[發明專利]一種高強度鋁合金厚板低熱輸入攪拌摩擦焊方法

有效

• 申請號: 201310643078.0
• 申請日: 2013-12-03
• 公開（公告）號: CN103624398A
• 公開（公告）日: 2014-03-12
• 發明（設計）人: 付瑞東;王佶
• 申請（專利權）人: 燕山大學
• 主分類號: B23K20/12
• 分類號: B23K20/12;B23K20/24
• 代理公司: 石家莊一誠知識產權事務所 13116
• 代理人: 續京沙

技術領域：

本發明涉及一種金屬焊接方法，特別是用于高強鋁合金厚板的焊接方法。?

背景技術：

本領域的技術人員都知道，高強鋁合金厚板的焊接除了具有普通鋁合金焊接的特點外，由于其厚度大，再加上鋁合金的高導熱性，采用普通熔化焊方法時，需采用多層、多道低熱輸入工藝。但是，多層焊易造成焊縫中出現氧化物夾雜、焊后熱裂紋嚴重以及焊接接頭易出現軟化區等嚴重問題，使得采用普通焊接方法時的厚板高強鋁合金焊接難度非常大。?

攪拌摩擦焊是由英國焊接研究所于1991年發明的一種熱力耦合作用下的固態焊接技術。與傳統的熔焊相比，在時效強化型高強鋁合金的焊接中顯示了無以比擬的優勢。截至目前，攪拌摩擦焊已實現厚度為0.8～100mm鋁合金材料的單道焊接；而雙面焊可以焊接的最大板厚達到180mm。然而，在實際的厚板高強鋁合金的攪拌摩擦焊接中，會遇到如下問題：（1）由于高的焊接阻力，所用攪拌摩擦焊設備及專用卡具多設計成大剛度結構，設備投資大。（2）所用攪拌頭因也要承受大的焊接阻力，其尺寸也很大。同時為避免焊接過程中的折斷，需要特殊耐熱高強合金制造。（3）為保證焊接區金屬的充分塑化及避免焊接缺陷的形成，所采用的焊接參數多為高熱輸入特點，這將帶來明顯的熱影響區軟化問題。?

為降低厚板鋁合金攪拌摩擦焊中焊接阻力大，塑性金屬流動性差等問題，發明專利“一種鎂、鋁合金中厚板攪拌摩擦焊方法”（專利公開號：CN102689090A）中采用在焊縫背面施加輔助熱源來預熱焊接區金屬，降低焊接阻力，增加金屬的流動性。然而，這種方法會帶來焊接接頭中出現大范圍的軟?化區的問題。?

對于高強鋁合金攪拌摩擦焊接頭中存在的軟化區問題，通常的方法是采用整體或局部焊后熱處理焊等措施。其中，采用整體熱處理受到工件尺寸、整體變形以及焊縫區晶粒出現異常長大等的限制；采用熱壓縮空氣、電弧、火焰等手段對焊核區進行局部熱處理雖然可改善軟化區域的問題，但同時會帶來新的軟化區及焊接結構變形等問題。采用水冷或水下焊接方法已被證明是解決焊接熱影響區軟化的有效方法，例如：發明專利“采用介質冷卻攪拌摩擦焊方法及裝置”（公開號：CN1739902A）、發明專利“一種提高水下攪拌摩擦焊焊接接頭塑性的方法”（公開號：CN101934426）、發明專利“一種增強接頭力學性能的攪拌摩擦焊工藝”（公開號：CN102528268）中都提及采用水霧、高壓水流和水下等方式對焊縫進行冷卻，但是這些方法均只對薄板焊接有效，而對于中、厚板，由于熱傳導能力的限制，冷卻效果并不明顯。?

發明內容：

本發明的目的是提供一種可以在小型焊接設備上完成的不僅能有效抑制焊接接頭軟化區的形成，還可顯著提高接頭的綜合力學性能的一種高強度鋁合金厚板低熱輸入攪拌摩擦焊方法。本發明主要是采用低熱輸入焊接參數的多層重疊、多道次攪拌摩擦焊工藝，實現高強鋁合金厚板的焊接。?

本發明的技術方案具體如下：?

1、用機械加工方法在被焊厚板邊緣側加工出規定尺寸的多級臺階形狀，每級臺階高度為2-3mm，寬度與攪拌頭軸肩半徑相等；把兩塊被焊板的加工邊水平對置裝配，板底部靠緊并形成向上的“V”型缺口形狀。?

2、采用轉速為1000-3000轉/分鐘的攪拌頭和1000-2000mm/分鐘行進速度組合的低熱輸入規范焊接底層對接縫，最好待攪拌軸軸肩和工件表面接觸并停?留5秒后攪拌頭開始移動，采用的攪拌頭其攪拌針長度比被焊處板厚小0.1mm，焊完后清理焊縫表面并冷卻至室溫，其可以是自然冷卻，也可以采用隨焊氣冷或水冷措施冷卻。?

3、而后裝入與第一級臺階缺口寬度和厚度相等、與被焊板材同質的填充板，并采用與底部焊縫相同的焊接參數，在此層范圍內進行多道次、平行重疊焊，相鄰焊縫的重疊寬度不小于攪拌頭軸肩半徑。最好焊接底層以外其余各層、各道焊縫所用的攪拌頭，其攪拌針長度比被焊處厚度大0.5mm。?

4、其余各層焊縫的焊接采用與第一層填充板焊接時相同的焊接工藝。?

本發明所依據的原理是采用多層重疊、多道次的低熱輸入焊接參數來降低高強鋁合金厚板攪拌摩擦焊焊縫區的總熱輸入量，進而抑制接頭熱影響區的軟化問題，減小焊接殘余應力和變形。同時，后焊的焊縫對于前道焊縫具有一定的焊后時效作用，促進焊縫內部的強化相析出，進而提高焊縫區的硬度和強度。此外，該方法可以實現在小型設備上完成高強鋁合金厚板的攪拌摩擦焊。?

本發明與現有技術相比具有如下優點：?