CN110814507A - 一种利用液相挤入消除搅拌摩擦焊根部缺陷的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用液相挤入消除搅拌摩擦焊根部缺陷的方法：在焊道正下方的垫板上预置钎料或在对接焊界面预置钎料，用带针工具进行FSW焊接。在针所能触及的被搅拌范围内，利用针搅拌形成的“固相的塑性流动”消除母材原始界面并形成致密接头；在针不能达到的焊缝根部利用摩擦热与变形热使钎料自行熔化并获得液相，再利用工具的挤压实现液相对未焊合间隙的“填充”，并使针尖下方热力影响区内已发生一定程度变形的固态母材溶解入液相中，从而实现去膜、钎缝的合金化及根部母材之间的冶金结合，消除根部未焊透或吻接缺陷。本发明可以保证FSW接头抗拉性能不受根部缺陷影响，改善接头的塑性，提高接头的变形能力与抗裂纹萌生能力，且操作过程简洁省时。
Description
技术领域
本发明涉及一种搅拌摩擦焊方法，具体涉及导入液相、利用工具的力学作用将液相挤入根部间隙、溶解固态母材，从而实现去膜、致密化与合金化，最终达到冶金结合，消除搅拌摩擦焊根部缺陷。
背景技术
搅拌摩擦焊(FSW：friction stir welding)技术为铝、铜和镁等低强度合金提供了一种固相焊接方法，具有过热度小、晶粒小、变形小、破膜好、成本低和无弧光与飞溅等诸多特点，因而得到快速发展和工业化应用。然而，在FSW焊道底部易出现因针长比板厚略短(通常针长比板厚短0.1～0.5mm)导致的搅拌与混合不充分的缺陷(根部缺陷)：其一是未焊合或未焊透缺陷(unbond)，即对接面根部原始间隙依然存在，属可见的宏观缺陷；其二是吻接缺陷(kiss bond)，其显微组织特征虽然显示界面之间间隙(在宏观下显示为微连接)被闭合，但并未被直接搅拌混合而导致位于焊缝根部的界面去膜不理想、更无共同晶粒形成，属弱结合缺陷。当工件(具体指待对接焊的母材)预装间隙较大、针长比板厚的缩短量较大时，易出现未焊合缺陷，而当其预装间隙较小、针长比板厚的缩短量较小时，易出现Kissbond缺陷。
FSW易于出现根部弱结合的原因主要有两方面：一是针长必须短于板厚(考虑到下压量存在时，搅拌针长度需略小于母材厚度与下压量之差)，当针长超过板厚时，会导致竖向锻压不实(轴肩被长针顶起而不能与母材上表面紧密压实)、针尖被钢垫板磨损、根部背面成形不光滑。二是FSW焊机本身不能从侧面垂直于焊接界面(对接面)加压，影响了界面两侧母材的直接紧密接触。在焊缝底部易出现未焊透缺陷，导致接头强度(尤其是弯曲强度)降低，影响焊接质量(文献1)。由于kiss bond缺陷尺寸较小，很难被常规的X射线及超声波等无损检测方法检出，故存在较大的危害性(文献2)。为保证焊接接头的可靠性，需要在搅拌摩擦焊之后，采用机械加工的方法去除一定厚度的焊缝根部材料，这不仅造成了浪费，增加了焊接成本，也降低了焊接生产效率。
目前消除根部缺陷的方法有双轴肩搅拌摩擦焊技术(文献3)和单轴肩双面焊的方法(文献4)，也有人采用外加电源辅助搅拌摩擦焊，以减小未焊透缺陷厚度的尺寸(文献5)。双轴肩搅拌摩擦焊是贯穿焊件进行焊接，该方法可以彻底消除搅拌摩擦焊出现的根部缺陷。单轴肩双面焊利用单轴肩搅拌头分别对焊缝上、下表面进行一次焊接，该方法也可以彻底消除搅拌摩擦焊出现的根部缺陷。外加电源辅助搅拌摩擦焊是通过外加电源，对待焊材料焊缝底部进行预热，改变材料的粘塑性，在焊接过程中可以明显减小未焊透缺陷厚度的尺寸。
