CN111299805B - 一种基于啃削辅助的厚板窄间隙焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于啃削辅助的厚板窄间隙焊接方法，其包括如下步骤：步骤一，将两个待焊母材对接装夹于加热台上，两个待焊母材的待焊面之间留有装配间隙，该装配间隙内预置有半固态特性的钎料；步骤二，调整搅拌针的端部中心置于装配间隙中心线处，所述搅拌针为锥度台阶状、锥度螺纹状或锥度台阶螺纹状，所述搅拌针端部的直径大于装配间隙的宽度，调节焊接温度使钎料处于半固态状态，半固态钎料的固相分数为10～60％，设定焊接工艺参数，搅拌针下压到目标深度，然后沿焊接方向移动，在搅拌焊料的同时对待焊母材进行啃削，直至完成焊接。其能够提高厚板焊缝的力学性能和焊接效率，简单可行，易于操作。

Description

一种基于啃削辅助的厚板窄间隙焊接方法

技术领域

本发明涉及厚板窄间隙焊接，具体涉及一种基于啃削辅助的厚板窄间隙焊接方法。

背景技术

在航空航天、汽车装备制造、航海工业等现代技术迅速发展的情况下，铝合金、铝基复合材料、铜合金钛合金被广泛应用到其中。采用复合接头的形式能够整合母材的物理优势，作为一种最为普遍应用的焊接方法，钎焊能够实现同种或异种材料的有效连接。

在钎焊某些厚板窄间隙的待焊母材中，例如在航空器壳体焊接处对接头形式、密闭性、抗腐蚀、抗变形能力要求较高，然而普通焊接方法无法完全满足这些要求。目前，能够实现厚板窄间隙焊接的方法有熔化焊、固相焊、超声波钎焊、铣削辅助电弧钎焊等焊接方法。对于厚板焊接而言，普通熔化焊方法如熔化极气体保护焊、非熔化极气体保护焊存在着难以将热量有效传递至工件底部的问题，如此可能会造成工件底部未熔透等缺陷。其中高能束焊或者激光焊在一定程度上能够解决厚板母材焊接的难点，但是碍于设备较为昂贵、操作较为复杂，接头易脆化等问题，这两种熔焊方法较为受限。因此，针对传统焊接方法存在的一些问题，有相关研究人员采用外加能量辅助的方式实现焊接，能够有效解决焊接过程中金属间化合物层厚度较大、接头残余应力大、生成有害相等难题。其中，超声波辅助焊接能够破碎母材基体氧化膜、细化焊缝晶粒，一定程度上能够提高接头强韧性能；在厚板焊接方面，搅拌摩擦焊(FSW)等固相焊接方法有一定的优势，其中可以采用双面焊的方式实现焊接，鉴于该焊接方法焊接温度低，工件变形小，焊接效率较高等优点被广泛应用。但是对于焊接钢或钛合金等硬度较高的金属，存在着一些不可避免的问题，比如搅拌头磨损严重，焊接板厚受限，热量无法均匀分布等问题。如今，有学者采用普通铣削工具作为外加能场辅助焊接，能够在不使用钎剂的条件下实现铝/钢异种金属焊接并获得较高的接头强度，但是受限于铣削工具结构，对母材基体的铣削力不足，铣削工具难以对母材基体进行较大深度的切削，因此形成的界面弯曲程度不足，不能完全实现机械咬合作用，该方法仍然存在不成熟的地方。

CN103994551B公开了一种表面机械研磨处理和超声波协同辅助异种金属TIG熔-钎焊方法，其采用机械研磨处理和超声波协同的方式实现焊接，利用外加能量在一定程度上改善了晶粒粗大、金属间化合物层较厚等部分问题，为获得优质焊接接头起到一定有利作用。其不足之处是此方法在焊前需要经过喷丸处理，无疑增加了设备复杂的程度；在焊接大板或长板方面，超声波的作用弱化，仅对局部区域适用。此外超声波辅助焊接之后获得的让钢基体界面较为平直，无法实现机械咬合作用。

