CN110216367B - 一种提高铝合金回填式搅拌摩擦点焊接头强韧性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种提高铝合金回填式搅拌摩擦点焊接头强韧性的方法，属于铝合金焊接技术领域。该方法包括：选取一块铝合金板作为目标铝合金板，在目标铝合金板的搭接区域中心预加工一环形槽或沟槽，并在环形槽或沟槽中加入预设质量的石墨烯，预加工的环形槽的尺寸或沟槽的尺寸与点焊工具相匹配，环形槽的容积或沟槽的容积与石墨烯的体积相匹配；将另一块铝合金板放在目标铝合金板的下方；将目标铝合金板表面的环形槽或沟槽朝向点焊工具，并与点焊工具对齐，然后进行焊接。本方法利用搅拌摩擦加工过程中强烈的塑性流动来使石墨烯获得均匀的分散，从而强化以及韧化接头内部的薄弱区域，从而获得力学性能优异的搅拌摩擦点焊接头。

Description

一种提高铝合金回填式搅拌摩擦点焊接头强韧性的方法

技术领域

本发明属于铝合金焊接技术领域，具体涉及一种提高铝合金回填式搅拌摩擦点焊接头强韧性的方法。

背景技术

回填式搅拌摩擦点焊(Refill friction stir spot welding，RFSSW)是一种固态连接技术，通过搅拌工具的快速旋转产生大量的热以及强烈的塑性变形来使焊接材料局部塑性化。因此这项技术适用于轻金属的连接，如铝合金，镁合金或钛合金。由于该焊接过程不涉及材料的熔化及凝固，因此可以避免传统电阻点焊所带来的凝固缺陷。目前，出于轻量化设计的考虑，铝合金回填式搅拌摩擦点焊技术已经在航空航天和汽车领域得到了广泛的应用。然而，对于回填式搅拌摩擦点焊接头来说，其接头内部钩形缺陷的存在对接头强度具有较大的负面影响。钩形缺陷是由于搅拌工具在抽出时，搅拌工具边缘的两板界面随之向上流动造成的，该缺陷使得接头的完整性大大降低，搭接接头的强度和韧性将显著降低。

改善搅拌摩擦点焊接头中的钩形缺陷可以有效提高点焊接头的力学性能。徐荣正等人提出了一种改善搅拌摩擦搭接接头钩状缺陷的焊接装置及方法(中国专利申请公布号：CN 108838510 A)，通过改进搅拌头以及搅拌电机来减小钩形缺陷。马琳等人提出了在焊接两板之间预置金属中间层，并在焊接过程中施加超声辅助(中国专利申请公布号：CN108296624 A)，通过增加有效接头结合面积，来提升接头总体拉伸强度。

综上所述，现有的改善钩形缺陷的方法主要通过改进搅拌工具以及焊接参数来提升材料流动性，从而减小钩形缺陷，但是操作比较繁杂。

发明内容

本发明提供了一种提高铝合金回填式搅拌摩擦点焊接头强韧性的方法，以提高回填式搅拌摩擦点焊接头的强度和韧性。

为实现上述目的，本发明提供了一种提高铝合金回填式搅拌摩擦点焊接头强韧性的方法，利用回填式搅拌摩擦点焊工具对两块铝合金板进行焊接，所述方法包括：

选取一块铝合金板作为目标铝合金板，在所述目标铝合金板的搭接区域中心预加工一环形槽或沟槽，并在所述环形槽或所述沟槽中加入预设质量的石墨烯，其中，所述搭接区域是指焊接时，所述点焊工具与所述目标铝合金板的接触区域；所述环形槽的尺寸或所述沟槽的尺寸与所述点焊工具相匹配；所述环形槽的容积或所述沟槽的容积与所述石墨烯的体积相匹配；

将另一块铝合金板放在所述目标铝合金板的下方；将所述目标铝合金板表面的环形槽或沟槽朝向所述点焊工具，并与所述点焊工具对齐，然后利用所述点焊工具对所述两块铝合金板进行焊接。

