CN110052700A - 轻合金厚截面接头的增材搅拌摩擦连接工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种轻合金厚截面接头的单面和双面增材搅拌摩擦连接工艺，其首先在接头接合处加工出具有连续阶梯状“V”型或“X”型坡口。利用搅拌摩擦点焊进行第一层对接缝的点固，焊点间距约20～50mm；以转速200～1000rpm、焊速300～1000mm/min、搅拌头倾角为1.5°进行第一层焊接；而后加入与台阶等宽等高的填充料板材，采用搅拌摩擦点焊进行填料板与台阶边缘的固定焊，之后以转速4000～10000rpm、焊速2500～4500mm/min、搅拌头倾角为0°的参数进行第二层面的搅拌摩擦加工。重复上述步骤，直至实现整个厚截面的无缺陷焊合。

Description

轻合金厚截面接头的增材搅拌摩擦连接工艺
技术领域
本发明涉及金属材料焊接领域，特别涉及轻合金厚截面接头的增材搅拌摩擦连接工艺。
背景技术
随着汽车制造、轨道交通、航空航天以及海洋工程等领域中对金属结构轻量化的需求不断增加，铝合金及铝基复合材料、镁合金及镁基复合材料、钛合金及钛基复合材料等轻金属结构的应用也越来越广泛。目前，厚截面金属构件的连接方法主要有窄间隙氩弧焊、电子束焊、变极性等离子弧焊、激光焊以及电渣焊等，其本质上都属于熔化焊方法。由于这些轻金属具有高的化学活性，极易在焊接过程中发生氧化，并产生气孔、裂纹等冶金缺陷，使得这些轻合金的焊接一直是该领域的技术难题。
搅拌摩擦焊是一种先进的固相连接技术，是焊接轻合金的首选焊接方法。现有轻合金厚截面接头的搅拌摩擦焊工艺都是采用单面或双面焊，需要采用大尺寸、具有特殊形状设计的搅拌头，以及大型搅拌摩擦焊设备，且随板厚的增加极易在焊接中发生搅拌头断裂的风险。此外，受被焊截面尺寸限制，搅拌头转速和焊接速度很低，不仅焊接效率低，更重要的是热影响区软化或组织粗大问题突出。上述问题严重制约了搅拌摩擦焊技术在轻金属厚截面结构焊接中的应用。发明专利(103624398A)中提及的低热输入高强铝合金厚板焊接方法，主要是为减小焊接热输入而采用相对较小的焊接参数范围，导致整体焊接生产效率较低，且主要针对高强铝合金这类热处理强化型合金适用。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种轻合金厚截面接头的增材搅拌摩擦连接工艺。本发明针对对接和角接接头两种情况，在被焊接头处加工出“V”型或“X”型具有连续阶梯形状的坡口，而后采用超高速转速下的多层多道增材搅拌摩擦加工方法将与母材同质的材料填入坡口中，直至整个接头横截面完全填充焊合，实现了轻合金厚截面接头的连接。
为实现上述目的，本发明是根据以下技术方案实现的：
一种轻合金厚截面接头的单面增材搅拌摩擦连接工艺，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：将截面厚度大于20mm的轻合金对接或角接连接的端面加工出“V”型坡口形状，同时要求所有坡口边都加工出连续阶梯形状；
步骤S2：焊接前采用搅拌摩擦点焊方法点固被焊接头，焊点间距约为20～50mm；采用转速为200～1000rpm、焊速为300～1000mm/min、搅拌头倾角为1.5°的参数对接头两侧对齐后的第一道接缝进行第一层焊接；
步骤S3：将与坡口台阶等宽和等高的填充金属板材放入刚焊好的台阶中，采用可回抽搅拌摩擦点焊方法，按步骤S2中焊点间隔要求将金属板与台阶边缘焊在一起；
步骤S4：采用转速为4000～10000rpm、焊速为2500～4500mm/min、搅拌头倾角为0°的参数进行第二层台阶面的搅拌摩擦加工，加工道次和相邻两道加工区搭接尺寸应保证在台阶厚度方向与底侧平台完全焊合；
步骤S5：重复上述步骤直至整个坡口台阶平面被完全填充，最终实现厚截面的无孔洞缺陷连接。
