CN114682901A - 一种改善异种铝合金连接强度的搅拌摩擦焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改善异种铝合金连接强度的搅拌摩擦焊接方法。该方法中，所述异种铝合金为6xxx系铝合金板材和7xxx系铝合金板材，将所述6xxx系铝合金板材放置于前进侧，所述前进侧是指与搅拌头旋转方向和焊接方向一致的一侧；将所述7xxx系铝合金板材放置于后退侧，所述的后退侧指的是与搅拌头旋转方向和焊接方向相反的一侧；对合金进行搅拌摩擦焊接。本发明所提供的搅拌摩擦焊接工艺可以明显改善6xxx系和7xxx系铝合金的可焊性，平衡异种铝合金的流动性，焊接接头处合金混合更加充分，减少焊接缺陷，提高异种铝合金焊接接头强度。
Description
技术领域
本发明属于金属材料固相焊接领域，特别提供了一种改善异种铝合金连接强度的搅拌摩擦焊接方法，适用于6xxx系和7xxx系异种合金板材的连接。
背景技术
车体轻量化是高速列车持续发展的必然趋势，其中一个至关重要的方法就是对车体结构材料进行减重。近年来，国内外开始大规模使用铝合金材料代替传统钢材作为车体承载结构主要用材，其中以高强度、焊接性能好、可热处理强化型6xxx系和7xxx系铝合金应用最为广泛，并多采用铆接、焊接或螺栓的方式实现车体结构之间的连接。与铆接和螺栓不同的是，焊接可以避免增加车体自身重量，因此，是一种满足车体轻量化理念的连接方法。
对于铝合金而言，焊接的种类很多，如极惰性气体保护焊、钨极氩弧焊、激光焊接、电子束焊以及搅拌摩擦焊等焊接方式。搅拌摩擦焊属于压力焊的一种，是英国焊接研究所于1991年发明的一种新型固态焊接技术，其以搅拌头轴肩与金属表面的摩擦产热以及金属在受到搅拌针作用后塑性变形产生的变形热为热量来源实现金属连接。在焊接过程中产生的热量远小于传统焊接方法，有效减小焊接接头的软化程度、变形量以及残余应力，提高焊接接头的强度。并且，搅拌摩擦焊接过程中不需要使用焊丝，也无需要气氛保护，是一种能够节约能源和环境友好的连接方式。
在搅拌摩擦焊接过程中，由于6xxx系和7xxx系铝合金流动和组织演变存在差异，加之组织中析出相的粗化和晶粒异常长大，使得焊接接头软化，无法获得高质量的6xxx系/7xxx系铝合金板材焊接接头。
发明内容
本发明的目的在于提供一种改善异种铝合金连接强度的搅拌摩擦焊接方法，该方法可以改善6xxx系和7xxx系铝合金的流动性，提高异种铝合金焊接接头的强度，适用于大尺寸的6xxx系和7xxx系铝合金板材的连接。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种改善异种铝合金连接强度的搅拌摩擦焊接方法，所述异种铝合金为6xxx系铝合金板材和7xxx系铝合金板材，将所述6xxx系铝合金板材放置于前进侧，所述前进侧是指与搅拌头旋转方向和焊接方向一致的一侧；将所述7xxx系铝合金板材放置于后退侧，所述的后退侧指的是与搅拌头旋转方向和焊接方向相反的一侧；对合金进行搅拌摩擦焊接。
优选地，所述的搅拌头旋转方向为逆时针方向。
优选地，所述搅拌头与合金板法线方向存在1.5°～3.5°的倾角。
优选地，所述6xxx系铝合金板材和7xxx系铝合金板材的厚度为2.5～8.0mm。
优选地，所述6xxx系铝合金板材和7xxx系铝合金板材的热处理状态分别为不完全人工时效态和自然时效态。
本发明的优点在于：
本发明所提供的搅拌摩擦焊接工艺可以明显改善6xxx系和7xxx系铝合金的可焊性，平衡异种铝合金的流动性，焊接接头处合金混合更加充分，减少焊接缺陷，提高异种铝合金焊接接头强度。因此，这种焊接工艺方案在连接异种铝合金方面有着广阔的工业推广前景。
附图说明
图1为本发明中异种6xxx系和7xxx系铝合金板材搅拌摩擦焊接示意图。
图2为通过金相显微镜获得的实施例1、2及对比例1、2中异种6xxx系和7xxx系铝合金板材焊接接头的宏观组织：a)实施例1；b)对比例1；c)实施例2；d)对比例2。
图3为实施例1、2及对比例1、2中异种6xxx系和7xxx系铝合金板材焊接接头强度对比。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，图中标识出了搅拌头的旋转方向、焊接方向以及位于搅拌头两侧的后退侧和前进侧，其中前进侧是指与搅拌头旋转方向和焊接方向一致的一侧，后退侧指的是与搅拌头旋转方向和焊接方向相反的一侧。在本发明的搅拌摩擦焊接方法中，将所述6xxx系铝合金板材放置于前进侧，将所述7xxx系铝合金板材放置于后退侧，对合金进行搅拌摩擦焊接。搅拌头与合金板法线方向存在1.5°～3.5°的倾角。图1中显示了本发明以下实施例及对比例中所使用的搅拌头与合金板法线方向呈2.5°的倾角。
本发明中，6xxx系铝合金成分质量配比范围为：0.5％～0.9％Si，0.4％～0.7％Mg，Cu≤0.3％，Mn≤0.5％，Fe≤0.35％，Zn≤0.2％，Cr≤0.3％，其余为Al；7xxx系铝合金成分质量配比范围为：Si≤0.3％，1.0％～2.0％Mg，Cu≤0.2％，0.2％～0.7％Mn，Fe≤0.3％，4.0％～5.0％Zn，Cr≤0.3％，其余为Al。