CN101596630B公开了一种铝合金及其复合材料非真空半固态搅拌钎焊方法，该焊接过程在轨道式滑动平台上进行，以电阻加热器作为加热热源，搅拌头作为辅助工具完成焊接。整个焊接过程分为两个阶段，第一个阶段是通过旋转滑动装置带动搅拌头完成初步焊接，达到破碎基体氧化膜的目的；随后，再次启动旋转滑动装置带动搅拌头反向滑动，完成第二阶段焊接过程，液相钎料与母材基体发生了扩散溶解，接头界面达到了冶金结合效果，经过二次搅拌之后，增强体颗粒在焊缝中均匀分布，获得了增强体的复合焊缝。但是，改方法仍然存在焊接周期长，工序繁琐等问题；SiC颗粒进入焊缝的数量有限，复合焊缝的效果不明显，此外接头界面较为平直，抗裂能力有待提高。

CN108817642A公开了一种提高非热处理强化铝合金搅拌摩擦焊接头强度的方法，包括以下步骤：1、根据板厚，在被焊板件对接面上分别加工凹台；2、将带凹台的板件分别装夹在带水槽的工作台上，使其沿对接线形成一个凹槽；3、将增强相颗粒填入凹槽中，压实，利用无针搅拌头将槽口封闭；4、向水槽中注水，利用搅拌摩擦焊具沿对接线进行多道次往复焊接。利用水冷和增强相颗粒的添加，既避免了焊核区周围区域受焊接热循环作用而发生软化，又在焊核区制备了颗粒增强的超细晶铝基复合材料，从而提高了非热处理强化铝合金搅拌摩擦焊接接头力学性能，该方法操作简单，投资少，便于实施。但是需要预先在被焊板件对接面上分别加工凹台，装夹在工作台上使其沿对接线形成一个凹槽，增加了制造工序，影响了焊接效率；其次，由于增强相颗粒硬度较大，并且通过多道次的方式完成焊接，可能会造成搅拌头磨损加重，降低搅拌头的使用寿命。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于啃削辅助的厚板窄间隙焊接方法，其能够提高厚板焊缝的力学性能和焊接效率，简单可行，易于操作。

本发明所述的基于啃削辅助的厚板窄间隙焊接方法，其包括如下步骤：

步骤一，将两个待焊母材对接装夹于加热台上，两个待焊母材的待焊面之间留有装配间隙，该装配间隙内预置有半固态特性的钎料；

步骤二，调整搅拌针的端部中心置于装配间隙中心线处，所述搅拌针为锥度台阶状、锥度螺纹状或锥度台阶螺纹状，所述搅拌针端部的直径大于装配间隙的宽度，调节焊接温度使钎料处于半固态状态，半固态钎料的固相分数为10～60％，设定焊接工艺参数，搅拌针下压到目标深度，然后沿焊接方向移动，在搅拌焊料的同时对待焊母材进行啃削，直至完成焊接。

进一步，所述步骤二中的焊接工艺参数包括：两个待焊母材的焊接温度为350～650℃，保温时间为3～8min，搅拌头下压量为0.2～0.6mm，搅拌针单侧啃削量为0.1～0.6mm，搅拌头转速为1000～3500rpm，焊接速度为25～88mm/min。所述搅拌针单侧啃削量指的是搅拌针对单个待焊母材的啃削量。

进一步，所述锥度台阶状为：搅拌针整体呈锥度角为5～45°的锥柱状，自其顶端向搅拌头杆部方向设有多个逐级向下的台阶：

所述锥度螺纹状为：搅拌针整体呈锥度角为5～45°的锥柱状，其外周面设有螺旋设置的螺纹槽；

所述锥度台阶螺纹状为：搅拌针整体呈锥度角为5～45°的锥柱状，自其顶端向搅拌头杆部方向设有多个逐级向下的台阶，且搅拌针外周面加工有双螺旋槽，该双螺旋槽以靠近根部台阶的第二台阶作为起始点，起始角度分别为0°和180°。

进一步，所述搅拌针端部直径D与两个待焊母材的装配间隙宽度H的关系为：0.2mm＜D-H＜1.2mm。

进一步，所述搅拌针端部至根部的长度L与待焊母材厚度δ的关系为：0.3mm＜L-δ＜1.5mm。

进一步，所述钎料为Zn-Al系钎料或Al-Si系钎料。

进一步，所述待焊母材的材质为铝合金、铝基复合材料、铜合金或钛合金。

进一步，所述搅拌针的材质为H13钢或硬质合金，所述硬质合金为钨铼类硬质合金、钨钴类硬质合金或钨钛钽(铌)类硬质合金。

进一步，所述加热台的加热方式为火焰加热、电阻式加热、高频感应加热、激光式加热、等离子加热和电弧式加热中的一种或几种。

进一步，所述待焊母材接头形式为板与板的搭接、对接或管与管的对接、搭接。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果。

