CN117001135A - 一种避免搅拌摩擦焊焊缝根部未焊透及弱连接的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种避免搅拌摩擦焊焊缝根部未焊透及弱连接的方法，属于搅拌摩擦焊接领域。该方法包括：在焊接背板上沿焊接方向开凹槽；调整板材位置，使凹槽焊接方向中线与板材对接面对齐或位于板材对接面的前进侧；选取搅拌头和合适焊接参数后进行搅拌摩擦焊接；焊后切掉接头底部多余区域材料。本发明利用焊接背板开凹槽，达到吸纳焊缝根部材料和延长搅拌针的目的，从而消除搅拌摩擦焊焊缝根部未焊透及弱连接，实现焊缝力学性能提升。
Description
技术领域
本发明涉及搅拌摩擦焊接技术领域，具体涉及一种避免搅拌摩擦焊焊缝根部未焊透及弱连接的方法
背景技术
搅拌摩擦焊技术(FSW)是1991年由英国焊接研究所(TWI)发明的一种新型固相连接技术，与传统熔焊技术相比，具有优质、高效、节能、环保等优点，广泛应用于航空航天、船舶、轨道交通、汽车等工业领域。由于搅拌摩擦焊的固相成型工艺特点，焊缝背面需要刚性支撑，在进行对接焊接时，为了避免搅拌针穿透被焊导致搅拌针折断或焊缝背面与底板粘结，根据板厚的差异，搅拌针长度一般小于母材厚度约0.1～0.5mm。实际生产过程中，搅拌针需要进行长距离焊接，由于被焊板材厚度不均匀和搅拌针的磨损不可以避免，焊缝根部常常发生根部未焊透和弱连接等缺陷，工件受载时，这些焊接缺陷会产生应力集中，容易成为裂纹源，大幅降低工件的服役性能。
为了解决焊缝根部未焊透和弱连接问题，在传统搅拌摩擦焊技术的基础之上，出现了几种新型搅拌摩擦焊接技术，如背面搅拌摩擦补焊、双轴肩搅拌摩擦焊度、搅拌针倾斜插入+底部静止随动轴肩技术，在一定范围内解决了上述问题，但这几种技术对设备工装要求高、工艺复杂、焊接效率低，工程上实现有一定难度。因此，工程上搅拌摩擦焊根部弱连接及未焊透问题一直没有得到有效的解决。
发明内容
为了解决现有的搅拌摩擦焊技术存在焊缝根部弱连接及未焊透的问题，本发明提供一种避免搅拌摩擦焊焊缝根部未焊透及弱连接的方法，在焊接背板开凹槽，吸纳焊缝底部材料，同时加长搅拌针，充分强化焊缝底部的材料流动，从而解决实现消除焊缝根部弱连接及未焊透的问题，显著提高焊缝的服役寿命。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种避免搅拌摩擦焊焊缝根部未焊透及弱连接的方法，该方法包括如下步骤：
(1)开凹槽：在背板上沿焊接方向开凹槽，凹槽横截面形状为V形、梯形或弧形，凹槽上部开口宽度大于搅拌针端部直径，凹槽深度为0.1～2mm。
(2)焊前清理：先通过机械打磨除去待焊工件对接面及上表面距离对接面25mm内的表面氧化膜，采用干布料蘸取丙酮或乙醇清洗待焊接工件和垫板上凹槽及附近表面的油污；
(3)装配定位：调整板材位置，使凹槽中线与板材对接面对齐或位于板材对接面的前进侧；
(4)选取搅拌头：根据被焊工件材质和板厚选择适当材质和几何外形的搅拌头，焊接工具针长等于板厚；
(5)焊接：选取适当的工艺参数，采用搅拌摩擦焊接方法对工件进行焊接；
(6)切除接头底部凸起区域。
进一步的，步骤(1)中，所述凹槽的横截面宽度自上而下不变或逐渐减小。
进一步的，步骤(1)中，垫板熔点高于待焊工件的熔点，垫板材质可选铁合金、钛合金、高温合金和陶瓷材料中的一种。
进一步的，步骤(1)中，所述待焊板材厚度为2.0～6.0mm时，背板上凹槽深度为0.1～0.5mm；当待焊板材厚度为6.0～20.0mm时，背板上凹槽深度为0.5～1.0mm；当待焊板材厚度＞20.0mm时，背板上凹槽深度为1.0～2.0mm。
进一步的，步骤(2)中，所述待焊工件的材质为铝合金、镁合金、铜合金、锌合金、钛合金和铁合金中的一种。
