CN109877443A - 一种az31镁合金薄板无倾角搅拌摩擦焊接方法及搅拌头 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种AZ31镁合金薄板无倾角搅拌摩擦焊接方法及搅拌头，首先对AZ31镁合金待焊接对接面进行机械磨抛，然后依次采用丙酮、无水乙醇和去离子水清洗，再快速干燥后固定在搅拌摩擦焊机垫板上，采用无倾角搅拌摩擦焊接搅拌头对AZ31镁合金待焊接对接面进行单道次无倾角搅拌摩擦焊接处理，该搅拌头包括圆柱状的夹持部，圆台状的轴肩及圆台状搅拌针，搅拌头轴肩为内凹型设计，圆台表面均布三条螺旋线沟槽，本发明解决了带倾角搅拌摩擦焊接镁合金薄板时，因焊缝减薄而导致焊接接头力学性能低下的问题及传统熔焊方法易在焊缝区形成气孔、裂纹和变形等问题，本发明得到的焊接接头成型美观，接头最大抗拉强度可达母材的97.8％。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料搅拌摩擦焊接领域，具体涉及一种AZ31镁合金薄板无倾角搅拌摩擦焊接方法及搅拌头。
背景技术
镁合金因密度小，比强度和比刚度高，良好的阻尼减振性以及电磁疲敝性能，广泛应用于航空航天、轨道交通、汽车和电子产品等行业。镁合金也是降能减排和轻量化设计的首选结构材料。作为结构材料应用，焊接加工难以避免。采用传统熔焊技术焊接镁合金薄板时，因镁合金熔点低、化学活性强、热膨胀系数和导热系数大等特点，极易在焊缝区形成气孔、裂纹、夹渣、焊缝下塌和变形等问题，严重制约了镁合金薄板焊接结构件的应用。搅拌摩擦焊接技术是一种固相连接方法，因其焊接过程中产生的热量仅使被焊材料达到塑性软化状态，而未达到熔点，特别适用于化学活性高、热膨胀系数和热传导系数大的镁合金材料。
根据微观组织特征不同，搅拌摩擦焊(FSW)接头由中心向外通常可划分为4个区域：搅拌区/焊核区(SZ/NZ)、热机影响区(TMAZ)、热影响区(HAZ)和母材区(BM)。其中，SZ经受剧烈热塑性变形，发生完全动态再结晶，形成均匀、细小的等轴晶组织；TMAZ经受的塑性变形和热作用程度均小于SZ，但由于镁合金层错能较低，也会发生部分动态再结晶；HAZ没有受到搅拌作用，因此不会发生塑性变形，但在焊接热循环作用下可能会发生析出相变化及晶粒长大。可见，接头组织的演化与动态再结晶行为息息相关。再结晶晶粒的尺寸主要与变形温度及应变速率有关。变形温度越高，越容易发生动态再结晶，但是晶界扩散和晶界迁移的能力增加，因而晶粒容易长大而导致粗化；应变速率越大，位错越容易增殖，使再结晶形核几率增加，但由于来不及发生回复，晶粒生长受到抑制，因而晶粒容易细化。因此，针对镁合金的搅拌摩擦焊，搅拌头转速以及焊接速度的选择也是影响质量的主要因素之一。
国内外许多高校、科研院所和生产企业都开展了镁合金薄板的搅拌摩擦焊接研究，且研究主要集中在带倾角搅拌摩擦焊接方法，例如，梁汉优等人在期刊文献“AZ31镁合金搅拌摩擦对接焊接头性能及组织分析”中提到了采用搅拌摩擦进行镁合金板的焊接，其中采用倾角2.5°，虽然该焊接方案也能得到成型良好的接头，但是，倾角的存在极易因工艺参数选择不当而造成焊缝减薄，而且焊接工艺参数选择的合理性直接影响焊缝成型和焊接接头质量。因此，对于抑制焊缝减薄以获得焊接接头质量良好的镁合金薄板无倾角搅拌摩擦焊接方法的研究极为迫切，并基于该方法开展搅拌头几何形貌、转速、焊速和下压量等主要焊接工艺参数的研究对于拓展镁合金薄板焊接加工方法和推动镁合金焊接结构件应用具有重要的实用价值。
发明内容
