CN118023691A - 宽间隙搅拌摩擦对搭接的焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种宽间隙搅拌摩擦对搭接的焊接方法，属于焊接技术领域，包括如下步骤：准备待对搭接焊接的第三工件及处于其上的第一工件、第二工件，第一工件与第二工件之间形成目标宽度的焊缝间隙；根据焊缝间隙的宽度选择搅拌摩擦棒材；控制搅拌摩擦棒材旋转并下压，并沿着焊缝间隙的延伸方向行进以使搅拌摩擦棒材与工件一侧表面接触摩擦生热，在三工件以及搅拌摩擦棒材四者接触部位软化发生塑性流变后实现三工件之间的对搭接焊接。本发明搅拌摩擦棒材既能够通过高速旋转与与之接触的工件之间摩擦生热，同时还能够通过自身的消耗实现对焊接间隙的填充实现具有宽间隙的三工件的对搭接焊接，解决了焊接间隙较大时搅拌摩擦焊无法焊接的难题。
Description
技术领域
本发明属于搅拌摩擦焊接领域，具体涉及一种宽间隙搅拌摩擦对搭接的焊接方法。
背景技术
搅拌摩擦焊(FSW)是一种优质、高效、节能无污染的固相连接方法。基于FSW的焊接特点，FSW被广泛应用于各类型材的长直焊缝的焊接。在实际生产过程中，由于接头形式、型材直线度公差及FSW工装精度等因素影响，使得长直铝合金型材焊前装配过程中常会存在一定的间隙。此外，在焊接过程中，因工装卡具加压固定问题，搅拌头下压挤压被焊区域，强大的压力会造成装配间隙逐渐变大。
基于FSW的焊接技术特点，焊接过程所允许的焊缝间隙通常需要小于板厚的十分之一。虽然有研究报道间隙较小时不会影响FSW过程，但此时对FSW工艺参数的要求更为严格，常常需要施加更大的压力或下压量，造成飞边过大，影响接头的外观质量，给后续处理带来困难，并由于厚度减薄原因造成接头力学性能下降。目前常用的方法是在间隙处填充合适的材料作为焊丝，然而由于焊丝或焊片的成分、流动性等与铝合金母材不同，通常会产生各种焊接缺陷。由于焊丝增加了焊接界面，界面中的氧化膜数量增多，焊核内“S”线、洋葱环等特征微观组织演化复杂，FSW接头成形难度增加，并显著影响接头的力学与耐蚀性能。然而当装配间隙过大时，即使在间隙内添加焊丝，FSW过程中材料流动困难，很难得到无缺陷的FSW接头，常出现孔洞、隧道型的结构缺陷。因此，如何实现含间隙焊缝的高质量焊接，是FSW急需克服的一项难题。
在实际生产过程中，实际需要焊接的结构更为复杂，不仅仅是平直焊缝需要焊接，对于复杂的型材或者蒙皮结构，有时需要进行搭接或者对搭接焊。而型材的由于生产公差以及装配公差问题，更容易出现装配间隙，此时材料在FSW过程中流动更为复杂，含间隙的对搭接结构的焊接要比常规焊间隙对搭接焊难度更高，因此如何实现含间隙对搭接FSW焊缝的高质量焊接是工程应用中急需解决的关键问题。
发明内容
因此，本发明提供一种宽间隙搅拌摩擦对搭接的焊接方法，以解决传统的搅拌摩擦焊接工艺无法焊接宽间隙或者在焊接宽间隙焊缝时存在飞边过大，焊接质量不高的问题。
为了解决上述问题，本发明提供一种宽间隙搅拌摩擦对搭接的焊接方法，包括如下步骤：
S1，准备待对搭接焊接的第一工件、第二工件、第三工件，将所述第一工件与所述第二工件依照目标位置定位于第三工件之上，使所述第一工件与所述第二工件之间形成目标宽度的焊缝间隙；
S2，根据所述焊缝间隙的宽度选择搅拌摩擦棒材并固定于焊机上，所述搅拌摩擦棒材在焊接过程中可消耗以保证所述搅拌摩擦棒材消耗掉的材料能够作为焊缝的目标组分；
