CN111730194B - 一种中厚镁合金板搅拌摩擦焊方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明专利提供一种中厚镁合金板搅拌摩擦焊方法及其装置，包括以下步骤：将待焊接的两块中厚板母材对接起来，并采用夹具将其刚性固定；将静轴肩穿过搅拌头并固定在焊接设备的外壳上，将动轴肩通过螺纹结构固定在搅拌针上，搅拌针与搅拌头连接并用于搅拌摩擦；对两块母材之间的缝隙实施搅拌摩擦焊接，搅拌头沿焊缝行走进行焊接。本发明专利提供的中厚镁合金板搅拌摩擦焊方法，提供了一种成本低廉、耗能较少且可操作性高的镁合金中厚板搅拌摩擦焊方式,提高了焊缝处连接强度，提高了焊接的灵活性，扩大了搅拌摩擦焊在一些复杂大型空间结构上的应用，避免了未焊透等焊接缺陷。

Description

一种中厚镁合金板搅拌摩擦焊方法及其装置

技术领域

本发明专利属于金属材料焊接技术领域，具体为一种中厚镁合金板搅拌摩擦焊方法及其装置。

背景技术

传统上，铆接和熔化焊是镁合金连接的主要方法。但是，镁合金采用传统的方法连接金属，容易出现较多的问题，例如，铆接接头强度较低，密封性、可靠性较差，应用范围十分有限，熔化焊容易生成不致密的焊缝夹杂物,严重降低焊缝质量，此外，镁与一些合金元素会形成低熔共晶体,在脆性温度下极易形成热裂纹、氢气在镁合金的溶解度随着温度的降低极具下降,因此在焊缝中形成氢气孔,尤其焊接压铸态镁合金时,气孔现象尤为严重,急剧降低焊缝接头的力学性能。因此，现有技术中为了避免这些焊接缺陷的产生，常采用搅拌摩擦焊。

搅拌摩擦焊是一种优良的、绿色的焊接方法，对于镁及其合金能够实现有效的连接，然而，FSW焊接过程也存在一些问题：(1)轴肩发生旋转导致热输入量过大，焊接接头的温度梯度大，导致焊接接头存在很大的内应力；(2)焊接过程中存在飞边，导致焊接接头的有效厚度减少；(3)发生塑性变形的材料容易从旋转搅拌针的两侧被挤出，材料损失造成孔洞等缺陷；(4)对设备的刚性和背部支撑要求极高，因此结构件的焊接工装极其复杂并且需要背部支撑垫板以抵抗焊接中产生的锻压力，这约束了搅拌摩擦焊在智能制造领域的推广应用；(5)对于较厚的结构件，由于需要更多的能量来焊合焊缝，焊接速度相对于某些熔化焊方法较低；(6)由于搅拌摩擦焊的产热来源主要是轴肩产热，而焊缝背面由于远离轴肩，受到的热量远小于焊缝正面，导致焊缝正面与背面的温度差也极大，进而导致应力集中进而使板翘曲变形，甚至于导致背部未焊合。

目前,现有技术中,也存在部分对搅拌摩擦焊进行改进的方法，例如CN201410102729.X公开的一种搅拌摩擦焊方法，该技术通过在母材背部固定增厚板，搅拌针顶端插在增厚板中，来消除底部未焊透的弱连接缺陷。然而该技术容易导致固定板和母材焊连，使得焊缝的金属纯度下降，焊接性能下降，同时固定板和母材的分离也较为麻烦，不利于智能制造的推广。CN201210087920.2、CN201520623189.X等也对搅拌摩擦焊进行了改进，利用双轴肩方法来提供上下表面的热输入，但其上下表面需要施加不同方向的作用力，这对所需设备是一个考验。

因此怎样改进现有的搅拌摩擦焊方法，以提高镁合金中厚板焊接后的连接性能,仍然值得研究，这对于推进镁合金的工业应用步伐、拓展其应用领域，具有重要的作用。

发明内容

本发明专利的目的在于提供一种中厚镁合金板搅拌摩擦焊方法及其装置，解决了如何提供一种成本低廉、耗能较少且可操作性高的镁合金中厚板搅拌摩擦焊方式,提高了焊缝处连接强度，提高了焊接的灵活性，扩大了搅拌摩擦焊在一些复杂大型空间结构上的应用，避免了未焊透等焊接缺陷。