为了解决带倾角搅拌摩擦焊接镁合金薄板时，因焊缝减薄而导致焊接接头力学性能低下的问题，以及传统熔焊方法焊接镁合金薄板时，易在焊缝区形成气孔、裂纹和变形等问题，本发明提供了一种AZ31镁合金薄板无倾角搅拌摩擦焊接方法及搅拌头。
在搅拌摩擦焊接中，不同搅拌头焊接倾角、轴肩内凹角及搅拌针几何形状、搅拌头转速、焊接速度等对材料搅拌摩擦焊接质量都有较大影响，在模拟研究中发现搅拌头的旋转及移动会对焊件网格造成过度扭曲，因此，针对镁合金的无倾角焊接，搅拌头的设计以及焊接中压力施加都会对最终质量产生很大影响，本发明针对镁合金的搅拌摩擦焊，通过大量实验设计得出了无倾角搅拌摩擦焊接AZ31镁合金薄板的较优的工艺参数。本发明提供的技术方案在于：
一种AZ31镁合金薄板无倾角搅拌摩擦焊接方法，包括如下步骤：
(1)对AZ31镁合金待焊接对接面进行机械磨抛，然后依次采用丙酮、无水乙醇和去离子水清洗，再用吹风机快速干燥；
(2)将步骤(1)干燥后的AZ31镁合金刚性固定在搅拌摩擦焊机垫板上；
(3)采用无倾角搅拌摩擦焊接搅拌头对AZ31镁合金待焊接对接面进行单道次无倾角搅拌摩擦焊接处理；
所述无倾角搅拌摩擦焊接搅拌头包括：
夹持部，其呈圆柱状；
轴肩，其呈圆台状，所述轴肩的下底面与所述夹持部端面同圆心固定连接，所述轴肩下底面半径大于所述夹持部端面半径，且所述轴肩的上底面上均匀设置有不少于三条螺旋线沟槽；
搅拌针，其呈圆台状，表面无螺纹沟槽，所述搅拌针的下底面与所述轴肩的上底面同圆心固定连接。
优选地，所述板材为厚度为1～3mm的AZ31镁合金薄板。
优选地，搅拌头转速为1600～4800rpm，焊接速度为50～200mm/min，下压量为0.1～0.2mm。
优选地，所述轴肩的上底面呈凹台状，所述凹台的向内倾斜角度为4°≤α≤6°，所述轴肩的上底面直径为8～12mm。
优选地，所述搅拌针的下底面直径为3～5mm，所述搅拌针的上底面直径为2～4mm，所述搅拌针的长度为0.85～2.7mm。
优选地，所述螺旋线沟槽宽度为1～2mm，深度为0.5～1.5mm。
优选地，所述轴肩的上底面边缘处设置有倒圆角，所述倒圆角的半径为0.5～1.5mm，该倒圆角有利于抑制加工区域弧纹过深，提高加工质量。
优选地，所述搅拌针的下底面与所述轴肩的上底面连接处呈圆角过度，所述圆角的半径为0.5～1.5mm，能有效缓解搅拌针根部的应力集中而避免发生折断，提高搅拌针的使用寿命。
最优选地，无倾角搅拌摩擦焊接搅拌头转速为4000rpm，焊接速度为50mm/min，下压量为0.1mm，所述轴肩的上底面凹台的向内倾斜角度为5°，轴肩直径为12mm，所述搅拌针的下底面直径为4mm，所述搅拌针的上底面直径为3mm，所述搅拌针的长度为1.85mm，所述螺旋线沟槽宽度为1.5mm，深度为1mm。
此外，本发明还提供了一种用于前述AZ31镁合金薄板无倾角搅拌摩擦焊接方法的无倾角搅拌摩擦焊接搅拌头，所述搅拌头的轴肩上底面呈凹台状，且设置有不少于三条螺旋线沟槽，所述轴肩的上底面凹台的向内倾斜角度为5°，轴肩直径为12mm，所述搅拌针的下底面直径为4mm，所述搅拌针的上底面直径为3mm，所述搅拌针的长度为1.85mm，所述螺旋线沟槽宽度为1.5mm，深度为1mm。
本发明方法的原理：利用无倾角搅拌摩擦焊接过程中，搅拌头与被焊工件之间产生的摩擦热和塑性金属变形热的共同作用下使得被焊区域材料发生塑性软化，软化材料随搅拌头旋转运动，从前进侧经后退侧绕流回填在搅拌头后方沉积并挤压成型为焊缝，内凹轴肩与被焊材料之间形成的密闭空腔可有效存储搅拌头旋转运动扎入被焊板材而挤压外流的塑性材料，三螺旋线型沟槽不仅增加摩擦表面，还有助于塑性金属的水平绕流，有效促进被加工区域的塑性金属材料向加工区域中心流动，减小飞边，达到抑制焊缝减薄的目的。