S3，控制所述焊机带动所述搅拌摩擦棒材旋转并下压，并控制所述搅拌摩擦棒材沿着所述焊缝间隙的延伸方向行进以使所述搅拌摩擦棒材的自由端面与所述第一工件及第二工件朝向所述搅拌摩擦棒材的一侧表面与所述搅拌摩擦棒材的自由端面至少部分接触摩擦生热，在所述第一工件、第二工件、第三工件以及搅拌摩擦棒材四者接触部位软化发生塑性流变后实现所述第一工件、第二工件及第三工件之间的对搭接焊接。
在一些实施方式中，
所述搅拌摩擦棒材的下压速度为v，所述搅拌摩擦棒材的行进速度为F，所述第一工件与所述第二工件皆为板件且板厚为t，所述焊接间隙为s，所述搅拌摩擦棒材的直径为d，
在一些实施方式中，
5mm≤s≤10mm。
在一些实施方式中，
2s≤d≤4s。
在一些实施方式中，
所述搅拌摩擦棒材的旋转角速度为ω，800转/分钟≤ω≤3000转/分钟；和/或，50mm/min≤F≤500mm/min；和/或，10mm≤v≤60mm。
在一些实施方式中，
所述第一工件、第二工件以及所述搅拌摩擦棒材的材质相同或者不同，所述搅拌摩擦棒材的熔点不大于所述第一工件、第二工件及第三工件的熔点。
在一些实施方式中，
所述第一工件的材质为镁合金、铝合金、金属基复合或者钢铁材料中的一种；和/或，所述第二工件的材质为镁合金、铝合金、金属基复合或者钢铁材料中的一种；和/或，所述第三工件的材质为镁合金、铝合金、金属基复合或者钢铁材料中的一种；和/或，所述搅拌摩擦棒材的材质为镁合金、铝合金、金属基复合或者钢铁材料中的一种。
在一些实施方式中，
所述第一工件、第二工件、第三工件在施焊之前，采用机械打磨其表面。
在一些实施方式中，
在焊接过程中，所述搅拌摩擦棒材的自由端面与所述第一工件与所述第二工件朝向所述搅拌摩擦棒材一侧表面平行。
本发明提供的一种宽间隙搅拌摩擦对搭接的焊接方法，搅拌摩擦棒材既能够通过高速旋转与与之接触的工件之间摩擦生热，同时还能够通过自身的消耗实现对焊接间隙的填充，并在对第一工件、第二工件、第三工件的接触部位软化塑性流变的作用下实现具有宽间隙的第一工件、第二工件及第三工件的对搭接焊接，焊接过程中材料无熔化和凝固过程，避免了熔化焊缺陷，解决了焊接间隙较大时搅拌摩擦焊无法焊接的难题，缩短了工艺流程、提高了生产效率、大大节省了能耗与生产成本，经试验验证，采用本发明的焊接方法焊接得到的焊缝组织细小均匀，接头具有优异的力学性能。
附图说明
图1为本发明实施例的宽间隙搅拌摩擦对搭接的焊接方法的步骤示意图；
图2为本发明实施例的宽间隙搅拌摩擦对搭接的焊接方法的状态示意图(第一工件、第二工件、第三工件皆采用同种材料，皆为6061铝合金板材)；
图3为本发明实例1的焊核区晶粒形貌；
图4为本发明实施例1的6061铝合金宽间隙FSW对搭接接头拉伸断裂位置金相形貌；
图5为本发明实施例1的10毫米间隙6061铝合金FSW对搭接接头拉伸曲线；
图6为本发明实施例2的宽间隙铝钢异种材料对搭接示意图；
图7为本发明实施例2的宽间隙铝钢异种材料对搭接金相形貌；
图8为本发明实施例2的宽间隙铝钢异种材料对搭接接头拉伸曲线；
图9为本发明实施例3的宽间隙铝、铜与钢三种材料对搭接焊接示意图；
图10为本发明实例3的焊核区晶粒形貌；
图11为本发明实施例3的宽间隙铝、铜与钢三种材料宽间隙异种FSW对搭接接头的拉伸曲线。
