CN110587111A - 一种基于v型梯度界面焊接的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种基于V型梯度界面焊接的方法，涉及搅拌摩擦焊技术领域，主要应用于搅拌摩擦焊中各种材料的搭接焊接。具体方法为：施焊之前，在需要焊接的下部板材上加工V型坡口，使得在上搭接板和下搭接板之间出现一个V型间隙，焊接时，上板材料在焊具作用下将填入这一V型间隙，从而将上、下板之间局部原始的面接触搭接界面转化为具有梯度的倾斜界面，采用所述焊具对这一界面进行充分搅拌摩擦焊接，能够有效抑制传统搅拌摩擦搭焊过程中常见的界面迁移现象，有利于获得高质量的搅拌摩擦搭焊接头。

Description

一种基于V型梯度界面焊接的方法
技术领域
本发明涉及搅拌摩擦焊技术领域，具体是涉及一种搅拌摩擦搭焊过程中焊接缺陷的抑制方法。
背景技术
自1991年被发明以来，搅拌摩擦焊以其焊后应力和变形小、接头力学性能好、适用范围广、效率高、成本低、对环境无污染等优点，在航空航天、轨道交通、汽车船舶、电力电子等行业领域得到了广泛的应用。
在结构件的焊接过程中，搭接结构是一种常见的接头形式，随着搅拌摩擦焊应用范围的扩大，搭接结构的焊接已成为搅拌摩擦焊的常见形式。但在搅拌摩擦焊过程中，塑化金属不仅在焊具旋转带动下发生水平方向流动，而且在垂直于工件表面方向上也会发生塑性流动，这就易于造成板材搭接界面发生平行于焊缝表面方向和垂直于焊缝表面方向的迁移，从而形成常见的Hook缺陷(前进侧)和冷搭接缺陷(后退侧)；这不仅会减小搭接接头的有效承载厚度和承载宽度，还会造成搭接焊缝内部出现应力集中，在外部载荷作用下易形成初始裂纹源，对工件的疲劳性能产生影响。
有鉴于此，如何有效抑制搅拌摩擦搭焊缺陷的出现就成为了一个亟待解决的问题。专利号为CN 109877441A的发明专利通过在搭接位置实施方向相反的双道次焊接来降低搭焊接头发生界面迁移的程度，这种方法会导致焊缝受到两次热作用，容易降低焊缝性能；专利号为CN 102049610 A和CN 103521912 A的发明专利通过设计一种特殊的焊接工具减弱了塑化金属在垂直工件表面方向的流动，虽然达到减弱搭接缺陷特征的目的，但复杂的焊具设计有可能会降低焊接制造成本；专利号为CN 104668765 A的发明专利在搭接界面预置合金夹层或低熔点金属，在焊接热作用下该合金夹层或低熔点金属与上、下搭接板材发生反应，形成新的结合层，虽然这种方法避免了钩状缺陷的产生，但中间层的引入又会引起焊接结构增重、焊接部位形成结合较弱的脆性化合物等问题。
发明内容
针对当前抑制搅拌摩擦搭焊缺陷方法所存在的接头性能弱、焊接成本高等不足，本发明提出了一种基于V型梯度界面焊接方法。
本发明采用的技术方案是：
施焊之前在下搭接板的待焊接部位加工V型坡口，并将下搭接板开V型坡口一侧与上搭接板的下底面紧密接触，形成搭接结构；通过这种设计，上、下搭接板中，由两个平面直接接触所形成的搭接界面上就出现了界面局部分离现象，从而改变了原始搭接接头的形式。
焊接时，将焊具由上搭接板正对V型坡口中心扎入，上搭接板材料在所述焊具的热机作用下填入V型坡口，这样在上、下搭接板之间就形成了与工件表面成一定角度的梯度界面，且V型坡口的根部尖角形状又最大限度的避免了上、下搭接板之间重新形成面接触搭接界面；随后焊具继续扎入，待焊具轴肩嵌入到上搭接板上表面一定深度时，焊具停止下扎，并沿着V型坡口的分布轨迹实施焊接；梯度界面的形成抑制了界面的迁移，可以获得高质量的搅拌摩擦搭焊接头。
所述焊具由轴肩和搅拌针构成，且搅拌针长度为2-40mm，轴肩直径为搅拌针长度的2-4倍。
所述焊具搅拌针可为圆柱状或圆台状，且在搅拌针的结构侧表面上可加工有螺纹，螺纹能够在搅拌摩擦焊中促进焊接部位材料发生充分的塑性流动；当所述搅拌针为圆台状结构时，搅拌针与轴肩相连的粗端的最大直径位于 3-20mm区间，远离轴肩的细端的最小直径位于2-10mm区间。
