一种提高薄板搅拌摩擦焊接头性能的方法

摘要

一种提高薄板搅拌摩擦焊接头性能的方法，它涉及一种搅拌摩擦焊接方法。本发明为了解决现有薄板搅拌摩擦焊接工装困难、接头承载能力低等问题。本发明的步骤一、对接焊板的制备；步骤二、辅助板的制备；步骤三、搅拌头尺寸的确定；步骤四、焊前装配固定，第一对接焊板的铣削面向下，第二对接焊板的铣削面向上，或第一对接焊板的铣削面和第二对接焊板的铣削面均向下，第一对接焊板和第二对接焊板对接，第一辅助板和第二辅助板分别置于第一对接焊板的铣削面上和第二对接焊板的铣削面上；步骤五、焊接实施。本发明用于薄板搅拌摩擦焊接。

说明书

技术领域

本发明涉及一种搅拌摩擦焊的方法，具体涉及一种提高薄板搅拌摩擦焊接头性能的方 法，属于焊接技术领域。

背景技术

搅拌摩擦焊是英国焊接研究所于1991年发明的一种固相连接技术，它与传统熔焊方 法相比，具有热输入低、焊接变形小、能效消耗少和绿色无污染等优点，在对铝合金、镁 合金等低熔点轻金属板材进行焊接时，具有明显优势，当被焊板材厚度在2mm及以上时， 优势更为明显。

但是对2mm以下的薄板进行搅拌摩擦焊接时，仍存在几个主要技术问题：(1)薄板 由于尺寸精度、平行度等参数较难保证，在对接焊接时需要使用成本较高的复杂卡具，并 花费大量的时间以保证被焊薄板处于同一水平面；(2)搅拌摩擦焊过程中在热和(或)力 的作用下会形成一个由焊核区、热机影响区和热影响区组成的性能低于母材的软化区，软 化区的宽度约为轴肩直径的2-3倍，而在对薄板进行焊接时，由于热传导更为均匀迅速， 接头的软化效应更强，导致薄板搅拌摩擦焊接头的强度系数最高仅到达75％左右，虽远 高于熔焊接头性能，但仍远低于母材；(3)搅拌摩擦焊接过程中接头底部热输入最低导致 “搅拌力”最弱，但散热条件却较好，使得底部易出现未焊合缺陷，对中厚板接头性能不会 造成太大影响，但却会明显削弱薄板接头的力学性能。(4)搅拌摩擦焊过程中搅拌头向被 焊工件施加了较大的轴向力，导致接头区域发生减薄，接头的实际承载面积减小，承载能 力也随之减弱。

发明内容

本发明要提供一种提高薄板搅拌摩擦焊接头性能的方法，以解决现有薄板搅拌摩擦焊 接工装困难、接头承载能力低等问题。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：包括以下步骤：

步骤一、对接焊板的制备：

采用机械加工的方式加工对接焊板2，选取长度L1为200-400mm，宽度W1为80-120 mm，厚度H1为2-6mm的对接焊板；并将对接焊板2进行铣削加工，铣削的位置为在对 接焊板2的上端面上，以其中一个长度方向的侧面为基准沿其宽度方向进行铣削，铣削掉 部分平面后留有与对接焊板2长度相同的凸台，铣削的宽度W2为60-100mm，铣削深度 H2为1-3mm；

步骤二、辅助板的制备：

采用机械加工的方式加工辅助板3，辅助板3的长度与对接焊板2的长度相同，尺寸 为200-400mm，宽度为10-50mm，厚度与对接焊板2的铣削深度H2相同，尺寸为1-3mm；

步骤三、搅拌头尺寸的确定：

搅拌头1的轴肩1-2的半径是对接焊板2未铣削处宽度为W1-W2差值的0.2-0.5倍， 搅拌头1的搅拌针1-3的长度L是对接焊板2对接面处厚度H1的0.8-1.0倍；

步骤四、焊前装配固定：

焊前装配的固定：第一对接焊板2-1的铣削面向下，第二对接焊板2-2的铣削面向上， 第一对接焊板2-1和第二对接焊板2-2对接并位于同一水平面上，且第一对接焊板2-1的 铣削侧的凸台侧面和第二对接焊板2-2的铣削侧的凸台侧面均朝向非对接面，第一辅助板 3-1和第二辅助板3-2分别置于第一对接焊板2-1的铣削面上和第二对接焊板2-2的铣削 面上，并紧贴第一对接焊板2-1的铣削侧的凸台侧面和第二对接焊板2-2的铣削侧的凸台 侧面；搅拌头1的端部中心与第一对接焊板2-1和第二对接焊板2-2的对接面在同一轴线 上；

