專利名稱：一種鎂、鋁合金中厚板攪拌摩擦焊方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬材料焊接技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種鎂、鋁合金中厚板攪拌摩擦焊的方法。
背景技術(shù)：
鋁、鎂金屬的密度小，分別為J .泛/ /和7.泛/ /，鋁合金具有比重小、導(dǎo)熱性好、易于成形、價格低廉等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛運(yùn)用于航空航天、交通運(yùn)輸、輕工建材等領(lǐng)域，是輕合金中應(yīng)用最廣、用量最多的合金。鎂合金具有比重小，比強(qiáng)度、比剛度高，阻尼性、切削加工性、導(dǎo)熱性好，電磁屏蔽能力強(qiáng)，尺寸穩(wěn)定，資源豐富，易回收，無污染等優(yōu)點(diǎn)，因此，在汽 車工業(yè)、通信電子工業(yè)和航空航天工業(yè)等領(lǐng)域正得到日益廣泛的應(yīng)用，近年來全世界鎂合金產(chǎn)量的年增長率高達(dá)20%，顯示出了極為廣泛的應(yīng)用前景。在工程實(shí)際中，鋁、鎂合金的焊接必不可少，采用普通熔化焊連接鋁合金，易于出現(xiàn)以下問題1、鋁合金焊接接頭軟化嚴(yán)重，強(qiáng)度系數(shù)低，這也是阻礙鋁合金應(yīng)用的最大障礙；2、鋁合金表面易產(chǎn)生難熔的氧化膜(Al2O3其熔點(diǎn)為2060°C)，這就需要采用大功率密度的焊接工藝；3、鋁合金焊接容易產(chǎn)生氣孔；4、鋁合金焊接易產(chǎn)生熱裂紋；5、線膨脹系數(shù)大，易產(chǎn)生焊接變形；6鋁合金熱導(dǎo)率大(約為鋼的4倍)，相同焊接速度下，熱輸入要比焊接鋼材大2 4倍。鎂合金采用普通熔化焊易于出現(xiàn)如下問題1、鎂在高溫下極易與氧結(jié)合生成不致密的焊縫夾雜物，嚴(yán)重降低焊縫質(zhì)量；2、鎂與一些合金元素形成低熔共晶體，在脆性溫度下極易形成熱裂紋；3、氫氣在鎂合金的溶解度隨著溫度的降低極具下降，因此在焊縫中形成氫氣孔，尤其焊接壓鑄態(tài)鎂合金時，氣孔現(xiàn)象尤為嚴(yán)重，急劇降低焊縫接頭的力學(xué)性能。攪拌摩擦焊是英國焊接研究所1991年發(fā)明(US5460317)的一種固相連接技術(shù)。是一種純機(jī)械化連續(xù)的固相連接技術(shù)，焊接時一個特殊形狀的攪拌頭旋轉(zhuǎn)著插入被焊工件，攪拌頭和軸肩分別與被焊材料之間摩擦產(chǎn)生摩擦熱，使材料達(dá)到塑性狀態(tài)，在焊接過程中的最高溫度不超過材料熔點(diǎn)的80%，當(dāng)攪拌頭沿著待焊接頭向前移動時，達(dá)到塑性化的材料由攪拌頭的前部向后部轉(zhuǎn)移，并且在軸肩的機(jī)械壓力作用下，實(shí)現(xiàn)工件之間的固相連接。在攪拌摩擦焊過程中不需要添加填充材料，焊前沒有復(fù)雜的準(zhǔn)備工作，不形成熔化焊接的缺陷。這種攪拌摩擦焊的方式特別適合用于鋁、鎂合金，特別是鋁、鎂合金中厚板之間的焊接。雖然對鋁、鎂合金中厚板(指鋁合金中厚板或者鎂合金中厚板)采用攪拌摩擦焊的方式，可以解決氣泡、裂紋等問題。但是在對焊接好的鋁、鎂合金中厚板進(jìn)行拉伸、疲勞試驗(yàn)時，如果加大試驗(yàn)強(qiáng)度，則在焊縫接頭處仍然容易斷裂，其焊縫接頭處仍然是屬于薄弱區(qū)域。故怎樣提高鋁、鎂合金中厚板焊接后的連接強(qiáng)度，仍然值得研究。目前，現(xiàn)有技術(shù)中，也存在部分對攪拌摩擦焊進(jìn)行改進(jìn)的方法，例如專利CN201010188310. 2公開的一種加熱攪拌摩擦焊接方法，該技術(shù)中在攪拌摩擦焊的同時采用電阻爐進(jìn)行加熱，其能量耗費(fèi)較大，且仍然無法更好地解決上述問題。另外，在CN200710092974. 7、CN200810236447. 3、C N200910103686. 6 和 CN200910103687. O 等專利