本发明还提供了一种轻合金厚截面接头的双面增材搅拌摩擦连接工艺，包括如下步骤：
步骤S1：将截面厚度大于20mm的轻合金对接的端面加工出“X”型坡口形状，同时要求所有坡口边都加工出连续阶梯形状；
步骤S2：焊接前，首先在“X”型坡口的一侧采用搅拌摩擦点焊方法点固被焊接头，焊点间距约为20～50mm，随后采用同样的方法及焊点间距对“X”型坡口的另一侧也进行点固，其中“X”型坡口的一侧和另一侧分别是指待焊板材的正面和背面；
步骤S3：在待焊板材的正面采用转速为200～1000rpm、焊速为300～1000mm/min、搅拌头倾角为1.5°的参数对接头两侧对齐后的第一道接缝进行第一层焊接，随后采用同样的参数从待焊板材背面对该接缝进行焊接，以使第一道接缝彻底焊透；
步骤S4：将与坡口台阶等宽和等高的同材质填充金属板材从待焊板材正面放入刚焊好的台阶中，采用可回抽搅拌摩擦点焊方法，按照步骤S2中焊点间隔要求将填充金属板与台阶边缘焊在一起；
步骤S5：采用转速为4000～10000rpm、焊速为2500～4500mm/min、搅拌头倾角为0°的参数在待焊板材正面进行第二层台阶面的搅拌摩擦加工，加工道次和相邻两道次加工区区搭接尺寸应保证在台阶厚度方向与底侧平台完全焊合；
步骤S6：将同样与坡口台阶等宽等高的同材质填充金属板材放入到待焊板材背面的台阶中，采用步骤S4中同样的方法及焊点间距将填充金属板与台阶边缘焊在一起；
步骤S7：采用与步骤S5同样的参数从待焊板材背面对第二层台阶面进行搅拌摩擦加工，将填充板材与底侧平台在台阶厚度方向完全焊合；
步骤S8：重复步骤S4～步骤S7，采用正反两面交替加工的方式进行焊接，直至整个坡口台阶平面被完全填充，最终实现厚截面的无孔洞缺陷连接。
上述技术方案中，所述轻合金为铝合金、铝基复合材料、镁合金、镁基复合材料、钛合金、或钛基复合材料。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
本发明采用增材搅拌摩擦加工实现厚截面接头的连接，不仅设备小型化、投资小，同时搅拌头形状简单、容易制造且寿命长。
此外，本发明采用多层多道增材搅拌摩擦加工方法，可以显著改善原有大搅拌头一次性焊接时的组织缺陷，并且可以避免厚截面接头一次性焊接时金属流动不足产生的成形缺陷。
另外，本发明的超高转速下的加工区横截面积至少是传统低转速下的2～3倍，进而可减少每层的加工道次，提高加工速度，提升整体加工效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
图1(a)和图1(b)分别为“V”型对接接头增材搅拌摩擦连接前后示意图；
图2(a)和图2(b)分别为“X”型对接接头增材搅拌摩擦连接前后示意图；
图3(a)和图3(b)分别为“V”型角接接头增材搅拌摩擦连接前后示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
本发明的一种轻合金厚截面接头的单面增材搅拌摩擦连接工艺，包括如下步骤：
步骤S1：将截面厚度大于20mm的轻合金对接或角接连接的端面加工出“V”型坡口形状，同时要求所有坡口边都加工出连续阶梯形状；
步骤S2：焊接前采用搅拌摩擦点焊方法点固被焊接头，焊点间距约为20～50mm；采用转速为200～1000rpm、焊速为300～1000mm/min、搅拌头倾角为1.5°的参数对接头两侧对齐后的第一道接缝进行第一层焊接；
步骤S3：将与坡口台阶等宽和等高的填充金属板材放入刚焊好的台阶中，采用可回抽搅拌摩擦点焊方法，按步骤S2中焊点间隔要求将金属板与台阶边缘焊在一起；
步骤S4：采用转速为4000～10000rpm、焊速为2500～4500mm/min、搅拌头倾角为0°的参数进行第二层台阶面的搅拌摩擦加工，加工道次和相邻两道加工区搭接尺寸应保证在台阶厚度方向与底侧平台完全焊合；
