[发明专利]一种基于啃削辅助的厚板窄间隙焊接方法

说明书

本发明公开了一种基于啃削辅助的厚板窄间隙焊接方法，其包括如下步骤：步骤一，将两个待焊母材对接装夹于加热台上，两个待焊母材的待焊面之间留有装配间隙，该装配间隙内预置有半固态特性的钎料；步骤二，调整搅拌针的端部中心置于装配间隙中心线处，所述搅拌针为锥度台阶状、锥度螺纹状或锥度台阶螺纹状，所述搅拌针端部的直径大于装配间隙的宽度，调节焊接温度使钎料处于半固态状态，半固态钎料的固相分数为10～60％，设定焊接工艺参数，搅拌针下压到目标深度，然后沿焊接方向移动，在搅拌焊料的同时对待焊母材进行啃削，直至完成焊接。其能够提高厚板焊缝的力学性能和焊接效率，简单可行，易于操作。

技术领域

本发明涉及厚板窄间隙焊接，具体涉及一种基于啃削辅助的厚板窄间隙焊接方法。

背景技术

在航空航天、汽车装备制造、航海工业等现代技术迅速发展的情况下，铝合金、铝基复合材料、铜合金钛合金被广泛应用到其中。采用复合接头的形式能够整合母材的物理优势，作为一种最为普遍应用的焊接方法，钎焊能够实现同种或异种材料的有效连接。

在钎焊某些厚板窄间隙的待焊母材中，例如在航空器壳体焊接处对接头形式、密闭性、抗腐蚀、抗变形能力要求较高，然而普通焊接方法无法完全满足这些要求。目前，能够实现厚板窄间隙焊接的方法有熔化焊、固相焊、超声波钎焊、铣削辅助电弧钎焊等焊接方法。对于厚板焊接而言，普通熔化焊方法如熔化极气体保护焊、非熔化极气体保护焊存在着难以将热量有效传递至工件底部的问题，如此可能会造成工件底部未熔透等缺陷。其中高能束焊或者激光焊在一定程度上能够解决厚板母材焊接的难点，但是碍于设备较为昂贵、操作较为复杂，接头易脆化等问题，这两种熔焊方法较为受限。因此，针对传统焊接方法存在的一些问题，有相关研究人员采用外加能量辅助的方式实现焊接，能够有效解决焊接过程中金属间化合物层厚度较大、接头残余应力大、生成有害相等难题。其中，超声波辅助焊接能够破碎母材基体氧化膜、细化焊缝晶粒，一定程度上能够提高接头强韧性能；在厚板焊接方面，搅拌摩擦焊(FSW)等固相焊接方法有一定的优势，其中可以采用双面焊的方式实现焊接，鉴于该焊接方法焊接温度低，工件变形小，焊接效率较高等优点被广泛应用。但是对于焊接钢或钛合金等硬度较高的金属，存在着一些不可避免的问题，比如搅拌头磨损严重，焊接板厚受限，热量无法均匀分布等问题。如今，有学者采用普通铣削工具作为外加能场辅助焊接，能够在不使用钎剂的条件下实现铝/钢异种金属焊接并获得较高的接头强度，但是受限于铣削工具结构，对母材基体的铣削力不足，铣削工具难以对母材基体进行较大深度的切削，因此形成的界面弯曲程度不足，不能完全实现机械咬合作用，该方法仍然存在不成熟的地方。

CN103994551B公开了一种表面机械研磨处理和超声波协同辅助异种金属TIG熔-钎焊方法，其采用机械研磨处理和超声波协同的方式实现焊接，利用外加能量在一定程度上改善了晶粒粗大、金属间化合物层较厚等部分问题，为获得优质焊接接头起到一定有利作用。其不足之处是此方法在焊前需要经过喷丸处理，无疑增加了设备复杂的程度；在焊接大板或长板方面，超声波的作用弱化，仅对局部区域适用。此外超声波辅助焊接之后获得的让钢基体界面较为平直，无法实现机械咬合作用。

CN101596630B公开了一种铝合金及其复合材料非真空半固态搅拌钎焊方法，该焊接过程在轨道式滑动平台上进行，以电阻加热器作为加热热源，搅拌头作为辅助工具完成焊接。整个焊接过程分为两个阶段，第一个阶段是通过旋转滑动装置带动搅拌头完成初步焊接，达到破碎基体氧化膜的目的；随后，再次启动旋转滑动装置带动搅拌头反向滑动，完成第二阶段焊接过程，液相钎料与母材基体发生了扩散溶解，接头界面达到了冶金结合效果，经过二次搅拌之后，增强体颗粒在焊缝中均匀分布，获得了增强体的复合焊缝。但是，改方法仍然存在焊接周期长，工序繁琐等问题；SiC颗粒进入焊缝的数量有限，复合焊缝的效果不明显，此外接头界面较为平直，抗裂能力有待提高。