技術(shù)中，也對攪拌摩擦焊進(jìn)行了改進(jìn)，利用導(dǎo)電回路增加了復(fù)合熱源，但其導(dǎo)電回路包含攪拌頭，會導(dǎo)致攪拌頭壽命縮短，同時導(dǎo)電區(qū)域大，導(dǎo)致操作不安全，能量耗費(fèi)較大等缺陷，使得可操作性降低；同時這些技術(shù)仍然不能更好地解決鋁、鎂合金中厚板焊接后容易在焊縫前進(jìn)側(cè)斷裂的問題。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題和不足，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是怎樣提供一種成本低廉，耗能較小，可操作性高的鎂、鋁合金中厚板攪拌摩擦焊方法，提高焊縫處連接強(qiáng)度。為了解決上述問題，本發(fā)明采用了以下的技術(shù)方案。一種鎂、鋁合金中厚板攪拌摩擦焊方法，其特征在于，將待焊接的兩塊中厚板母材以對接形式采用夾具剛性固定，然后對母材實(shí)施攪拌摩擦焊，在焊接之前，在焊縫背部施加可控?zé)嵩?，所述可控?zé)嵩磧H作用于焊縫背部攪拌頭前進(jìn)側(cè)并對該側(cè)進(jìn)行加熱，攪拌摩擦焊時，攪拌頭沿焊縫行走進(jìn)行焊接。本技術(shù)方案中，所述中厚板是指厚度在4mm至50mm范圍內(nèi)的材料，本方案中限制材料厚度是因?yàn)殇X、鎂合金薄板在攪拌摩擦焊過程無需復(fù)合熱就可以高效的進(jìn)行連接；如果材料厚度過大，就需要就行雙面焊(比如采取雙軸肩攪拌頭)，本方案就不適合。同時，本方案中，所述攪拌頭前進(jìn)側(cè)是指與攪拌頭接觸處攪拌頭旋轉(zhuǎn)方向與焊接行走方向一致的該側(cè)為前進(jìn)側(cè)，相反一側(cè)為后退側(cè)。為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，申請人仔細(xì)進(jìn)行了觀察和研究，發(fā)現(xiàn)在鋁、鎂合金中厚板進(jìn)行拉伸、疲勞試驗(yàn)中，產(chǎn)生斷裂后，斷裂處多分布在焊縫的前進(jìn)側(cè)；申請人進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)在攪拌摩擦焊接過程中，焊縫的前進(jìn)側(cè)對于攪拌頭的旋轉(zhuǎn)是逆向受向前的力，該側(cè)區(qū)域受攪拌頭的強(qiáng)制擠壓力會大于另一側(cè)，導(dǎo)致焊接后，前進(jìn)側(cè)焊核區(qū)與熱機(jī)影響區(qū)之間的組織過渡會呈現(xiàn)出突變趨勢，然而返回側(cè)焊核區(qū)與熱機(jī)影響區(qū)的組織過渡相對平緩，因此導(dǎo)致焊縫兩側(cè)不平衡，進(jìn)而在拉伸、疲勞試驗(yàn)中才使得前進(jìn)側(cè)成為整個焊縫接頭的薄弱區(qū)域；如果要改善該情況，可以通過放慢焊接速度的方式使其得到一定改善，但這樣又導(dǎo)致焊接速度較低，焊接成本增加。