一種厚板攪拌摩擦焊接工藝的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種針對大厚度板材對接焊接的厚板攪拌摩擦焊接工藝，包括以下步驟：1)在兩個待焊接的大厚度板材上沿待焊接的邊緣開設(shè)對稱階梯狀坡口，每級階梯的寬度大于攪拌頭半徑，高度小于單面焊極限深度，坡口底部板材厚度小于單面焊極限深度；2)使用攪拌摩擦焊單面焊焊接坡口底部，兩板材相對的坡口形成由下到上順次變大的多個凹坑；3)在位于最下面的凹坑中嵌入與板材同質(zhì)的嵌入條，嵌入條寬等于凹坑寬度，厚度等于凹坑兩側(cè)臺階的高度；4)采用攪拌摩擦焊單面焊將嵌入條與板材焊接為一體，焊接時沿多道平行的焊縫進行焊接，其中第一和最后一道焊縫為嵌入條與板材之間的焊縫；5)重復(fù)實施步驟3)、步驟4)，直至將所有的凹坑填平。本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于對大厚度板材對接接頭的攪拌摩擦焊接中。
【專利說明】一種厚板攪拌摩擦焊接工藝
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種焊接工藝，特別是關(guān)于一種針對大厚度板材對接焊接的厚板攪拌摩擦焊接工藝。
【背景技術(shù)】
[0002]與傳統(tǒng)的氣體保護焊相比，使用攪拌摩擦焊加工鋁合金結(jié)構(gòu)所得到的焊縫具有無缺陷、強度高等突出的優(yōu)點，因此攪拌摩擦焊在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)正得到越來越廣泛的應(yīng)用。特別是在航空航天、高速列車、高速船舶等行業(yè)的大型鋁合金殼體的加工過程中，攪拌摩擦焊能夠加工氣體保護焊不好加工或不能加工的高強度焊縫，因而在這些行業(yè)中取得了不可替代的地位。
[0003]盡管具備突出的優(yōu)點，攪拌摩擦焊技術(shù)也存在靈活性不足這一明顯的短板。傳統(tǒng)的熔焊可以通過堆焊工藝加工任意厚度的焊縫，而攪拌摩擦焊的原理決定了其焊接深度受到攪拌針長度的限制，單面焊接時所能夠焊接的結(jié)構(gòu)厚度略大于攪拌針長度，而雙面焊時所能加工的最大結(jié)構(gòu)厚度略大于攪拌針長度的兩倍。理論上只要無限增長攪拌針就可以焊接無限厚度的接頭，然而隨著攪拌針長度的增大，焊接過程中攪拌針攪動的金屬量越多，攪拌針?biāo)惺艿呐ぞ睾蛷澗匾搽S之增大，直至現(xiàn)有材料與加工工藝無法制造具備足夠強度的攪拌頭。其次，攪拌針的增長也導(dǎo)致焊接過程中設(shè)備功率的提高，設(shè)備功率的有限性同樣決定了攪拌針長度的有限性。因此目前這一加工能力在單面焊時不足100mm，雙面焊不足200mm，對于大于這一尺寸的結(jié)構(gòu)，無法得到攪拌摩擦焊的高強度焊縫。另外，在上述的加工能力限制之內(nèi)，隨著加工能力的提升，設(shè)備成本會近于指數(shù)型的增長，因此常規(guī)攪拌摩擦焊設(shè)備僅具備一定厚度以下的加工能力。對于將焊接大厚度焊縫作為日常工作的企業(yè)而言，可以購買專用設(shè)備，而對數(shù)量眾多的一般企業(yè)而言，對大厚度焊縫的加工需求僅是偶爾性的，為此購入昂貴的設(shè)備則得不償失。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種使用常規(guī)攪拌摩擦焊設(shè)備實現(xiàn)大厚度板材對接焊接的厚板攪拌摩擦焊接工藝。