步骤S5：重复上述步骤直至整个坡口台阶平面被完全填充，最终实现厚截面的无孔洞缺陷连接。
本发明的一种轻合金厚截面接头的双面增材搅拌摩擦连接工艺，包括如下步骤：
步骤S1：将截面厚度大于20mm的轻合金对接的端面加工出“X”型坡口形状，同时要求所有坡口边都加工出连续阶梯形状；
步骤S2：焊接前，首先在“X”型坡口的一侧(将此面定义为待焊板材的正面)采用搅拌摩擦点焊方法点固被焊接头，焊点间距约为20～50mm，随后采用同样的方法及焊点间距对“X”型坡口的另一侧(将此面定义为待焊板材的背面)也进行点固；
步骤S3：在待焊板材的正面采用转速为200～1000rpm、焊速为300～1000mm/min、搅拌头倾角为1.5°的参数对接头两侧对齐后的第一道接缝进行第一层焊接，随后采用同样的参数从待焊板材背面对该接缝进行焊接，以使第一道接缝彻底焊透；
步骤S4：将与坡口台阶等宽和等高的同材质填充金属板材从待焊板材正面放入刚焊好的台阶中，采用可回抽搅拌摩擦点焊方法，按照步骤S2中焊点间隔要求将填充金属板与台阶边缘焊在一起；
步骤S5：采用转速为4000～10000rpm、焊速为2500～4500mm/min、搅拌头倾角为0°的参数在待焊板材正面进行第二层台阶面的搅拌摩擦加工，加工道次和相邻两道次加工区区搭接尺寸应保证在台阶厚度方向与底侧平台完全焊合；
步骤S6：将同样与坡口台阶等宽等高的同材质填充金属板材放入到待焊板材背面的台阶中，采用步骤S4中同样的方法及焊点间距将填充金属板与台阶边缘焊在一起；
步骤S7：采用与步骤S5同样的参数从待焊板材背面对第二层台阶面进行搅拌摩擦加工，将填充板材与底侧平台在台阶厚度方向完全焊合；
步骤S8：重复步骤S4～步骤S7，采用正反两面交替加工的方式进行焊接，直至整个坡口台阶平面被完全填充，最终实现厚截面的无孔洞缺陷连接。其中，所述轻合金为铝合金、铝基复合材料、镁合金、镁基复合材料、钛合金、或钛基复合材料。
本发明给出几个具体实施例来说明本发明的连接工艺，具体如下：
实施例1：
所用实验材料为长100mm，宽70mm，厚20mm的6061铝合金板材。采用单面“V”型坡口对接连接，分别在两块板材坡口处加工出尺寸为5mm×5mm的台阶，如示意图1(a)所示。采用回抽式搅拌摩擦点焊按20mm间隔进行底层固定焊，并采用转速为1000rpm、焊速为1000mm/min、搅拌头倾角为1.5°的参数进行底层连接加工。把与第二层台阶等宽和等高的填料板材置于台阶中，采用与底层一样的点焊工艺把填料板材点固。而后进行第二层面的搅拌摩擦加工，搅拌头旋转速度为4000rpm，行进速度为2500mm/min，待第二层与第一层之间完全焊合后，采用相同工艺进行下一层的加工，直至整个接头截面被焊合，如示意图1(b)所示。
实施例2：
所用实验材料为长100mm，宽70mm，厚40mm的6061铝合金板材。采用双面“X”型坡口对接连接，分别在板材坡口处对称加工出尺寸为5mm×5mm的台阶，如示意图2(a)所示。采用回抽式搅拌摩擦点焊按50mm间隔进行底层固定焊，并采用转速为200rpm、焊速为300mm/min、搅拌头倾角为1.5°的参数进行底层连接加工。把与第二层台阶等宽和等高的填料板材置于台阶中，采用与底层一样的点焊工艺，把填料板材点固。而后进行第二层面的搅拌摩擦加工，搅拌头旋转速度为10000rpm，行进速度为4500mm/min，直至第二层与第一层之间完全焊合；而后交替翻转接头并采用相同工艺进行每一侧的加工，直至整个接头截面被焊合，如示意图2(b)所示。
实施例3：