1、本发明焊接工序简单，效率高，可一次成形，可操作性强，对接头形式要求低，能够用于焊接厚板、窄间隙接头形式，免去开坡口工序，解决了诸如熔焊厚板窄间隙接头未焊透的缺陷，通过搅拌针将热量有效传递到待焊母材焊接面的各个位置，避免了焊接温度不均匀的问题。

2、本发明所述搅拌针为锥度台阶状、锥度螺纹状或锥度台阶螺纹状，通过搅拌针机械去除母材基体氧化膜，无需化学钎剂即可实现钎焊，有效解决了诸如钎焊、扩散焊等过程中去除氧化膜的难题，实现了接头无化学残留焊接，增强了接头的耐腐蚀性能力。

3、本发明选择的搅拌头的搅拌针结构为锥度台阶状、锥度螺纹状或锥度台阶螺纹状，所述锥度台阶螺纹状指的是带有螺旋槽的锥度台阶状，有利于获得波浪状的接头界面，增强了界面机械咬合作用，有利于阻碍裂纹的扩展；此外，利用特定结构的非接触式轴肩以及半固态钎料的特性，通过固相颗粒破碎掉母材上表面氧化膜，非接触式轴肩将焊缝中多余的填充金属强制平铺至母材上表面，从而形成一层均匀的余高金属，避免焊接过程中空气进入焊缝形成气孔，提高了接头的整体强度。

4、本发明通过搅拌针对待焊母材进行啃削，结合搅拌针的转动能够将啃削下来的母材颗粒搅拌至焊缝中，通过调整搅拌针直径D与装配间隙H的关系、搅拌针端部至根部的长度L与待焊母材厚度δ的关系，有效控制母材颗粒或者母材中的增强相颗粒进入焊缝的数量，促使母材颗粒或者母材中的增强相颗粒与液相钎料能够发生冶金结合，使其成为焊缝的增强相，缩小了焊缝与待焊母材之间的物理性能差异。通过半固态状态的钎料作为填充金属，且调控焊缝中固相分数为10～60％，改变了焊缝黏度，避免了液态钎料被挤出，充分发挥半固态钎料流变特性，避免了待焊母材界面未钎透，促进了冶金结合，最终获得一个拥有波浪界面、复合增强相焊缝的优质钎焊接头。

5、相较于搅拌摩擦焊等固相焊接方法，本发明中的搅拌工具磨损程度低，使用周期长，能够自主加工不同结构的搅拌针，从而获得预期的接头形貌，有利于进一步改善接头的综合性能。

6、本发明能够满足不同产品连接，适用于工业化生产。并且可以根据不同板厚的待焊母材，采用不同的加热方式进行加热，有利于焊接温度的控制。

7、本发明焊接温度较低。针对同种材质待焊母材焊接，能够降低母材因受热造成的变形，比如在焊接铝基复合材料方面，能够减少或避免有害相C₄Al₃的生成；针对异种材质待焊母材焊接，能够有效控制金属间化合物的生成，降低金属间化合物层厚度，避免接头脆化，从而有效提高接头的力学性能。

附图说明

图1是本发明的焊接示意图；

图2是本发明实施例一得到的焊缝的宏观示意图；

图3是本发明实施例一得到的焊缝的微观形貌示意图；

图4是本发明搅拌头的结构示意图之一；

图5是本发明搅拌头的结构示意图之二；

图6是本发明搅拌头的结构示意图之三。

图中，1—石英管加热体、2—待焊母材一，3—搅拌头，31—杆部，32—轴肩，33—搅拌针，4—待焊母材二，5—加热台。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细说明。

实施例一，一种基于啃削辅助的厚板窄间隙焊接方法，其包括如下步骤：

步骤一，参见图1，将两个厚度均为3mm、材质为铝基复合材料的待焊母材一2和待焊铝基复合材料母材二4对接装夹于加热台5上，所述铝基复合材料中含有15wt.％的SiC，两个待焊母材的待焊面之间留有宽度为2.4mm的装配间隙，该装配间隙内预置有Zn-Al27钎料。