所以為了解決該問題，申請人創(chuàng)造性地在焊接時采用可控?zé)嵩磫为?dú)對焊縫的前進(jìn)側(cè)進(jìn)行加熱。這樣前進(jìn)側(cè)在加熱后在一定程度上被軟化，提高該側(cè)金屬流動性，使得在攪拌摩擦焊時該側(cè)對攪拌頭的強(qiáng)制擠壓力降低并與另一側(cè)的受力得到平衡，焊接時攪拌頭兩側(cè)金屬流動性能趨向平衡。這樣焊接完畢后，焊縫兩側(cè)的焊核區(qū)與熱機(jī)影響區(qū)之間的組織過渡情況趨向于對稱、平衡。這樣就改善了焊接質(zhì)量，提高了焊縫處連接強(qiáng)度，提高了焊接后前進(jìn)側(cè)性能，使其能夠承受更高的壓強(qiáng)和沖擊力。同時，本方案中，熱源是從焊縫背部施加，這樣一來可以不影響攪拌摩擦焊的正常進(jìn)行，二來焊縫背面是攪拌頭能量難以到達(dá)的薄弱位置，從此處進(jìn)行熱能補(bǔ)充，也更加利于板材能量達(dá)到平衡，提高焊接效果。作為技術(shù)方案的優(yōu)化，所述可控?zé)嵩床捎靡韵录訜嵩O(shè)備進(jìn)行提供，所述加熱設(shè)備包括
可控電源，用于改變加熱電流與電壓；背部墊板，背部墊板表面加工一安裝通槽，安裝桶槽用于安放電阻材料；
電阻材料，電阻材料安裝在背部墊板的安裝通槽內(nèi)，且電阻材料外表面與背部墊板表面處于同一平面，電阻材料與可控電源電連接；電阻材料與背部墊板之間依次以絕緣材料和絕熱材料隔開；電阻材料上表面噴涂有一層絕緣材料；在攪拌摩擦焊過程中，電阻材料上表面的絕緣材料與焊縫背部攪拌頭前進(jìn)側(cè)的母材相貼并為其提供熱量。這樣優(yōu)化后，本加熱設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，利于實(shí)施，加工時方便調(diào)節(jié)供熱量的大小，使焊縫兩側(cè)的焊接情況趨向于平衡，可以最大程度節(jié)省耗費(fèi)的能量，降低加工成本。具體實(shí)施時，供熱的大小與焊材實(shí)際情況之間的對應(yīng)關(guān)系，可以根據(jù)上述原理分析來計算或者根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)來獲得，使焊接效果達(dá)到最佳。同時，作為進(jìn)一步優(yōu)化，采用本裝置供熱，可以在焊接結(jié)束后，繼續(xù)供熱以進(jìn)行緩冷，緩冷時調(diào)節(jié)溫度平穩(wěn)地逐漸降低，可以進(jìn)一步提高焊接效果O綜上所述，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下顯著效果
I)、本發(fā)明的方法能夠使攪拌摩擦焊時焊縫兩側(cè)的金屬流動情況趨向于平衡一致，進(jìn)而改善焊接質(zhì)量，提聞焊接強(qiáng)度，提聞焊接速度。2)、本發(fā)明所涉及的外加熱源回路不包含攪拌頭，直接對焊縫進(jìn)行加熱。第一、可使攪拌頭不直接受外加熱源作用發(fā)生軟化，提高攪拌頭的使用壽命。第二、由于外加熱源安放于背部墊板，與墊板之間采用絕緣材料隔開，直接作用于焊縫背部，提高可操作性、外力口熱源利用率高，減少熱量浪費(fèi)且提高安全性。3)、本發(fā)明所采用的外加熱源，在整個回路電阻不隨著攪拌頭的移動而改變，可量化外加熱量，提高了外加熱量的可控性。4)、本發(fā)明所設(shè)計的裝置簡單，實(shí)施方便，實(shí)施成本低廉且可操作性強(qiáng)。說明書附圖

