CN112077433A - 一种提高fsw接头机械结合强度的方法 - Google Patents

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Abstract

一种提高FSW接头机械结合的方法，其特征是在焊接前将焊接材料设计成特殊的结构，增加焊接时材料的混合面积，使焊接材料搅拌摩擦焊后形成的接头内部具有更多结合强度更高的机械互锁结构；在焊接前，将焊接材料按获得机械结合强度最优需要的对接面形状进行加工，使用搅拌摩擦焊接技术完成焊接材料的焊接，增加接头中机械结合强度，提高接头的力学性能。本发明利用搅拌摩擦焊接得到的接头内部存在一些“钩状”的互锁结构，使接头中不仅存在冶金结合也存在机械结合。通过提高接头内的机械结合强度，可以提高接头的力学性能30%以上。

Description

一种提高FSW接头机械结合强度的方法
技术领域
本发明属于搅拌摩擦焊接领域，尤其是一种采用特殊搭接结构进行搅拌摩擦焊以提高机械强度的技术，具体涉及到一种提高FSW接头机械结合强度的方法。
背景技术
搅拌摩擦焊接（FSW）是一种新型固相连接技术，该技术是利用搅拌头与材料的强烈摩擦和对软化材料的搅拌作用，使接头焊核区的材料处于热塑性状态，通过搅拌针的搅拌，将两侧材料混合，随着搅拌头向前行进，在搅拌头的后方形成焊缝，完成连接。
在焊接过程中，通过搅拌针的搅拌，两侧材料混合形成接头，在接头中发现连接面上同时存在机械结合和冶金结合（Pourali M , Abdollah-Zadeh A , Saeid T , et al.Influence of welding parameters on intermetallic compounds formation indissimilar steel/aluminum friction stir welds[J]. Journal of Alloys andCompounds, 2017:S0925838817314822.）。
发明专利“一种获得搅拌摩擦焊接接头机械/冶金结合强度的方法”(专利申请号：201910541891 .4)也阐述了机械结合和冶金结合的存在并提出了获得接头机械/冶金结合强度的方法。
由于搅拌摩擦焊接接头强度是由接头内的机械结合和冶金结合共同决定的，提高接头内的机械结合强度可以提高焊接接头的强度，本发明提供一种提高FSW接头机械结合强度的方法以提高焊接接头的强度。
发明内容
本发明的目的是针对现有的搅拌摩擦焊接接头强度单纯依靠工艺参数的改进来提高存在的技术瓶颈，发明一种提高FSW接头机械结合强度的方法。它利用搅拌摩擦焊接得到的接头内部存在一些“钩状”的互锁结构，使接头中不仅存在冶金结合也存在机械结合。通过提高接头内的机械结合强度，可以提高接头的力学性能。
本发明的技术方案是：
一种提高FSW接头机械结合的方法，其特征是通过分析不同工艺参数下的焊接过程和接头形貌，获得焊接材料流动规律和机械结合规律，根据材料流动规律和机械结合规律设计出焊接材料焊后得到机械结合强度最优需要的焊接材料对界面形状包括其中能够起到增强接头机械结合强度的特殊结构的数量、位置、形状和大小；在焊接前，将焊接材料按获得机械结合强度最优需要的对接面形状进行加工，增加焊接时材料的混合面积，使焊接材料搅拌摩擦焊后形成的接头内部具有更多结合强度更高的机械互锁结构；使用搅拌摩擦焊接技术完成焊接材料的焊接。
具体步骤如下：
首先，对焊接材料在搅拌摩擦焊接过程中的材料流动行为进行研究，得到此种材料在不同焊接条件下焊接过程中的材料流动情况；
其次，对在不同焊接条件下材料的流动情况进行数据分析，得到材料的流动规律和接头形成机械结合的规律；
第三，根据材料流动规律和机械结合规律设计出焊接材料在不同焊接参数下焊后得到机械结合强度最优的特殊结构需要的焊接材料对接面形状，包括其中能够起到增强接头机械结合强度的特殊结构的数量、位置、形状和大小；
第四，将焊接材料按强度最优的条件对界面形状进行加工；
第五，将两块加工完成的焊接材料按照焊接要求拼接在一起；
最后，使用搅拌摩擦焊接技术对焊接材料的焊接处进行焊接，获得接头机械结合强度提高的焊缝。
所述的特殊结构的参数包括：形状、尺寸和位置。
所述的特殊结构的形状包括：燕尾状，T型、三角形，齿状，特殊结构的数量为1~100个。
所述的特殊结构的尺寸应根据焊接材料焊后得到机械结合强度最优的需要为0.01mm~100mm。
所述的特殊结构的位置位于焊缝对接面区域的任何位置。
本发明可通过实验获得材料流动的数据、机械结合的数据和不同特殊结构对接头内材料流动、形成机械结合影响的数据，并采用趋势分析法、结构分析法、相互对比法、数学模型法和比率分析法确定特殊结构的数量、位置、形状和大小。
本发明适用于相同或不同材质的FSW对接搭接。
本发明的有益效果是：
本发明利用搅拌摩擦焊接得到的接头内部存在一些“钩状”的互锁结构，使接头中不仅存在冶金结合也存在机械结合。通过提高接头内的机械结合强度，可以提高接头的力学性能30%以上。
附图说明
图1是本发明对接时两板材示意图。
图2是本发明的搭接时两板材示意图。
图中：1为拼接后的焊接区域，2为对接板材的三角形形结构，3为对接板材的三角形槽，4为搭接板材的燕尾槽，5为搭接板材的燕尾镶配件，6为拼接后的焊接区域。
具体实施方式
