[发明专利]一种防减薄、宽焊幅、永久性加强式搅拌摩擦焊方法

说明书

本发明公开了一种用宽幅永久性加强板防止减薄并改善表面成形的加强式搅拌摩擦焊方法：(1)焊前在待对接母材的表面预置加强板，并在加强板与母材表面间预置钎料，要求钎料能与母材发生共晶反应或对母材有明显的溶解能力。(2)采用带针工具在加强板表面摩擦，同时实现母材/母材之间的搅拌摩擦对接焊(FSBW)及加强板/母材表面之间的搭接搅拌摩擦钎焊。本发明所述“加强式搅拌摩擦焊(R‑FSW：reinforced FSW)”方法，通过用永久性加强板盖面的方法，可以获得无减薄、光滑成形的加强焊道，形成类似弧焊接头中的永久性“盖面焊道”，可用于铝质压力容器及异种金属的搅拌摩擦焊接。

技术领域

本发明属于搅拌摩擦焊领域，具体涉及一种采用宽幅永久性加强板盖面的“加强式搅拌摩擦焊（R-FSW：reinforced FSW）”方法，从而防止搅拌摩擦焊焊后母材减薄并改善异种金属搅拌摩擦焊表面成形的光滑性，可用于铝质压力容器及异种金属的搅拌摩擦焊接。

背景技术

免开坡口、免预热、无结晶裂纹的搅拌摩擦焊（FSW: friction stir welding）在同种铝板材的焊接方面已获得了广泛应用，可代替钨极氩弧焊与熔化极惰性气体保护电弧焊。FSW可进一步分为搅拌摩擦对接焊（FSBW: friction stir butt welding）与搅拌摩擦搭接焊（FSLW: friction stir lap welding）两种。其中，FSBW因针的旋转方向垂直于焊接界面，针对界面氧化膜破碎与分散效果要远优于FSLW；FSLW因针的旋转方向与搭接界面平行，针的破膜与氧化膜碎屑的分散、竖向金属的混合效果变差。因此，从破除分散氧化膜、母材塑性混合的程度、范围等角度看，搅拌摩擦对接焊（FSBW）焊接质量好，容易实现左/右界面两侧塑性金属的混合，而搅拌摩擦搭接焊（FSLW）上/下界面两侧金属的竖向混合质量“天生”较差。所以，搅拌摩擦搭接焊的难度远远大于搅拌摩擦对接焊。

但搅拌摩擦对接焊（FSBW）在铝质应力容器制造、异种金属对接焊两项工业应用方面还有一些技术难点，限制了FSW在这两项工业方面的大面积应用。在铝质压力容器（如5083厚板制作空分行业的铝质应力容器）进行同种铝材的搅拌摩擦对接焊时，虽然对同种母材而言，能够获得光滑成形表面与无缺陷的搅拌区，但表面不可避免地会出现减薄。而现行应力容器行业标准规定焊接区的厚度应不低于母材原始厚度，这一矛盾造成铝质压力容器行业的设计与制造技术人员对FSW技术“敬而远之”。另一方面，当FSBW用于异种金属对接焊（如Al/Cu组合）方面，除了同样存在焊接区板厚被“减薄”的问题之外，还存在以下更多问题（表面缺陷与内部缺陷）。

（1）表面成形极为粗糙。虽然Al/Al组合、Cu/Cu组合的FSBW均能获得很光滑的表面成形，但是，Al/Cu组合的FSBW表面成形却十分粗糙、粘附搅拌头，内部也易于出现缺陷。异种金属FSBW接头表面成形极为粗糙被认为是难以根除的问题，原因主要有：（a）宽大轴肩直接作用下，表面过度的摩擦与热量导致形成脆性金属间化合物（IMC），而形成的表面IMC无塑性变形能力，极易被工具的轴肩“搅碎”；（b）在摩擦表面，实际上Al、Cu、IMC三种相共存，其物理性能，如屈服强度、软化温度、流变应力、塑性指标均相差较大，导致表面层自身塑性流动连续性差；（c）表面金属间化合物或共晶相易于粘附搅拌工具的轴肩。（2）粗糙的表面成形引起母材表面局部严重减薄。（3）在搅拌区，塑性好、强度高的母材难以被一次性打碎分散，在搅拌区呈大片状存在，分割搅拌区并与低强母材形成新的界面，破坏了搅拌区力学性能的连续性。（4）在搅拌区，伴随上述大片状或大块状高强母材常出现空洞缺陷。