本发明的有益技术效果在于：
1、采用无倾角搅拌摩擦焊设计，在焊接焊缝时，焊缝转弯处不需要调节搅拌头角度，减少一道焊接工序，同时避免搅拌头调节倾角过程形成的组织缺陷，不必在设备上设置倾角调节机构，降低焊接设备复杂性。
2、采用内凹轴肩设计，内凹轴肩与被焊材料之间形成的密闭空腔可有效存储搅拌头旋转运动扎入被焊板材而挤压外流的塑性材料，避免加工区厚度减薄。
3、设置三螺旋线型沟槽，三螺旋线型沟槽不仅增加摩擦表面，还有助于塑性金属的水平绕流，有效促进被加工区域的塑性金属材料向加工区域中心流动，减小飞边，且达到抑制焊缝减薄的目的。
4、配合选择焊接搅拌头转速、焊接速度、搅拌针长度及直径、下压量等参数设置，通过选择合理的无倾角搅拌摩擦焊接工艺参数，并从中优选，得出较优的参数选择，使得得到的镁合金薄板焊接接头成型美观，焊缝减薄轻微，表面和背部无缺陷，焊后板材无变形，焊缝内部无缺陷；且焊态下焊接接头最大抗拉强度可达母材的97.8％，很好地实现了AZ31镁合金薄板无倾角搅拌摩擦焊接。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
附图1为本发明中无倾角搅拌摩擦加工用搅拌头结构的主视图；
附图2为本发明中无倾角搅拌摩擦加工用搅拌头结构的左视图；
附图3为本发明中无倾角搅拌摩擦加工用搅拌头的轴肩和搅拌针的剖视图。
附图说明：1-搅拌针，2-轴肩，3-夹持部，4-螺旋线沟槽。
具体实施方式
以下将参照附图，通过实施例方式详细地描述本发明的技术方案。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。
应该理解，说明书通篇中提到的“一个实施例”或“本实施例”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本申请的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“一个实施例”或“本实施例”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定的特征、结构或特性可以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。
本文中术语“至少一种”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和B的至少一种，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。
实施例1：
步骤1：对1mm厚商用AZ31镁合金轧制板材待焊接对接面进行机械磨抛，依次用丙酮、无水乙醇和去离子水清洗，用吹风机快速吹干；
步骤2：将步骤(1)干燥后的AZ31镁合金刚性固定在搅拌摩擦焊机垫板上；
步骤3：采用无倾角搅拌摩擦焊接搅拌头对AZ31镁合金待焊接对接面进行单道次无倾角搅拌摩擦焊接处理；
其所采用的无倾角搅拌摩擦焊接搅拌头参见图1-3所示，包括：
夹持部3，其呈圆柱状；
轴肩2，其呈圆台状，轴肩2的下底面与所述夹持部3端面同圆心固定连接，轴肩2的上底面呈凹台状，该凹台的向内倾斜角度为4°，轴肩2的上底面边缘处还设置有倒圆角，倒圆角的半径为0.5mm，轴肩的上底面直径为8mm，该轴肩2下底面半径大于所述夹持部3端面半径，且轴肩2的上底面上均匀设置有不少于三条螺旋线沟槽，螺旋线沟槽4宽度为1mm，深度为0.5mm。
