CN115283815A - 一种焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本申请属于金属加工技术领域，特别涉及一种焊接方法。针对现有大厚度铝合金搅拌摩擦焊接头中存在的突出问题，本申请提供一种焊接方法，包括：1)在第一金属厚板边缘制作第一直角形坡口，在第二金属厚板边缘制作第二直角形坡口；2)将第一直角形坡口与所述第二直角形坡口对接形成凹槽，凹槽包括相互连接的填充口和对接面，对对接面一侧进行焊接，焊接后冷却至室温；3)在填充口内装入第一填充板，将第一填充板与对接面另一侧进行焊接，将第一填充板与填充口侧面进行焊接，焊接后冷却至室温；4)依次在填充口内分层装入填充板，将填充板与上一层填充板焊接，将填充板与填充口侧面进行焊接。提高焊接效率，实现沿厚度方向组织和性能分布一致性。

Description

一种焊接方法
技术领域
本申请属于金属加工技术领域，特别是涉及一种焊接方法。
背景技术
搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding，FSW)作为一种固相连接技术，在1991年由英国焊接研究所(The Welding Institute，TWI)发明。与传统熔化焊相比，FSW无需添加焊丝、不需要保护气体，焊接过程无污染、无烟尘、无辐射，焊接接头残余应力低，因此具有焊接效率高、焊接变形小、能耗低、设备简单、焊接过程安全等一系列优点。经过20多年的发展，FSW已经在航空航天、轨道交通、舰船等领域得到了广泛应用。
高速旋转的搅拌头扎入被焊工件内，旋转的搅拌针与被焊材料发生摩擦并使其发生塑化，轴肩与工件表面摩擦生热并用于防止塑性状态的材料溢出。在焊接过程中，工件要刚性固定在背部垫板上，搅拌头边高速旋转边沿工件的接缝与工件相对移动，在搅拌头锻压力的作用下形成焊缝，最终实现被焊工件的冶金结合。搅拌摩擦焊广泛适用于各类材料，目前已成功实现了铝、镁等低熔点金属及合金、铜合金、钛合金、钢铁材料、金属基复合材料以及异种金属(铝/铜、铝/镁、铝/钢等)的焊接。
但现有的搅拌摩擦焊接大部分都是薄板铝合金的焊接，对于铝合金厚板的搅拌摩擦焊，目前主要采用单面或双面搅拌摩擦焊工艺，在工程应用上仍然面临着很多挑战。主要原因如下：(1)厚板铝合金在搅拌摩擦焊接过程中产生很大的顶锻力，很容易导致搅拌针的断裂，且小型设备基本无法实现，焊接成本较高。(2)传统铝合金厚板的搅拌摩擦焊金属流动行为较为复杂，不仅很容易产生隧道、疏松等缺陷，还会产生组织过热，上下组织和力学性能梯度差异较大的问题，导致其力学性能不佳。
发明内容
1.要解决的技术问题
基于现有大厚度铝合金搅拌摩擦焊接头中存在的突出问题，本申请提供了一种焊接方法。
2.技术方案
为了达到上述的目的，本申请提供了一种焊接方法，所述方法包括如下步骤：1)在第一金属厚板边缘制作第一直角形坡口，在第二金属厚板边缘制作第二直角形坡口；2)将所述第一直角形坡口与所述第二直角形坡口对接形成凹槽，所述凹槽包括相互连接的填充口和对接面，对所述对接面一侧进行焊接，焊接后冷却至室温；3)在所述填充口内装入第一填充板，将所述第一填充板与所述对接面另一侧进行焊接，将所述第一填充板与所述填充口侧面进行焊接，焊接后冷却至室温；4)依次在所述填充口内分层装入填充板，将所述填充板与上一层填充板焊接，将所述填充板与所述填充口侧面进行焊接。
本申请提供的另一种实施方式为：所述步骤1)中第一直角形坡口宽度与微轴肩倒锥形搅拌头的轴肩直径相同，所述填充口第二直角形坡口宽度与微轴肩倒锥形搅拌头的轴肩直径相同。
本申请提供的另一种实施方式为：所述步骤2)中采用普通搅拌头对所述对接面一侧进行焊接。
本申请提供的另一种实施方式为：所述步骤3)中采用微轴肩倒锥形搅拌头将所述填充板与上一层填充板焊接，采用微轴肩倒锥形搅拌头将所述填充板与所述填充口侧面进行焊接。
本申请提供的另一种实施方式为：步骤3)中所述对接面厚3～5mm。
本申请提供的另一种实施方式为：所述填充板采用与所述第一金属厚板相同的材料制成，所述第一金属厚板材料与所述第二金属厚板材料相同。
本申请提供的另一种实施方式为：所述填充板采用与所述第一金属厚板不同的材料制成。
本申请提供的另一种实施方式为：所述填充板厚度小于所述微轴肩倒锥形搅拌头搅拌针长度。
本申请提供的另一种实施方式为：所述冷却措施为随焊气冷或水冷。
本申请还提供一种焊接方法的应用，将所述的方法应用于铝合金厚板的平板对接或圆筒件的直焊缝。
3.有益效果
与现有技术相比，本申请提供的焊接方法的有益效果在于：