进一步的，步骤(4)中，搅拌头的轴肩直径为10～60mm，搅拌头根部直径为3～30mm，搅拌针长度为1～100mm；搅拌头材质是工具钢、高温合金、钨合金或陶瓷材料；搅拌头的外形为是圆柱或圆锥，搅拌针的尖端为平面或球形，搅拌针表面为平滑、环形凹槽或螺纹，搅拌针侧面加工或不加工侧平面。
进一步的，步骤(5)中，搅拌摩擦焊接的参数范围为：搅拌头转速为50～5000r/min，轴向压力为2.0-200.0kN，焊接速度为0.5～2000mm/min，搅拌头前倾角为0～3°。
相对于现有技术，本发明避免搅拌摩擦焊焊缝根部未焊透及弱连接方法具有以下优势：
1、本发明是利用焊接背板上开设凹槽吸纳焊缝根部材料同时延长搅拌针，强化焊缝底部材料流动，该方法简单易行，不需要对焊接设备和工装进行复杂改动。
2、焊接过程中，背板上的凹槽不仅容纳了可能出现的根部未焊透和弱连接缺陷，而且为延长搅拌针长度提供了条件。
3、焊接过程中焊缝减薄的主要原因是工具倾角导致的飞边，结合搅拌针优化设计和降低焊接工具主轴倾角，可以抵消背板凹槽对焊缝减薄的影响。
4、该方法工序简单，生产效率高，成本低且无需保护气等。
5、该方法可应用于绝大多数有色金属和钢铁材料的焊接。
附图说明
图1为在垫板上开设的凹槽结构示意图。
图2为实施例1中避免搅拌摩擦焊焊缝根部未焊透及弱连接方法的示意图。
图3为采用传统搅拌摩擦焊焊接方法焊接工件所得焊缝根部位置截面状态图。
图4为采用本发明消除搅拌摩擦焊根部未焊透及弱连接方法焊接工件所得焊缝根部位置截面状态图。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本发明提供一种避免搅拌摩擦焊焊缝根部未焊透及弱连接的方法，该方法包括如下步骤：
(1)开凹槽：在背板上沿焊接方向开凹槽，如图1所示，凹槽横截面形状为V形、梯形或弧形，凹槽上部开口宽度大于搅拌针端部直径，凹槽深度为0.1～2mm。
(2)焊前清理：先通过机械打磨除去待焊工件对接面及上表面距离对接面25mm内的表面氧化膜，采用干布料蘸取丙酮或乙醇清洗待焊接工件和垫板上凹槽及附近表面的油污；
(3)装配定位：调整板材位置，使凹槽中线与板材对接面对齐或位于板材对接面的前进侧；
(4)选取搅拌头：根据被焊工件材质和板厚选择适当材质和结合外形的搅拌头，焊接工具针长等于板厚；
(5)焊接：选取适当的工艺参数，采用搅拌摩擦焊接方法对工件进行焊接；
(6)切除接头底部凸起区域。
实施例1：
待焊工件采用11mm厚的7A04-T6铝合金轧制板材，采用对接接头的形式进行搅拌摩擦焊接，可参考图2，本实施例焊接过程如下：
1、开凹槽：在焊接背板上沿焊接方向开凹槽，凹槽横截面为梯形，上部开口宽10mm，下底宽8mm，深度1mm。
2、焊前清理：先通过机械打磨除去待焊工件对接面及上表面距离对接面25mm内的表面氧化膜，采用干布料蘸取丙酮或乙醇清洗待焊接工件和垫板表面的油污；
3、装配定位：调整板材位置，使凹槽中线与板材对接面对齐，利用夹紧工装将待焊铝合金挤压板材两侧压紧并施加侧顶力，保证待焊工件焊缝间隙＜0.5mm；
4、选取搅拌头：搅拌头材质为H13钢，搅拌头为凹轴肩，凹轴肩直径为24mm，锥形搅拌针表面有左旋螺纹，螺纹间距1.5mm，深度1.0mm，针长11mm；
5、焊接：采用搅拌摩擦焊接方法对11mm厚的7A04-T6铝合金轧制板材进行焊接，确保表面成型良好，焊缝内部无孔洞隧道，焊接工艺参数为；转速450rpm，焊接速度为100mm/min。
6、切除余料，拆除工装，将焊接完成的铝合金轧制板材翻转，清除焊缝背面凸起的多余材料。
对比例1：
待焊工件采用11mm厚的7A04-T6铝合金轧制板材，采用对接接头的形式。其消除搅拌摩擦焊焊缝根部未焊透及弱连接的方法包括如下步骤：
1、选择背板：选择表面光滑的钢板为背板。
2、焊前清理：先通过机械打磨除去待焊工件对接面及25mm附近表面的氧化膜，采用干布料蘸取丙酮或乙醇清洗待焊接工件和垫板表面的油污；
