[發明專利]一種表征攪拌摩擦焊流場的方法

在審

• 申請號: 202110417060.3
• 申請日: 2021-04-19
• 公開（公告）號: CN113102873A
• 公開（公告）日: 2021-07-13
• 發明（設計）人: 錢錦文;鄒文龍;歐艷;肖逸鋒;余劍飛;吳靚;張乾坤
• 申請（專利權）人: 湘潭大學
• 主分類號: B23K20/12
• 分類號: B23K20/12;B23P15/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明提供了一種表征攪拌摩擦焊流場的方法。該方法是通過在鋁合金板材上預設的位置沿板厚方向打孔，再將銅絲垂直插入打好的孔中，然后再在含有銅絲的路徑上進行攪拌摩擦焊，最后通過對焊縫試樣逐層研磨并拍照，再對照片進行二維合成和三維建模的處理方式來表征攪拌摩擦焊焊接過程的流場。相較于其它標記材料對攪拌摩擦焊焊接過程時流場的表征方法，本方法不僅能夠保證連續性和準確性，同時也能對攪拌摩擦焊焊接過程的流場進行三維表征和局部表征。

技術領域

本發明涉及固相焊接技術領域，具體涉及一種表征攪拌摩擦焊流場的方法

背景技術

攪拌摩擦焊(Friction Stir Welding,FSW)是于1991年由英國焊接研究所(TWI)提出的一種新型固相連接技術。該技術是通過將高速旋轉的攪拌頭插入兩塊對接板的接觸面，并沿著該界面方向移動，在旋轉移動過程中所產生的摩擦熱和塑性變形熱使該界面處攪拌頭周圍的材料軟化從而達到粘塑性狀態并開始流動，在攪拌針和攪拌頭軸肩的共同作用下使攪拌頭前端材料流向后端，從而形成一個力學性能好，表面質量高的焊接接頭。因為FSW焊接時無輻射、無污染而被稱為綠色焊接技術，同時因為FSW焊接接頭殘余應力小，不會產生熔焊時諸如裂縫，氣孔等缺陷而被廣泛用于鎂、鋁等輕質合金的焊接行業。

雖然攪拌摩擦焊由于是固相焊接而能夠避免產生氣孔和裂紋等冶金缺陷，但焊接時由于各種原因同樣會產生諸如孔洞、表面溝槽、隧道型缺陷等。攪拌摩擦焊的焊縫成形與攪拌頭周圍材料流動密切相關，其周圍材料的流動過程將直接影響到焊縫的質量。故而，將攪拌摩擦焊焊接過程的流場更好地表征出來，不僅對攪拌摩擦焊的焊接過程有進一步的理解和認識，同時以此來優化攪拌摩擦焊的工藝參數，進而生產出高質量和性能優異的焊接接頭具有重要意義。

當前，眾多研究學者都通過不同的方法研究并表征了攪拌摩擦焊焊接過程的流場。其中，有通過小球和粉末的“點”形標記材料對攪拌摩擦焊的流場進行表征，但其連續性和準確性無法得到保證。有通過金屬箔片和氧化層等“面”形標記材料對攪拌摩擦焊的流場進行表征，雖然這種方式有很好的連續性，但卻無法對攪拌摩擦焊的流場進行三維表征。“體”形標記材料則主要是通過異種材料的焊接來對攪拌摩擦焊的流場進行表征。雖然這種方式的連續性較好，也能對攪拌摩擦焊的流場進行三維表征，但其不能對攪拌摩擦焊焊接過程局部的流場有一個很好的表征。

其中，中國專利CN103084729A提供了一種研究攪拌摩擦焊接過程中材料流變行為的示蹤方法，其主要是通過在工件對接面和上表面上通過線切割、化學氧化等方式制造出一層人工氧化膜再進行攪拌摩擦焊。通過觀察焊后氧化膜在焊縫及匙孔的分布對流場進行表征分析。中國專利CN103521940A提供了一種觀察攪拌摩擦焊連接面材料流動的方法，其主要是通過在工件對接面上進行預鍍銅和電鍍銅然后再進行攪拌摩擦焊，通過焊后焊縫的金相從而觀察其流動特征。這兩個專利雖然不是通過鑲嵌和外加標記材料的方式，在一定程度上能提高其對攪拌摩擦焊流場表征的準確性和真實性，但其本質上依舊是采用“面”型標記材料的方式進行表征，依舊存在上述不能對攪拌摩擦焊三維流場進行表征的問題。中國專利CN107570861A提供了一種攪拌摩擦焊焊縫金屬塑性流動特征的檢測表征方法，其是通過在垂直于焊接方向均勻打孔并插入銅絲進行攪拌摩擦焊，并在焊后使用ICT(工業計算機斷層掃描機)對焊縫進行三維斷層掃描從而獲得攪拌摩擦焊的三維流場。該方法雖能在不破壞焊縫的情況下獲得攪拌摩擦焊的三維流場，但其表征的流場在厚度方向仍存在不連續性，且ICT設備昂貴，檢測成本高。

發明內容

針對上述現有技術所存在的問題，本發明提供了一種表征攪拌摩擦焊流場的方法。該方法是通過在鋁合金板上預設的位置打孔并在孔中垂直插入標記材料，然后對其按預設路徑進行攪拌摩擦焊，通過觀察標記材料的運動軌跡和變形從而表征出攪拌摩擦焊焊接過程時的流場。

為實現上述目的，本發明提供的技術方案具體實施步驟如下：

步驟(1)：選取一定形狀和尺寸的鋁合金板材和半徑為0.2～0.4mm的麻花鉆，以及攪拌頭。