[发明专利]一种基于V型梯度界面焊接的方法

说明书

本发明提出一种基于V型梯度界面焊接的方法，涉及搅拌摩擦焊技术领域，主要应用于搅拌摩擦焊中各种材料的搭接焊接。具体方法为：施焊之前，在需要焊接的下部板材上加工V型坡口，使得在上搭接板和下搭接板之间出现一个V型间隙，焊接时，上板材料在焊具作用下将填入这一V型间隙，从而将上、下板之间局部原始的面接触搭接界面转化为具有梯度的倾斜界面，采用所述焊具对这一界面进行充分搅拌摩擦焊接，能够有效抑制传统搅拌摩擦搭焊过程中常见的界面迁移现象，有利于获得高质量的搅拌摩擦搭焊接头。

技术领域

本发明涉及搅拌摩擦焊技术领域，具体是涉及一种搅拌摩擦搭焊过程中焊接缺陷的抑制方法。

背景技术

自1991年被发明以来，搅拌摩擦焊以其焊后应力和变形小、接头力学性能好、适用范围广、效率高、成本低、对环境无污染等优点，在航空航天、轨道交通、汽车船舶、电力电子等行业领域得到了广泛的应用。

在结构件的焊接过程中，搭接结构是一种常见的接头形式，随着搅拌摩擦焊应用范围的扩大，搭接结构的焊接已成为搅拌摩擦焊的常见形式。但在搅拌摩擦焊过程中，塑化金属不仅在焊具旋转带动下发生水平方向流动，而且在垂直于工件表面方向上也会发生塑性流动，这就易于造成板材搭接界面发生平行于焊缝表面方向和垂直于焊缝表面方向的迁移，从而形成常见的Hook缺陷(前进侧)和冷搭接缺陷(后退侧)；这不仅会减小搭接接头的有效承载厚度和承载宽度，还会造成搭接焊缝内部出现应力集中，在外部载荷作用下易形成初始裂纹源，对工件的疲劳性能产生影响。

有鉴于此，如何有效抑制搅拌摩擦搭焊缺陷的出现就成为了一个亟待解决的问题。专利号为CN 109877441A的发明专利通过在搭接位置实施方向相反的双道次焊接来降低搭焊接头发生界面迁移的程度，这种方法会导致焊缝受到两次热作用，容易降低焊缝性能；专利号为CN 102049610 A和CN 103521912 A的发明专利通过设计一种特殊的焊接工具减弱了塑化金属在垂直工件表面方向的流动，虽然达到减弱搭接缺陷特征的目的，但复杂的焊具设计有可能会降低焊接制造成本；专利号为CN 104668765 A的发明专利在搭接界面预置合金夹层或低熔点金属，在焊接热作用下该合金夹层或低熔点金属与上、下搭接板材发生反应，形成新的结合层，虽然这种方法避免了钩状缺陷的产生，但中间层的引入又会引起焊接结构增重、焊接部位形成结合较弱的脆性化合物等问题。

发明内容

针对当前抑制搅拌摩擦搭焊缺陷方法所存在的接头性能弱、焊接成本高等不足，本发明提出了一种基于V型梯度界面焊接方法。

本发明采用的技术方案是：

施焊之前在下搭接板的待焊接部位加工V型坡口，并将下搭接板开V型坡口一侧与上搭接板的下底面紧密接触，形成搭接结构；通过这种设计，上、下搭接板中，由两个平面直接接触所形成的搭接界面上就出现了界面局部分离现象，从而改变了原始搭接接头的形式。

焊接时，将焊具由上搭接板正对V型坡口中心扎入，上搭接板材料在所述焊具的热机作用下填入V型坡口，这样在上、下搭接板之间就形成了与工件表面成一定角度的梯度界面，且V型坡口的根部尖角形状又最大限度的避免了上、下搭接板之间重新形成面接触搭接界面；随后焊具继续扎入，待焊具轴肩嵌入到上搭接板上表面一定深度时，焊具停止下扎，并沿着V型坡口的分布轨迹实施焊接；梯度界面的形成抑制了界面的迁移，可以获得高质量的搅拌摩擦搭焊接头。

所述焊具由轴肩和搅拌针构成，且搅拌针长度为2-40mm，轴肩直径为搅拌针长度的2-4倍。

所述焊具搅拌针可为圆柱状或圆台状，且在搅拌针的结构侧表面上可加工有螺纹，螺纹能够在搅拌摩擦焊中促进焊接部位材料发生充分的塑性流动；当所述搅拌针为圆台状结构时，搅拌针与轴肩相连的粗端的最大直径位于 3-20mm区间，远离轴肩的细端的最小直径位于2-10mm区间。