CN112238293A - 一种基于自蔓延反应的避免厚板搅拌摩擦焊接底部缺陷的方法 - Google Patents

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曾金成
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Abstract

一种基于自蔓延反应的避免厚板搅拌摩擦焊接底部缺陷的方法，其特征是在焊接前将两种能发生“固‑固”自蔓延反应且对接头性能没有负面影响的粉末材料加在焊接板材对接面的底部；由焊接过程中的摩擦热引燃粉末材料后自动燃烧、蔓延，为接头底部提供更多的热量输入，提高材料流动性，减少和避免接头底部缺陷地形成，提高接头的力学性能。本发明在焊缝底部添加能发生“固‑固”自蔓延反应的粉末材料，在焊接过程中由摩擦热引燃粉末材料后，增加了热输入量，能有效地提高材料流动性，避免接头中缺陷的形成，增强接头的力学性能。

Description

一种基于自蔓延反应的避免厚板搅拌摩擦焊接底部缺陷的 方法
技术领域
本发明涉及一种搅拌摩擦焊接技术，尤其是一种不同材料搅拌摩擦焊接缺陷消除技术，具体地说是一种基于自蔓延反应的避免厚板搅拌摩擦焊接底部缺陷的方法。
背景技术
搅拌摩擦焊接（FSW）是一种新型固相连接技术，焊接过程中热量主要来源于搅拌头和材料的摩擦产热和材料塑性变形产热，在焊接较厚的板材和一些高熔点材料时，接头底部由于产热量不够，常出现孔洞和裂纹等缺陷，影响接头的力学性能。
增加焊接过程中的热量输入可以减少和避免孔洞、裂纹等缺陷的形成，提高接头的力学性能。本专利提出了一种基于自蔓延反应的避免厚板搅拌摩擦焊接底部缺陷的方法，可以提高焊接时的热输入量，避免缺陷在接头内部形成，提高接头的力学性能。
发明内容
本发明的目的是针对搅拌摩擦焊接过程中焊缝底部因热量不足易产生各种底部焊接缺陷的问题，发明一种基于自蔓延反应的避免厚板搅拌摩擦焊接底部缺陷的方法。
本发明的技术方案是：
一种基于自蔓延反应的避免厚板搅拌摩擦焊接底部缺陷的方法，其特征是在焊接前将两种能发生“固-固”自蔓延反应且对接头性能没有负面影响的粉末材料加在焊接板材对接面的底部；由焊接过程中的摩擦热引燃粉末材料后自动燃烧、蔓延，为接头底部提供更多的热量输入，提高材料流动性，减少和避免接头底部缺陷地形成，提高接头的力学性能，解决搅拌摩擦焊接过程中，接头底部由于热输入量不足导致材料流动性差，形成孔洞和裂纹缺陷的问题。
具体包括以下步骤：
首先，分析不同焊接工艺参数的接头宏观形貌，得到接头缺陷形成的规律和计算出避免缺陷形成所需要的热量；
其次，分析不同粉末材料在发生自蔓延反应时产生的热量和粉末材料对接头性能是否有负面影响；得到对接头性能没有不良影响且能满足避免接头底部形成缺陷所需的热量的粉末材料。
第三，根据接头缺陷的位置、避免缺陷所需能量和粉末材料发生自蔓延反应所生成的热量设计出填充粉末材料的小孔形状、位置、大小和所需粉末的用量；
最后，按所设计的小孔尺寸对对接面进行加工；将所选粉末填入在小孔中，使用搅拌摩擦焊技术对焊接板材进行焊接。
所述能发生“固-固”自蔓延反应的粉末包括：铝-镍粉末、铝-钕粉末、钛-硅粉末、铝-铁粉末和铝、硼、碳、硅化合物。
所述粉末的添加方式包括：涂抹在焊接面的表层，添加在焊接面的内部。
所述添加在焊接面内部是采用开孔或开槽的方式实现。
所述粉末的直径在1nm~1mm之间。
本发明的有益效果是：
本发明在焊缝底部添加能发生“固-固”自蔓延反应的粉末材料，在焊接过程中由摩擦热引燃粉末材料后，增加了热输入量，能有效地提高材料流动性，避免接头中缺陷的形成，增强接头的力学性能。
附图说明
图1是本发明的焊接实验装置示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步阐明。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。
一种基于自蔓延反应的避免厚板搅拌摩擦焊接底部缺陷的方法，其关键是在焊接前将两种能发生“固-固”自蔓延反应且对接头性能没有负面影响的粉末材料加在焊接板材对接面的底部；所采用的能发生“固-固”自蔓延反应的粉末包括：铝-镍粉末、铝-钕粉末、钛-硅粉末、铝-铁粉末和铝、硼、碳、硅化合物，粉末的粒径最好在1nm~1mm之间。粉末的添加方式包括：涂抹在焊接面的表层，添加在焊接面的内部。添加在焊接面内部是采用开孔或开槽的方式实现。焊接过程中的摩擦热引燃粉末材料后自动燃烧、蔓延，为接头底部提供更多的热量输入，提高材料流动性，减少和避免接头底部缺陷地形成，提高接头的力学性能，解决搅拌摩擦焊接过程中，接头底部由于热输入量不足导致材料流动性差，形成孔洞和裂纹缺陷的问题。具体操作步骤为：
首先，分析不同焊接工艺参数的接头宏观形貌，得到接头缺陷形成的规律和计算出避免缺陷形成所需要的热量；
其次，分析不同粉末材料在发生自蔓延反应时产生的热量和粉末材料对接头性能是否有负面影响；得到对接头性能没有不良影响且能满足避免接头底部形成缺陷所需的热量的粉末材料。
第三，根据接头缺陷的位置、避免缺陷所需能量和粉末材料发生自蔓延反应所生成的热量设计出填充粉末材料的小孔形状、位置、大小和所需粉末的用量；
最后，按所设计的小孔尺寸对对接面进行加工；将所选粉末填入在小孔中，使用搅拌摩擦焊技术对焊接板材进行焊接。
具体例，如图1所示。
焊接材料选用5 ×100 ×200 mm厚的镁板和铝板，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°，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。
分析5mm厚的铝/镁异种合金在该参数下使用搅拌摩擦焊接技术焊接得到的接头宏观形貌，发现接头底端由于热量输入较少，材料流动性差，存在孔洞和裂纹等缺陷。对不同粉末材料自蔓延反应产生的热量和避免接头底端产生缺陷所需的热量进行对比，得到质量比为25：37的75mm的99.5%镍(Ni)和75-150mm de 99%铝 (Al)混合粉末发生自蔓延反应生成的热量能满足避免接头产生孔洞和裂纹等缺陷的能量，且生成的金属间化合物(AlNi)对接头性能没有负面影响。
接头缺陷情况和粉末材料发生自蔓延反应所生成的热量设计出填充粉末材料的小孔位置位于距离底面2 mm的对接面上，其直径和深度分别为2mm和3mm，两孔之间保持3mm的间隙。
在焊接材料的对接面上按上述参数进行加工，实验装置图如下图1所示，将混合好的“铝-镍”粉末填充在孔洞中，装夹固定好后使用搅拌摩擦焊接技术对焊接材料的焊接处进行焊接
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。
本发明未涉及分部与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (6)

