CN112935521B - 一种铍铝合金板的搅拌摩擦焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铍铝合金板的搅拌摩擦焊接方法,属于铍铝合金的焊接方法技术领域。本发明的一种铍铝合金板的搅拌摩擦焊接方法,包括以下步骤,S1、对耐热垫板进行预热,对待施焊的铍铝合金板进行预热;S2、将耐热垫板、铍铝合金板装夹至焊接工作台上,其中,耐热垫板位于铍铝合金板与焊接工作台之间;S3、对铍铝合金板进行搅拌摩擦焊。采用本发明的一种铍铝合金板的搅拌摩擦焊接方法,能够获得表面成型好、内部缺陷少和焊缝组织细小的焊接接头,能够避免甚至杜绝焊缝内部出现孔洞缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及一种铍铝合金板的搅拌摩擦焊接方法,属于铍铝合金的焊接方法技术领域。
背景技术
铍铝合金继承了金属铍的优异性能,同时又结合了铝的高韧性和易加工性,是一种独特的低密度(密度比铝低25%)、高比刚度(比刚度是铝、钛、钢铁、镁的4倍)和高稳定性(热膨胀系数比铝低50%)的材料。与传统航空航天用钛合金、铝合金和镁合金相比,铍铝合金在密度、弹性模量、热导率等方面具有明显的优势。在美国等发达国家,铍铝合金已在航空航天、核工业、导航、光电设备封装、计算机制造、汽车工业等领域得到应用。欧洲航天局将铍铝合金列为性能等级I级的材料,美国也明确将其作为反导动能武器的核心材料。
当前,铍铝合金及其他轻金属的空间框架结构件,主要采用挤压型材或焊接工艺来制造。在焊接方面,主要采用熔化焊工艺如电子束焊、钨极气体保护焊和激光焊等方法制造铍铝合金结构件。由于铍与铝不互溶且二者的熔点相差大,凝固区间很宽,焊缝组织以粗大的柱状晶为主,产品中也容易产生孔隙,电子束焊接BeAlMet162接头的强度约为母材强度的70%。搅拌摩擦焊(FSW)是一种固相连接技术,具有连接强度高、环保、绿色和高效的特点。采用FSW工艺焊接铍铝合金研究的很少,仅有Contreras F.等人于2002年报道了粉末冶金铍铝合金FSW接头的金相组织、微观结构、硬度等研究结果,由于所选工艺的限制,焊缝中还存在一些明显的孔洞缺陷,但该研究是对铍铝合金“绿色制造”的有益尝试,可避免有毒Be和BeO蒸汽的产生。可以看出采用FSW工艺焊接铍铝合金是一种非常有前景的焊接技术,为提高铍铝合金板焊接接头的质量,有必要进一步研究优化的铍铝合金板的搅拌摩擦焊接方法。
发明内容
本发明的发明目的在于:针对上述存在的问题,提供一种铍铝合金板的搅拌摩擦焊接方法,能够提高铍铝合金板焊接接头的质量。
本发明采用的技术方案如下:
一种铍铝合金板的搅拌摩擦焊接方法,包括以下步骤,
S1、对耐热垫板进行预热,对待施焊的铍铝合金板进行预热;
S2、将耐热垫板、铍铝合金板装夹至焊接工作台上,其中,耐热垫板位于铍铝合金板与焊接工作台之间;
S3、对铍铝合金板进行搅拌摩擦焊。
进一步的,耐热垫板的壁厚B大于铍铝合金板的壁厚C。
进一步的,在步骤S1中,耐热垫板的预热温度大于铍铝合金板的预热温度。
进一步的,在步骤S1中,耐热垫板的预热温度为820℃-850℃,铍铝合金板的预热温度为450℃-550℃。
进一步的,在步骤S1中,耐热垫板的预热保温时间为20min-30min,铍铝合金板的预热保温时间为2min-5min。
进一步的,在步骤S1中,采用马弗炉对耐热垫板进行预热,采用马弗炉对铍铝合金板进行预热。
