现有层状撕裂的产生，熔合线附近搅拌摩擦加工区的细小的等轴晶粒有效的抑制层状撕裂的形成。
实施例3
选用16mm厚的6082-T651铝合金翼板1进行角焊缝T形接头的MIG焊接。对MIG角焊缝T形接头接头检测过程中发现，在铝合金翼板1近焊缝的热影响区发现层状撕裂缺陷。
研究认为该位置存在较多的夹杂物，夹杂物本身强度很低且弱化了基体金属在该位置的结合强度,在焊接应力的作用下,夹杂物或夹杂物与基体金属发生剥离,形成层状撕裂。
于是在对16mm厚的6082-T651铝合金进行角焊缝T形接头的MIG焊接之前，预先对铝合金翼板1进行搅拌摩擦加工处理。
将6082-T651铝合金翼板1、引入板3和引出板4固定在搅拌摩擦加工设备上，并对要处理的区域进行标记，并用角磨机对待处理表面进行机械打磨，出现金属光泽，用丙酮擦洗表面，风干备用。
搅拌摩擦加工过程中，采用旁轴压缩气体侧吹的方法对搅拌摩擦加工头进行冷却。搅拌摩擦加工的工艺参数为搅拌摩擦加工头转数为600r/min，行进速度为170mm/min，搅拌针5倾斜角度为4°，压下量为0.1mm,搅拌摩擦加工头插入速度为10/min，搅拌针5长度为8mm，轴肩6直径为15mm，搭接率为0.7。
搅拌摩擦加工区的组织为细小的等轴晶，且经剧烈的搅拌后，原来沿晶界分布的夹杂物变成弥散状态。搅拌摩擦加工处理后的铝合金翼板1采用同样的焊接工艺进行MIG焊接，对接头进行检测，未发现有层状撕裂的产生，熔合线附近搅拌摩擦加工区的细小的等轴晶粒有效的抑制层状撕裂的形成。
搅拌摩擦加工区的组织为细小的等轴晶，且经剧烈的搅拌后，原来沿晶界分布的夹杂物变成弥散状态。搅拌摩擦加工处理后的铝合金翼板1采用同样的焊接工艺进行MIG焊接，对接头进行检测，未发现有层状撕裂的产生，熔合线附近搅拌摩擦加工区的细小的等轴晶粒有效的抑制层状撕裂的形成。
如上所述，结合附图和实施例所给出的方案内容，可以衍生出类似的技术方法。对于大厚度的碳钢、合金钢均可以利用搅拌摩擦加工防止层状撕裂的生成,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (9)
1.一种搅拌摩擦加工预防铝合金角接头层状撕裂的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：对铝合金翼板待焊接的区域进行标记，划出与焊缝重合的标记线，将与铝合金翼板等厚度的引入板和引出板分别置于标记线的开始端和结束端，并用压板和夹具将引入板、引出板和铝合金翼板固定在机床上；
步骤二：对铝合金翼板待焊接的位置进行打磨处理，去除其表面氧化层，并用丙酮擦洗表面，风干备用；
步骤三：根据铝合金翼板厚度方向要处理的深度要求选取相对应的搅拌摩擦加工头，确定相邻道次加工的轴肩搭接率；
步骤四：安装好搅拌摩擦加工头，使搅拌加工头中心线对准待焊接区域的标记线，设定好搅拌摩擦加工的工艺参数，加工长度从引入板开始，到引出板加工结束，搅拌摩擦加工头高速旋转并缓慢的插入待处理铝合金翼板，当搅拌摩擦加工头轴肩与板材接触后，搅拌针停留一段时间，使得初始阶段加工区的金属具有较高的流动能力和温度，最终获得无缺陷的细小等轴晶组织的加工区域；
步骤五：搅拌摩擦加工过程中，对铝合金翼板进行冷却；
步骤六：待上一道次加工完成后，按照确定的搅拌摩擦加工搭接率，搅拌摩擦加工头横向偏离一段距离，再次按照步骤四的工艺参数进行下一道次加工；
步骤七：重复步骤六若干次，直至搅拌摩擦加工区域的总宽度大于铝合金翼板待焊接区域的宽度，当所有搅拌摩擦加工工作完成后，对搅拌摩擦加工表面进行打磨，去除搅拌摩擦加工形成的飞边，最后用丙酮溶液清洗试板表面，风干备用。
2.根据权利要求1所述的一种搅拌摩擦加工预防铝合金角接头层状撕裂的方法，其特征在于，所述步骤三中搅拌摩擦加工头的选取标准为搅拌针的长度略大于铝合金翼板焊接时的焊缝深度。
3.根据权利要求1所述的一种搅拌摩擦加工预防铝合金角接头层状撕裂的方法，其特征在于，所述步骤三中的搅拌摩擦加工头为三斜面锥形右螺搅拌头，其搅拌针的长度范围为4-8mm，搅拌针根部直径范围为8-15mm，搅拌针端部直径范围为3-5mm。
4.根据权利要求1所述的一种搅拌摩擦加工预防铝合金角接头层状撕裂的方法，其特征在于，所述方法适用于厚度大于10mm的铝合金板，引入板的宽度为20-50mm，引出板的宽度为20-30mm。
5.根据权利要求1所述的一种搅拌摩擦加工预防铝合金角接头层状撕裂的方法，其特征在于，所述步骤三中轴肩搭接率的确定方法如下：
定义L为每道次中心线之间的偏移距离，D为搅拌针根部直径，轴肩搭接率＝1-L/D。
6.根据权利要求5所述的一种搅拌摩擦加工预防铝合金角接头层状撕裂的方法，其特征在于，多道次加工的轴肩搭接率为0.3-0.7。
7.根据权利要求1所述的一种搅拌摩擦加工预防铝合金角接头层状撕裂的方法，其特征在于，所述步骤四中搅拌摩擦加工的工艺参数如下：
搅拌摩擦加工头转速为550-650r/min，行进速度为130-200mm/min，搅拌针倾斜角度为3-4.5°，压下量为0.1-0.5mm,搅拌摩擦加工头插入速度为10-50mm/min。
8.根据权利要求1所述的一种搅拌摩擦加工预防铝合金角接头层状撕裂的方法，其特征在于，所述步骤四中，搅拌针插入板材后，以10-20mm/min的速度行进一段距离，再以设定的130-200mm/min行进速度进行加工。
9.根据权利要求8所述的一种搅拌摩擦加工预防铝合金角接头层状撕裂的方法，其特征在于，所述搅拌针插入板材后行进的距离小于引出板的宽度。
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