尽管双轴肩搅拌摩擦焊可以彻底消除搅拌摩擦焊根部未焊透缺陷，但是在焊接过程中会出现一系列问题，使得双轴肩搅拌摩擦焊技术在消除根部缺陷时存在较大的局限性。例如：当搅拌针从导入板进入焊接界面始端时，针的前推力产生的力矩会使母材发生“V”偏转，导致前端间隙变大，甚至大于针的直径；当无导入板时焊道始端易出现“人”字型缺陷；搅拌针易断裂；温度较高时，焊缝前进侧易出现沟槽缺陷；后退侧出现大量飞边；焊接温度较低时，接头无法形成连续的焊缝；搅拌头易与母材发生粘连；且焊接过程对机床的控制精度要求较高。
单轴肩双面焊也可以彻底消除搅拌摩擦焊根部缺陷，但是该焊接方法也存在一定的局限性。例如：需要对焊件上下表面分别进行一次焊接，降低焊接效率；双面焊对母材减薄比较严重；对于一些特殊形状的构件无法焊接。
外加电源辅助搅拌摩擦焊可以改善根部缺陷，但是该方法只能减小搅拌摩擦焊未焊透缺陷厚度尺寸，不能彻底消除未焊透缺陷，且需要引进辅助电源，增加焊接过程中的能耗，焊件的固定也相对麻烦。
消除kiss bond缺陷的可能途径及其面临的问题：(1)针长调整困难：基于FSW中正常带针工具针长须小于板厚这一前提条件难以改变，故由于针长小于板厚导致的焊缝根部搅拌、去膜、混合不充分的问题难以通过针长的调整来实现。(2)侧向加压困难：由于工件被刚性固定以防旋转，所以即使能侧向加压也会被刚性固定抵消一部分。(3)加大“竖向”锻压力，强化针端下方“横向”的塑性流动：这对于普通位移控制式FSW焊接设备或由铣床改装的FSW设备都潜力有限。(4)加大热输入软化母材，改善针端下方母材塑性流动：这一思路将导致过热，晶粒粗化、焊接区软化。(5)加入软质焊接材料：如在焊接区插入软质填充材料，虽然有可能强化了针端下部塑性金属的流动，但软质填充材料使整个搅拌区软化过度，性能差。
参考文献
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另外，现有专利中提及了预填充搅拌摩擦、填充修复等方法(例如，CN107813044A、CN108941880A、CN101670483、CN106583916A)，但其主要是在焊缝顶部出现孔洞等缺陷后进行补焊，且无法避免或修复搅拌摩擦焊中出现的尺寸相对较小的根部缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用液相挤入消除搅拌摩擦焊根部缺陷的方法，该方法具有方便、有效且操作简单的优点。
为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种利用液相挤入消除搅拌摩擦焊根部缺陷(例如，未焊透或吻接缺陷)的方法，该方法包括以下步骤：
(1)预置与导入钎料：焊前打磨母材对接面及母材背面(与工具轴肩所接触的母材正面相对的母材下表面)紧邻母材对接面1～10mm之内的区域，母材背面远离对接面的其他区域不打磨或禁止打磨(打磨是为了去除母材表面的氧化膜，其他区域对于焊接质量无影响，为节约时间与成本故不需打磨)；焊前仅在垫板上位于焊道正下方的区域(靠近正常带针工具针尖下方的热力影响区)以简易的平铺方式预置钎料，或在对接面(针的搅拌区)预置钎料，然后用所述工具对固定在垫板上的相对接的母材进行正常FSW焊接。
(2)熔化钎料：利用轴肩的摩擦热与焊缝根部附近的变形热使钎料自行熔化以获得液相，或利用轴肩的摩擦热与焊缝根部附近的变形热及母材/钎料之间的共晶反应以获得液相。
(3)挤入液相：利用所述工具的锻压作用将液相“挤入”焊缝根部的间隙处。
(4)根部两侧母材溶解：位于针尖下方热力影响区的固态母材，由于已发生了一定程度的塑性变形(以扭转变形为主的微变形)而激活能变小；且部分氧化膜被机械破碎，为洁净固态母材向液相中溶解提供了“通道”；加之工件、钎料被压紧于垫板后，避免了焊接界面与大气直接相通，预防或减轻了根部界面在焊接过程中的氧化；上述三方面的因素使焊缝根部母材易于“溶解”入液相内。