一种中厚镁合金板搅拌摩擦焊方法，包括以下步骤：

步骤S1：搅拌摩擦焊前，先对母材表面进行物理和化学表面清理,去除表面的油污、水分和氧化膜；

步骤S2：母材为镁合金，将待焊接的两块中厚板母材对接起来，并采用夹具将其刚性固定，对接间隙在0.5mm以内；

步骤S3：使用螺栓将两端开口的圆锥筒状静轴肩固定在不随主轴旋转的机器外壳上；接着，选择与焊接板材厚度相适应的锥状搅拌针，将其穿过静轴肩，使用螺纹的连接方式与主轴相固定；

步骤S4：搅拌针底端竖直穿过所述静轴肩，再将动轴肩通过螺纹结构固定在搅拌针上；螺纹方向和旋转方向相反，旋转时产生的摩擦力提供旋紧动轴肩的力；

步骤S5：上静下动的双轴肩搅拌摩擦焊设备安装完成之后，将其由板材的一端，沿着焊缝焊接到板材的另一端；

步骤S6：焊接完成后，分别取下动轴肩、静轴肩和搅拌针。

所述步骤S3中，所述搅拌针的螺纹方向应该与搅拌针的旋转方向相反，这样可以保证在旋转的过程中，受到的摩擦力提供旋紧搅拌针的力，使搅拌针不容易脱落。

所述步骤S4中，所述静轴肩中的孔和搅拌针的配合关系为间隙配合。

所述母材的厚度范围为10mm-20mm。

所述搅拌针的底部呈锥形结构。

焊接直线移动速度为100mm/min，所述搅拌针的旋转速度1200r/min。

一种中厚镁合金板搅拌摩擦焊装置，包括圆锥筒状的静轴肩、竖直穿过所述静轴肩的搅拌针、与所述搅拌针顶端连接的主轴、设置在所述搅拌针底端的动轴肩，所述动轴肩上端面抵靠在工件下端面，所述动轴肩通过螺纹结构固定在搅拌针的下端部；

所述静轴肩的外侧部通过螺栓与焊接设备的外壳连接，所述主轴的顶端设置在所述焊接设备上。

所述动轴肩通过螺纹结构一设置在所述搅拌针上，所述螺纹结构一上的螺纹旋向与搅拌针的旋转方向相反。

所述搅拌针的上端部通过螺纹结构二与所述主轴连接，所述螺纹机构二的螺纹旋向与搅拌针的旋转方向相反。

本发明的有益效果为：

(1)选择静轴肩搅拌摩擦焊可以大大提高镁合金中厚板的焊接性能，使用静轴肩的搅拌头热输入量减少，热影响区的宽度也相比普通搅拌摩擦焊小了很多；同时，焊缝的表面更加光滑，有效地减少了飞边，而且可以防止发生塑性变形的材料从旋转搅拌针的两侧被挤出，避免产生孔洞等缺陷，从而避免了搅拌摩擦焊过程中由于焊缝减薄而造成接头力学性能下降；

(2)将静轴肩和动轴肩结合在一起形成上静下动的双轴肩结构，将动轴肩简化为类似螺栓和螺母的结构关系，这样在进行搅拌摩擦焊的过程中，上端的静轴肩保证材料表面的光滑，抑制飞边的形成和焊缝的减薄，下端的动轴肩旋转产生焊接热，同时提供一个向上的作用力，从而降低了对设备提供支撑力的要求，大大提高了焊接的灵活性；

(3)降低对设备背部支撑力的要求，从下方对板材进行支撑，大大简化了工装夹具，使得焊接灵活性有了很大的提高，在焊接一些中空结构件时具有更好的灵活性，利于智能制造的推广；

(4)将搅拌针设计成锥形，锥形搅拌针在旋转的过程中从上到下线速度递减，使得热输入也呈现从上到下递减的趋势，刚好能保证上端静轴肩和下端动轴肩热输入的平衡，减小了板上下两端的温度差，从而不易产生应力集中使板翘曲变形；