搅拌针1，其呈圆台状，表面无螺纹沟槽，以利于被加工区域塑性金属在厚度方向的流动，改善均匀性，搅拌针1的下底面与轴肩2的上底面同圆心固定连接，搅拌针1的下底面与轴肩2的上底面连接处呈圆角过度，圆角的半径为0.5mm，搅拌针1的下底面直径为3mm，搅拌针1的上底面直径为2mm，搅拌针1的长度为0.85mm。
采用上述无倾角搅拌摩擦焊接搅拌头对AZ31镁合金待焊接对接面进行单道次无倾角搅拌摩擦焊接处理，使无倾角搅拌摩擦焊接搅拌头转速为1600rpm，焊接速度为50mm/min，下压量为0.1mm进行焊接。
实施例2
步骤1：对3mm厚商用AZ31镁合金轧制板材待焊接对接面进行机械磨抛，依次用丙酮、无水乙醇和去离子水清洗，用吹风机快速吹干；
步骤2：将步骤(1)干燥后的AZ31镁合金刚性固定在搅拌摩擦焊机垫板上；
步骤3：采用无倾角搅拌摩擦焊接搅拌头对AZ31镁合金待焊接对接面进行单道次无倾角搅拌摩擦焊接处理；
其所采用的无倾角搅拌摩擦焊接搅拌头参见图1-3所示，包括：
夹持部3，其呈圆柱状；
轴肩2，其呈圆台状，轴肩2的下底面与所述夹持部3端面同圆心固定连接，轴肩2的上底面呈凹台状，该凹台的向内倾斜角度为6°，轴肩2的上底面边缘处还设置有倒圆角，倒圆角的半径为1.5mm，轴肩的上底面直径为10mm，该轴肩2下底面半径大于所述夹持部3端面半径，且轴肩2的上底面上均匀设置有不少于三条螺旋线沟槽，螺旋线沟槽4宽度为2mm，深度为1.5mm。
搅拌针1，其呈圆台状，表面无螺纹沟槽，搅拌针1的下底面与轴肩2的上底面同圆心固定连接，搅拌针1的下底面与轴肩2的上底面连接处呈圆角过度，圆角的半径为1.5mm，搅拌针1的下底面直径为5mm，搅拌针1的上底面直径为4mm，搅拌针1的长度为2.7mm。
采用上述无倾角搅拌摩擦焊接搅拌头对AZ31镁合金待焊接对接面进行单道次无倾角搅拌摩擦焊接处理，使无倾角搅拌摩擦焊接搅拌头转速为4800rpm，焊接速度为200mm/min，下压量为0.2mm进行焊接。
实施例3
步骤1：对2mm厚商用AZ31镁合金轧制板材待焊接对接面进行机械磨抛，依次用丙酮、无水乙醇和去离子水清洗，用吹风机快速吹干；
步骤2：将步骤(1)干燥后的AZ31镁合金刚性固定在搅拌摩擦焊机垫板上；
步骤3：采用无倾角搅拌摩擦焊接搅拌头对AZ31镁合金待焊接对接面进行单道次无倾角搅拌摩擦焊接处理；
其所采用的无倾角搅拌摩擦焊接搅拌头参见图1-3所示，包括：
夹持部3，其呈圆柱状；
轴肩2，其呈圆台状，轴肩2的下底面与所述夹持部3端面同圆心固定连接，轴肩2的上底面呈凹台状，该凹台的向内倾斜角度为4°，轴肩2的上底面边缘处还设置有倒圆角，倒圆角的半径为0.5mm，轴肩的上底面直径为8mm，该轴肩2下底面半径大于所述夹持部3端面半径，且轴肩2的上底面上均匀设置有不少于三条螺旋线沟槽，螺旋线沟槽4宽度为1.5mm，深度为1mm。
搅拌针1，其呈圆台状，表面无螺纹沟槽，搅拌针1的下底面与轴肩2的上底面同圆心固定连接，搅拌针1的下底面与轴肩2的上底面连接处呈圆角过度，圆角的半径为0.5mm，搅拌针1的下底面直径为3mm，搅拌针1的上底面直径为2mm，搅拌针1的长度为1.85mm。
采用上述无倾角搅拌摩擦焊接搅拌头对AZ31镁合金待焊接对接面进行单道次无倾角搅拌摩擦焊接处理，使无倾角搅拌摩擦焊接搅拌头转速为1600rpm，焊接速度为50mm/min，下压量为0.1mm进行焊接。
实施例4