(5)冶金结合：通过液相的“受挤流动”，以及母材的溶解，实现焊缝根部母材的去膜及对应位置处焊缝的致密化与合金化，从而实现焊缝根部的冶金结合，解决了无法利用搅拌实现根部界面混合的技术难题。
在本方法中，上部界面与根部界面焊合机理不同：上部冶金结合主要靠“固相的塑性流动”机理；根部冶金结合主要靠“液相的受挤填充与母材溶解”机理。在用带针工具进行FSW过程中，在焊缝上部搅拌针可以触及的区域，利用搅拌针驱动的“塑性流动”、混合以及轴肩的锻压作用，消除母材原始界面而形成致密接头，以此完成焊缝厚度方向绝大部分的对接焊。在焊缝厚度方向占比很小的焊缝根部，以利用“液相的挤压流动”为出发点，通过“预置钎料导入液相—挤压液相—填充间隙—溶解母材”方式，或通过“预置钎料导入液相—挤压液相—填充间隙—溶解母材—溶解弱结合缺陷处(弱结合缺陷处所需激活能小，因而易于被液相溶解)”方式，消除搅拌摩擦焊根部缺陷，即利用“液相的流动与填充”代替FSW中“固相的流动与混合”，解决消除根部未焊透或吻接(kiss bond)等缺陷的技术难题，达到获得无根部缺陷接头的目的。
本方法的可行性分析如下：首先，利用搅拌工具与母材摩擦产生摩擦热及利用焊缝底部母材扭转塑性变形热，确保预置的钎料熔化；利用轴肩的挤压作用使液态钎料被挤入焊缝根部间隙；已发生一定程度变形的焊缝根部固态母材(处于针尖端热力影响区)向已挤入焊缝根部间隙的液态钎料中溶解，或所述根部固态母材通过与钎料发生共晶反应获得液相并使母材溶解；工具的挤压、旋转搅拌促使液相发生流动；实现去膜、钎缝合金化及根部母材之间的冶金结合，即可利用“液相的填充、溶解、流动”消除根部未焊透或吻接缺陷。
其中，决定本发明成败的核心在于防止液相的挤压流失及确保根部两侧母材溶解。一方面，液相受挤压后不会流失的原因有：(1)预置的钎料中仅有位于焊道正下方的高温区的钎料才能被熔化，而周围低温区钎料仍保持固态，从而对熔化部分形成了“包围”效果，消除了流失通道。(2)焊缝根部母材位于针尖的热力影响区，其较高温度与一定程度的变形(有一定破膜效果)，使焊缝根部母材比冷、硬、高强度的垫板(机械破膜难)更易于被液态钎料润湿，对液相易于形成原子级吸附作用。(3)因不能垂直于焊接界面进行横向加压，故焊缝根部天然存在有间隙，为受挤压液相提供了唯一的流动通道(液体具有不可压缩性)。另一方面，下述三方面的因素使根部母材易于“溶解”入液相内：(1)针尖下方热力影响区的固态母材，由于已发生了一定程度的塑性变形(以扭转变形为主)而激活能变小；(2)部分氧化膜因扭转而被机械破碎，为洁净固态母材向液相中溶解提供了“通道”；(3)加之工件、钎料被压紧于垫板后，避免了焊接界面与大气直接相通，预防或减轻了根部界面在焊接过程中的氧化。
遵循上述利用液相挤入消除搅拌摩擦焊根部缺陷的思路、原则，根据具体液相导入方式又可细分出多种衍生方法。通过预置钎料来导入液相的方式又可细分为两种途径：钎料“立插”于焊接界面(由针的搅拌区导入)或钎料“平铺”于焊道正下方的垫板上(由针的热力影响区导入)。
(1)由“针的热力影响区”导入
仅仅只在“针的尖端(头部)的热力影响区”放置钎料，即仅在焊缝根部的焊接界面(即根部界面)正下方的垫板对应区域上预置片状或粉末状钎料(与母材背面的其他区域相比，焊缝根部离针尖距离最近，属于针的热力影响区)，再用带针工具施焊。以对接面为中心，以“平铺”的方式预置钎料，对接面上不再放钎料；利用工具锻压力将液态钎料挤入焊缝根部间隙。一方面，由于工件底面周围未熔化钎料部分的围堵、热力影响区以外母材表面的氧化膜限制液相的铺展流失等作用，使液相优先朝有间隙的焊缝根部挤入，或液相优先溶解热力影响区温度较高、且已产生一定程度塑性变形的母材。另一方面，与母材背面远离界面的其他部位相比，界面根部是温度相对较高、变形(扭转+挤压)程度相对较大的热力影响区，母材与钎料原子激活程度高，在钎料/母材反应动力学方面具有优势，最易发生共晶反应或液态钎料对固态母材的溶解反应。这样，液态钎料不会因受工具挤压而流失，而将优先挤入、渗入、或溶入根部界面。