圖I為本方法實(shí)施時采用的加熱設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施時，一種鎂、鋁合金中厚板攪拌摩擦焊方法，先將待焊接的兩塊中厚板母材以對接形式采用夾具剛性固定，然后對母材實(shí)施攪拌摩擦焊，在焊接之前，在焊縫背部施加可控?zé)嵩?，所述可控?zé)嵩磧H作用于焊縫背部攪拌頭前進(jìn)側(cè)并對該側(cè)進(jìn)行加熱，攪拌摩擦焊時，攪拌頭沿焊縫行走進(jìn)行焊接。具體實(shí)施時，所述可控?zé)嵩床捎靡韵录訜嵩O(shè)備進(jìn)行提供，所述加熱設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖I所示，包括
可控電源I，用于改變加熱電流與電壓；
背部墊板2,背部墊板2表面加工一安裝通槽,安裝桶槽用于安放電阻材料3 ；
電阻材料3，電阻材料3安裝在背部墊板2的安裝通槽內(nèi)，且電阻材料3外表面與背部墊板表面處于同一平面，電阻材料3與可控電源I電連接；電阻材料3與背部墊板2之間依次以絕緣材料4和絕熱材料5隔開；電阻材料3上表面噴涂絕緣層；在攪拌摩擦焊過程中，電阻材料3外表面與焊縫背部攪拌頭前進(jìn)側(cè)的母材相貼并為其提供熱量。具體實(shí)施時，作為加熱設(shè)備的進(jìn)一步優(yōu)化，采用的背部墊板中，還設(shè)置有接頭滑槽，接頭滑槽和安裝通槽并排設(shè)置，接頭滑槽內(nèi)可滑動地設(shè)置有一對與電阻材料保持接通的電連接頭，電阻材料通過電連接頭與可控電源電連接。這樣優(yōu)化后，本加熱設(shè)備可以采用同一套設(shè)備處理不同焊縫長度的具體焊接情況，通過調(diào)節(jié)電連接頭的位置使電阻材料中被導(dǎo)通的發(fā)熱段與焊縫長度匹配即可。為了進(jìn)一步驗(yàn)證本發(fā)明的原理和效果。申請人在上述具體實(shí)施方式
基礎(chǔ)上，進(jìn)一步進(jìn)行了對比試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，以證明本發(fā)明和普通攪拌摩擦焊之間的差異。實(shí)例I :
采用本發(fā)明焊接4mm厚的壓鑄態(tài)鎂合金AZ91D，接頭形式為對接，攪拌頭的軸肩直徑10mm、頂部直徑2. 8mm、根部直徑4. 2mm、長度4. Omm,焊前對母材進(jìn)行物理和化學(xué)表面清理，去除表面的油污、水分、氧化膜等。用夾具將母材以對接形式剛性固定，對接間隙在O. 3mm以內(nèi)。對母材實(shí)施攪拌摩擦焊連接，實(shí)驗(yàn)參數(shù)軸肩下壓量3. 8mm，攪拌頭傾斜角2. 5° ;焊接速度80mm/min,旋轉(zhuǎn)速度1500r/min ;焊接時采用加熱設(shè)備對焊縫背部前進(jìn)側(cè)供熱,設(shè)定 輔助電流值為400A、回路電壓值為30V。通過本實(shí)例焊接所得到的焊縫外觀成型美觀，無任何宏觀缺陷，焊核區(qū)微觀組織為等軸晶，前進(jìn)側(cè)焊核區(qū)與熱機(jī)影響區(qū)的的過渡得到明顯的改變，組織過渡呈現(xiàn)出漸進(jìn)性。進(jìn)行拉伸力學(xué)性能測試，拉伸強(qiáng)度到達(dá)母材的86%。對比實(shí)例I
采用和實(shí)例I相同參數(shù)的攪拌摩擦焊進(jìn)行焊接，但不采用加熱設(shè)備供熱。分析焊縫接頭發(fā)現(xiàn)。背部存在未焊透缺陷，前進(jìn)側(cè)焊核區(qū)與熱機(jī)影響區(qū)過渡呈現(xiàn)出突變趨勢。處理后，進(jìn)行拉伸力學(xué)性能測試，接頭的抗拉強(qiáng)度僅為母材的68%。對比實(shí)例2