启动焊接设备主机并驱动焊具沿主轴轴向进给，同时焊具搅拌针以 200-10000r/min的旋转速率、0.05-1mm/s的进给速度扎入上搭接板，待焊具轴肩接触上搭接板上表面并嵌入0.05-0.5mm深度时，焊具停止下移，然后以 10-1000mm/min的行进速度沿焊接轨迹移动，完成焊接后，焊具以0.1-2mm/s 的上移速度旋转拔出，即获得牢固的焊接接头。
本发明的优点和有益效果在于：本发明采用在下搭接板上加工V型坡口的设计方法，改变了焊接部位的界面形式，将原有的上、下搭接板直接面接触所形成的与焊具轴向垂直的搭接界面，转化为与焊具轴向存在一定角度的梯度界面，从而有效抑制了搅拌摩擦搭焊过程中界面随焊具搅拌塑性材料流动所发生的平行于焊缝方向和垂直于焊缝方向的迁移现象，焊缝成形质量好；且焊具采用传统焊具，成本较低，无需多道焊接或预置中间过渡层，焊接效率较高。
附图说明
图1为本发明工具在焊件搭接部位作用示意图；
图2为下搭接板示意图；
图3为轴肩和搅拌头示意图；
附图序号说明：上搭接板1、下搭接板2、坡口3、轴肩4、搅拌针5；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步描述：
图1中为焊接过程中的示意图；
焊接之前需要准备上搭接板1、下搭接板2；上搭接板1是焊材，下搭接板2为待焊接产品，所述上搭接板1和下搭接板2可以是熔点相同的同种材料，也可以是熔点不同的异种材料。
下搭接板2准备好后在下搭接板的待焊区域开设坡口3，所述坡口3沿着待焊区域的轨迹开设，其中坡口3的轨迹位于待焊区域的轨迹之内；优选坡口 3形状的截面为V型结构，形成V型坡口，坡口3的形成方便焊接材料填入坡口内，同时减小焊接时的阻力。
坡口3开设完后，上搭接板1放置在下搭接板2上，将坡口3遮盖住，上搭接板1与下搭接板2之间接触的表面紧密的贴合在一起；之后使用夹具将上下叠加在一起的上搭接板1和下搭接板2固定住；
这样在上、下搭接板之间就形成了与工件表面成一定角度的梯度界面，且 V型坡口的根部尖角形状又最大限度的避免了上、下搭接板之间重新形成面接触搭接界面。
准备焊接设备，调整焊接设备的焊具位置，使焊具的轴心与坡口起点的中心位置对应；当焊具与坡口3的起点位置对齐后、启动搅拌设备，所述焊具逐渐扎入上搭接板1内，上搭接板材料在焊具的热机作用下融化、变形、填入V 型坡口内，从而在上、下搭接板之间形成梯度界面，接着焊具继续扎入，待焊具轴肩4下表面嵌入上搭接板1内0.05-0.5mm深度时，焊具停止下扎，之后焊具沿着坡口的分布轨迹继续实施焊接，将整个坡口内都填入焊材。
工作的时候，所述焊具以200-10000r/min的旋转速率、0.05-1mm/s的进给速度逐渐扎入上搭接板内，当焊具轴肩4接触上搭接板上表面并嵌入 0.05-0.5mm深度时，焊具停止下移，然后以10-1000mm/min的行进速度沿焊接轨迹移动，完成焊接后，焊具以0.1-2mm/s的上移速度旋转拔出。
为了方便固定叠加的上、下搭接板，在下搭接/2的下方铺垫垫板，优选所述垫板的上表面开设一条或者数条凹槽，凹槽形成散热的风道，当焊接时产生的焊接热量可以从风道排出，减少焊热对下搭接板内部组织的影响。
之后在上、下搭接板的四个角的边缘设置轴孔或者螺丝孔，最后使用螺杆将上、下搭接板固定在垫板上；当然夹具还可以是其他的结构，只要能够将搭接板固定住的任何夹具皆可，焊具移动的时候，由于夹具的固定、上搭接板1 不会随意活动。
所述轴肩4的底部为圆柱状或者圆台状结构的搅拌针5，所述轴肩4的直径D1大于搅拌针5的直径，搅拌针5是直接与焊材产生接触的部件，搅拌针 5直接把上搭接板1的材料推进坡口3内；当所述搅拌针5为圆台状结构时，搅拌针5的下底面与轴肩4连接，搅拌针5较小的上底面先扎入焊材内，减小焊材产生的应力。优选所述搅拌针5的下底面的直径D3在3-20mm之间，搅拌针5的上底面直径D2在2-10mm之间。
所述轴肩4直径D1为搅拌针5长度的2-4倍，如果搅拌针5长度过长，扎入焊材内时容易折断，而过短，焊材不能被充分填入坡口3内，且焊材因为变形产生的塑性变形会受阻碍，直接影响焊缝的质量。经过长期大量实践，轴肩直径D1为搅拌针长度的2-4倍时，焊材与搅拌针的配合是比较理想的。