步骤二，调整搅拌头3的搅拌针33的端部中心置于装配间隙中心线处，参见图4，所述搅拌头3包括杆部31、轴肩32和搅拌针33，所述搅拌针33为锥度台阶状，即搅拌针33整体呈锥度角为10°的锥柱状，自其顶端向搅拌头杆部31方向设有四个逐级向下的台阶。搅拌针端部直径D为3mm，搅拌针端部至与轴肩32接触的根部的长度L为4mm。

采用布置于加热台5内的石英管加热体1同时加热两个待焊母材和钎料，调节焊接温度为455℃，保温5min，使得钎料处于半固态状态，钎料的固相分数为10～60％，即将半固态钎料的固相颗粒的体积分数控制在10～60％范围内。

设定焊接工艺参数，所述焊接工艺参数为：搅拌头下压量为0.5mm，搅拌针单侧啃削量为0.3mm，搅拌头转速为1500rpm，焊接速度为80mm/min。

搅拌头3下压到目标深度，然后沿焊接方向移动，直至完成焊接，焊接完成后随炉冷却至室温。

参见图2和图3，焊接过程中，通过搅拌针机械去除母材基体氧化膜，无需化学钎剂即可实现钎焊，有效解决了诸如钎焊、扩散焊等过程中去除氧化膜的难题，实现了接头无化学残留焊接，增强了接头的耐腐蚀性能力。并且搅拌针能够对待焊母材进行啃削，靠近铝基复合材料的界面呈现出明显的波浪状，这种具有一定的机械咬合特征的界面为焊缝强化提供了帮助，有利于阻碍裂纹的扩展，进而提高了焊缝界面强度。

搅拌针的转动将啃削下来的母材颗粒搅拌至半固态钎料中，通过调整搅拌针端部直径D与装配间隙H的关系、搅拌针端部至搅拌针与轴肩接触根部的长度L与待焊母材厚度δ的关系，有效控制母材颗粒进入焊缝的数量，促使母材颗粒与液相填充金属结合，使得母材颗粒成为焊缝的增强相。同时由于母材颗粒中含有SiC，有效提升了母材颗粒的强化效果，提高了焊缝的力学性能。通过半固态状态的钎料作为填充金属，且调控半固态钎料的固相分数为10～60％，改变了焊缝黏度，避免了液态钎料被挤出，充分发挥半固态钎料流变特性，避免了待焊母材界面未钎透，促进了冶金结合，最终获得一个拥有波浪界面、复合增强相的优质钎焊焊缝。

实施例二，一种基于啃削辅助的厚板窄间隙焊接方法，其包括如下步骤：

步骤一，将两个厚度均为4mm、材质为铝合金的待焊母材对接装夹于加热台上，两个待焊母材的待焊面之间留有宽度为1.8mm的装配间隙，该装配间隙内预置有Al-Si9钎料。

步骤二，调整搅拌针的端部中心置于装配间隙中心线处，参见图5，所述搅拌头3包括杆部31、轴肩32和搅拌针33，所述搅拌针33为锥度螺纹状，搅拌针整体呈锥度角为10°的锥柱状，其外周面设有螺旋设置的螺纹槽。搅拌针端部直径D为3mm，搅拌针端部至根部的长度L为4.5mm。

采用布置于加热台内的石英管加热体同时加热待焊母材和钎料，调节焊接温度为550℃，保温5min，使得钎料处于半固态状态，半固态钎料的固相分数为10～60％，即将半固态钎料的固相颗粒的体积分数控制在10～60％范围内。

设定焊接工艺参数，所述焊接工艺参数为：搅拌头下压量为0.3mm，搅拌针单侧啃削量为0.6mm，搅拌头转速为1000rpm，焊接速度为80mm/min。

搅拌头下压到目标深度，然后沿焊接方向移动，直至完成焊接，焊接完成后空冷至室温。

实施例三，一种基于啃削辅助的厚板窄间隙焊接方法，其包括如下步骤：

步骤一，将两个厚度均为4mm、材质为钛合金与铝合金的待焊母材对接装夹于加热台上，两个待焊母材的待焊面之间留有宽度为1.8mm的装配间隙，该装配间隙内预置有Zn-Al15钎料。