可选的，所述点焊工具包括搅拌针、套筒和轴肩，所述套筒的焊接端面和所述轴肩的焊接端面为圆环形；

所述目标铝合金板的搭接区域中心预加工的槽为环形槽，并且所述环形槽的外径小于或等于所述套筒的外径，所述环形槽的内径大于或等于所述搅拌针的直径。

可选的，所述在所述环形槽中加入预设质量的石墨烯，具体包括：

将石墨烯分散在可挥发溶液中，然后将混有石墨烯的溶液加入到所述环形槽中。

可选的，所述可挥发溶液为乙醇溶液。

可选的，所述混有石墨烯的溶液中石墨烯的质量浓度为0.002-0.01g/mL。

可选的，在所述环形槽中加入混有石墨烯的的乙醇溶液之后，还包括：使用风干设备对所述溶液进行处理，以使所述乙醇挥发。

可选的，所述利用所述点焊工具对所述两块铝合金板进行焊接，具体包括：

所述点焊工具的套筒下扎，下扎深度为所述另一块铝合金板板厚的25％-50％；

待搅拌完成后，所述套筒配合所述搅拌针回抽，并对溢出的基体材料进行回填，所述基体材料是指所述两块铝合金板被焊接时溢出的部分。

可选的，所述石墨烯的预设质量为x，所述目标铝合金板的搭接区域的质量为y，所述石墨烯的质量分数n＝x/(x+y)，所述n满足0＜n≤1％。

可选的，所述在所述环形槽或所述沟槽中加入预设质量的石墨烯的步骤之前，还包括：对所述两块铝合金板进行打磨，并使用乙醇清洗干净。

本发明提供的一种提高铝合金回填式搅拌摩擦点焊接头强韧性的方法，利用搅拌摩擦加工过程中强烈的塑性流动来使石墨烯获得均匀的分散，从而强化以及韧化接头内部的薄弱区域，从而获得力学性能提升的搅拌摩擦点焊接头。本方法可有效提高回填式搅拌摩擦点焊接头的强韧性，受外在焊接条件影响小，可适用的焊接参数范围大，可快速达到接头强度标准，适用于各种厚度的铝合金板搭接接头。

附图说明

图1是本发明提供的一种提高铝合金回填式搅拌摩擦点焊接头强韧性的方法流程图；

图2是本发明提供的一种铝合金板及其上方的环形槽结构示意图；

图3是图2对应仰视图；

图4是本发明提供的一种回填式搅拌摩擦点焊工具及待焊接的铝合金板的结构示意图；

图5是本发明提供的一种焊接后的接头的结构示意图；

图6是图5中A位置的局部放大示意图；

图7是(a)质量分数为0.6％的石墨烯增强铝合金点焊接头的剪切拉伸曲线；

图7是(b)质量分数为0.6％的石墨烯增强铝合金点焊接头的硬度曲线；

图8是含质量分数为0.6％的石墨烯的铝合金回填式搅拌摩擦点焊接头中石墨烯的微观形貌图；

图9是质量分数为0.4％的石墨烯增强铝合金点焊接头的剪切拉伸曲线。

[附图标记说明如下]：

1-轴肩；2-套筒；3-搅拌针；4-环形槽；5-石墨烯；6-钩形缺陷；7-另一块铝合金板；8-目标铝合金板。

具体实施方式

为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图对本发明提出的一种提高铝合金回填式搅拌摩擦点焊接头强韧性的方法作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明提供了一种提高铝合金回填式搅拌摩擦点焊接头强韧性的方法，利用回填式搅拌摩擦点焊工具对两块铝合金板进行焊接，该方法如图1所示，包括以下步骤：

S101：选取一块铝合金板作为目标铝合金板，在目标铝合金板的搭接区域中心加工一环形槽或沟槽，并在环形槽或沟槽中加入预设质量的石墨烯，其中，搭接区域是指焊接时，点焊工具与目标铝合金板的接触区域；环形槽的尺寸或沟槽的尺寸与点焊工具相匹配；环形槽的容积或沟槽的容积与石墨烯的体积相匹配。在实施中，为了方便描述，将加有石墨烯的铝合金板称为目标铝合金板。由于石墨烯体积小，不容易拾取，所以可以把石墨烯分散在其它物质中，然后再把混有石墨烯的物质加入到搭接区域，该其它物质可以是可挥发的液体或者具有粘性的物质。其中，搭接区域是指焊接时，点焊工具与目标铝合金板的接触区域，主要是指点焊工具的头部中的套筒和轴肩与目标铝合金板的接触区域。在目标铝合金板的搭接区域中心需要预加工一环形槽、沟槽或其它形状的槽，用于容纳混有石墨烯的溶液；预加工的环形槽的尺寸或沟槽的尺寸与点焊工具相匹配，这里的相匹配是指点焊工具的套筒尽量能够覆盖环形槽或沟槽，从而防止槽中的石墨烯溢出；预加工的环形槽的容积或沟槽的容积要容得下准备添加的石墨烯。在槽加工之后，可以对两块铝合金板进行打磨，并使用乙醇清洗干净。

S102：将另一块铝合金板放在目标铝合金板的下方；将目标铝合金板表面的环形槽或沟槽朝向点焊工具，并与点焊工具对齐，然后利用点焊工具对两块铝合金板进行焊接。

可选的，焊接时，点焊工具的套筒一步下扎，下扎深度为另一块板厚的25％-50％，待搅拌完成后，套筒配合搅拌针分两次回抽来进行溢出材料的回填。套筒的转速可以为1000-2000转每分钟。