由于搅拌针5需要扎入下搭接板2内，因此搅拌针5的长度H3大于上搭接板1和坡口3的高度(H1+H4)之和，下搭接板的高度H2大于坡口的高度 H4；
同时坡口3的尺寸略小于与搅拌针对应位置的尺寸，即与焊接方向垂直的方向，所述坡口3的截面面积和坡口的最大宽度尺寸小于搅拌针的截面面积和最大直径。当搅拌针5下扎进入坡口的时候，搅拌针5会同时塑化小于其对应位置的坡口的材料，从而下搭接板2与焊材完美的焊接在一起，形成高质量的搭焊接头。
还可以在搅拌针5的侧表面上设置有螺纹。螺纹围绕搅拌针5的圆周螺旋而下，螺纹形成塑性材料流动的槽口；
本发明中最重要的结构就是V型坡口，V型坡口的夹角为锐角，所述锐角夹角a在5-60°之间。当搅拌针5向下推动焊材的时候，焊材顺着V型坡口填入，焊材没有其余阻力阻挡，焊材与待焊产品结合成一体，抑制传统搅拌摩擦搭焊过程中常见的界面迁移现象，获得高质量的搅拌摩擦搭焊接头。
以上仅为本发明实施例的较佳实施例而已，并不用以限制本发明实施例，凡在本发明实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明实施例的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于V型梯度界面焊接的方法，其特征在于：
(1)首先准备下搭接板：所述下搭接板为待焊接产品，并在下搭接板的待焊区域开设坡口，所述坡口沿着待焊区域的轨迹开设；
(2)准备上搭接板，所述上搭接板放置在下搭接板上表面，将坡口遮盖住，并利用夹具将上下叠加在一起的上搭接板和下搭接板固定住；
(3)准备焊接设备，调整焊接设备的焊具位置，使焊具的轴心与坡口起点的中心位置对应；启动搅拌设备，所述焊具扎入上搭接板内，上搭接板材料在焊具的热机作用下填入V型坡口，从而在上、下搭接板之间形成梯度界面，接着焊具继续扎入，待焊具轴肩下表面嵌入上搭接板内0.05-0.5mm深度时，焊具停止下扎，并沿着坡口的分布轨迹继续实施焊接。
2.根据权利要求1所述的一种基于V型梯度界面焊接的方法，其特征在于：所述坡口形状的截面为V型结构，形成V型坡口。
3.根据权利要求2所述的一种基于V型梯度界面焊接的方法，其特征在于：所述V型坡口的夹角为锐角，所述锐角夹角在5-60°之间。
4.根据权利要求1所述的一种基于V型梯度界面焊接的方法，其特征在于：所述轴肩的底部为圆柱状或者圆台状结构的搅拌针，所述轴肩的直径大于搅拌针的直径，所述搅拌针将上搭接板的材料推进坡口内；当所述搅拌针为圆台状结构时，搅拌针的下底面与轴肩连接。
5.根据权利要求4所述的一种基于V型梯度界面焊接的方法，其特征在于：所述轴肩直径为搅拌针长度的2-4倍。
6.根据权利要求4所述的一种基于V型梯度界面焊接的方法，其特征在于：所述搅拌针的长度大于上搭接板和坡口的高度之和。
7.根据权利要求4所述的一种基于V型梯度界面焊接的方法，其特征在于：在与焊接方向垂直的方向上，所述坡口的截面面积和坡口的最大宽度尺寸小于搅拌针的截面面积和最大直径。
8.根据权利要求4所述的一种基于V型梯度界面焊接的方法，其特征在于：
所述搅拌针的侧表面上设置有螺纹；和/或所述搅拌针的下底面的直径在3-20mm之间，搅拌针的上底面直径在2-10mm之间。
9.根据权利要求1所述的一种基于V型梯度界面焊接的方法，其特征在于：所述焊具以200-10000r/min的旋转速率、0.05-1mm/s的进给速度扎入上搭接板内，当焊具轴肩接触上搭接板上表面并嵌入0.05-0.5mm深度时，焊具停止下移，然后以10-1000mm/min的行进速度沿焊接轨迹移动，完成焊接后，焊具以0.1-2mm/s的上移速度旋转拔出。
10.根据权利要求1所述的一种基于V型梯度界面焊接的方法，其特征在于：所述上搭接板和下搭接板为熔点相同的同种材料，或者上搭接板和下搭接板为熔点不同的异种材料。
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