步骤二，调整搅拌头3的搅拌针的端部中心置于装配间隙中心线处，参见图6，所述搅拌头3包括杆部31、轴肩32和搅拌针33，所述搅拌针33为锥度台阶螺纹状，搅拌针33整体呈锥度角为10°的锥柱状，自其顶端向搅拌头杆部31方向设有四个逐级向下的台阶，且搅拌针33外周面加工有双螺旋槽，该双螺旋槽以靠近根部台阶的第二台阶作为起始点，起始角度分别为0°和180°。搅拌针端部直径D为3mm，搅拌针端部至根部的长度L为5mm。

采用布置于加热台内的石英管加热体同时加热待焊母材和钎料，调节焊接温度为440℃，保温5min，使得钎料处于半固态状态，半固态钎料的固相分数为10～60％，即将半固态钎料的固相颗粒的体积分数控制在10～60％范围内。

设定焊接工艺参数，所述焊接工艺参数为：搅拌头下压量为0.5mm，搅拌针单侧啃削量为0.1mm，搅拌头转速为1500rpm，焊接速度为80mm/min。

搅拌头下压到目标深度，然后沿焊接方向移动，直至完成焊接，焊接完成后空冷至室温。

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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于啃削辅助的厚板窄间隙焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，将两个待焊母材对接装夹于加热台上，两个待焊母材的待焊面之间留有装配间隙，该装配间隙内预置有半固态特性的钎料；

步骤二，调整搅拌针的端部中心置于装配间隙中心线处，所述搅拌针为锥度台阶状、锥度螺纹状或锥度台阶螺纹状，所述搅拌针端部的直径大于装配间隙的宽度，调节焊接温度使钎料处于半固态状态，半固态钎料的固相分数为10~60%，设定焊接工艺参数，搅拌针下压到目标深度，然后沿焊接方向移动，在搅拌焊料的同时对待焊母材进行啃削，直至完成焊接；

所述锥度台阶状为：搅拌针的整体呈锥度角为5~45°的锥柱状，自其顶端向搅拌头杆部方向设有多个逐级向下的台阶：

所述锥度螺纹状为：搅拌针整体呈锥度角为5~45°的锥柱状，其外周面设有螺旋设置的螺纹槽；

所述锥度台阶螺纹状为：搅拌针整体呈锥度角为5~45°的锥柱状，自其顶端向搅拌针杆部方向设有多个逐级向下的台阶，且搅拌针外周面加工有双螺旋槽，该双螺旋槽以靠近根部台阶的第二台阶作为起始点，起始角度分别为0°和180°。

2.根据权利要求1所述的基于啃削辅助的厚板窄间隙焊接方法，其特征在于：所述步骤二中的焊接工艺参数包括：两个待焊母材的焊接温度为350~650℃，保温时间为3~8min，搅拌头下压量为0.2~0.6mm，搅拌针单侧啃削量为0.1~0.6mm，搅拌头转速为1000~3500rpm，焊接速度为25~88mm/min。

3.根据权利要求1或2所述的基于啃削辅助的厚板窄间隙焊接方法，其特征在于，所述搅拌针端部直径D与两个待焊母材的装配间隙宽度H的关系为：0.2mm＜D-H＜1.2mm。

4.根据权利要求1或2所述的基于啃削辅助的厚板窄间隙焊接方法，其特征在于，所述搅拌针端部至根部的长度L与待焊母材厚度δ的关系为：0.3mm＜L-δ＜1.5mm。

5.根据权利要求1或2所述的基于啃削辅助的厚板窄间隙焊接方法，其特征在于：所述钎料为Zn-Al系钎料或Al-Si系钎料。

6.根据权利要求1或2所述的基于啃削辅助的厚板窄间隙焊接方法，其特征在于：所述待焊母材的材质为铝合金、铝基复合材料、铜合金或钛合金。

7.根据权利要求1或2所述的基于啃削辅助的厚板窄间隙焊接方法，其特征在于：所述搅拌针的材质为H13钢或硬质合金。

8.根据权利要求1或2所述的基于啃削辅助的厚板窄间隙焊接方法，其特征在于：所述加热台的加热方式为火焰加热、电阻式加热、高频感应加热、激光式加热、等离子加热和电弧式加热中的一种或几种。

9.根据权利要求1或2所述的基于啃削辅助的厚板窄间隙焊接方法，其特征在于：所述待焊母材接头形式为板与板的搭接、对接或管与管的对接、搭接。

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