3、装配：调整板材位置，利用夹紧工装将待焊铝合金挤压板材两侧压紧并施加侧顶力，保证待焊工件焊缝间隙小于0.5mm；
4、搅拌头材质为H13钢，搅拌头的凹轴肩直径为24mm，锥形搅拌针表面有左旋螺纹，螺纹间距1.5mm，深度1.0mm，针长10.5mm；
5、焊接：采用搅拌摩擦焊接方法对11mm厚的7A04-T6铝合金轧制板材进行焊接，确保表面成型良好，焊缝内部无孔洞隧道，焊接工艺参数为；转速450rpm，焊接速度为100mm/min。
对比例为1采用传统搅拌摩擦焊焊接方法焊接工件，与实施例相比，省略了背板开凹槽和清除背部余料的步骤。
采用传统搅拌摩擦焊焊接方法与本发明方法相比：两者均存在搅拌摩擦焊焊缝根部均存在“S”特征线，传统搅拌摩擦焊焊缝根部的“S”线明显且连续，导致根部存在弱连接(图3)；采用本发明方法所得焊缝中，根部“S”线连续性被打断，变得稀疏，模糊难以观察清晰，焊缝根部未焊透及弱连接问题得到有效解决(图4)。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
Claims (7)
1.一种避免搅拌摩擦焊焊缝根部未焊透及弱连接的方法，其特征在于：该方法是采用搅拌摩擦焊对板材进行对接焊接过程中避免焊缝根部出现未焊透及弱连接现象，具体包括如下步骤：
(1)开凹槽：在垫板(背板)上沿焊接方向开凹槽，凹槽横截面形状为V形、梯形或弧形，凹槽上部开口宽度大于搅拌针端部直径，凹槽深度为0.1～2mm；
(2)焊前清理：先通过机械打磨除去待焊工件对接面及上表面距离对接面25mm内的表面氧化膜，采用干布料蘸取丙酮或乙醇清洗待焊接工件和垫板上凹槽及附近表面的油污；
(3)装配定位：调整板材位置，使凹槽中线与板材对接面对齐，或位于板材对接面的前进侧；
(4)选取搅拌头：根据被焊工件材质和板厚选择适当材质和几何外形的搅拌头；
(5)选取适当的工艺参数，采用搅拌摩擦焊接方法对工件进行焊接；
(6)切除接头底部凸起区域。
2.根据权利要求1所述的避免搅拌摩擦焊焊缝根部未焊透及弱连接的方法，其特征在于：步骤(1)中，所述凹槽的横截面宽度自上而下不变或逐渐减小。
3.根据权利要求1所述的避免搅拌摩擦焊焊缝根部未焊透及弱连接的方法，其特征在于：步骤(1)中，垫板的熔点高于待焊工件的熔点，垫板材质可选铁合金、钛合金、高温合金和陶瓷材料中的一种。
4.根据权利要求1所述的避免搅拌摩擦焊焊缝根部未焊透及弱连接的方法，其特征在于：步骤(1)中，所述待焊板材厚度为2.0～6.0mm时，背板上凹槽深度为0.1～0.5mm；当待焊板材厚度为6.0～20.0mm时，背板上凹槽深度为0.5～1.0mm；当待焊板材厚度大于20.0mm时，背板上凹槽深度为1.0～2.0mm。
5.根据权利要求1所述的避免搅拌摩擦焊焊缝根部未焊透及弱连接的方法，其特征在于：步骤(2)中，所述待焊工件的材质为铝合金、镁合金、铜合金、锌合金、钛合金和铁合金中的一种。
6.根据权利要求1所述的避免搅拌摩擦焊焊缝根部未焊透及弱连接的方法，其特征在于：步骤(4)中，搅拌头的轴肩直径为10～60mm，搅拌头根部直径为3～30mm，搅拌针长度为1～100mm；搅拌头材质是工具钢、高温合金、钨合金或陶瓷材料；搅拌头的外形为是圆柱或圆锥，搅拌针的尖端为平面或球形，搅拌针表面为平滑、环形凹槽或螺纹，搅拌针侧面加工或不加工侧平面。
7.根据权利要求1所述的避免搅拌摩擦焊焊缝根部未焊透及弱连接的方法，其特征在于：步骤(5)中，搅拌摩擦焊接的参数范围为：搅拌头转速为50～5000r/min，轴向压力为2.0-200.0kN，焊接速度为0.5～2000mm/min，搅拌头倾角为0～3°。
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