具体实施方式
结合参见图1至图11所示，根据本发明的实施例，提供一种宽间隙搅拌摩擦对搭接的焊接方法，包括如下步骤：
S1，准备待对搭接焊接的第一工件1、第二工件2、第三工件4，将第一工件1与第二工件2依照目标位置定位于第三工件4之上(具体可以通过工作台上的紧固件实现对三个工件的刚性定位，其中第三工件4处于第一工件1及第二工件2之下)，使第一工件1与第二工件2之间形成目标宽度的焊缝间隙，前述的目标宽度例如可以为3mm、5mm、10mm等，其大于传统的搅拌摩擦焊接的0mm宽度或者稍大一点的焊缝间隙；
S2，根据焊缝间隙的宽度选择搅拌摩擦棒材3并固定于焊机上，搅拌摩擦棒材3在焊接过程中可消耗以保证搅拌摩擦棒材3消耗掉的材料能够作为焊缝的目标组分，也即，本发明中的搅拌摩擦棒材3的自身被作为三个工件焊接的焊材部分，其与传统的搅拌摩擦焊接采用的搅拌针显然不同，具体而言，搅拌针的作用仅在于能够通过旋转与焊缝两侧的工件摩擦生热，其自身并不被作为焊材，虽然在应用过程中，搅拌针可能会难免发生磨耗，但是其并不能作为焊缝的目标组分；
S3，控制焊机带动搅拌摩擦棒材3旋转并下压，并控制搅拌摩擦棒材3沿着焊缝间隙的延伸方向行进以使搅拌摩擦棒材3的自由端面与第一工件1及第二工件2朝向搅拌摩擦棒材3的一侧表面与搅拌摩擦棒材3的自由端面至少部分接触摩擦生热，在第一工件1、第二工件2、第三工件4以及搅拌摩擦棒材3四者接触部位软化发生塑性流变后实现第一工件1、第二工件2及第三工件4之间的对搭接焊接，能够理解的是，随着焊接过程的进行，也即搅拌摩擦棒材3的高速旋转，搅拌摩擦棒材3的自由端面能够与处于底部的第三工件4之间接触摩擦生热。
该技术方案中，搅拌摩擦棒材3既能够通过高速旋转与与之接触的工件之间摩擦生热，同时还能够通过自身的消耗实现对焊接间隙的填充，并在对第一工件1、第二工件2、第三工件4的接触部位软化塑性流变的作用下实现具有宽间隙的第一工件1、第二工件2及第三工件4的对搭接焊接，焊接过程中材料无熔化和凝固过程，避免了熔化焊缺陷，解决了焊接间隙较大时搅拌摩擦焊无法焊接的难题，缩短了工艺流程、提高了生产效率、大大节省了能耗与生产成本，经试验验证，采用本发明的焊接方法焊接得到的焊缝组织细小均匀，接头具有优异的力学性能。本发明提供的前述焊接方法对扩展搅拌摩擦焊的工业化应用具有重要意义。
在一些实施方式中，搅拌摩擦棒材3的下压速度为v(毫米/分钟)，搅拌摩擦棒材3的行进速度为F(毫米/分钟)，第一工件1与第二工件2皆为板件且板厚为t(毫米)，焊接间隙为s(毫米)，搅拌摩擦棒材3的直径为d(毫米)，以保证焊接的质量，使焊接完毕后的焊缝组织细小均匀，接头具有较优异的力学性能。需要说明的是，对搭接焊接过程中搅拌摩擦棒材3同时与两个上板(也即第一工件1及第二工件2)和下板(也即第三工件4)接触，搅拌摩擦棒材3的转速虽然会影响焊接下压速度，但是相较于对接影响并不明显，因此作为优选的方式，以便于控制参数的变化，本发明将其对下压速度的影响忽略不计。
在一个具体的实施例中，5mm≤s≤10mm。也即本发明中的宽间隙在一个具体的实施例中指的是5mm至10mm宽。需要说明的是，本发明中的搅拌摩擦棒材3的直径应大于前述的焊缝间隙，在一个具体的实施例中，2s≤d≤4s。需要说明的是，当d小于推荐值时，搅拌摩擦棒材与上板接触面积较小，摩擦热不足，焊缝上板焊接效果较差，焊缝强度较低；当d大于推荐值时，焊缝宽度较大，材料浪费严重。