本申请提供的焊接方法，为一种大厚度铝合金板窄间隙增材搅拌摩擦焊接方法，可实现小型搅拌摩擦焊设备焊接大厚度铝合金板材的目的，进而大大降低了设备投入成本。
本申请提供的焊接方法，与梯形坡口的增材搅拌摩擦焊工艺相比，该方法可显著减少焊接道次，提高焊接效率，并实现沿厚度方向组织和性能分布的一致性，同时还可以采用异质填充材料进行焊接。
本申请提供的焊接方法，加工的直角形坡口较窄，使得焊缝总体尺寸较小，焊后板材力学性能较好。
本申请提供的焊接方法，焊接总热输入较小，焊接残余应力和变形较小。
附图说明
图1为本申请的微轴肩倒锥形搅拌头结构示意图；
图2为本申请的预制焊示意图；
图3为本申请的实施例第一道焊缝的焊接示意图；
图4为本申请的实施例多道焊缝的焊接示意图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图对本申请的具体实施例进行详细地描述，依照这些详细的描述，所属领域技术人员能够清楚地理解本申请，并能够实施本申请。在不违背本申请原理的情况下，各个不同的实施例中的特征可以进行组合以获得新的实施方式，或者替代某些实施例中的某些特征，获得其它优选的实施方式。
参见图1～4，本申请提供一种焊接方法，所述方法包括如下步骤：1)在第一金属厚板4边缘制作第一直角形坡口，在第二金属厚板5边缘制作第二直角形坡口；2)将所述第一直角形坡口与所述第二直角形坡口对接形成凹槽，所述凹槽包括相互连接的填充口和对接面，对所述对接面一侧进行焊接，焊接后冷却至室温；3)在所述填充口内装入第一填充板7，将所述第一填充板7与所述对接面另一侧进行焊接，将所述第一填充板7与所述填充口侧面进行焊接，焊接后冷却至室温；4)依次在所述填充口内分层装入填充板，将所述填充板与上一层填充板焊接，将所述填充板与所述填充口侧面进行焊接。
本申请中的填充口即为图2中的凹槽结构中空着的部分。
在被焊厚板对接处加工出宽度与搅拌头轴肩直径相当、高度比板厚小3-5mm的直角形坡口；采用常规搅拌头沿坡口底部外侧进行对接焊，焊后冷却至室温；而后翻转工件并装入与坡口宽度对应尺寸、厚度为2.5-5mm、与母材同材质的填充板；随后采用具有微轴肩和倒锥形搅拌针2的搅拌头焊合填充板与母材间的水平和垂直界面；其余各层的焊接均采用与第一层填充板相同的焊接材料和工艺。
可在单道次焊接中实现单层填充板和母材两侧的焊合，同时也使上下填充板结合面之间得到焊合。因为这种微轴肩搅拌针的特殊结构，搅拌区域很大，搅拌针带动金属的能力比较强，使得填充板和母材两侧的金属得到焊合；而上下填充板之间相当于形成了一个搭接焊缝，所以也可以得到焊合。
进一步地，所述步骤1)中第一直角形坡口宽度与微轴肩倒锥形搅拌头1的轴肩3直径相同，所述填充口宽度与微轴肩倒锥形搅拌头1的轴肩3直径相同。
进一步地，所述步骤2)中采用普通搅拌头6对所述对接面一侧进行焊接。
进一步地，所述步骤3)中采用微轴肩倒锥形搅拌头1将所述填充板与上一层填充板焊接，采用微轴肩倒锥形搅拌头1将所述填充板与所述填充口侧面进行焊接。
这里采用分层的方式将填充板填到填充口。
进一步地，步骤3)中所述对接面厚3～5mm。
进一步地，所述填充板采用与所述第一金属厚板4相同的材料制成，所述第一金属厚板4材料与所述第二金属厚板5材料相同。
进一步地，所述填充板采用与所述第一金属厚板4不同的材料制成。
这里要说明的是所有的填充板采用相同的材质。填充板与母材的材料可以不一样，比如母材的材料是2A14，那么填充板的材料一致，要么也是2A14，要么是其他的铝合金材料，比如说6061。
进一步地，所述填充板厚度小于所述微轴肩倒锥形搅拌头搅拌针2长度。
进一步地，所述冷却措施为随焊气冷或水冷。可以减少热输入和减小焊后变形。
本申请还提供一种焊接方法的应用，将所述的方法应用于铝合金厚板的平板对接或圆筒件的直焊缝。
具体的，1)在铝合金厚板的边缘处加工出规定尺寸的直角形坡口，坡口的宽度的宽度与微轴肩倒锥形搅拌头的轴肩3直径相同，坡口总高度为h。
2)将两块加工好直角形坡口的厚板对接装配，在其背面采用普通搅拌头6进行焊接，焊后冷却至室温，以完成初步连接。
3)而后装入与坡口对应尺寸的填充板，采用微轴肩倒锥形搅拌针2进行焊接，焊后冷却至室温。
4)使用打磨工具清理掉焊后遗留的飞边，将焊缝打磨平整，使用酒精清洁表面。
5)其余各层焊缝的焊接采用与第一层填充板焊接时相同的焊接工艺。
实施例1
使用厚度为38mm的2A14铝合金作为母板，采用机械加工的方法在母板边缘侧加工出规定尺寸的直角形坡口，坡口宽度为10mm，深度为35mm。
将待焊工件对接倒置装卡，如图3所示，使用普通锥形搅拌头6，采用转速为800rpm/min，行进速度为200mm/min的参数，对待焊件进行搅拌摩擦焊接，完成预制焊。