1.一种基于自蔓延反应的避免厚板搅拌摩擦焊接底部缺陷的方法，其特征是在焊接前将两种能发生“固-固”自蔓延反应且对接头性能没有负面影响的粉末材料加在焊接板材对接面的底部；由焊接过程中的摩擦热引燃粉末材料后自动燃烧、蔓延，为接头底部提供更多的热量输入，提高材料流动性，减少和避免接头底部缺陷地形成，提高接头的力学性能。
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，分析不同焊接工艺参数的接头宏观形貌，得到接头缺陷形成的规律和计算出避免缺陷形成所需要的热量；
其次，分析不同粉末材料在发生自蔓延反应时产生的热量和粉末材料对接头性能是否有负面影响；得到对接头性能没有不良影响且能满足避免接头底部形成缺陷所需的热量的粉末材料。
第三，根据接头缺陷的位置、避免缺陷所需能量和粉末材料发生自蔓延反应所生成的热量设计出填充粉末材料的小孔形状、位置、大小和所需粉末的用量；
最后，按所设计的小孔尺寸对对接面进行加工；将所选粉末填入在小孔中，使用搅拌摩擦焊技术对焊接板材进行焊接。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述能发生“固-固”自蔓延反应的粉末包括：铝-镍粉末、铝-钕粉末、钛-硅粉末、铝-铁粉末和铝、硼、碳、硅化合物。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述粉末的添加方式包括：涂抹在焊接面的表层，添加在焊接面的内部。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征是所述添加在焊接面内部是采用开孔或开槽的方式实现。
6.根据权利要求1-4任一所述的方法，其特征是所述粉末的直径在1nm~1mm之间。
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