在一个具体的实施例中，搅拌摩擦棒材3的旋转速度为ω，800转/分钟≤ω≤3000转/分钟；和/或，50mm/min≤F≤500mm/min；和/或，10mm≤v≤60mm。需要说明的是，当ω小于推荐值或F大于推荐值时，摩擦棒材摩擦所产生的热输入较低，焊缝连接强度不足；当ω大于推荐值或F小于推荐值时，摩擦产生的热输入较高，焊缝飞边严重，接头成形较差。需要说明的是，当v小于推荐值时，棒材填充材料不足，无法形成完好焊缝；当v大于推荐值时，填充材料较多，焊缝余高较大，焊接热输入较高，热影响区软化严重。
第一工件1、第二工件2、第三工件4以及搅拌摩擦棒材3的材质相同或不同。具体而言，第一工件1、第二工件2、第三工件4以及搅拌摩擦棒材3的材质可以为同质材料，当然也可以为异质材料，同时搅拌摩擦棒材3的熔点不大于第一工件1、第二工件3及第三工件4的熔点，具体可以根据实际需要匹配选择。例如，第一工件1的材质为镁合金、铝合金、金属基复合或者钢铁材料中的一种；和/或，第二工件2的材质为镁合金、铝合金、金属基复合或者钢铁材料中的一种；和/或，第三工件4的材质为镁合金、铝合金、金属基复合或者钢铁材料中的一种；和/或，搅拌摩擦棒材3的材质为镁合金、铝合金、金属基复合或者钢铁材料中的一种。
在一些实施方式中，第一工件1、第二工件2、第三工件3在施焊之前，采用机械打磨其表面以去除表面氧化物，并采用酒精、丙酮等进行清洗，至少保证待焊接区域平整、清洁。
在一些实施方式中，
在焊接过程中，搅拌摩擦棒材3的自由端面与第一工件1与第二工件2朝向搅拌摩擦棒材3一侧表面平行，即搅拌摩擦棒材的倾角为0°，该角度的实现具体可以通过控制焊机的刀柄角度实现。
以下结合具体的实施例对本发明的技术方案进一步阐述。
实施例1
采用本发明的焊接方法对同种材料宽间隙焊缝进行焊接，使用3块2毫米厚的6061铝合金板材作为基板固定在工作台上，间隙为10毫米，采用直径为20毫米的搅拌摩擦棒材进行宽间隙对搭接焊，搅拌摩擦棒材同样为6061铝合金，旋转速度为1000转/分钟、下压速度为30毫米/分钟，焊接速度为100毫米/分钟，焊接示意图如图2所示。搅拌摩擦棒材的倾角为0°，可充分保证搅拌摩擦棒材同时与三件被焊板材接触，摩擦生热，使材料塑化后实现有效焊接。
对本实施例获得的搭接焊缝进行组织分析，焊缝区域没有搭接常见的孔洞、隧道以及钩状缺陷。焊缝组织为细小均匀的等轴晶，其平均晶粒尺寸为5.5微米，如图3所示。对本实施例获得的搭接焊缝进行力学性能测试，焊接层与底板焊接强度较高，在拉伸过程中无断裂，如图4所示，前进侧与后退侧拉伸强度可分别达到206MPa与204MPa，拉伸曲线如图5所示。
实施例2
采用本发明的焊接方法对铝钢异种材料宽间隙焊缝进行焊接，使用2块2毫米厚的6061板材与一块1.5毫米厚的Q&P1180钢板作为基板固定在工作台上，间隙为5毫米，采用直径为20毫米的搅拌摩擦棒材进行宽间隙对搭接焊，搅拌摩擦棒材转速为1000转/分钟、搅拌摩擦棒材下压速度为30毫米/分钟，搅拌摩擦棒材为6061铝合金，焊接速度为200毫米/分钟，焊接示意图如图6所示。
对本实施例获得的搭接焊缝进行组织分析，焊缝区域没有搭接常见的孔洞和隧道缺陷(如图7所示)，焊缝组织细小均匀；对本实施例获得的搭接焊缝进行力学性能测试，拉伸剪切强度可达到239MPa(如图8所示)，拉伸断裂位置位于上板后退侧处。