(2)由“针的搅拌区”导入
主要在“针的搅拌区”放置钎料。例如，直接将钎料置于“针的搅拌区”，即立插于对接面之间，然后再用带针工具施焊；当对接面间隙较大无法将立插的钎料夹持紧时，为防止因针的前移而将位于界面间的钎料朝前推出焊接界面，将箔状钎料折成“L型或⊥型(倒T型)”，其垂直边夹紧于对接面之间(主要用于填充界面间隙，重点是填充根部间隙)，水平边压紧于工件底面与垫板之间，主要利用水平边的压紧防止钎料因针的前移而被推出焊接界面(即主要起固定作用)。其中，“L型”折法适于间隙居中的情况；而“⊥型(称为倒T型)”由于垂直边可朝上、再朝下折两次，这样垂直边的钎料总量较多，故适于间隙最大的场合。
在预置钎料并用带针工具进行FSW过程中，利用挤入间隙处的液相，不断地对针尖下方热力影响区两侧母材的溶解、不断地自下向上(母材背面平铺式预置钎料)或自上向下(焊接面立插式预置钎料)填充焊缝根部间隙来消除搅拌摩擦焊根部缺陷，避免了利用塑性流动实现根部界面混合的困难性。
平铺预置方式具有操作简单、不改变在焊道厚度方向占比大的上部搅拌区成分的优势，但因填充距离受限，适于根部间隙较浅的工况；当因焊接面加工不平整或装配不良导致根部间隙较大时，采用界面间“立插”钎料的预置方式。随后将母材利用夹具紧固在垫板上，采用带针工具对母材进行焊接。
关于钎料自身的选择：可以使用箔带状或粉末状钎料；在垫板上预置粉末状钎料时，为防止粉末飞散，可在垫板上开浅槽，以存放粉末，或涂刷粉末状钎料于母材背面或垫板上；所用钎料对母材有较强的溶解能力，以保证良好的润湿性与钎缝合金化，例如，对Al母材可用Zn钎料，对Cu母材也可用Zn钎料。
所述垫板可以采用钢制。但为防止散热引起熔化不足或溶解不足，改用不锈钢板或环氧树脂板类硬度高、散热差(相对于母材)的垫板代替钢质垫板。
本发明的有益效果体现在：
考虑到高温塑性流动虽然流动抗力比室温母材的屈服强度低很多，但仍属于固相流动，仍需要足够的外力才能实现流动混合，本发明突破FSW是固相焊接的思维定势，提出导入液相焊材，利用液相的易流动性形成的填充效果、液相对母材的可溶解性实现界面去膜与合金化，来彻底消除FSW的根部未焊透或弱结合缺陷，在保证接头抗拉性能不受根部缺陷影响的同时，能够大幅改善FSW接头的塑性，提高了接头的变形能力与抗裂纹萌生能力，且操作过程简洁省时，无须额外增加消除根部缺陷的工序。
与双轴肩搅拌摩擦焊工艺相比，本发明消除根部缺陷具有以下优点：
(1)操作简单，用摩擦热熔化钎料，对搅拌工具、搅拌摩擦焊设备无特殊要求；
(2)接头致密，即使大气环境下钎料对母材也有良好的润湿性；
(3)导入液相不但有填充根部间隙的作用(主要利用钎料/母材左右界面间的润湿作用)，而且借助钎料/母材上下界面间良好的润湿性还可适当增大焊缝的总厚度，即利用L型钎料的水平边的厚度(决定液相总量、厚度及围堵液相的周围同质固相的厚度)，抵消减薄量，附带有增强接头效果；利用L型钎料的水平边预置位置(折弯位置或方向)，可调整断裂位置在前进侧或后退侧，可用以加强较弱的一侧。
与单轴肩双面焊工艺相比，本发明消除根部缺陷具有以下优点：
(1)对母材减薄较小，可以减少焊后加工程序；
(2)焊接接头一次成型，提高焊接效率；
(3)对母材形状要求较低，可以焊接一些特殊形状的母材。
附图说明