进一步的,在步骤S3中,在搅拌摩擦焊过程中,铍铝合金板的温度不低于200℃。
进一步的,在步骤S3中,采用搅拌摩擦焊机通过搅拌头对铍铝合金板进行搅拌摩擦焊,该搅拌头包括轴肩以及连接于轴肩底部的搅拌针。
优选的,搅拌针直径d1与轴肩直径d2的比值为1/4-1/2。
进一步的,在进行搅拌摩擦焊时,搅拌头转速为950rpm-1180rpm,焊接速度为23.5mm/min-35mm/min,轴肩下压量为0.05mm-0.10mm,搅拌针朝向焊接前进方向倾斜。
优选的,搅拌针朝向焊接前进方向倾斜的倾斜角α为1°-3°。
进一步的,搅拌针的长度L小于铍铝合金板的壁厚C。
优选的,L-C=0.1mm-0.2mm。
进一步的,搅拌针呈圆台状,且其外周方向上设置有螺纹。
进一步的,搅拌针采用镍基高温合金材料制成。
本发明的有益效果是:
本发明的一种铍铝合金板的搅拌摩擦焊接方法,将耐热垫板、铍铝合金板进行预热,然后装夹于焊接工作台上后,通过搅拌摩擦焊机对铍铝合金板进行搅拌摩擦焊,即可得到铍铝合金板的焊接接头;得益于耐热垫板、铍铝合金板的预热过程,使得在搅拌摩擦焊过程中,铍铝合金板能够始终保持较高的温度,确保在搅拌摩擦焊过程中的焊缝金属的流动性能,能够获得表面成型好、内部缺陷少和焊缝组织细小的焊接接头,能够避免甚至杜绝焊缝内部出现孔洞缺陷。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明,其中:
图1是搅拌头的正视图;
图2是通过搅拌头对铍铝合金板进行搅拌摩擦焊的正视图;
图3是通过搅拌头对铍铝合金板进行搅拌摩擦焊的侧视图;
图4是采用本发明的方法形成的铍铝合金板焊接接头横截面的金相照片。
图中标记:1-焊接工作台,2-耐热垫板,3-铍铝合金板,4-搅拌头,41-搅拌针,42-轴肩,43-夹持轴。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征,或公开的所有方法或过程中的步骤,除了互相排斥的特征和/或步骤以外,均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征,除非特别叙述,均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即,除非特别叙述,每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
如图1至图4所示,本实施例的一种铍铝合金板的搅拌摩擦焊接方法,包括以下步骤,
S1、对耐热垫板2进行预热,对待施焊的铍铝合金板3进行预热;
S2、将耐热垫板2、铍铝合金板3装夹至焊接工作台1上,其中,耐热垫板2位于铍铝合金板3与焊接工作台1之间;
S3、对铍铝合金板3进行搅拌摩擦焊。
采用本发明时,将耐热垫板2、铍铝合金板3进行预热,然后装夹于焊接工作台1上后,通过搅拌摩擦焊机对铍铝合金板3进行搅拌摩擦焊,即可得到铍铝合金板的焊接接头。本发明中,得益于耐热垫板2、铍铝合金板3的预热过程,使得在搅拌摩擦焊过程中,铍铝合金板3能够始终保持较高的温度(保持在200℃以上最佳),确保在搅拌摩擦焊过程中的焊缝金属的流动性能(流动性能强的焊缝金属能够及时填补搅拌针前进后所留下的位置),从而能够获得表面成型好、内部缺陷少和焊缝组织细小的焊接接头,能够避免甚至杜绝焊缝内部出现孔洞缺陷。
进一步的,耐热垫板2的壁厚B大于铍铝合金板3的壁厚C。耐热垫板2能够储存较多的热量,向铍铝合金板3传递热量,降低铍铝合金板3的冷却速度。