步骤1：对2mm厚商用AZ31镁合金轧制板材待焊接对接面进行机械磨抛，依次用丙酮、无水乙醇和去离子水清洗，用吹风机快速吹干；
步骤2：将步骤(1)干燥后的AZ31镁合金刚性固定在搅拌摩擦焊机垫板上；
步骤3：采用无倾角搅拌摩擦焊接搅拌头对AZ31镁合金待焊接对接面进行单道次无倾角搅拌摩擦焊接处理；
其所采用的无倾角搅拌摩擦焊接搅拌头参见图1-3所示，包括：
夹持部3，其呈圆柱状；
轴肩2，其呈圆台状，轴肩2的下底面与所述夹持部3端面同圆心固定连接，轴肩2的上底面呈凹台状，该凹台的向内倾斜角度为5°，轴肩2的上底面边缘处还设置有倒圆角，倒圆角的半径为1mm，轴肩的上底面直径为8mm，该轴肩2下底面半径大于所述夹持部3端面半径，且轴肩2的上底面上均匀设置有不少于三条螺旋线沟槽，螺旋线沟槽4宽度为1.5mm，深度为1mm。
搅拌针1，其呈圆台状，表面无螺纹沟槽，搅拌针1的下底面与轴肩2的上底面同圆心固定连接，搅拌针1的下底面与轴肩2的上底面连接处呈圆角过度，圆角的半径为1mm，搅拌针1的下底面直径为4mm，搅拌针1的上底面直径为3mm，搅拌针1的长度为1.85mm。
采用上述无倾角搅拌摩擦焊接搅拌头对AZ31镁合金待焊接对接面进行单道次无倾角搅拌摩擦焊接处理，使无倾角搅拌摩擦焊接搅拌头转速为4000rpm，焊接速度为50mm/min，下压量为0.1mm进行焊接。
实施例5
步骤1：对2mm厚商用AZ31镁合金轧制板材待焊接对接面进行机械磨抛，依次用丙酮、无水乙醇和去离子水清洗，用吹风机快速吹干；
步骤2：将步骤(1)干燥后的AZ31镁合金刚性固定在搅拌摩擦焊机垫板上；
步骤3：采用无倾角搅拌摩擦焊接搅拌头对AZ31镁合金待焊接对接面进行单道次无倾角搅拌摩擦焊接处理；
其所采用的无倾角搅拌摩擦焊接搅拌头参见图1-3所示，包括：
夹持部3，其呈圆柱状；
轴肩2，其呈圆台状，轴肩2的下底面与所述夹持部3端面同圆心固定连接，轴肩2的上底面呈凹台状，该凹台的向内倾斜角度为6°，轴肩2的上底面边缘处还设置有倒圆角，倒圆角的半径为1.5mm，轴肩的上底面直径为12mm，该轴肩2下底面半径大于所述夹持部3端面半径，且轴肩2的上底面上均匀设置有不少于三条螺旋线沟槽，螺旋线沟槽4宽度为1.5mm，深度为1mm。
搅拌针1，其呈圆台状，表面无螺纹沟槽，搅拌针1的下底面与轴肩2的上底面同圆心固定连接，搅拌针1的下底面与轴肩2的上底面连接处呈圆角过度，圆角的半径为1.5mm，搅拌针1的下底面直径为5mm，搅拌针1的上底面直径为4mm，搅拌针1的长度为1.85mm。
采用上述无倾角搅拌摩擦焊接搅拌头对AZ31镁合金待焊接对接面进行单道次无倾角搅拌摩擦焊接处理，使无倾角搅拌摩擦焊接搅拌头转速为2400rpm，焊接速度为50mm/min，下压量为0.1mm进行焊接。
实施例6
步骤1：对2mm厚商用AZ31镁合金轧制板材待焊接对接面进行机械磨抛，依次用丙酮、无水乙醇和去离子水清洗，用吹风机快速吹干；
步骤2：将步骤(1)干燥后的AZ31镁合金刚性固定在搅拌摩擦焊机垫板上；
步骤3：采用无倾角搅拌摩擦焊接搅拌头对AZ31镁合金待焊接对接面进行单道次无倾角搅拌摩擦焊接处理；
其所采用的无倾角搅拌摩擦焊接搅拌头参见图1-3所示，包括：
夹持部3，其呈圆柱状；
轴肩2，其呈圆台状，轴肩2的下底面与所述夹持部3端面同圆心固定连接，轴肩2的上底面呈凹台状，该凹台的向内倾斜角度为5°，轴肩2的上底面边缘处还设置有倒圆角，倒圆角的半径为1mm，轴肩的上底面直径为12mm，该轴肩2下底面半径大于所述夹持部3端面半径，且轴肩2的上底面上均匀设置有不少于三条螺旋线沟槽，螺旋线沟槽4宽度为1.5mm，深度为1mm。
