[發明專利]一種避免底部缺陷、提高接頭性能的厚板攪拌摩擦焊接方法

有效

• 申請號: 201610219723.X
• 申請日: 2016-04-11
• 公開（公告）號: CN105880826B
• 公開（公告）日: 2017-12-15
• 發明（設計）人: 鄧永芳;楊杰;楊斌;汪航
• 申請（專利權）人: 江西理工大學
• 主分類號: B23K20/12
• 分類號: B23K20/12
• 代理公司: 南京天華專利代理有限責任公司32218
• 代理人: 瞿網蘭

技術領域

本發明涉及一種焊接方法，尤其是一種攪拌摩擦焊接方法，具體地說是一種通過多次不同參數的攪拌摩擦焊來避免底部缺陷、提高接頭性能的厚板攪拌摩擦焊接方法。

背景技術

攪拌摩擦焊（FSW）是1991年由英國焊接研究所（The Welding Institute, TWI）發明的（US 5460317）一種新型固相連接技術，該技術的原理是利用攪拌頭與材料的強烈摩擦和對軟化材料的攪拌作用，使焊縫連接區處于熱塑性狀態并使其趨于熔化、混合，隨著攪拌頭向前行進，在攪拌頭的后方形成焊縫，完成固相連接。攪拌摩擦焊過程中，攪拌頭軸肩產熱量占到攪拌頭產熱量的80%-90%，而攪拌針產熱只占到總體產熱的10%-20%；厚板由于板材厚度較大，軸肩產生的熱量幾乎不能及時傳導到板材底部區域，所以利用普通攪拌摩擦焊接工藝，板材底部常常因為熱輸入量不足導致該區域材料的流動性不足，在板材底部區域容易產生孔洞和溝槽等缺陷。板材底部孔洞和溝槽的出現極大降低了接頭性能。

為了增大厚板底部材料的塑性金屬流動性，提高中厚板的連接強度，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）采用在焊縫底部施加輔助熱源來預熱焊接區金屬，提高板材底部熱輸入量，從而提高板材底部材料流動性，避免連接缺陷的產生。然而，這種方法會帶來焊接接頭中出現大范圍軟化區的問題，同時該方法增加了連接設備的復雜性。

發明專利“一種高強度鋁合金厚板地熱輸入攪拌摩擦焊接方法”（專利公開號：CN103624398A）采用在被焊厚板邊緣側加工出規定尺寸的多級臺階形狀，進行多層重疊、多道次攪拌摩擦焊的工藝，實現高強鋁合金厚板的攪拌摩擦連接，提高接頭的性能。然而，此種方法需要大大增加連接過程板材的焊前處理時間，焊接過程的裝夾和處理時間，極大的降低了焊接效率。

發明內容

本發明的目的是針對現有厚板（厚度為10-50毫米）攪拌摩擦焊接中存在的板材底部區域容易產生孔洞和溝槽等缺陷，而避免這些缺陷的工藝復雜，需要大量輔助設備而造成焊接成本過高的問題，提供一種避免底部缺陷、提高接頭性能的厚板攪拌摩擦焊接方法。

本發明的技術方案是：

一種避免底部缺陷、提高接頭性能的厚板攪拌摩擦焊接方法，其特征是用不同軸肩大小和攪拌針長短的攪拌頭，在不同焊接工藝參數下對板材進行至少三次攪拌摩擦焊接，以逐次消除攪拌針底部因熱輸入量不足引起的焊接缺陷，提高焊接質量。它包括以下步驟：

1）第一次焊接時采用小軸肩、攪拌針長度與板材厚度相匹配的攪拌頭在高轉速、低進給速度下進行攪拌摩擦焊接，以實現厚板底部的有效焊接；

2）第二次焊接采用中軸肩、針長為第一次使用攪拌頭針長的四分之三，在次高轉、次低進給速度下沿著第一次焊接的焊縫進行，以實現厚板中部的有效焊接，改善厚板中間焊接質量；

3）第三次焊接采用大軸肩、針長為第一次使用攪拌頭針長的二分之一，中等厚度板材工藝條件下沿著第二次焊接的焊縫進行，以實現厚板上部焊接質量的改善，提高厚板的整體焊接性能。

本發明還可通過逐次縮短攪拌頭針長、加大軸肩直徑、降低轉速提高進給速度的方法進行三次以上的焊接，但最后一次焊接時攪拌頭為焊接中等厚度板材的攪拌頭、工藝參數為焊接中等厚度板材的工藝參數。

本發明的關鍵是：

1、采用小軸肩、攪拌針長度略小于或與板材厚度相匹配的攪拌頭在高轉速、低進給速度下進行攪拌摩擦焊接。攪拌針端部有增大摩擦的槽狀結構，攪拌針上有螺紋，增大攪拌針的摩擦產熱，攪拌頭軸肩有凹槽。配合攪拌頭高轉速、低進給速度的工藝條件，厚板底部材料產熱充分，材料流動性好，板材底部將不會產生缺陷，底部連接質量高。

2、采用中軸肩、針長為前次使用攪拌頭針長的四分之三，在次高轉、次低進給速度下沿著第一次焊接的焊縫進行第二次攪拌摩擦焊接。攪拌針端部有槽狀結構，攪拌針上有螺紋，攪拌頭軸肩有凹槽，配合攪拌頭次高轉、次低進給速度的工藝條件，在板材厚度四分之三附近區域，材料產熱充分，材料流動性好，不會產生缺陷，連接質量高。

3、經過前兩次攪拌摩擦焊接，厚板底部二分之一厚度已經實現了、無缺陷、高質量焊接，沒有實現高質量焊接的板材厚度僅為原來的二分之一，為中等厚度。采用焊接中等厚度板材的攪拌頭大軸肩、針長為第一次使用攪拌頭針長的二分之一，在中等板材厚度工藝條件下沿著第二次焊接的焊縫進行第三次攪拌摩擦焊接，獲得板厚二分之一以上區域的高質量連接。