[发明专利]一种抑制焊缝减薄并增厚焊缝的搅拌摩擦焊方法

说明书

本发明提供了一种抑制焊缝减薄并增厚焊缝的搅拌摩擦焊方法，步骤一：焊前清理，先通过机械打磨除去待焊板材表面氧化膜，再采用有机溶剂或清洗剂擦拭待焊板材表面，去除杂物；步骤二：搅拌头与消耗式摩擦头材质和形状的选取，搅拌头的材质和形状根据待焊板材属性和厚度而定；消耗式摩擦头与待焊板材的材质相同，其中，消耗式摩擦头直径大于等于搅拌头的轴肩的直径；步骤三：定位，调整待焊板材相对位置，使搅拌头轴线和消耗式摩擦头轴线正对待焊板材的待焊位置处中心线；其中，消耗式摩擦头设置在搅拌头的正后方；步骤四：焊接。本发明消除焊缝减薄并实现焊缝的增厚，从而显著提高焊缝的服役寿命。

技术领域

本发明属于搅拌摩擦焊接领域，尤其是涉及一种抑制焊缝减薄并增厚焊缝的搅拌摩擦焊方法。

背景技术

搅拌摩擦焊作为一种新型固相连接技术，目前已在航空航天、高铁和船舶等领域得到了广泛应用。然而，由于其技术固有特性，接头减薄问题难以避免。搅拌摩擦焊接头减薄对接头质量及服役性能带来不良影响。接头减薄一般伴随着飞边的出现，焊缝表面需要进行二次打磨处理，导致生产成本增加和生产效率的降低；焊缝有效承载面积减小，导致接头承载能力降低；焊缝边缘产生应力集中，在疲劳载荷的作用下，导致焊接接头失效。目前，在搅拌摩擦焊的实际生产中，为解决搅拌摩擦焊接头减薄问题，一般在焊前对工件进行预加工，在待焊接区域加工凸台。采用这种方法，虽然可以解决搅拌摩擦焊接头的减薄问题，但是工序繁琐，极大地降低生产效率并增加生产成本。此外，有人提出静止轴肩搅拌摩擦焊焊具，由保持静止的轴肩及旋转的搅拌针组成。焊接过程中，外部静止轴肩可起到阻止材料溢出并对内部旋转搅拌针后方的塑性材料起到“抹”的作用，减小焊缝的减薄；但塑性材料极易挤入静止轴肩与搅拌针间隙，降低搅拌头寿命并难以实现长距离焊缝的焊接。还有人提出零倾角搅拌摩擦焊可有效地避免减薄，但该方法属于零倾角焊接，导致焊接工艺窗口较窄。因此，开发一种新型的搅拌摩擦焊方法消除焊缝减薄并实现焊缝的增厚，从而显著提高焊缝的服役寿命，显得尤为必要和迫切。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种抑制焊缝减薄并增厚焊缝的搅拌摩擦焊方法，利用消耗式摩擦头处理能够消除焊缝减薄并实现焊缝的增厚，从而显著提高焊缝的服役寿命，解决搅拌摩擦焊中焊缝减薄导致飞边出现、有效厚度减薄和应力集中等问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种抑制焊缝减薄并增厚焊缝的搅拌摩擦焊方法，所述方法是通过以下步骤实现：

步骤一：焊前清理，先通过机械打磨除去待焊板材表面氧化膜，再采用有机溶剂或清洗剂擦拭待焊板材表面，去除杂物；

步骤二：搅拌头与消耗式摩擦头材质和形状的选取，搅拌头的材质根据待焊板材属性和厚度而定；消耗式摩擦头与待焊板材的材质相同，其中，消耗式摩擦头直径d1大于等于搅拌头的轴肩的直径d；

步骤三：定位，调整待焊板材相对位置，使搅拌头轴线和消耗式摩擦头轴线正对待焊板材的待焊位置处中心线；其中，消耗式摩擦头设置在搅拌头的正后方，且搅拌头与消耗式摩擦头相距距离为L；

步骤四：焊接，选择合适的焊接和堆焊参数，高速旋转的搅拌头的轴肩以一定的下扎速率扎入板材深度c，并以一定的焊接速度沿焊接方向运动；紧随其后，高速旋转的消耗式摩擦头在一定的轴向压力下以一定的堆焊速度沿焊接方向运动；高速旋转的消耗式摩擦头在摩擦产热及形变产热作用下逐渐达到热塑性状态，同时通过轴向压力作用将软化的堆焊材料焊到搅拌头后方的减薄处，在由弧纹导致的毛化位置形成冶金和机械连接共同作用的结合区，最终修复减薄和弧纹缺陷并增厚h。

进一步的，在步骤三中，当待焊板材厚度t为0.5-3mm时，搅拌头与消耗式摩擦头相距距离L为50-100mm；当待焊板材厚度t为3mm以上时，搅拌头与消耗式摩擦头相距距离L为1-100mm。