进一步的,在步骤S1中,耐热垫板2的预热温度大于铍铝合金板3的预热温度。能够储存较高的热量,向铍铝合金板3传递热量,降低铍铝合金板3的冷却速度。由于耐热垫板2并非需要施焊的金属,因此耐热垫板2可以加热到更高的温度。而为了避免铍铝合金板3预热温度过高而影响其组织性能,因此铍铝合金板3的预热温度不宜过高。故而,为了确保焊接质量,耐热垫板2的预热温度大于铍铝合金板3的预热温度是最佳选择。当耐热垫板2/铍铝合金板3预热到指定温度时,再保温适当时间,使得耐热垫板2/铍铝合金板3的温度保持均匀。
通常,进行搅拌摩擦焊的铍铝合金板3的壁厚C一般较薄,因此,铍铝合金板3难以储存较多的热量,如果仅对铍铝合金板3进行预热,那么热量散失会过快(铍铝合金3会向耐热垫板2传热以及向周围环境散热),焊接到后段位置时,难以获得高质量的焊接接头;而作为耐热垫板2的壁厚B一般较厚,能够储存较多的热量,因此,本发明同时对耐热垫板2、铍铝合金板3都进行预热,在摩擦焊过程中,耐热垫板2不断地向铍铝合金板3传递热量,能够降低铍铝合金板3的冷却速度,使得铍铝合金板3能够始终保持较高的温度,确保铍铝合金焊接接头的质量。
进一步的,在步骤S1中,耐热垫板2的预热温度为820℃-850℃,铍铝合金板3的预热温度为450℃-550℃。
进一步的,在步骤S1中,耐热垫板2的预热保温时间为20min-30min,铍铝合金板3的预热保温时间为2min-5min。
进一步的,在步骤S1中,采用马弗炉对耐热垫板2进行预热,采用马弗炉对铍铝合金3板进行预热。耐热垫板2、铍铝合金3分别能够被马弗炉整体预热并保温。
进一步的,在步骤S3中,在搅拌摩擦焊过程中,铍铝合金板3的温度不低于200℃。能够确保焊缝金属的流动性能,以获得表面成型好、内部缺陷少和焊缝组织细小的焊接接头。
进一步的,在步骤S3中,采用搅拌摩擦焊机通过搅拌头4对铍铝合金板3进行搅拌摩擦焊,该搅拌头4包括轴肩42以及连接于轴肩42底部的搅拌针41。本领域技术人员知晓,搅拌摩擦焊所采用的焊接设备为搅拌摩擦焊机,搅拌摩擦焊机的输出端装夹搅拌头4后便可用以进行搅拌摩擦焊。搅拌头4包括轴肩42以及连接于轴肩42底部的搅拌针,还包括连接于轴肩42顶部的夹持轴43,其用于夹持于搅拌摩擦焊机的输出端。
优选的,搅拌针直径d1与轴肩直径d2的比值为1/4-1/2。例如,d1/d2=1/4,或者,d1/d2=1/3,或者,d1/d2=1/2。
进一步的,在进行搅拌摩擦焊时,搅拌头4转速为950rpm-1180rpm,焊接速度为23.5mm/min-35mm/min,轴肩42下压量为0.05mm-0.10mm,搅拌针41朝向焊接前进方向倾斜。优选的,搅拌针41朝向焊接前进方向倾斜的倾斜角α为1°-3°。例如,α为1°,或者,α为2°,或者,α为3°。
进一步的,搅拌针41的长度L小于铍铝合金板3的壁厚C。优选的,L-C=0.1mm-0.2mm。能够避免搅拌针41超出铍铝合金板3底面。明显的,L-C不小于轴肩42下压量。
进一步的,搅拌针41呈圆台状,且其外周方向上设置有螺纹。有利于搅拌焊缝金属,有利于搅拌焊摩擦焊的焊接质量。
进一步的,搅拌针41采用镍基高温合金材料制成。使得搅拌针41在焊接过程中的较高温度下还具备高强度、高硬度、较好的塑性和耐磨性,确保焊接质量,并提高搅拌针41的使用寿命。