搅拌针1，其呈圆台状，表面无螺纹沟槽，搅拌针1的下底面与轴肩2的上底面同圆心固定连接，搅拌针1的下底面与轴肩2的上底面连接处呈圆角过度，圆角的半径为1mm，搅拌针1的下底面直径为4mm，搅拌针1的上底面直径为3mm，搅拌针1的长度为1.85mm。
采用上述无倾角搅拌摩擦焊接搅拌头对AZ31镁合金待焊接对接面进行单道次无倾角搅拌摩擦焊接处理，使无倾角搅拌摩擦焊接搅拌头转速为4000rpm，焊接速度为50mm/min，下压量为0.1mm进行焊接。
实施例7(带倾角最佳倾角3.5°)
步骤1：对2mm厚商用AZ31镁合金轧制板材待焊接对接面进行机械磨抛，依次用丙酮、无水乙醇和去离子水清洗，用吹风机快速吹干；
步骤2：将步骤(1)干燥后的AZ31镁合金刚性固定在搅拌摩擦焊机垫板上；
步骤3：采用现有倾角为3.5°的搅拌摩擦焊接搅拌头对AZ31镁合金待焊接对接面进行单道次无倾角搅拌摩擦焊接处理；
所用带倾角的搅拌摩擦焊接搅拌头转速为4000rpm，焊接速度为50mm/min，下压量为0.1mm，搅拌头轴肩为内凹型圆台，圆台表面均布三条螺旋线沟槽，内凹角度为5°，轴肩直径为12mm，搅拌针为圆台形，针长1.85mm，搅拌针的下底面直径为4mm，搅拌针的上底面直径为3mm。
以常用的2mm厚商用AZ31镁合金轧制板材焊接为例，在整个焊接过程完毕后，沿垂直于焊接方向加工3个拉伸试样进行拉伸试验，焊接接头拉伸试样依据ASTM-E8进行加工，对实施例3～7其焊接后的焊接接头进行力学性能对比，测试数据参见下表1-2，其中3#、4#、5#、6#、7#分别对应于本发明的实施例3～7，其中实施例7为采用带倾角的搅拌摩擦焊接搅拌头且与实施例6相同焊接工艺参数焊接后的焊接接头力学性能。
表1轴肩直径为8mm焊接接头力学性能
表2轴肩直径为12mm焊接接头力学性能
注：表1、2中抗拉强度、屈服强度、断后延伸率和接头系数分别为3#板材焊接接头3个拉伸试样、4#板材焊接接头3个拉伸试样、5#板材焊接接头3个拉伸试样和6#板材焊接接头3个拉伸试样及7#板材焊接接头3个拉伸试样的平均值。
测试结果表明，从最终焊接头力学性能测试来看，采用本发明实施例6的无倾角搅拌摩擦焊接方法焊接的焊接头的焊接性能最好，其抗拉强度、屈服强度、断后延伸率和接头系数均高于其它实施例，且相同焊接工艺条件下大大高于对比例(实施例7)带倾角的搅拌摩擦焊接方法。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，本文所示的实施例提供了足够详细地描述以使本领域技术人员能够实践公开的教导。根据本发明所示的实施例还可以派生出其他实施例，并在不脱离本发明的范围的条件下进行逻辑替换以及改变。因此，具体实施方式不应被视为具有限制意义，并且各种实施例的范围仅由所附权利要求以及这些权利要求所享有的等同物的全部范围来限定。
Claims (10)
1.一种AZ31镁合金薄板无倾角搅拌摩擦焊接方法，包括如下步骤：
(1)对AZ31镁合金待焊接对接面进行机械磨抛，然后依次采用丙酮、无水乙醇和去离子水清洗，再用吹风机快速干燥；
(2)将步骤(1)干燥后的AZ31镁合金刚性固定在搅拌摩擦焊机垫板上；
(3)采用无倾角搅拌摩擦焊接搅拌头对AZ31镁合金待焊接对接面进行单道次无倾角搅拌摩擦焊接处理；
其特征在于，所述无倾角搅拌摩擦焊接搅拌头包括：
夹持部(3)，其呈圆柱状；
轴肩(2)，其呈圆台状，所述轴肩(2)的下底面与所述夹持部(3)端面同圆心固定连接，所述轴肩(2)下底面半径大于所述夹持部(3)端面半径，且所述轴肩(2)的上底面上均匀设置有不少于三条螺旋线沟槽(4)；