实施例1
待焊铝合金工件1和铝合金工件2分别为不完全人工时效态6005A铝合金板材和自然时效态7N01铝合金板材，先用酒精擦拭待焊工件1和工件2的表面，再用钢丝刷打磨去除工件1和工件2表面及侧面氧化膜，之后实现工件1和工件2间的良好组配。选用轴肩直径15mm，尖端长度为4.2mm，为锥形并带有螺纹的搅拌头。搅拌头转速1000rpm，焊接速度100mm/min，6005A铝合金板材放置前进侧，7N01铝合金板材放置后退侧，由于7N01铝合金的流动性比6005A铝合金差，在搅拌摩擦焊过程中，6005A铝合金随着搅拌针的转动不断流向后退侧，更多的6005A铝合金流入7N01铝合金，因此，合金板材焊接接头处合金混合充分。焊接完成后进行焊接接头强度测试，抗拉强度为241MPa，焊接系数为0.84，焊接效果较为理想。
对比例1
待焊铝合金工件1和铝合金工件2分别为不完全人工时效态6005A铝合金板材和自然时效态7N01铝合金板材，先用酒精擦拭待焊工件1和工件2的表面，再用钢丝刷打磨去除工件1和工件2表面及侧面氧化膜，之后实现工件1和工件2间的良好组配。选用轴肩直径15mm，尖端长度为4.2mm，为锥形并带有螺纹的搅拌头。搅拌头转速1000rpm，焊接速度100mm/min，7N01铝合金板材放置前进侧，6005A铝合金板材放置后退侧，由于7N01铝合金的流动性比6005A铝合金差，在搅拌摩擦焊过程中，7N01铝合金随着搅拌针的转动不断流向后退侧，7N01铝合金流入6005A铝合金，因此，合金板材焊接接头处合金混合相对实施例1较差。焊接完成后进行焊接接头强度测试，抗拉强度为217MPa，焊接系数为0.75，焊接效果相对较差。
实施例2
待焊铝合金工件1和铝合金工件2分别为不完全人工时效态6005A铝合金板材和自然时效态7N01铝合金板材，先用酒精擦拭待焊工件1和工件2的表面，再用钢丝刷打磨去除工件1和工件2表面及侧面氧化膜，之后实现工件1和工件2间的良好组配。选用轴肩直径15mm，尖端长度为4.2mm，为锥形并带有螺纹的搅拌头。搅拌头转速1000rpm，焊接速度400mm/min，6005A铝合金板材放置前进侧，7N01铝合金板材放置后退侧，由于7N01铝合金的流动性比6005A铝合金差，在搅拌摩擦焊过程中，6005A铝合金随着搅拌针的转动不断流向后退侧，更多的6005A铝合金流入7N01铝合金，因此，合金板材焊接接头处合金混合充分。焊接完成后进行焊接接头强度测试，抗拉强度为253MPa，焊接系数为0.88，焊接效果较为理想。
对比例2
待焊铝合金工件1和铝合金工件2分别为不完全人工时效态6005A铝合金板材和自然时效态7N01铝合金板材，先用酒精擦拭待焊工件1和工件2的表面，再用钢丝刷打磨去除工件1和工件2表面及侧面氧化膜，之后实现工件1和工件2间的良好组配。选用轴肩直径15mm，尖端长度为4.2mm，为锥形并带有螺纹的搅拌头。搅拌头转速1000rpm，焊接速度400mm/min，7N01铝合金板材放置前进侧，6005A铝合金板材放置后退侧，由于7N01铝合金的流动性比6005A铝合金差，在搅拌摩擦焊过程中，7N01铝合金随着搅拌针的转动不断流向后退侧，7N01铝合金流入6005A铝合金，因此，合金板材焊接接头处合金混合相对实施例2较差。焊接完成后进行焊接接头强度测试，抗拉强度为227MPa，焊接系数为0.79，焊接效果相对较差。
Claims (5)
1.一种改善异种铝合金连接强度的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，所述异种铝合金为6xxx系铝合金板材和7xxx系铝合金板材，将所述6xxx系铝合金板材放置于前进侧，所述前进侧是指与搅拌头旋转方向和焊接方向一致的一侧；将所述7xxx系铝合金板材放置于后退侧，所述的后退侧指的是与搅拌头旋转方向和焊接方向相反的一侧；对合金进行搅拌摩擦焊接。
2.根据权利要求1所述的改善异种铝合金连接强度的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，所述的搅拌头旋转方向为逆时针方向。
3.根据权利要求1所述的改善异种铝合金连接强度的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，所述搅拌头与合金板法线方向存在1.5°～3.5°的倾角。
4.根据权利要求1所述的改善异种铝合金连接强度的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，所述6xxx系铝合金板材和7xxx系铝合金板材的厚度为2.5～8.0mm。
5.根据权利要求1所述的改善异种铝合金连接强度的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，所述6xxx系铝合金板材和7xxx系铝合金板材的热处理状态分别为不完全人工时效态和自然时效态。
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