图1为利用液相及其挤入(主要基于针尖端的热—力作用)消除搅拌摩擦焊根部缺陷的方法示意图：(a)钎料(Zn箔)以“平铺”方式预置在垫板上面(即仅在针尖下方的热力影响区预置钎料)；(b)钎料(Zn箔)以“立插”方式预置在焊接界面(即仅在搅拌区预置钎料)；(c)钎料(Zn箔)折弯成“L”型：部分夹持在焊接界面，部分压紧在工件底面(即搅拌区和针尖下方的热力影响区预置钎料)；(d)粉末状钎料(单质粉或混合粉)；AS表示前进侧，RS表示后退侧。
图2为导入液相后的根部缺陷消除效果显微组织检查实证图(采用钎料平铺于垫板上，利用针的热—力作用将液相挤压入根部间隙的填充、去膜、溶解与合金化效果，挤入—溶解—合金化)：(a)Zn箔平铺放置焊接接头横截面BSE照片(750rpm-300mm/min-2°-0.5mm)；(b)焊缝根部B区域放大200倍背散射(BSE)显微组织照片：表明可填充至最上端的未焊合处；(c)C区域放大600倍BSE显微组织：表明填充致密；(d)D区域放大3000倍BSE显微组织：表明界面去膜与润湿理想；(e)E区域放大10000倍BSE显微组织：表明钎缝已深度合金化，填充金属已由纯Zn变为Al-30Zn(at.％)，铝含量高达70at.％以上，成为Al基钎缝。
图3为平铺预置钎料填充根部间隙后断裂位置的优化结果(抗拉测试)：(a)无钎料放置：普通FSW(无钎料)接头断裂于焊缝中心(虚线表示焊缝中心)；(b)Zn钎料平铺放置：Zn钎料箔平铺导入情况下断裂位置在针外的后退侧热力影响区。
图4为抗拉强度对比结果。
图5为位移—载荷曲线对比结果。
图6为采用“L”型预置Zn钎料消除根部未焊透的效果与合金化结果。
图7为“L”型预置钎料填充根部间隙后断裂位置的优化结果(抗拉测试)：采用“L”型预置Zn钎料断裂位置离开原始界面，移至后退侧热力影响区。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
针对搅拌摩擦焊过程中由于搅拌针长度被迫短于板厚(否则导致无法锻压高温塑化金属，引起非致密性缺陷与成形，并引起针端头的磨损)而产生的根部未焊透或吻接(kiss bond)这类固有缺陷，本发明在焊前仅在焊道正下方的垫板上(靠近针尖下方的热力影响区)预置钎料或在对接焊界面(针的搅拌区)预置钎料，然后用正常带针工具进行正常FSW焊接。在焊缝厚度方向占比很大的针所能触及的上部范围内，利用针搅拌形成的“固相的塑性流动”消除母材原始界面形成致密接头。在形成致密接头的过程中，在针不能达到的焊缝根部利用摩擦热与变形热使钎料自行熔化或母材/钎料之间共晶反应获得液相，再利用工具形成的“液相的挤压流动”，以“挤入”的方式实现液相对焊缝根部间隙的强力“填充”，并使针尖下方热力影响区内已发生一定程度变形的固态母材溶解入液相中，从而实现去膜、钎缝的合金化及根部母材之间的冶金结合，消除根部未焊透或吻接缺陷。本发明可以在保证接头抗拉性能不受根部缺陷影响的同时，大幅改善FSW接头的塑性，提高接头的变形能力与抗裂纹萌生能力，且操作过程简洁省时。
以下按照钎料的“放置与导入”方式不同具体介绍。
实施例1
本实施例采用界面底部外平铺钎料的预置与导入方式，即在焊道底部与垫板之间以“平铺”方式预置钎料并随后利用带针工具进行搅拌。
这种钎料的导入方式的特点是“仅在针的热力影响区”放置钎料，属于搅拌区的界面并不放置钎料，针因较短也无法直接搅拌平铺于垫板表面的钎料。这种导入方式的优点在于：(1)钎料预置方便；(2)不改变焊缝金属(搅拌区)的成分，有利于搅拌区防腐。但因填充距离受限，适于根部间隙较浅的工况。
参见图1(a)，所用母材为5mm厚的6061铝板。搅拌工具材质为H13热作磨具钢，轴肩直径20mm；针长为4.5mm(针长比板厚小0.5mm)；针直径尾端(近轴肩一端)5mm、尖端(远离轴肩一端)4mm。所用钎料为30μm厚纯Zn箔，裁取10mm宽Zn箔以平铺方式放置于试板焊道正下方。焊接规范如下：转速750rpm；焊速300mm/min；倾角2°；压入深度0.5mm(简称750rpm-300mm/min-2°-0.5mm)。