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:一種厚板攪拌摩擦焊接工藝，包括以下步驟:1)在兩個待焊接的大厚度板材上沿待焊接的邊緣開設(shè)對稱階梯狀坡口，每級階梯的寬度大于攪拌頭半徑，高度小于單面焊極限深度，坡口底部板材厚度小于單面焊極限深度；2)使用攪拌摩擦焊單面焊焊接坡口底部，兩板材相對的坡口形成由下到上順次變大的多個凹坑；3)在位于最下面的凹坑中嵌入與板材同質(zhì)的嵌入條，嵌入條寬等于凹坑寬度，厚度等于凹坑兩側(cè)臺階的高度；4)采用攪拌摩擦焊單面焊將嵌入條與板材焊接為一體，焊接時沿多道平行的焊縫進行焊接，其中第一和最后一道焊縫為嵌入條與板材之間的焊縫；
5)重復(fù)實施步驟3)、步驟4)，直至將所有的凹坑填平。
[0006]一種厚板攪拌摩擦焊接工藝，包括以下步驟:1)在兩個待焊接的大厚度板材上沿待焊接的邊緣開設(shè)對稱階梯狀坡口，每級階梯的寬度大于攪拌頭半徑，高度小于單面焊極限深度，坡口底部板材厚度小于單面焊極限深度；2)使用攪拌摩擦焊單面焊焊接坡口底部，兩板材相對的坡口形成由下到上順次變大的多個凹坑；3)在位于最下面的凹坑中嵌入與板材同質(zhì)的嵌入條，嵌入條寬等于位于最下面的凹坑寬度，厚度等于位于最下面的凹坑兩側(cè)臺階的高度；4)采用攪拌摩擦焊單面焊將嵌入條與板材焊接為一體，焊接時采用多道平行的焊縫進行焊接，其中第一和最后一道焊縫為嵌入條與板材之間的焊縫；5)重復(fù)實施步驟3)、步驟4)，直至僅剩最上面的一個凹坑存在；6)在位于最上面的凹坑中嵌入一寬度等于該凹坑寬度、厚度大于該凹坑兩側(cè)臺階高度并且頂端向兩側(cè)伸出小翼的T形嵌入條，其中小翼的寬度大于攪拌頭半徑；7)采用攪拌摩擦焊單面焊將T形嵌入條與板材焊接為一體，焊接時沿多道平行的焊縫進行焊接；8)將T形嵌入條高出板材的部分銑平。
[0007]在所述步驟4)中，采用多道焊縫進行焊接時要保證:(η-1).8>?.，上式中，f為嵌入條的寬度，g為每道焊縫的焊核在深度c處的寬度，η為焊縫的數(shù)量，其中，c為嵌入條的厚度。
[0008]本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點:1、本發(fā)明所提供的厚板攪拌摩擦焊接工藝，可突破設(shè)備及攪拌頭的限制，實現(xiàn)對厚度超過現(xiàn)有攪拌摩擦焊工藝能力的板材對接焊。2、本發(fā)明所提供的工藝，可以實現(xiàn)使用小型攪拌摩擦焊接設(shè)備焊接原本需要特制重型攪拌摩擦焊設(shè)備才能焊接的深焊縫，能夠大幅降低設(shè)備成本，提高工藝靈活性。3、本發(fā)明采用T形嵌入條和銑平工藝，可以方便的解決攪拌摩擦焊特有的焊縫厚度低于母材的問題。本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于對大厚度板材對接接頭的攪拌摩擦焊接中。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1是本發(fā)明在板 材邊緣開設(shè)坡口示意圖；其中，圖(a)是板材開設(shè)坡口之前的狀態(tài)；圖(b)是板材開設(shè)坡口之后的狀態(tài)；
[0010]圖2是本發(fā)明所采用的嵌入條示意圖；
[0011]圖3是本發(fā)明嵌入條與板材焊接示意圖；
[0012]圖4是本發(fā)明嵌入條的焊縫示意圖；
[0013]圖5是本發(fā)明所采用的T形嵌入條示意圖；其中，圖(a)是焊接之前的狀態(tài)；圖(b)是焊接之后的狀態(tài)；圖(C)是焊接后T形嵌入條頂部被銑平的狀態(tài)。
【具體實施方式】
[0014]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細(xì)的描述。