本发明实施例提供的一种提高铝合金回填式搅拌摩擦点焊接头强韧性的方法，利用搅拌摩擦加工过程中强烈的塑性流动来使石墨烯获得均匀的分散，从而强化以及韧化接头内部的薄弱区域，从而获得力学性能提升的搅拌摩擦点焊接头。本方法操作简单、成本低，可以有效提高回填式搅拌摩擦点焊接头的强度和韧性，受外在焊接条件影响小，可适用的焊接参数范围大，可快速达到接头强度标准，适用于各种厚度的铝合金板搭接接头。

目前的点焊工具的结构如图4所示，其包括轴肩1、套筒2，和搅拌针3，套筒2的焊接端面和轴肩1的焊接端面为圆环形。所以，槽的形状设置为圆环形，并且槽的外径小于或等于套筒2的外径，槽的内径大于或等于搅拌针3的内径，以防止槽中的石墨烯溢出。

可选的，为了方便添加石墨烯，并且使石墨烯均匀的分散，可以把石墨烯分散在乙醇或其它可挥发溶液中。分散有石墨烯的乙醇溶液中石墨烯的质量浓度可以为0.002-0.01g/mL。在槽中加入混有石墨烯的乙醇溶液后，可以通过风干设备对乙醇进行干燥。

可选的，添加的石墨烯的预设质量为x，目标铝合金板的搭接区域的质量为y，石墨烯的质量分数n＝x/(x+y)，所述n满足0＜n≤1％。在实际焊接中，可以根据不同的焊接要求，确定石墨烯的质量分数。

下面结合两个实施例，对本发明进行进一步的说明。

实施例一

焊接板材为AA2014-O铝合金，其试样尺寸为75mm×25mm×2mm，添加质量分数为0.6％的石墨烯，制备强韧化的铝合金搅拌摩擦点焊焊接接头步骤如下：

a、取两块铝合金板，使用无水乙醇清洗铝合金表面，然后进行干燥，并用铣床在铝合金板上铣出一个环形槽，环形槽外径为9mm，内径为6mm，槽深为0.3mm，槽的中心位于铝合金板的中心线上以便焊接，之后进行打磨处理，加工有环形槽的铝合金板如图2和图3所示；

b、准备好经化学剥离法得到的石墨烯、滴管、砂纸、量筒、乙醇、烧杯；在烧杯中按照0.1g:10mL的固液配比将石墨烯配成0.01g/mL浓度的石墨烯乙醇溶液；其中，石墨烯也可以通过机械剥离法或氧化还原法等方法获得；

c、使用滴管和量筒滴加0.15mL的石墨烯溶液于环形槽中，用吹风机或其它风干设备风干，可分若干次添加以防石墨烯溶液溢出，直到石墨烯的质量分数达到0.6％；

d、调试焊接程序，所用搅拌工具套筒外径为9mm，搅拌针直径为5mm，材质为不锈钢，具体焊接参数如表1所示；回填式搅拌摩擦点焊工具的头部结构如图4所示，其包括轴肩1、套筒2和搅拌针3。

表1焊接工艺参数

e、如图4所示，把另一块铝合金板7放在目标铝合金板8的下面，将添加有石墨烯的目标铝合金板8卡在焊接平台上，目标铝合金板8中有石墨烯的一面朝上，将套筒2和搅拌针3对准铝合金板表面的环形槽4，便可启动焊接程序。得到经石墨烯强韧化后的铝合金搅拌摩擦点焊焊接接头，接头外观如图5所示；图6是图5中A位置的局部放大图，从图6可以看出石墨烯5均匀的分布在钩形缺陷6的周边；

f、经强韧化后的铝合金搅拌摩擦点焊焊接接头制作完成，可进行后续力学性能测试；获得的铝合金拉伸剪切性能及硬度如图7所示，其中图7(a)为传统铝合金点焊焊接头与质量分数为0.6％石墨烯强化后的铝合金点焊焊接头的剪切拉伸曲线，图7(b)为传统铝合金点焊焊接头与经质量分数为0.6％石墨烯强化后的铝合金点焊焊接头的硬度曲线。从图8中可以看出，石墨烯在经过搅拌摩擦过程处理后仍然能够很好地保持原有结构。通过添加一定量的石墨烯，强化了钩形缺陷尖端区域，使临界断裂强度上升，并且有石墨烯分布的区域硬度也明显提升。因此本发明具有提升铝合金搅拌摩擦点焊焊接接头强度的优点。