填充效果可从以下三方面(显微组织、断裂位置、拉伸性能)的实验结果得到证实：
显微组织方面：(1)从低倍宏观截面看(见图2a)，原有的焊道根部未焊合微间隙(约340μm(深)×20μm(宽))已被钎料完全致密填满，即使经200倍(见图2b)、600倍(见图2c)、3000倍(见图2d)、10000倍(见图2e)逐级放大，界面仍是致密的而无缺陷，可见填充效果理想。(2)填充进入未焊透缺陷的Zn钎料的成分已发生了显著变化，能谱分析结果表明，填充金属已由纯Zn变为Al-Zn合金，而且Al的含量≥70at.％(见图2e)，说明Al母材已发生了显著溶解，可见氧化膜去除效果理想、合金化程度显著；(3)界面组织观察致密，无润湿不良缺陷，有约2μm成分渐变的扩散层(见图2e)，个别位置处Zn又可横向渗入深度达到约0.1mm(见图2b)。
断裂位置方面：由图3所示的断裂位置对比结果可知，无钎料填充根部间隙时，断裂位置在原始界面(即焊缝中心位置，见图3a)，而有钎料填充根部间隙时，断裂位置已不在原始界面，而转移至发生减薄的后退侧(见图3b)。
抗拉性能方面，测试结果表明强度与塑性指标都得到改善：断裂载荷由无钎料填充根部间隙时的10.74KN增至11.14KN，抗拉强度由176MPa增至182MPa(见图4)；尤其是延伸率提高接近1倍(见图5)，大幅提高了接头的安全性，接头组成的构件变形能力得到改善，使用时将更加安全。
填充后接头的延伸率比有未焊合缺陷的接头提高1倍的原因在于：填充后使均匀变形能力改善，裂纹萌生困难，而有未焊合缺陷的接头因应力集中使裂纹能够迅速扩展，导致延伸率较低。另一方面，强度指标改善不明显的原因在于：未焊合深度340μm占整个板厚5mm的比例(340/5000＝6.8％)较小。但是，对比填充前后的强度与塑性指标可知，FSW接头中焊道根部缺陷(未焊合或吻接)对接头塑性的影响远比对接头强度的影响更加严重，不利于接头变形后的安全运行与安全警示。
鉴于本发明中铝母材溶解非常显著，故此方法可称为“液相溶解-填充”法。
实施例2
本实施例采用界面内铺放钎料的预置与导入方式，具体采用“L”形预置钎料(图1c)、仅“立插”于界面的预置钎料(图1b)等钎料放置方式并随后利用带针工具进行搅拌。
这种钎料的导入方式的特点是，主要在“针的搅拌区”放置钎料。这种导入方式的优点在于，上下部分熔化的钎料可相向流动。即上部分熔化的钎料可向下方间隙流动，下部分熔化的钎料也可向上部间隙流动，液相钎料来源充分，填充量大、填充深度较深，适于根部未焊透缺陷或kiss bond缺陷更为严重的场合。
工具与母材同实施例1，仅钎料及其预置导入方式与实施例1不同。所用母材为5mm厚的6061铝板。搅拌工具材质为H13热作磨具钢，轴肩直径20mm；针长为4.5mm(针长比板厚小0.5mm)；针直径尾端(近轴肩一端)5mm、尖端4mm。所用钎料为30μm厚纯Zn箔，裁取10mm宽Zn箔；采用“L”形预置钎料，即其中有5mm宽的钎料(垂直部分)立插于焊接界面，另外5mm宽的钎料(水平部分)压紧于试件底面(即母材背面)。焊接规范如下：转速750rpm；焊速300mm/min；倾角2°；压入深度0.5mm。
填充效果如下：(1)缺陷消除与合金化：未焊透的根部间隙已被填充(见图6)；填充焊缝中心部分的Al含量高达22％(但成分分布均匀性略差)；界面致密，并出现含Zn的扩散层；母材Al的溶解不仅出现在垂直界面，也出现在底面的水平折边区域，即合金化区域有所扩大。(2)断裂载荷由无钎料填充根部间隙时的10.74KN增至11.38KN；抗拉强度由176MPa增至200MPa。该抗拉强度(200MPa)最高，比“平铺”方式预置钎料(182MPa)提高8MPa；比有未焊透情况(即无钎料填充，176MPa)提高14MPa。(3)传统搅拌摩擦焊接头断裂位置发生在焊缝中心(图3a)，Zn钎料“L”型放置搅拌摩擦焊接头断裂位置在后退侧针外的热力影响区(见图7)。