(5)动轴肩和搅拌针的螺栓螺母式结构设计使得容易磨损的动轴肩拆卸或更换更加方便，从而提高搅拌摩擦焊的焊接效率和可操作性；本发明所设计的装置简单,实施方便,实施成本低廉且可操作性强。

附图说明

图1为本发明专利实施时上静下动的双轴肩搅拌摩擦焊结构示意图。

图2为本发明专利实施例焊核区微观组织的组织图。

图3为本发明专利对比实例1焊核区微观组织的组织图。

图4为本发明专利对比实例2焊核区微观组织的组织图。

其中，附图标记为：1、动轴肩；2、静轴肩；3、螺栓；4、搅拌针；5、主轴；6、机器外壳；7、工件。

具体实施方式

为了能更加清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，对本方案进行阐述。

参见图1，本专利的工作原理：下方动轴肩提供一个向上的支撑力，上方静轴肩提供一个向下的压力，两者大小相等，方向相反，保证在焊接过程中焊缝的对齐；静轴肩配合锥形搅拌针大头，动轴肩配合锥形搅拌针小头，保持两者热输入平衡，减少焊缝的热应力变形；静轴肩提供焊缝处材料三向压应力作用，减少焊缝内部缺陷的产生趋势，同时限制材料飞边的形成；静动轴肩相对双动轴肩来说热输入更小，焊缝处晶粒来不及长大，形成细小的等轴晶粒；

使用螺栓3将两端开口的圆锥筒状静轴肩2固定在不随主轴5旋转的机器外壳6上。接着，选择与焊接板材厚度相适应的锥状搅拌针4(搅拌针加上轴肩即为搅拌头)，将其穿过静轴肩，使用螺纹的连接方式与主轴5相固定。其中，螺纹方向与搅拌针4的旋转方向相反，这样可以保证在旋转的过程中，受到的摩擦力提供旋紧搅拌针4的力，使搅拌针4不容易脱落。最后，将动轴肩1通过螺纹固定在搅拌针4上，螺纹方向和旋转方向相反，旋转时产生的摩擦力提供旋紧动轴肩1的力。上静下动的双轴肩搅拌摩擦焊设备安装完成之后，将其由工件7的一端，沿着焊缝焊接到板材的另一端。焊接完成后，分别取下动轴肩1，静轴肩2和搅拌针4；

使用本发明来焊接20mm厚的ZM6镁合金，接头采用对接形式，选择的搅拌针的顶部直径18mm、底部直径13mm、圆锥部分长度为20mm，动轴肩直径25mm，静轴肩内径19mm、外径32mm。搅拌摩擦焊前先对母材表面进行物理和化学表面清理,去除表面的油污、水分、氧化膜等。使用夹具将母材以对接形式刚性固定,对接间隙在0.5mm以内。安装完上静下动的双轴肩搅拌摩擦焊设备之后，从板材的一端开始沿着焊缝对母材实施搅拌摩擦焊连接，实验参数：焊接速度100mm/min，旋转速度1200r/min；

通过本实例焊接所得到的焊缝表面平整光滑且基本无飞边，没有任何宏观缺陷，同时焊缝宽度和母材基本保持一致，焊核区微观组织为细小的等轴晶粒，热影响区范围较小，进行拉伸力学性能测试，拉伸强度达到母材的91％；

其中，母材抗拉强度：231.68MPa，本专利抗拉强度：209.97MPa，并且图2(a)为母材区；(b)为热影响区；(c)为热机械影响区；(d)为焊核区。

对比实例1

采用和本发明专利实施例相同参数的搅拌摩擦焊进行焊接,在不安装上端静轴肩的情形下；

分析焊接接头发现，由于缺少静轴肩对材料流动的限制，表面平整度有所下降，焊缝宽度和母材基本保持一致，观察微观组织后发现，焊核区的晶粒为等轴晶粒，但均匀程度较差，进行拉伸力学性能测试，拉伸强度达到母材的82％。

其中，母材抗拉强度：231.68MPa，对比实例1抗拉强度：190.63MP，图3(a)为母材区；(b)为热影响区；(c)为热机械影响区；(d)为焊核区。

对比实例2

由于相同参数下的无动轴肩搅拌摩擦焊不能焊接成功，故采用降低焊接速度的方法来提高成功率，实验参数为50mm/min，旋转速度1200r/min,在不安装下端动轴肩的情形下；