所用实验材料为长100mm，宽70mm，厚30mm的6061铝合金板材。采用“V”型坡口角接连接，分别在两块板材坡口处加工出尺寸为5mm×5mm的台阶，如示意图3(a)所示。采用回抽式搅拌摩擦点焊按35mm间隔进行底层固定焊，并采用转速为800rpm、焊速为600mm/min、搅拌头倾角为1.5°的参数进行低层连接加工。把与第二层台阶等宽和等高的填料板材置于台阶中，采用与底层一样的点焊工艺，把填料板材点固。而后进行第二层面的搅拌摩擦加工，搅拌头旋转速度为6000rpm，行进速度为3500mm/min，待第二层与第一层之间完全焊合后，采用相同工艺进行下一层的加工，直至整个接头截面被焊合，如示意图3(b)所示。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种轻合金厚截面接头的单面增材搅拌摩擦连接工艺，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：将截面厚度大于20mm的轻合金对接或角接连接的端面加工出“V”型坡口形状，同时要求所有坡口边都加工出连续阶梯形状；
步骤S2：焊接前采用搅拌摩擦点焊方法点固被焊接头，焊点间距约为20～50mm；采用转速为200～1000rpm、焊速为300～1000mm/min、搅拌头倾角为1.5°的参数对接头两侧对齐后的第一道接缝进行第一层焊接；
步骤S3：将与坡口台阶等宽和等高的填充金属板材放入刚焊好的台阶中，采用可回抽搅拌摩擦点焊方法，按步骤S2中焊点间隔要求将金属板与台阶边缘焊在一起；
步骤S4：采用转速为4000～10000rpm、焊速为2500～4500mm/min、搅拌头倾角为0°的参数进行第二层台阶面的搅拌摩擦加工，加工道次和相邻两道加工区搭接尺寸应保证在台阶厚度方向与底侧平台完全焊合；
步骤S5：重复上述步骤直至整个坡口台阶平面被完全填充，最终实现厚截面的无孔洞缺陷连接。
2.根据权利要求1所述的单面增材搅拌摩擦连接工艺，其特征在于，所述轻合金为铝合金、铝基复合材料、镁合金、镁基复合材料、钛合金、或钛基复合材料。
3.一种轻合金厚截面接头的双面增材搅拌摩擦连接工艺，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：将截面厚度大于20mm的轻合金对接的端面加工出“X”型坡口形状，同时要求所有坡口边都加工出连续阶梯形状；
步骤S2：焊接前，首先在“X”型坡口的一侧采用搅拌摩擦点焊方法点固被焊接头，焊点间距约为20～50mm，随后采用同样的方法及焊点间距对“X”型坡口的另一侧也进行点固，其中“X”型坡口的一侧和另一侧分别是指待焊板材的正面和背面；
步骤S3：在待焊板材的正面采用转速为200～1000rpm、焊速为300～1000mm/min、搅拌头倾角为1.5°的参数对接头两侧对齐后的第一道接缝进行第一层焊接，随后采用同样的参数从待焊板材背面对该接缝进行焊接，以使第一道接缝彻底焊透；
步骤S4：将与坡口台阶等宽和等高的同材质填充金属板材从待焊板材正面放入刚焊好的台阶中，采用可回抽搅拌摩擦点焊方法，按照步骤S2中焊点间隔要求将填充金属板与台阶边缘焊在一起；
步骤S5：采用转速为4000～10000rpm、焊速为2500～4500mm/min、搅拌头倾角为0°的参数在待焊板材正面进行第二层台阶面的搅拌摩擦加工，加工道次和相邻两道次加工区区搭接尺寸应保证在台阶厚度方向与底侧平台完全焊合；
步骤S6：将同样与坡口台阶等宽等高的同材质填充金属板材放入到待焊板材背面的台阶中，采用步骤S4中同样的方法及焊点间距将填充金属板与台阶边缘焊在一起；
步骤S7：采用与步骤S5同样的参数从待焊板材背面对第二层台阶面进行搅拌摩擦加工，将填充板材与底侧平台在台阶厚度方向完全焊合；
步骤S8：重复步骤S4～步骤S7，采用正反两面交替加工的方式进行焊接，直至整个坡口台阶平面被完全填充，最终实现厚截面的无孔洞缺陷连接。
4.根据权利要求3所述的一种轻合金厚截面接头的双面增材搅拌摩擦连接工艺，其特征在于，所述轻合金为铝合金、铝基复合材料、镁合金、镁基复合材料、钛合金、或钛基复合材料。
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