为使本发明实施案例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施案例和附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
一种提高FSW接头机械结合的方法，通过分析不同工艺参数下的焊接过程和接头形貌，获得焊接材料流动规律和机械结合规律，根据材料流动规律和机械结合规律设计出焊接材料焊后得到机械结合强度最优需要的焊接材料对界面形状包括其中能够起到增强接头机械结合强度的特殊结构的数量、位置、形状和大小；在焊接前，将焊接材料按获得机械结合强度最优需要的对接面形状进行加工，增加焊接时材料的混合面积，使焊接材料搅拌摩擦焊后形成的接头内部具有更多结合强度更高的机械互锁结构；使用搅拌摩擦焊接技术完成焊接材料的焊接。具体步骤为：
首先，对焊接材料在搅拌摩擦焊接过程中的材料流动行为进行研究，得到此种材料在不同焊接条件下焊接过程中的材料流动情况，包括材料流动的数据、机械结合的数据和不同特殊结构对接头内材料流动、形成机械结合影响的数据，
其次，对在不同焊接条件下材料的流动情况进行数据分析，得到材料的流动规律和接头形成机械结合的规律；数据分析方法包括趋势分析法、结构分析法、相互对比法、数学模型法和比率分析法，通过这些分析方法得到特殊结构的数量、位置、形状和大小与机械结合强度之间的关系。
第三，根据材料流动规律和机械结合规律设计出焊接材料在不同焊接参数下焊后得到机械结合强度最优的特殊结构需要的焊接材料对接面形状，包括其中能够起到增强接头机械结合强度的特殊结构的数量、位置、形状和大小；特殊结构的形状包括燕尾状，T型、三角形，齿状，特殊结构的数量为1~100个，特殊结构的尺寸为0.01mm~100mm。
第四，根据实验得到的数据和需要焊接材料的材质，将焊接材料按强度最优的条件对界面形状进行加工；
第五，将两块加工完成的焊接材料按照焊接要求拼接在一起；
最后，使用搅拌摩擦焊接技术对焊接材料的焊接处进行焊接，获得接头机械结合强度提高的焊缝。
实施案例1。
如图1所示。
FSW对接：焊接板材规格为200×100×5mm的2024铝板和AZ31B镁板，焊接过程中使用的搅拌头轴肩半径为10mm，搅拌针形状为圆台状，搅拌针根部直径为4.8mm，圆锥倾角为15
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，针长为4.8mm，下压量为0.1mm，焊接时搅拌头转速为1000rpm，焊接速度为300mm/min。
通过对5mm厚的2024铝合金和AZ31B镁板搅拌摩擦焊对接的焊接过程和接头宏观形貌分析发现，焊接过程中的材料流动主要发生在焊核区，其轴肩影响区域的材料受下压力和搅拌头轴肩旋转的共同作用往下流动，在搅拌针影响的区域材料则随搅拌头的转动往上运动；在焊核区的两种材料混合，使连接面上形成了“钩状”的机械互锁结构。得到了焊接材料2024铝板和AZ31B镁板使用搅拌摩擦焊接技术对接时的材料流动规律和机械结合形成的规律。
根据材料流动规律和机械结合规律分析不同特殊结构在焊接过程中对焊核区材料流动和机械结合形成的影响，发现在两板对接处设计成三角形结构，焊接后可得到机械结合强度最优的接头。
将焊接材料的对接处加工成三角形的形状，具体如图1所示。在焊接区域有两个三角形结构，三角形高为7mm，角度20º。
将两快材料如图1a所示拼接在一起，使用搅拌摩擦焊接技术对焊接板材的待焊接处进行焊接。
实施案例2。
如图2所示。
FSW搭接：所用的焊接板材规格为200×100×3mm的6061铝板和钢板，搅拌头轴肩半径为10mm，搅拌针形状为圆台状，搅拌针根部直径为4.8mm，圆锥倾角为15
Figure 938667DEST_PATH_IMAGE001
，针长为3mm，下压量为0.1mm，焊搅拌头转速为800rpm，焊接速度为300mm/min。
对铝/钢搅拌摩擦焊接搭接接头的焊接过程和接头宏观形貌进行分析发现，焊接过程中的材料流动主要发生在焊核区，其轴肩影响区域的材料受下压力和搅拌头轴肩旋转的作用往下流动，在搅拌针影响的区域材料则随搅拌头的转动往上运动；由于焊接时搅拌头有下压量，搅拌针的底部将热塑状态下的钢带入了铝侧，使接头的搭接面上，形成了“钩状”的互锁结构。得到了铝板和钢板使用搅拌摩擦焊接技术搭接时的材料流动规律和机械结合形成的规律。
根据材料流动规律和机械结合规律分析不同特殊结构在接头中对材料流动和机械结合形成的影响，发现在两板搭接处设计成燕尾形结构，焊接后接头内的机械结合强度最优。燕尾形结构具体数据如下所示
将其中上端的材料加工成燕尾槽的形状，燕尾槽的深度为2.5mm，开口为2mm，斜角为60º；另一侧加工成与之相对应的形状。如图1a所示。
将两快材料如图2c所示拼接在一起，使用搅拌摩擦焊接技术对焊接板材的待焊接处进行焊接。
本发明方案所公开的方法不仅限于上述所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。
上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护的范围的行为。但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何形式的简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (8)