[0015]實施例一:
[0016]本發(fā)明提供的一種厚板攪拌摩擦焊接工藝，其包括以下步驟:
[0017]I)如圖1所示，在兩個待焊接的大厚度板材I上沿待焊接的邊緣開設(shè)對稱階梯狀坡口，每級階梯的寬度大于攪拌頭2半徑，高度小于單面焊極限深度，坡口底部板材厚度小于單面焊極限深度。單面焊極限深度，是指單面焊接時所能焊接的結(jié)構(gòu)最大厚度，其略大于攪拌針3長度。
[0018]2)使用攪拌摩擦焊單面焊焊接坡口底部，兩板材I相對的坡口形成由下到上順次變大的多個凹坑4。[0019]3)如圖2所示，在位于最下面的凹坑4中嵌入與板材I同質(zhì)的嵌入條5，嵌入條5寬等于位于最下面的凹坑4寬度，厚度等于位于最下面的凹坑4兩側(cè)臺階的高度。
[0020]4)如圖3所示，采用攪拌摩擦焊單面焊將嵌入條5與板材I焊接為一體，焊接時沿多道平行的焊縫6進行焊接，其中第一和最后一道焊縫6為嵌入條與板材I之間的焊縫6(如圖4所示)。
[0021]5)重復(fù)實施步驟3)、步驟4)，直至將所有的凹坑4填平。
[0022]實施例二:
[0023]本發(fā)明還提供了另一實施例，該實施例的步驟I)到步驟4)與實施例一相同，其與實施例一不同的步驟如下:
[0024]5)重復(fù)實施步驟3)、步驟4)，直至僅剩最上面的一個凹坑4存在。
[0025]6)如圖5所示，在最上的凹坑中嵌入一寬度等于凹坑寬度、厚度大于凹坑兩側(cè)臺階高度并且頂端向兩側(cè)伸出小翼的T形嵌入條8，其中小翼的寬度大于攪拌頭I半徑。
[0026]7)采用攪拌摩擦焊單面焊將T形嵌入條8與板材I焊接為一體，焊接時沿多道平行的焊縫6進行焊接。
[0027]8)將T形嵌入條8高出板材I的部分銑平。
[0028]下面以一具體實施例來說明本發(fā)明的技術(shù)效果。如圖1所示，本實施例中所使用的攪拌摩擦焊接裝置的攪拌頭2的直徑為a，攪拌針3長度為b，假設(shè)長度為b的攪拌針3能夠一次焊透的厚度為適用焊接厚度，其值為e(該值小于焊極限深度)。
[0029]I)在兩個待焊接的板材I上沿待焊接的邊緣開設(shè)對稱階梯狀坡口，開坡口后板材I的剩余厚度取e (小于e也可)。臺階狀坡口的每級臺階高度c小于b，寬度d大于a/2。
[0030]2)使用攪拌摩擦焊單面焊焊接坡口底部，兩板材I相對的坡口形成由下到上順次變大的多個凹坑4。
[0031]3)如圖2所示，根據(jù)每層臺階之間的寬度加工一系列的與板材I同質(zhì)的嵌入條5，其數(shù)量與凹坑4的數(shù)量相等，在位于最下面的凹坑4中嵌入一寬度等于該凹坑4寬度、厚度等于該凹坑4兩側(cè)臺階高度的嵌入條5。
[0032]4)如圖3所示，采用攪拌摩擦焊單面焊將嵌入條與板材I焊接為一體，由于在步驟
2)中對坡口底部采用攪拌摩擦焊會使最低層的凹坑4底面凹凸不平，嵌入條5的底面與凹坑4底面會存在一空隙7，因此，通過多道平行的攪拌摩擦焊將嵌入條5與板材I焊接為一個整體。在此過程中，攪拌摩擦焊的特性會驅(qū)使流動的金屬填補嵌入條5與凹坑4底面的空隙7。如圖4所示，假設(shè)嵌入條5的寬度為f，每道焊縫6的焊核在深度c處的寬度為g，焊縫的數(shù)量為η。為了使嵌入條5徹底的與板材I結(jié)為一體，避免未焊合、孔洞等缺陷，需要保證嵌入條5與板材I接合部位的金屬都在攪拌針3的攪拌作用下充分的流動從而相互結(jié)合，因此須使焊核區(qū)覆蓋整個接合部，實際上就是覆蓋整個嵌入條5的橫截面及邊緣。為實現(xiàn)上述目的，應(yīng)保證(n-1) *g>fo在此前提下，攪拌頭的運動軌跡可以是一組同方向的平行線，也可以是往復(fù)行進的蛇形線。
[0033]5)重復(fù)實施步驟3)、步驟4)，直至僅剩最上面的一個凹坑4存在。