实施例二

焊接板材为铝合金，其尺寸为75mm×25mm×2mm，添加质量分数为0.4％的石墨烯，制备强韧化的铝合金搅拌摩擦点焊焊接接头步骤如下：

a、取两块该铝合金，使用无水乙醇清洗铝合金表面、干燥，并用铣床在铝合金板上铣出一个环形槽，环形槽外径为9mm，内径为6mm，槽深为0.3mm，之后进行打磨处理；

b、准备好经化学剥离法得到的石墨烯、滴管、砂纸、量筒、乙醇、烧杯；在烧杯中按照0.1g:50mL的固液配比将石墨烯配成0.002g/mL浓度的石墨烯乙醇溶液，然后利用滴管和量筒滴加0.5mL的石墨烯溶液于环形槽中，用吹风机风干，可分若干次添加以防石墨烯溶液溢出，直到石墨烯的质量分数达到0.4％；

c、调试焊接程序，所用搅拌工具套筒外径为9mm，搅拌针直径为5mm，材质为不锈钢，具体焊接参数如表1所示；

d、将添加石墨烯的铝合金板卡在焊接平台上，置有石墨烯的一面朝上，将搅拌轴肩对准铝合金板表面的环形槽，便可启动焊接程序，得到经石墨烯强韧化后的铝合金搅拌摩擦点焊焊接接头；

e、经强韧化后的铝合金搅拌摩擦点焊焊接接头制作完成，可进行后续力学性能测试；获得的铝合金拉伸剪切性能如图9所示，该图为传统铝合金点焊焊接头与经质量分数为0.4％石墨烯强化后的铝合金点焊焊接头的剪切拉伸曲线。有图7(a)和图9可知，不同质量分数的石墨烯对接头的拉伸剪切性能有不同的影响，因此可根据实际情况来确定石墨烯的添加方式以及添加的含量。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于本发明的权利要求书的保护范围。

Claims (7)

1.一种提高铝合金回填式搅拌摩擦点焊接头强韧性的方法，利用回填式搅拌摩擦点焊工具对两块铝合金板进行焊接，其特征在于，所述方法包括：

选取一块铝合金板作为目标铝合金板，在所述目标铝合金板的搭接区域中心预加工一环形槽，并在所述环形槽中加入预设质量的石墨烯，其中，所述搭接区域是指焊接时，所述点焊工具与所述目标铝合金板的接触区域；所述环形槽的尺寸与所述点焊工具相匹配；所述环形槽的容积与所述石墨烯的体积相匹配；

将另一块铝合金板放在所述目标铝合金板的下方；将所述目标铝合金板表面的环形槽朝向所述点焊工具，并与所述点焊工具对齐，然后利用所述点焊工具对所述两块铝合金板进行焊接；

所述点焊工具包括搅拌针、套筒和轴肩，所述套筒的焊接端面和所述轴肩的焊接端面为圆环形；

所述环形槽的外径小于或等于所述套筒的外径，所述环形槽的内径大于或等于所述搅拌针的直径；

所述在所述环形槽中加入预设质量的石墨烯，具体包括：

将石墨烯分散在可挥发溶液中，然后将混有石墨烯的溶液加入到所述环形槽中。

2.根据权利要求1所述的一种提高铝合金回填式搅拌摩擦点焊接头强韧性的方法，其特征在于，所述可挥发溶液为乙醇溶液。

3.根据权利要求2所述的一种提高铝合金回填式搅拌摩擦点焊接头强韧性的方法，其特征在于，所述混有石墨烯的溶液中石墨烯的质量浓度为0.002-0.01g/mL。

4.根据权利要求3所述的一种提高铝合金回填式搅拌摩擦点焊接头强韧性的方法，其特征在于，在所述环形槽中加入混有石墨烯的的乙醇溶液之后，还包括：使用风干设备对所述溶液进行处理，以使所述乙醇挥发。

5.根据权利要求4所述的一种提高铝合金回填式搅拌摩擦点焊接头强韧性的方法，其特征在于，所述利用所述点焊工具对所述两块铝合金板进行焊接，具体包括：

所述点焊工具的套筒下扎，下扎深度为所述另一块铝合金板板厚的25％-50％；

待搅拌完成后，所述套筒配合所述搅拌针回抽，并对溢出的基体材料进行回填，所述基体材料是指所述两块铝合金板被焊接时溢出的部分。

6.根据权利要求1所述的一种提高铝合金回填式搅拌摩擦点焊接头强韧性的方法，其特征在于，所述石墨烯的预设质量为x，所述目标铝合金板的搭接区域的质量为y，所述石墨烯的质量分数n＝x/(x+y)，所述n满足0＜n≤1％。

7.根据权利要求1所述的一种提高铝合金回填式搅拌摩擦点焊接头强韧性的方法，其特征在于，所述在所述环形槽中加入预设质量的石墨烯的步骤之前，还包括：对所述两块铝合金板进行打磨，并使用乙醇清洗干净。

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