1.一种提高FSW接头机械结合的方法，其特征是通过分析不同工艺参数下的焊接过程和接头形貌，获得焊接材料流动规律和机械结合规律，根据材料流动规律和机械结合规律设计出焊接材料焊后得到机械结合强度最优需要的焊接材料对界面形状包括其中能够起到增强接头机械结合强度的特殊结构的数量、位置、形状和大小；在焊接前，将焊接材料按获得机械结合强度最优需要的对接面形状进行加工，增加焊接时材料的混合面积，使焊接材料搅拌摩擦焊后形成的接头内部具有更多结合强度更高的机械互锁结构；使用搅拌摩擦焊接技术完成焊接材料的焊接。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是它包括以下步骤：
首先，对焊接材料在搅拌摩擦焊接过程中的材料流动行为进行研究，得到此种材料在不同焊接条件下焊接过程中的材料流动情况；
其次，对在不同焊接条件下材料的流动情况进行数据分析，得到材料的流动规律和接头形成机械结合的规律；
第三，根据材料流动规律和机械结合规律设计出焊接材料在不同焊接参数下焊后得到机械结合强度最优的特殊结构需要的焊接材料对接面形状，包括其中能够起到增强接头机械结合强度的特殊结构的数量、位置、形状和大小；
第四，将焊接材料按强度最优的条件对界面形状进行加工；
第五，将两块加工完成的焊接材料按照焊接要求拼接在一起；
最后，使用搅拌摩擦焊接技术对焊接材料的焊接处进行焊接，获得接头机械结合强度提高的焊缝。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是所述的特殊结构的参数包括：形状、尺寸和位置。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是所述特殊结构的形状包括：燕尾状，T型、三角形，齿状，特殊结构的数量为1~100个。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是所述特殊结构的尺寸应根据焊接材料焊后得到机械结合强度最优的需要为0.01mm~100mm。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是所述特殊结构的位置位于焊缝对接面区域的任何位置。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征是通过实验获得材料流动的数据、机械结合的数据和不同特殊结构对接头内材料流动、形成机械结合影响的数据，并采用趋势分析法、结构分析法、相互对比法、数学模型法和比率分析法确定特殊结构的数量、位置、形状和大小。
8.一种权利要求1所述的方法，其特征是它适用于不同材质的FSW对接搭接。
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