[發(fā)明專利]一種增強接頭力學性能的攪拌摩擦焊接工藝

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201010594943.3
• 申請日: 2010-12-17
• 公開（公告）號: CN102528268A
• 公開（公告）日: 2012-07-04
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 薛鵬;馬宗義;肖伯律
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學院金屬研究所
• 主分類號: B23K20/12
• 分類號: B23K20/12;B23K20/26
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 張志偉

技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明涉及金屬材料焊接領(lǐng)域，特別提供了一種增強接頭力學性能的攪拌摩擦焊接工藝，適用于焊接鋁合金、鎂合金、銅合金、鋼鐵等金屬材料。

背景技術(shù)：

攪拌摩擦焊(FSW)是英國焊接研究所于1991年發(fā)明的一種固相焊接工藝。由于FSW具有能量利用率高、環(huán)境友好、焊接缺陷少、焊縫殘余應力小等優(yōu)點，其接頭性能較熔化焊有很大提高，自發(fā)明后受到了廣泛關(guān)注，在航空航天、車輛、船舶等領(lǐng)域獲得日益廣泛的應用。然而，盡管FSW大大降低了焊接熱輸入量，對于FSW接頭，尤其對熱處理強化合金或加工硬化態(tài)合金，F(xiàn)SW后，由于熱影響區(qū)(HAZ)發(fā)生明顯的軟化，斷裂發(fā)生在熱影響區(qū)，使得接頭的性能較母材明顯降低。比如，對于FSW純銅板(H1/2態(tài))，即使采用較低熱輸入量的FSW參數(shù)，由于HAZ的退火軟化，F(xiàn)SW接頭的屈服強度僅有100MPa左右，較母材(～250MPa)明顯降低。對于沉淀強化的6061-T651鋁合金，HAZ的強化相發(fā)生溶解/粗化，也使接頭強度明顯低于母材。對于鋼鐵等高熔點金屬材料，焊接過程中的溫度更高，這不僅需要惰性氣體的保護而且使HAZ的退火軟化作用更為顯著。另外，在此條件下，攪拌頭的磨損十分嚴重，大大限制了其工程應用。

由哈爾濱工業(yè)大學申請的《水下環(huán)境中的攪拌摩擦焊接方法》(中國專利公開號：CN?101439439A)表明攪拌摩擦焊接不受外界環(huán)境約束，可實現(xiàn)水環(huán)境焊接，同時水環(huán)境中接頭性能有所提高(比如，對于2219鋁合金接頭可由常規(guī)FSW的320MPa提高到水環(huán)境中的343MPa)。然而在這種靜止或準靜止的水環(huán)境中，焊核區(qū)產(chǎn)生的熱量也難以快速傳輸，HAZ的退火軟化作用仍然明顯，對于上述的加工硬化型、沉淀強化型高強銅合金、鋁合金及鋼鐵來說，焊接系數(shù)仍然很低。要實現(xiàn)此類材料的高質(zhì)量攪拌摩擦焊接，不僅需要低的熱輸入還需要快速的冷卻速度來大幅降低熱影響區(qū)的退火軟化作用。

發(fā)明內(nèi)容：

本發(fā)明的目的在于提供一種增強接頭力學性能的攪拌摩擦焊接工藝，解決現(xiàn)有技術(shù)中焊核區(qū)產(chǎn)生的熱量也難以快速傳輸，以及HAZ的退火軟化作用明顯等問題。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種增強接頭力學性能的攪拌摩擦焊接工藝，過程如下：用小尺寸軸肩的攪拌頭，以較低熱輸入的攪拌摩擦焊接參數(shù)進行焊接，在焊接過程中以高壓流動冷卻介質(zhì)快速冷卻焊縫，得到性能優(yōu)異的攪拌摩擦焊接接頭；

所用焊接工具軸肩直徑8～14毫米，攪拌摩擦焊接參數(shù)：焊接工具轉(zhuǎn)速400～800轉(zhuǎn)/分鐘、行進速度50～200毫米/分鐘。

所述的增強接頭力學性能的攪拌摩擦焊接工藝，焊接過程中以高壓流動冷卻介質(zhì)快速冷卻焊縫，選用的冷卻介質(zhì)為水、冰水混合物、干冰甲醇混合物或液氮酒精混合物等低溫冷卻介質(zhì)，使冷卻介質(zhì)溫度在室溫～-50℃范圍內(nèi)，高壓流動冷卻介質(zhì)的壓力為0.4-0.6MPa。

所述的增強接頭力學性能的攪拌摩擦焊接工藝，以高壓噴頭裝置噴射高壓流動冷卻介質(zhì)，高壓噴頭裝置固定在安裝攪拌頭的機座上，隨攪拌頭一起運動，噴頭對準攪拌頭軸肩行進方向后側(cè)的焊縫形成區(qū)。

所述的增強接頭力學性能的攪拌摩擦焊接工藝，攪拌摩擦焊接工藝用于金屬材料：鋁合金、鎂合金、銅合金或鋼鐵的焊接。

本發(fā)明的有益效果是：

1、本發(fā)明提供了一種增強接頭力學性能的攪拌摩擦焊接工藝，用小尺寸軸肩的攪拌頭，以較低熱輸入的攪拌摩擦焊接(FSW)參數(shù)進行焊接，在焊接過程中以高壓流動冷卻介質(zhì)快速冷卻焊縫，大大降低焊核及熱影響區(qū)(HAZ)溫度，得到性能優(yōu)異的攪拌摩擦焊接接頭。

2、本發(fā)明增強接頭力學性能的攪拌摩擦焊接工藝中，焊接過程中選用的冷卻介質(zhì)可有水、冰水混合物、干冰甲醇混合物以及液氮酒精混合物等低溫冷卻介質(zhì)，高壓噴頭裝置固定在安裝攪拌頭的機座上隨攪拌頭一起運動，噴頭對準攪拌頭軸肩行進方向的后側(cè)(即焊縫形成區(qū))。所用焊接工具軸肩直徑8～14毫米，焊接工具轉(zhuǎn)速400～800轉(zhuǎn)/分鐘、行進速度50～200毫米/分鐘。與常規(guī)攪拌摩擦焊接方法相比，本發(fā)明工藝明顯提高焊接接頭的力學性能，簡單實用。用此種工藝焊接鋼鐵等高熔點材料時，不僅可以提高力學性能，而且冷卻介質(zhì)可以代替惰性氣體進行保護，避免氧化。同時攪拌頭磨損減輕，大大降低了成本。因此，有理由相信這種新的攪拌摩擦焊接工藝在高強度有色金屬及鋼鐵材料焊接領(lǐng)域?qū)⒂兄鴱V闊的工業(yè)應用前景。

3、本發(fā)明可以明顯提高焊接接頭的力學性能，尤其適用于沉淀強化型、加工硬化態(tài)有色金屬材料及鋼鐵材料的焊接。

具體實施方式：

實施例1