采用和實(shí)例I相同參數(shù)的攪拌摩擦焊進(jìn)行焊接，但不采用加熱設(shè)備供熱，同時焊接時焊接速度放慢到45mm/min。本實(shí)例得到的焊縫外觀成型美觀，無任何宏觀缺陷，焊核區(qū)微觀組織為等軸晶，前進(jìn)側(cè)焊核區(qū)與熱機(jī)影響區(qū)的的過渡呈現(xiàn)出突變趨勢。進(jìn)行拉伸力學(xué)性能測試，拉伸強(qiáng)度到達(dá)母材的80%。通過具體的對比實(shí)例I與對比實(shí)例1、2可知，采用本發(fā)明的設(shè)備焊接鎂合金，在相同的條件下，得到的焊縫質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于不采用本發(fā)明的設(shè)備。同時攪拌摩擦焊的焊接速度得到一定的提高，焊縫前進(jìn)側(cè)焊核區(qū)與熱機(jī)影響區(qū)的過渡得到改善，呈現(xiàn)出漸變趨勢。綜上所述，本發(fā)明專利的特點(diǎn)是簡單有效，克服了現(xiàn)有專利中熱源利用率低，加熱作用區(qū)間大而不具有針對性、不直接作用于焊縫，攪拌頭軟化，縮短攪拌頭壽命，加熱過程回路電阻變化，加熱不穩(wěn)定，熱源可控性低，可操作性、安全性低等縱多問題?？梢杂行?shí)用于鋁、鎂合金攪拌摩擦焊過程的復(fù)合加熱，提高攪拌摩擦焊速度，增大攪拌頭使用壽命，提聞焊接質(zhì)量。
權(quán)利要求
1.一種鎂、鋁合金中厚板攪拌摩擦焊方法，其特征在于，將待焊接的兩塊中厚板母材以對接形式采用夾具剛性固定，然后對母材實(shí)施攪拌摩擦焊，在焊接之前，在焊縫背部施加可控?zé)嵩?，所述可控?zé)嵩磧H作用于焊縫背部攪拌頭前進(jìn)側(cè)并對該側(cè)進(jìn)行加熱，攪拌摩擦焊時，攪拌頭沿焊縫行走進(jìn)行焊接。
2.如權(quán)利要求I所述的鎂、鋁合金中厚板攪拌摩擦焊方法，其特征在于，所述可控?zé)嵩床捎靡韵录訜嵩O(shè)備進(jìn)行提供，所述加熱設(shè)備包括 可控電源，用于改變加熱電流與電壓； 背部墊板，背部墊板表面加工一安裝通槽，安裝桶槽用于安放電阻材料； 電阻材料，電阻材料安裝在背部墊板的安裝通槽內(nèi)，且電阻材料外表面與背部墊板表面處于同一平面，電阻材料與可控電源電連接；電阻材料與背部墊板之間依次以絕緣材料和絕熱材料隔開；電阻材料上表面噴涂有一層絕緣材料；在攪拌摩擦焊過程中，電阻材料上表面的絕緣材料與焊縫背部前進(jìn)側(cè)的母材相貼并為其提供熱量。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鎂、鋁合金中厚板攪拌摩擦焊方法，其特征在于，將待焊接的兩塊中厚板母材以對接形式采用夾具剛性固定，然后對母材實(shí)施攪拌摩擦焊，在焊接之前，在焊縫背部施加可控?zé)嵩矗隹煽責(zé)嵩磧H作用于焊縫背部攪拌頭前進(jìn)側(cè)并對該側(cè)進(jìn)行加熱，攪拌摩擦焊時，攪拌頭沿焊縫行走進(jìn)行焊接。本發(fā)明具備成本低廉，耗能較小，可操作性高等優(yōu)點(diǎn)，能夠提高焊縫處連接強(qiáng)度，同時提高焊接速度。
文檔編號B23K20/26GK102689090SQ201210212639
公開日2012年9月26日 申請日期2012年6月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月26日
發(fā)明者張均成, 杜鵑, 游國強(qiáng), 王向杰, 譚霞 申請人:重慶大學(xué)