[发明专利]一种无带弧纹特征表面凹陷的搅拌摩擦焊工艺方法

说明书

技术领域：本发明涉及一种焊接方法，尤其是一种无带弧纹特征表面凹陷的搅拌摩擦焊工艺方法，可实现铝合金、镁合金、钛合金等同种或异种材料的连接。

背景技术：作为一种新型的固相焊技术，搅拌摩擦焊（Friction stir welding,FSW）具有低应力、小变形、高强度、绿色无污染等优点，可连接铝合金、镁合金、铜合金等同种或异种材料，成为从发明到工程应用跨度最短的焊接技术，目前在航空、航天、汽车、船舶等领域有着越来越广泛的应用。在搅拌摩擦焊过程中，焊接热输入主要靠搅拌头与待焊材料之间的摩擦以及剪切产生，这就需要在焊接过程中搅拌头对待焊件施加足够大的垂直作用力，导致焊件表面出现难以避免的旋转加工痕迹—“带弧纹的表面凹陷”。带弧纹的表面凹陷的存在不仅影响接头的美观性，还会影响到接头的力学性能。近年来，国内外的研究者提出了多种工艺方法消除表面凹陷或弧纹，比如静轴肩搅拌摩擦焊技术、水平补偿搅拌摩擦焊技术等。但上述方法均存在一些不足，比如静轴肩搅拌摩擦焊技尽管可消除弧纹，但表面凹陷无法避免；水平补偿搅拌摩擦焊技术尽管可消除表面凹陷与弧纹，但焊后的铣切加工或打磨带来了附加的工作量。

发明内容：针对上述现有技术的缺点，本发明提供了一种利用水平材料补偿以及静止轴肩的结合获得表面光滑且无凹陷的搅拌摩擦焊工艺方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种无带弧纹特征表面凹陷的搅拌摩擦焊工艺方法，采用以下步骤：

步骤一、将焊件A、焊件B对接放置且位于同一水平面上（即将焊件A、焊件B组对），并用夹具装夹在工作台上；所述焊件A和焊件B是板厚相同且带小凸台的试件，小凸台位于待焊区且沿焊缝方向分布；小凸台的高度为0.3～1mm、宽度大于小轴肩半径且小于静止轴肩外部半径、长度与焊缝长度相同。

步骤二、焊接用装置由静止轴肩以及处于静止轴肩内的搅拌头两部分组成，而搅拌头由小轴肩及搅拌针组成；组成搅拌头的搅拌针根部直径为焊件A板厚0.5～1.5倍、端部直径为焊件A板厚的0～1.5倍，且搅拌针的根部直径大于端部直径；组成搅拌头的小轴肩直径大于搅拌针根部直径的1～3倍，且两者之差不小于2mm；静止轴肩的外部直径与搅拌头的小轴肩直径的差不小于2mm，且静止轴肩与小轴肩之间的间隙为0.1～0.2mm；搅拌头的小轴肩露于静止轴肩之外，且两者间的距离小于小凸台的高度；搅拌头以500～5000rpm的转速扎入待焊部位（即焊件A与焊件B的对接面），当静止轴肩与焊件A及焊件B上表面的非凸台区域接触时扎入过程停止且继续旋转1～8分钟。

步骤三、搅拌头以50～1500mm/min的速度沿着焊件A与焊件B的对接面水平方向移动，直到焊接完成为止。

本发明的有益效果是：

一、焊接用装置中静止轴肩的使用可有效的消除常规搅拌摩擦焊无法避免的表面弧纹，进而获得表面光滑的焊接接头。

二、在焊接过程中，组成搅拌头的小轴肩通过与小凸台的挤压产生足够的垂向作用力，产生足够的热量；而静止轴肩与待焊件的上表面非凸台区域恰好接触，进而获得无减薄且光滑的搅拌摩擦焊接头，有利于提高接头的力学性能。

三、与静轴肩搅拌摩擦焊技术相比，本发明的焊件表面无凹陷；与水平补偿搅拌摩擦焊相比，本发明在焊后无需再对焊件表面进行铣切或打磨，大大减少了焊后的工作量。

附图说明：

图1是带小凸台的待焊件结构沿垂直焊缝方向的截面图。

图2是焊接用装置结构示意图。

具体实施方式：

图中:1.焊件A，2.焊件B，3.焊接用装置，4.小凸台，5.静止轴肩，6.搅拌头，7.搅拌针，8.小轴肩。

具体实施方式：

实施例一

本实施方式所述的一种无带弧纹特征表面凹陷的搅拌摩擦焊接工艺是按照以下步骤实现的：

步骤一、如图1和图2所示：将焊件A1、焊件B2对接放置且位于同一水平面上（即将焊件A1、焊件B2组对），并用夹具装夹在工作台上；所述焊件A1和焊件B2是板厚相同且带小凸台4的试件，小凸台4位于待焊区且沿焊缝方向分布；小凸台4的高度h₁为0.3～1mm、宽度w₁大于小轴肩8半径且小于静止轴肩5的外部半径、长度与焊缝长度相同。