[发明专利]一种避免底部缺陷、提高接头性能的厚板搅拌摩擦焊接方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种焊接方法，尤其是一种搅拌摩擦焊接方法，具体地说是一种通过多次不同参数的搅拌摩擦焊来避免底部缺陷、提高接头性能的厚板搅拌摩擦焊接方法。

背景技术

搅拌摩擦焊（FSW）是1991年由英国焊接研究所（The Welding Institute, TWI）发明的（US 5460317）一种新型固相连接技术，该技术的原理是利用搅拌头与材料的强烈摩擦和对软化材料的搅拌作用，使焊缝连接区处于热塑性状态并使其趋于熔化、混合，随着搅拌头向前行进，在搅拌头的后方形成焊缝，完成固相连接。搅拌摩擦焊过程中，搅拌头轴肩产热量占到搅拌头产热量的80%-90%，而搅拌针产热只占到总体产热的10%-20%；厚板由于板材厚度较大，轴肩产生的热量几乎不能及时传导到板材底部区域，所以利用普通搅拌摩擦焊接工艺，板材底部常常因为热输入量不足导致该区域材料的流动性不足，在板材底部区域容易产生孔洞和沟槽等缺陷。板材底部孔洞和沟槽的出现极大降低了接头性能。

为了增大厚板底部材料的塑性金属流动性，提高中厚板的连接强度，发明专利“一种镁、铝合金中厚板搅拌摩擦焊方法”（专利公开号：CN102689090A）采用在焊缝底部施加辅助热源来预热焊接区金属，提高板材底部热输入量，从而提高板材底部材料流动性，避免连接缺陷的产生。然而，这种方法会带来焊接接头中出现大范围软化区的问题，同时该方法增加了连接设备的复杂性。

发明专利“一种高强度铝合金厚板地热输入搅拌摩擦焊接方法”（专利公开号：CN103624398A）采用在被焊厚板边缘侧加工出规定尺寸的多级台阶形状，进行多层重叠、多道次搅拌摩擦焊的工艺，实现高强铝合金厚板的搅拌摩擦连接，提高接头的性能。然而，此种方法需要大大增加连接过程板材的焊前处理时间，焊接过程的装夹和处理时间，极大的降低了焊接效率。

发明内容

本发明的目的是针对现有厚板（厚度为10-50毫米）搅拌摩擦焊接中存在的板材底部区域容易产生孔洞和沟槽等缺陷，而避免这些缺陷的工艺复杂，需要大量辅助设备而造成焊接成本过高的问题，提供一种避免底部缺陷、提高接头性能的厚板搅拌摩擦焊接方法。

本发明的技术方案是：

一种避免底部缺陷、提高接头性能的厚板搅拌摩擦焊接方法，其特征是用不同轴肩大小和搅拌针长短的搅拌头，在不同焊接工艺参数下对板材进行至少三次搅拌摩擦焊接，以逐次消除搅拌针底部因热输入量不足引起的焊接缺陷，提高焊接质量。它包括以下步骤：

1）第一次焊接时采用小轴肩、搅拌针长度与板材厚度相匹配的搅拌头在高转速、低进给速度下进行搅拌摩擦焊接，以实现厚板底部的有效焊接；

2）第二次焊接采用中轴肩、针长为第一次使用搅拌头针长的四分之三，在次高转、次低进给速度下沿着第一次焊接的焊缝进行，以实现厚板中部的有效焊接，改善厚板中间焊接质量；

3）第三次焊接采用大轴肩、针长为第一次使用搅拌头针长的二分之一，中等厚度板材工艺条件下沿着第二次焊接的焊缝进行，以实现厚板上部焊接质量的改善，提高厚板的整体焊接性能。

本发明还可通过逐次缩短搅拌头针长、加大轴肩直径、降低转速提高进给速度的方法进行三次以上的焊接，但最后一次焊接时搅拌头为焊接中等厚度板材的搅拌头、工艺参数为焊接中等厚度板材的工艺参数。

本发明的关键是：

1、采用小轴肩、搅拌针长度略小于或与板材厚度相匹配的搅拌头在高转速、低进给速度下进行搅拌摩擦焊接。搅拌针端部有增大摩擦的槽状结构，搅拌针上有螺纹，增大搅拌针的摩擦产热，搅拌头轴肩有凹槽。配合搅拌头高转速、低进给速度的工艺条件，厚板底部材料产热充分，材料流动性好，板材底部将不会产生缺陷，底部连接质量高。

2、采用中轴肩、针长为前次使用搅拌头针长的四分之三，在次高转、次低进给速度下沿着第一次焊接的焊缝进行第二次搅拌摩擦焊接。搅拌针端部有槽状结构，搅拌针上有螺纹，搅拌头轴肩有凹槽，配合搅拌头次高转、次低进给速度的工艺条件，在板材厚度四分之三附近区域，材料产热充分，材料流动性好，不会产生缺陷，连接质量高。

3、经过前两次搅拌摩擦焊接，厚板底部二分之一厚度已经实现了、无缺陷、高质量焊接，没有实现高质量焊接的板材厚度仅为原来的二分之一，为中等厚度。采用焊接中等厚度板材的搅拌头大轴肩、针长为第一次使用搅拌头针长的二分之一，在中等板材厚度工艺条件下沿着第二次焊接的焊缝进行第三次搅拌摩擦焊接，获得板厚二分之一以上区域的高质量连接。