实施例3
采用本发明的焊接方法对铜、铝以及钢三种材料宽间隙焊缝同时进行焊接，使用一块3毫米厚的T3纯铜板，一块3毫米厚6061铝合金板，以及一块1.2毫米厚的Q&P1180钢板作为被焊板材。铜板与铝板间隔10毫米放置于钢板之上，使用夹具进行刚性固定，采用直径为20毫米的搅拌摩擦棒材进行宽间隙对搭接焊，搅拌摩擦棒材转速为2000转/分钟、搅拌摩擦棒材下压速度为30毫米/分钟，搅拌摩擦棒材为6061铝合金，焊接速度为100毫米/分钟，焊接示意图如图9所示。
对本实施例获得的对搭接焊缝进行组织分析，焊缝区域没有搭接常见的孔洞及隧道缺陷，焊缝组织细小均匀，平均晶粒尺寸为4.7微米(图10)，填充搅拌摩擦铝棒与铝合金紧密焊接，铝-铜之间形成了一个均匀连续的金属间化合物薄层，铝铜侧的拉伸强度可达到206MPa(参见图11所示)。铝-钢界面处也生成一层均匀而连续的金属间化合物薄层，其界面结合强度达到234MPa(参见图11所示)，这也是本焊接接头中异种金属对搭接接头获得高性能的关键因素；对本实施例获得的搭接焊缝进行力学性能测试，拉伸均断裂在近界面的铝合金侧。
对比例1
异种金属在FSW过程中复杂性更高，工艺影响因素也更多，焊接难度更高。在钢与铝合金的异种FSW时，搅拌针的材料通常选择昂贵的WC-Co硬质合金或金属陶瓷搅拌工具。在焊接过程中，搅拌针往往偏置于铝合金侧，来避免搅拌针磨损以及防止铝合金过热融化。目前的研究表明，在搅拌针大部分偏出钢侧时，接头的力学性能达到最高值，继续偏离当工具完全偏离出钢时，由于焊核材料流变无法带动钢侧材料流动而发生界面断裂，力学性能显著下降，而当铝合金和钢之间间隔一定距离时，几乎无法使用FSW进行焊接，焊缝无法实现有效连接。目前研究表明，在铝合金与钢之间加入较薄的焊丝后(通常小于1毫米)，5A06与Q235的抗拉强度最高可达240MPa，但当所添加的焊丝厚度大于1.5毫米厚时，接头的拉伸强度迅速下降到132MPa，继续增加间隙宽度以及焊丝厚度则无相关研究与报道。
对比例2
哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验的周利副教授前期曾研究了纯铜与钢的异种金属搅拌摩擦搭接焊，采用SKD61模具钢搅拌头对2毫米厚铜/钢异种金属进行FSW搭接，分析了搭接接头微观组织和力学性能。结果表明，在工具未断裂前，接头的最大拉伸剪切力为5.1KN，然而当搅拌针与钢母材直接接触时，随焊接过程的进行搅拌针不断磨损甚至发生断裂，焊接长度不足50毫米长，搅拌针断针之后，则无法形成有效的搭接焊接头。
对比例3
目前的已有研究对6061铝合金与纯铜进行异种金属搅拌摩擦对接，为充分破碎对接面，FSW焊速较高，高达1800转/分钟，大量破碎的铜被搅入焊核区，导致焊核区结构复杂，并在焊核区域对接界面处检测到大量AlCu金属间化合物，并且在高转速下，界面处的化合物厚度较大。由于高热输入，对接接头的拉伸强度最高仅183MPa，远低于6061铝合金与铜母材的拉伸强度。