分析焊接接头发现，表面平整光滑且基本无飞边，但是背部焊缝存在未焊透的缺陷，接头宏观形貌呈现上宽下窄的梯形，同时观察微观组织后发现，焊核区晶粒长大较明显。进行拉伸力学性能测试，拉伸强度只有母材的67％；

母材抗拉强度：231.68MPa，对比实例2抗拉强度：157.15MPa，图4(a)为母材区；(b)为热影响区；(c)为热机械影响区；(d)为焊核区。

通过具体的对比实例1与对比实例2可知，采用申请人发明的搅拌摩擦焊设备焊接ZM6镁合金，在相同的条件下，得到的焊缝质量远远高于不采用本发明的设备；

综上所述，本发明专利的特点是简单有效，克服了现有专利中安装复杂，更换轴肩复杂，且需要高精度的夹具对板材进行固定的问题；应用范围广，可以对中空的架空结构进行焊接；焊缝表面更加光滑，减少了焊后表面加工，能够降低成本，提高焊接速率；焊缝减薄率较低，焊缝应力变形较少，焊接接头性能较好。

本发明专利未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述，当然，上述说明并非是对本发明专利的限制，本发明专利也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明专利的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明专利的保护范围。

Claims (7)

1.一种中厚镁合金板搅拌摩擦焊方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：搅拌摩擦焊前，先对母材表面进行物理和化学表面清理,去除表面的油污、水分和氧化膜；

步骤S2：母材为镁合金，将待焊接的两块中厚板母材对接起来，并采用夹具将其刚性固定，对接间隙在0.5mm以内；

步骤S3：使用螺栓将两端开口的圆锥筒状静轴肩固定在不随主轴旋转的机器外壳上；接着，选择与焊接板材厚度相适应的锥状搅拌针，将其穿过静轴肩，使用螺纹的连接方式与主轴相固定；

所述搅拌针的螺纹方向与搅拌针的旋转方向相反，这样能够保证在旋转的过程中，受到的摩擦力提供旋紧搅拌针的力，使搅拌针不容易脱落；

步骤S4：搅拌针底端竖直穿过所述静轴肩，再将动轴肩通过螺纹结构固定在搅拌针上；螺纹方向和旋转方向相反，旋转时产生的摩擦力提供旋紧动轴肩的力；

步骤S5：上静下动的双轴肩搅拌摩擦焊设备安装完成之后，将其由板材的一端，沿着焊缝焊接到板材的另一端；

步骤S6：焊接完成后，分别取下动轴肩、静轴肩和搅拌针；

所述搅拌针的底部呈锥形结构。

2.根据权利要求1所述的中厚镁合金板搅拌摩擦焊方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述静轴肩中的孔和搅拌针的配合关系为间隙配合。

3.根据权利要求1所述的中厚镁合金板搅拌摩擦焊方法，其特征在于，所述母材的厚度范围为10mm-20mm。

4.根据权利要求1-3任一项所述的中厚镁合金板搅拌摩擦焊方法，其特征在于，焊接直线移动速度为100mm/min，所述搅拌针的旋转速度1200r/min。

5.一种中厚镁合金板搅拌摩擦焊装置，其特征在于，包括圆锥筒状的静轴肩、竖直穿过所述静轴肩的搅拌针、与所述搅拌针顶端连接的主轴、设置在所述搅拌针底端的动轴肩，所述动轴肩上端面抵靠在工件下端面，所述动轴肩通过螺纹结构固定在搅拌针的下端部；

所述静轴肩的外侧部通过螺栓与焊接设备的外壳连接，所述主轴的顶端设置在所述焊接设备上；

所述搅拌针的底部呈上宽下窄的锥形结构。

6.根据权利要求5所述的中厚镁合金板搅拌摩擦焊装置，其特征在于，所述动轴肩通过螺纹结构一设置在所述搅拌针上，所述螺纹结构一上的螺纹方向与搅拌针的旋转方向相反。

7.根据权利要求6所述的中厚镁合金板搅拌摩擦焊装置，其特征在于，所述搅拌针的上端部通过螺纹结构二与所述主轴连接，所述螺纹结构二的螺纹方向与搅拌针的旋转方向相反。

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