CN109967855A - 一种抑制焊缝减薄并增厚焊缝的搅拌摩擦焊方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种抑制焊缝减薄并增厚焊缝的搅拌摩擦焊方法，步骤一：焊前清理，先通过机械打磨除去待焊板材表面氧化膜，再采用有机溶剂或清洗剂擦拭待焊板材表面，去除杂物；步骤二：搅拌头与消耗式摩擦头材质和形状的选取，搅拌头的材质和形状根据待焊板材属性和厚度而定；消耗式摩擦头与待焊板材的材质相同，其中，消耗式摩擦头直径大于等于搅拌头的轴肩的直径；步骤三：定位，调整待焊板材相对位置，使搅拌头轴线和消耗式摩擦头轴线正对待焊板材的待焊位置处中心线；其中，消耗式摩擦头设置在搅拌头的正后方；步骤四：焊接。本发明消除焊缝减薄并实现焊缝的增厚，从而显著提高焊缝的服役寿命。

Description

一种抑制焊缝减薄并增厚焊缝的搅拌摩擦焊方法
技术领域
本发明属于搅拌摩擦焊接领域，尤其是涉及一种抑制焊缝减薄并增厚焊缝的搅拌摩擦焊方法。
背景技术
搅拌摩擦焊作为一种新型固相连接技术，目前已在航空航天、高铁和船舶等领域得到了广泛应用。然而，由于其技术固有特性，接头减薄问题难以避免。搅拌摩擦焊接头减薄对接头质量及服役性能带来不良影响。接头减薄一般伴随着飞边的出现，焊缝表面需要进行二次打磨处理，导致生产成本增加和生产效率的降低；焊缝有效承载面积减小，导致接头承载能力降低；焊缝边缘产生应力集中，在疲劳载荷的作用下，导致焊接接头失效。目前，在搅拌摩擦焊的实际生产中，为解决搅拌摩擦焊接头减薄问题，一般在焊前对工件进行预加工，在待焊接区域加工凸台。采用这种方法，虽然可以解决搅拌摩擦焊接头的减薄问题，但是工序繁琐，极大地降低生产效率并增加生产成本。此外，有人提出静止轴肩搅拌摩擦焊焊具，由保持静止的轴肩及旋转的搅拌针组成。焊接过程中，外部静止轴肩可起到阻止材料溢出并对内部旋转搅拌针后方的塑性材料起到“抹”的作用，减小焊缝的减薄；但塑性材料极易挤入静止轴肩与搅拌针间隙，降低搅拌头寿命并难以实现长距离焊缝的焊接。还有人提出零倾角搅拌摩擦焊可有效地避免减薄，但该方法属于零倾角焊接，导致焊接工艺窗口较窄。因此，开发一种新型的搅拌摩擦焊方法消除焊缝减薄并实现焊缝的增厚，从而显著提高焊缝的服役寿命，显得尤为必要和迫切。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种抑制焊缝减薄并增厚焊缝的搅拌摩擦焊方法，利用消耗式摩擦头处理能够消除焊缝减薄并实现焊缝的增厚，从而显著提高焊缝的服役寿命，解决搅拌摩擦焊中焊缝减薄导致飞边出现、有效厚度减薄和应力集中等问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种抑制焊缝减薄并增厚焊缝的搅拌摩擦焊方法，所述方法是通过以下步骤实现：
步骤一：焊前清理，先通过机械打磨除去待焊板材表面氧化膜，再采用有机溶剂或清洗剂擦拭待焊板材表面，去除杂物；
步骤二：搅拌头与消耗式摩擦头材质和形状的选取，搅拌头的材质根据待焊板材属性和厚度而定；消耗式摩擦头与待焊板材的材质相同，其中，消耗式摩擦头直径d1大于等于搅拌头的轴肩的直径d；
步骤三：定位，调整待焊板材相对位置，使搅拌头轴线和消耗式摩擦头轴线正对待焊板材的待焊位置处中心线；其中，消耗式摩擦头设置在搅拌头的正后方，且搅拌头与消耗式摩擦头相距距离为L；
步骤四：焊接，选择合适的焊接和堆焊参数，高速旋转的搅拌头的轴肩以一定的下扎速率扎入板材深度c，并以一定的焊接速度沿焊接方向运动；紧随其后，高速旋转的消耗式摩擦头在一定的轴向压力下以一定的堆焊速度沿焊接方向运动；高速旋转的消耗式摩擦头在摩擦产热及形变产热作用下逐渐达到热塑性状态，同时通过轴向压力作用将软化的堆焊材料焊到搅拌头后方的减薄处，在由弧纹导致的毛化位置形成冶金和机械连接共同作用的结合区，最终修复减薄和弧纹缺陷并增厚h。