本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各方式的有利技术特征可以自由地组合、叠加。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种宽间隙搅拌摩擦对搭接的焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，准备待对搭接焊接的第一工件(1)、第二工件(2)、第三工件(4)，将所述第一工件(1)与所述第二工件(2)依照目标位置定位于第三工件(4)之上，使所述第一工件(1)与所述第二工件(2)之间形成目标宽度的焊缝间隙；
S2，根据所述焊缝间隙的宽度选择搅拌摩擦棒材(3)并固定于焊机上，所述搅拌摩擦棒材(3)在焊接过程中可消耗以保证所述搅拌摩擦棒材(3)消耗掉的材料能够作为焊缝的目标组分；
S3，控制所述焊机带动所述搅拌摩擦棒材(3)旋转并下压，并控制所述搅拌摩擦棒材(3)沿着所述焊缝间隙的延伸方向行进以使所述搅拌摩擦棒材(3)的自由端面与所述第一工件(1)及第二工件(2)朝向所述搅拌摩擦棒材(3)的一侧表面与所述搅拌摩擦棒材(3)的自由端面至少部分接触摩擦生热，在所述第一工件(1)、第二工件(2)、第三工件(4)以及搅拌摩擦棒材(3)四者接触部位软化发生塑性流变后实现所述第一工件(1)、第二工件(2)及第三工件(4)之间的对搭接焊接。
2.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，
所述搅拌摩擦棒材(3)的下压速度为v，所述搅拌摩擦棒材(3)的行进速度为F，所述第一工件(1)与所述第二工件(2)皆为板件且板厚为t，所述焊接间隙为s，所述搅拌摩擦棒材(3)的直径为d，
3.根据权利要求2所述的焊接方法，其特征在于，
5mm≤s≤10mm。
4.根据权利要求2所述的焊接方法，其特征在于，
2s≤d≤4s。
5.根据权利要求2所述的焊接方法，其特征在于，
所述搅拌摩擦棒材(3)的旋转速度为ω，800转/分钟≤ω≤3000转/分钟；和/或，50mm/min≤F≤500mm/min；和/或，10mm≤v≤60mm。
6.根据权利要求2所述的焊接方法，其特征在于，
所述第一工件(1)、第二工件(2)、第三工件(4)以及所述搅拌摩擦棒材(3)的材质相同或不同，所述搅拌摩擦棒材(3)的熔点不大于所述第一工件(1)、第二工件(3)、第三工件(4)的熔点。
7.根据权利要求6所述的焊接方法，其特征在于，
所述第一工件(1)的材质为镁合金、铝合金、金属基复合或者钢铁材料中的一种；和/或，所述第二工件(2)的材质为镁合金、铝合金、金属基复合或者钢铁材料中的一种；和/或，所述第三工件(4)的材质为镁合金、铝合金、金属基复合或者钢铁材料中的一种；和/或，所述搅拌摩擦棒材(3)的材质为镁合金、铝合金、金属基复合或者钢铁材料中的一种。
8.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，
所述第一工件(1)、第二工件(2)、第三工件(3)在施焊之前，采用机械打磨其表面。
9.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，
在焊接过程中，所述搅拌摩擦棒材(3)的自由端面与所述第一工件(1)与所述第二工件(2)朝向所述搅拌摩擦棒材(3)一侧表面平行。
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