基于上述各技术特征的组合设计下,更加具体的举例说明本发明,铍铝合金板3有2张,每张铍铝合金板3的长、宽分别为120mm、40mm,壁厚B为3mm;耐热垫板2采用耐热钢板制成,壁厚B为20mm,采马弗炉将耐热垫板2加热至820℃并保温20min,采马弗炉将铝合金板3加热至500℃并保温2min;预热完毕后,将耐热垫板2、铍铝合金板3装夹至焊接工作台1上,再对铍铝合金板3进行搅拌摩擦焊,使得2张铍铝合金板3通过对接焊接接头相连。在其中一实施例中,焊接工艺参数为:搅拌头的转速为950rpm,焊接速度为23.5mm/min,搅拌针的倾斜角α为2°,轴肩下压量为0.05mm,形成的铍铝合金板焊接接头横截面的金相照片如图4所示。在另一实施例中,焊接工艺参数为:搅拌头的转速为1180rpm,焊接速度为30mm/min,搅拌针的倾斜角为2°,轴肩下压量为0.10mm。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合,以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (11)
1.一种铍铝合金板的搅拌摩擦焊接方法,其特征在于:包括以下步骤,
S1、对耐热垫板进行预热,对待施焊的铍铝合金板进行预热,耐热垫板的预热温度大于铍铝合金板的预热温度,耐热垫板的预热温度为820℃-850℃,铍铝合金板的预热温度为450℃-550℃,并且,耐热垫板的预热保温时间为20min-30min,铍铝合金板的预热保温时间为2min-5min,耐热垫板的壁厚B大于铍铝合金板的壁厚C;
S2、将耐热垫板、铍铝合金板装夹至焊接工作台上,其中,耐热垫板位于铍铝合金板与焊接工作台之间;
S3、对铍铝合金板进行搅拌摩擦焊;
通过上述步骤S1的预热,使铍铝合金板能够始终保持200℃以上。
2.如权利要求1所述的一种铍铝合金板的搅拌摩擦焊接方法,其特征在于:在步骤S1中,采用马弗炉对耐热垫板进行预热,采用马弗炉对铍铝合金板进行预热。
3.如权利要求1所述的一种铍铝合金板的搅拌摩擦焊接方法,其特征在于:在步骤S3中,在搅拌摩擦焊过程中,铍铝合金板的温度不低于200℃。
4.如权利要求1-3任一项所述的一种铍铝合金板的搅拌摩擦焊接方法,其特征在于:在步骤S3中,采用搅拌摩擦焊机通过搅拌头对铍铝合金板进行搅拌摩擦焊,该搅拌头包括轴肩以及连接于轴肩底部的搅拌针。
5.如权利要求4所述的一种铍铝合金板的搅拌摩擦焊接方法,其特征在于:搅拌针直径d1与轴肩直径d2的比值为1/4-1/2。
6.如权利要求3所述的一种铍铝合金板的搅拌摩擦焊接方法,其特征在于:在进行搅拌摩擦焊时,搅拌头转速为950rpm-1180rpm,焊接速度为23.5 mm/min-35mm/min,轴肩下压量为0.05mm-0.10mm,搅拌针朝向焊接前进方向倾斜。
7.如权利要求6所述的一种铍铝合金板的搅拌摩擦焊接方法,其特征在于:搅拌针朝向焊接前进方向倾斜的倾斜角α为1°-3°。
8.如权利要求3所述的一种铍铝合金板的搅拌摩擦焊接方法,其特征在于:搅拌针的长度L小于铍铝合金板的壁厚C。
9.如权利要求8所述的一种铍铝合金板的搅拌摩擦焊接方法,其特征在于:L-C=0.1mm-0.2mm。
10.如权利要求5所述的一种铍铝合金板的搅拌摩擦焊接方法,其特征在于:搅拌针呈圆台状,且其外周方向上设置有螺纹。
11.如权利要求10所述的一种铍铝合金板的搅拌摩擦焊接方法,其特征在于:搅拌针采用镍基高温合金材料制成。
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