进一步的，在步骤三中，当待焊板材厚度t为0.5-3mm时，搅拌头与消耗式摩擦头相距距离L为50-100mm；当待焊板材厚度t为3mm以上时，搅拌头与消耗式摩擦头相距距离L为1-100mm。
进一步的，在步骤四中，搅拌头的焊接参数范围为：下扎速率为1-50mm/min，下扎深度c为0.05-1mm，旋转速度为200-5000r/min，焊接速度为10-1000mm/min。
进一步的，在步骤四中，消耗式摩擦头的堆焊参数范围为：转速为1000-3000r/min，轴向压力为2.0-10.0kN，堆焊速度为0.5-400mm/min。
进一步的，在步骤一中的有机溶剂为酒精或丙酮。
进一步的，所述待焊板材的材质为铝合金、镁合金、钛合金或铜合金。
进一步的，所述待焊板材的材质为铝基复合材料、镁基复合材料、钛基复合材料或铜基复合材料。
进一步的，所述待焊板材的材质为钢、聚合物或聚合物复合材料。
进一步的，所述搅拌头的材质为钢、陶瓷或硬质合金。
相对于现有技术，本发明所述的一种抑制焊缝减薄并增厚焊缝的搅拌摩擦焊方法具有以下优势：
本发明所述的一种抑制焊缝减薄并增厚焊缝的搅拌摩擦焊方法，
一、本发明是利用高速旋转与待焊板材同质材料的消耗式摩擦头与待焊板材之间剧烈摩擦形变产摩擦热，使塑性材料填充减薄区域的一种低温固相修复方法。
二、修复过程中，前方搅拌头产生的弧纹可起到表面毛化作用，增加与消耗式摩擦头的作用面积，避免修复界面缺陷的产生并实现高质量修复。
三、该方法不仅可实现焊缝减薄和弧纹缺陷的消除，而且可实现焊缝及其附近区域的增厚，实现接头的二次强化。
四、该方法是固相连接，无熔化现象，可避免熔焊中的裂纹、气孔、夹渣、应力集中等问题。
五，该方法工序简单，生产效率高，成本低且无需保护气等。
六、该方法可应用于绝大多数有色金属和钢质材料焊接接头的修复，还可用于钢或钛等其他材料的表面涂层防腐蚀等作用。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，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：
图1为本发明实施例所述的一种抑制焊缝减薄并增厚焊缝的搅拌摩擦焊方法的工艺示意图。
附图标记说明：
1-搅拌头，1-1-轴肩，1-2-搅拌针，2-消耗式摩擦头。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1所示，一种抑制焊缝减薄并增厚焊缝的搅拌摩擦焊方法通过以下步骤实现：
步骤一：焊前清理，先通过机械打磨除去待焊板材表面氧化膜，再采用有机溶剂或清洗剂擦拭待焊板材表面，去除油污和金属粉尘等杂物，有机溶剂为酒精或者丙酮等；
步骤二：搅拌头1与消耗式摩擦头2材质和形状的选取，搅拌头1的材质根据待焊板材属性和厚度而定；消耗式摩擦头2与待焊板材的材质相同，其中，消耗式摩擦头2直径d1大于等于搅拌头1的轴肩1-1的直径d；
步骤三：定位，调整待焊板材相对位置，使搅拌头1轴线和消耗式摩擦头2轴线正对待焊板材的待焊位置处中心线；其中，消耗式摩擦头2设置在搅拌头1的正后方，且搅拌头1与消耗式摩擦头2相距距离为L；
步骤四：焊接，选择合适的焊接和堆焊参数，高速旋转的搅拌头1的轴肩1-1以一定的下扎速率扎入板材深度c，并以一定的焊接速度沿焊接方向运动；紧随其后，高速旋转的消耗式摩擦头2在一定的轴向压力下以一定的堆焊速度沿焊接方向运动；高速旋转的消耗式摩擦头2在摩擦产热及形变产热作用下逐渐达到热塑性状态，同时通过轴向压力作用将软化的堆焊材料焊到搅拌头1后方的减薄处，在由弧纹导致的毛化位置形成冶金和机械连接共同作用的结合区，最终修复减薄和弧纹缺陷并增厚h，具体参数可以为：搅拌头1的焊接参数范围为：为了实现不同程度的表面毛化效果，下扎速率为，下扎深度c为0.05-1mm，旋转速度为200-5000r/min，焊接速度为10-1000mm/min；消耗式摩擦头2的堆焊参数范围为：转速为1000-3000r/min，轴向压力为2.0-10.0kN，堆焊速度为：0.5-400mm/min。