实施例3
参见图1(d)，与实施例1、2不同的是，钎料为Zn粉。为防止粉末飞散，在垫板上开浅槽，存放粉末，或涂刷粉末状钎料于母材背面或垫板上。粉末状钎料在预置钎料时更易于填充到对接面的间隙中。
总之，本发明方法保留了搅拌摩擦焊焊缝上部通过固相高温塑性流动实现焊合的优势，而在焊缝根部是通过针尖下部热力影响区钎料的熔化形成液相(自行熔化或与母材的共晶反应)、液相的受挤流动与填充、根部热力影响区母材的深度溶解，不仅去除了母材表面氧化膜，而且形成合金型填充焊缝，从而使焊道根部的实现了冶金结合，消除了根部缺陷的危害。利用由钎料熔化形成的液相进行挤压和填充，不会引起搅拌区软化过度。本发明方法操作简单，不增加额外的焊道，并避免了背面二次摩擦再次引起减薄的弊端，对接头性能改进效果可靠，尤其是对接头塑性变形能力与裕量改进效果最为明显(裕量：最大破坏载荷超过设计载荷部分与设计载荷的比值；主要指对载荷改善效果明显)，有利于改善接头服役中的安全性。
Claims (7)
1.一种消除搅拌摩擦焊根部缺陷的方法，其特征在于：包括以下步骤：
在搅拌摩擦焊中，利用带针工具沿焊道对母材进行挤压及旋转搅拌，使预置于针尖下方热力影响区或针搅拌区的钎料通过熔化形成液相并挤入焊缝根部的间隙，从而在该搅拌摩擦焊中利用流动的液相溶解位于焊缝根部界面附近的微变形固态母材以及受挤液相的继续流动，实现去膜与冶金结合。
2.根据权利要求1所述一种消除搅拌摩擦焊根部缺陷的方法，其特征在于：所述消除搅拌摩擦焊根部缺陷的方法具体包括以下步骤：
1)预置与导入钎料：焊前在垫板上位于焊道正下方，即针尖下方的热力影响区预置钎料，或在焊接界面，即针的搅拌区预置钎料，然后用所述工具对固定在垫板上的相对接的母材进行搅拌摩擦焊接；
2)熔化钎料：利用所述工具轴肩的摩擦热与焊缝根部附近的变形热使钎料自行熔化以获得液相，或利用所述工具轴肩的摩擦热与焊缝根部附近的变形热及母材/钎料之间的共晶反应以获得液相；
3)挤入液相：利用所述工具的锻压作用将液相挤入焊缝根部的间隙处；
4)根部两侧母材溶解：使位于所述工具针尖下方热力影响区的已发生微变形的高温固态塑化母材溶解入液相内；
5)冶金结合：通过液相的受挤流动，以及母材的溶解，实现焊缝根部母材的去膜及对应位置处焊缝的致密化与合金化，从而实现焊缝根部的冶金结合。
3.根据权利要求2所述一种消除搅拌摩擦焊根部缺陷的方法，其特征在于：焊前打磨母材对接面及母材背面紧邻母材对接面的区域，然后预置钎料。
4.根据权利要求2所述一种消除搅拌摩擦焊根部缺陷的方法，其特征在于：所述钎料的预置方式为在焊道底部与垫板之间平铺，或者，将钎料立插于母材对接面之间。
5.根据权利要求2所述一种消除搅拌摩擦焊根部缺陷的方法，其特征在于：所述钎料为钎料箔或钎料粉。
6.根据权利要求2所述一种消除搅拌摩擦焊根部缺陷的方法，其特征在于：所述钎料按照对母材有较强的溶解能力进行选择。
7.根据权利要求1所述一种消除搅拌摩擦焊根部缺陷的方法，其特征在于：所述搅拌摩擦焊中，在焊缝上部带针工具可以触及的区域，利用带针工具沿焊道对母材进行的挤压及旋转搅拌，消除母材原始界面而形成致密接头。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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