搅拌针(1)，其呈圆台状，表面无螺纹沟槽，所述搅拌针(1)的下底面与所述轴肩(2)的上底面同圆心固定连接。
2.根据权利要求1所述的AZ31镁合金薄板无倾角搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，所述板材为厚度为1～3mm的AZ31镁合金薄板。
3.根据权利要求1所述的AZ31镁合金薄板无倾角搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，搅拌头转速为1600～4800rpm，焊接速度为50～200mm/min，下压量为0.1～0.2mm。
4.根据权利要求1-3任一项所述的AZ31镁合金薄板无倾角搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，所述轴肩(2)的上底面呈凹台状，所述凹台的向内倾斜角度为4°≤α≤6°，所述轴肩的上底面直径为8～12mm。
5.根据权利要求4所述的AZ31镁合金薄板无倾角搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，所述搅拌针(1)的下底面直径为3～5mm，所述搅拌针(1)的上底面直径为2～4mm，所述搅拌针(1)的长度为0.85～2.7mm。
6.根据权利要求1-3任一项所述的AZ31镁合金薄板无倾角搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，所述螺旋线沟槽(4)宽度为1～2mm，深度为0.5～1.5mm。
7.根据权利要求1-3任一项所述的AZ31镁合金薄板无倾角搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，所述轴肩(2)的上底面边缘处设置有倒圆角，所述倒圆角的半径为0.5～1.5mm。
8.根据权利要求1-3任一项所述的AZ31镁合金薄板无倾角搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，其特征在于，所述搅拌针(1)的下底面与所述轴肩(2)的上底面连接处呈圆角过度，所述圆角的半径为0.5～1.5mm。
9.据权利要求5所述的AZ31镁合金薄板无倾角搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：无倾角搅拌摩擦焊接搅拌头转速为4000rpm，焊接速度为50mm/min，下压量为0.1mm，所述轴肩(2)的上底面凹台的向内倾斜角度为5°，轴肩直径为12mm，所述搅拌针(1)的下底面直径为4mm，所述搅拌针(1)的上底面直径为3mm，所述搅拌针(1)的长度为1.85mm，所述螺旋线沟槽(4)宽度为1.5mm，深度为1mm。
10.一种用于权利要求1-9任一项所述的AZ31镁合金薄板无倾角搅拌摩擦焊接方法的无倾角搅拌摩擦焊接搅拌头，其特征在于，所述搅拌头的轴肩(2)上底面呈凹台状，且设置有不少于三条螺旋线沟槽(4)，所述轴肩(2)的上底面凹台的向内倾斜角度为5°，轴肩直径为12mm，所述搅拌针(1)的下底面直径为4mm，所述搅拌针(1)的上底面直径为3mm，所述搅拌针(1)的长度为1.85mm，所述螺旋线沟槽(4)宽度为1.5mm，深度为1mm。
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