[0034]6)如圖5所示，在最上面的凹坑4中嵌入一寬度等于該凹坑寬度、厚度大于該凹坑兩側(cè)臺階高度并且頂端向兩側(cè)伸出小翼9的T形嵌入條8，其中小翼9的寬度大于攪拌頭2半徑。[0035]7)采用攪拌摩擦焊單面焊將T形嵌入條8與板材I焊接為一體，焊接時采用多道平行的焊縫6進行焊接。
[0036]8)將T形嵌入條8高于板材I的部分銑平。
[0037]本發(fā)明僅以上述實施例進行說明，各部件的結(jié)構(gòu)、設(shè)置位置、及其連接都是可以有所變化的，在本發(fā)明技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，凡根據(jù)本發(fā)明原理對個別部件進行的改進和等同變換，均不應(yīng)排除在本發(fā)明的保護范圍之外。
【權(quán)利要求】
1.一種厚板攪拌摩擦焊接工藝，包括以下步驟: 1)在兩個待焊接的大厚度板材上沿待焊接的邊緣開設(shè)對稱階梯狀坡口，每級階梯的寬度大于攪拌頭半徑，高度小于單面焊極限深度，坡口底部板材厚度小于單面焊極限深度； 2)使用攪拌摩擦焊單面焊焊接坡口底部，兩板材相對的坡口形成由下到上順次變大的多個凹坑； 3)在位于最下面的凹坑中嵌入與板材同質(zhì)的嵌入條，嵌入條寬等于凹坑寬度，厚度等于凹坑兩側(cè)臺階的高度； 4)采用攪拌摩擦焊單面焊將嵌入條與板材焊接為一體，焊接時沿多道平行的焊縫進行焊接，其中第一和最后一道焊縫為嵌入條與板材之間的焊縫； 5)重復(fù)實施步驟3)、步驟4)，直至將所有的凹坑填平。
2.如權(quán)利要求1所述的一種厚板攪拌摩擦焊接工藝，其特征在于:在所述步驟4)中，采用多道焊縫進行焊接時要保證:(n-1).g>f, 上式中，f為嵌入條的寬度，g為每道焊縫的焊核在深度c處的寬度，η為焊縫的數(shù)量，其中，c為嵌入條的厚度。
3.一種厚板攪拌摩擦焊接工藝，包括以下步驟: 1)在兩個待焊接的大厚度板材上沿待焊接的邊緣開設(shè)對稱階梯狀坡口，每級階梯的寬度大于攪拌頭半徑，高度小于單面焊極限深度，坡口底部板材厚度小于單面焊極限深度； 2)使用攪拌摩擦焊單面焊焊接坡口底部，兩板材相對的坡口形成由下到上順次變大的多個凹坑； 3)在位于最下面的凹坑中嵌入與板材同質(zhì)的嵌入條，嵌入條寬等于位于最下面的凹坑寬度，厚度等于位于最下面的凹坑兩側(cè)臺階的高度； 4)采用攪拌摩擦焊單面焊將嵌入條與板材焊接為一體，焊接時采用多道平行的焊縫進行焊接，其中第一和最后一道焊縫為嵌入條與板材之間的焊縫； 5)重復(fù)實施步驟3)、步驟4)，直至僅剩最上面的一個凹坑存在； 6)在位于最上面的凹坑中嵌入一寬度等于該凹坑寬度、厚度大于該凹坑兩側(cè)臺階高度并且頂端向兩側(cè)伸出小翼的T形嵌入條，其中小翼的寬度大于攪拌頭半徑； 7)采用攪拌摩擦焊單面焊將T形嵌入條與板材焊接為一體，焊接時沿多道平行的焊縫進行焊接； 8)將T形嵌入條高出板材的部分銑平。
4.如權(quán)利要求3所述的一種厚板攪拌摩擦焊接工藝，其特征在于:在所述步驟4)中，采用多道焊縫進行焊接時要保證:(n-1).g>f, 上式中，f為嵌入條的寬度，g為每道焊縫的焊核在深度c處的寬度，η為焊縫的數(shù)量，其中，c為嵌入條的厚度。
【文檔編號】B23K20/12GK103978304SQ201410238732
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年5月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月30日
【發(fā)明者】史清宇, 李晗, 吳建軍 申請人:清華大學(xué)