使用打磨工具清理掉焊后遗留的飞边，将焊缝打磨平整，使用酒精清洁表面，将待焊件正常放置并装卡固定。
填入与坡口对应尺寸的填充板，板厚为2.5mm，板宽为10mm，填充板材料与母材相同，使用微轴肩倒锥形搅拌头(搅拌针2根部直径为8mm，端部直径为9.5mm，针长为3mm，轴肩3直径为10mm)采用转速为1500rpm/min，行进速度为100mm/min的参数进行焊接，焊后采用气冷的方式冷却至室温，而后使用打磨工具清理焊缝并打磨平整，随后使用酒精去除表面的氧化物。
随后每块填充板的焊接方式与上述步骤相同，重复上述步骤直至完成最后的焊接。
实施例2
使用厚度为45mm的7075铝合金作为母板，采用机械加工的方法在母板边缘侧加工出规定尺寸的直角形坡口，坡口宽度为12mm，深度为40mm。
将待焊工件对接倒置装卡，如图3所示，使用普通锥形搅拌头6，采用转速为800rpm/min，行进速度为200mm/min的参数，对待焊件进行搅拌摩擦焊接，完成预制焊。
使用打磨工具清理掉焊后遗留的飞边，将焊缝打磨平整，使用酒精清洁表面，将待焊件正常放置并装卡固定。
填入与坡口对应尺寸的填充板，板厚为3.5mm，板宽为12mm，填充板材料与母材相同，使用微轴肩倒锥形搅拌头(搅拌针2根部直径为10mm，端部直径为11.5mm，针长为4mm，轴肩3直径为12mm)采用转速为2000rpm/min，行进速度为120mm/min的参数进行焊接，焊后采用水冷的方式冷却至室温，而后使用打磨工具清理焊缝并打磨平整，随后使用酒精去除表面的氧化物。
随后每块填充板的焊接方式与上述步骤相同，重复上述步骤直至完成最后的焊接。
尽管在上文中参考特定的实施例对本申请进行了描述，但是所属领域技术人员应当理解，在本申请公开的原理和范围内，可以针对本申请公开的配置和细节做出许多修改。本申请的保护范围由所附的权利要求来确定，并且权利要求意在涵盖权利要求中技术特征的等同物文字意义或范围所包含的全部修改。

Claims (10)

1.一种焊接方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
1)在第一金属厚板边缘制作第一直角形坡口，在第二金属厚板边缘制作第二直角形坡口；
2)将所述第一直角形坡口与所述第二直角形坡口对接形成凹槽，所述凹槽包括相互连接的填充口和对接面，对所述对接面一侧进行焊接，焊接后冷却至室温；
3)在所述填充口内装入第一填充板，将所述第一填充板与所述对接面另一侧进行焊接，将所述第一填充板与所述填充口侧面进行焊接，焊接后冷却至室温；
4)依次在所述填充口内分层装入填充板，将所述填充板与上一层填充板焊接，将所述填充板与所述填充口侧面进行焊接。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤1)中第一直角形坡口宽度与微轴肩倒锥形搅拌头的轴肩直径相同，所述填充口宽度与微轴肩倒锥形搅拌头的轴肩直径相同。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤2)中采用普通搅拌头对所述对接面一侧进行焊接。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤3)中采用微轴肩倒锥形搅拌头将所述填充板与上一层填充板焊接，采用微轴肩倒锥形搅拌头将所述填充板与所述填充口侧面进行焊接。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤3)中所述对接面厚3～5mm。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述填充板采用与所述第一金属厚板相同的材料制成，所述第一金属厚板材料与所述第二金属厚板材料相同。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述填充板采用与所述第一金属厚板不同的材料制成。
8.如权利要求6或者7所述的方法，其特征在于：所述填充板厚度小于所述微轴肩倒锥形搅拌头搅拌针长度。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述冷却措施为随焊气冷或水冷。
10.一种焊接方法的应用，其特征在于：将权利要求1～9中任一项所述的方法应用于铝合金厚板的平板对接或圆筒件的直焊缝。
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