在步骤三中，当待焊板材厚度t为0.5-3mm时，为了减小板材焊接变形并降低接头强度损失，搅拌头1与消耗式摩擦头2相距距离L为50-100mm；当待焊板材厚度t为3mm以上时，搅拌头1与消耗式摩擦头2相距距离L为1-100mm。
在步骤二中，搅拌头1的材质为钢、陶瓷或硬质合金，消耗式摩擦头2与待焊板材可以为同种材料，也可是异种合金材料。
本焊接方法不仅可实现铝合金、镁合金、钛合金或铜合金的焊接修复，也可实现铝基复合材料、镁基复合材料、钛基复合材料或铜基复合材料的焊接修复，又可实现钢、聚合物或聚合物复合材料的焊接修复。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种抑制焊缝减薄并增厚焊缝的搅拌摩擦焊方法，其特征在于：所述方法是通过以下步骤实现：
步骤一：焊前清理，先通过机械打磨除去待焊板材表面氧化膜，再采用有机溶剂或清洗剂擦拭待焊板材表面，去除杂物；
步骤二：搅拌头(1)与消耗式摩擦头(2)材质和形状的选取，搅拌头(1)的材质根据待焊板材属性和厚度而定；消耗式摩擦头(2)与待焊板材的材质相同，其中，消耗式摩擦头(2)直径d1大于等于搅拌头(1)的轴肩(1-1)的直径d；
步骤三：定位，调整待焊板材相对位置，使搅拌头(1)轴线和消耗式摩擦头(2)轴线正对待焊板材的待焊位置处中心线；其中，消耗式摩擦头(2)设置在搅拌头(1)的正后方，且搅拌头(1)与消耗式摩擦头(2)相距距离为L；
步骤四：焊接，选择合适的焊接和堆焊参数，高速旋转的搅拌头(1)的轴肩(1-1)以一定的下扎速率扎入板材深度c，并以一定的焊接速度沿焊接方向运动；紧随其后，高速旋转的消耗式摩擦头(2)在一定的轴向压力下以一定的堆焊速度沿焊接方向运动；高速旋转的消耗式摩擦头(2)在摩擦产热及形变产热作用下逐渐达到热塑性状态，同时通过轴向压力作用将软化的堆焊材料焊到搅拌头(1)后方的减薄处，在由弧纹导致的毛化位置形成冶金和机械连接共同作用的结合区，最终修复减薄和弧纹缺陷并增厚h。
2.根据权利要求1所述的一种抑制焊缝减薄并增厚焊缝的搅拌摩擦焊方法，其特征在于：在步骤三中，当待焊板材厚度t为0.5-3mm时，搅拌头(1)与消耗式摩擦头(2)相距距离L为50-100mm；当待焊板材厚度t为3mm以上时，搅拌头(1)与消耗式摩擦头(2)相距距离L为1-100mm。
3.根据权利要求2所述的一种抑制焊缝减薄并增厚焊缝的搅拌摩擦焊方法，其特征在于：在步骤四中，搅拌头(1)的焊接参数范围为：下扎速率为1-50mm/min，下扎深度c为0.05-1mm，旋转速度为200-5000r/min，焊接速度为10-1000mm/min。
4.根据权利要求3所述的一种抑制焊缝减薄并增厚焊缝的搅拌摩擦焊方法，其特征在于：在步骤四中，消耗式摩擦头(2)的堆焊参数范围为：转速为1000-3000r/min，轴向压力为2.0-10.0kN，堆焊速度为0.5-400mm/min。
5.根据权利要求4所述的一种抑制焊缝减薄并增厚焊缝的搅拌摩擦焊方法，其特征在于：在步骤一中的有机溶剂为酒精或丙酮。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的一种抑制焊缝减薄并增厚焊缝的搅拌摩擦焊方法，其特征在于：所述待焊板材的材质为铝合金、镁合金、钛合金或铜合金。
7.根据权利要求1-5中任一项所述的一种抑制焊缝减薄并增厚焊缝的搅拌摩擦焊方法，其特征在于：所述待焊板材的材质为铝基复合材料、镁基复合材料、钛基复合材料或铜基复合材料。
8.根据权利要求1-5中任一项所述的一种抑制焊缝减薄并增厚焊缝的搅拌摩擦焊方法，其特征在于：所述待焊板材的材质为钢、聚合物或聚合物复合材料。
9.根据权利要求1-5中任一项所述的一种抑制焊缝减薄并增厚焊缝的搅拌摩擦焊方法，其特征在于：所述搅拌头(1)的材质为钢、陶瓷或硬质合金。
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