步骤五、焊接实施：

搅拌摩擦焊接过程分下扎和行进两个阶段，下扎阶段搅拌头1扎入第一对接焊板2-1 和第二对接焊板2-2的对接面，其中搅拌头1的旋转速度范围为500-2000r/min，搅拌头 1的下扎速度范围为5-50mm/min，轴肩1-2压入工件的深度范围为0.1-0.8mm；行进阶 段搅拌头1沿第一对接焊板2-1和第二对接焊板2-2的对接面向前运动，其中搅拌头1的 旋转速度范围为500-3000r/min，搅拌头1的行进速度范围为200-1000mm/min，从而完 成对薄板的焊接。

本发明还提了一种提高薄板搅拌摩擦焊接头性能的方法，它包括以下步骤：

步骤一、对接焊板的制备：

采用机械加工的方式加工对接焊板2，选取长度L1为200-400mm，宽度W1为80-120 mm，厚度H1为2-6mm的对接焊板；并将对接焊板2进行铣削加工，铣削的位置为在对 接焊板2的上端面上，以其中一个长度方向的侧面为基准沿其宽度方向进行铣削，铣削掉 部分平面后留有与对接焊板2长度相同的凸台，铣削的宽度W2为60-100mm，铣削深度 H2为1-3mm；

步骤二、辅助板的制备：

采用机械加工的方式加工辅助板3，辅助板3的长度与对接焊板2的长度相同，尺寸 为200-400mm，宽度为10-50mm，厚度与对接焊板2的铣削深度H2相同，尺寸为1-3mm；

步骤三、搅拌头尺寸的确定：

搅拌头1的轴肩1-2的半径是对接焊板2未铣削处宽度为W1-W2差值的0.2-0.5倍， 搅拌头1的搅拌针1-3的长度L是对接焊板2对接面处厚度H1的0.8-1.0倍；

步骤四、焊前装配固定：

焊前装配的固定：第一对接焊板2-1的铣削面和第二对接焊板2-2的铣削面均向下， 第一对接焊板2-1和第二对接焊板2-2对接并位于同一水平面上，且第一对接焊板2-1的 铣削侧的凸台侧面和第二对接焊板2-2的铣削侧的凸台侧面均朝向非对接面，第一辅助板 3-1和第二辅助板3-2分别置于第一对接焊板2-1的铣削面上和第二对接焊板2-2的铣削 面上，并紧贴第一对接焊板2-1的铣削侧的凸台侧面和第二对接焊板2-2的铣削侧的凸台 侧面；搅拌头1的端部中心与第一对接焊板2-1和第二对接焊板2-2的对接面在同一轴线 上；

步骤五、焊接实施：

搅拌摩擦焊接过程分下扎和行进两个阶段，下扎阶段搅拌头1扎入第一对接焊板2-1 和第二对接焊板2-2的对接面，其中搅拌头1的旋转速度范围为500-2000r/min，搅拌头 1的下扎速度范围为5-50mm/min，轴肩1-2压入工件的深度范围为0.1-0.8mm；行进阶 段搅拌头1沿第一对接焊板2-1和第二对接焊板2-2的对接面向前运动，其中搅拌头1的 旋转速度范围为500-3000r/min，搅拌头1的行进速度范围为200-1000mm/min，从而完 成对薄板的焊接。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明突破性地提出了局部增厚以提高薄板接头承载能力的方法，即明显增加了 接头区的承载面积，在接头强度无法继续提高的现状下仍实现了接头区的承载能力大于母 材的目标；

2、对比了薄板接头区和母材区的强度，确定了局部所需增厚厚度和宽度，使其既满 足承载需求又不会明显增加薄板的整体重量；

3、增加了对接面处板材的厚度，巧妙地解决了薄板对接工装困难这个长期性的难题；

4、通过增加接头区厚度使接头对焊缝减薄和未焊合等不利因素的包容性提高了一倍 以上，即使接头区出现焊缝减薄和小尺寸未焊合缺陷，仍能保证接头区的承载能力大于母 材，使最终失效发生在母材区。

本发明并不能提高接头的强度系数(强度系数＝接头强度/母材强度)，它是比较巧妙 地设计了一种局部增厚的接头结构，增大了接头区域的承载面积，所以提高了接头的承载 能力；通过计算接头区的强度和母材区的强度，严格控制了增厚位置的宽度和厚度，使薄 板的重量并没有明显增加；由于接头区承载能力大幅提高，所以即使出现未焊合等根部缺 陷(该缺陷容易出现，但不一定必然出现)，也不会明显影响接头区的承载能力。

附图说明

图1是本发明中对接焊板2的尺寸示意图。图2是本发明中辅助板3的尺寸示意图。 图3是本发明中搅拌摩擦焊接的整体结构示意图。其中1为搅拌头，2-1为第一对接焊板， 2-2为第二对接焊板，3-1为第一辅助板，3-2为第二辅助板。图4是本发明中搅拌头、 焊板及辅助板的相对位置关系的具体实施方式一的横截面示意图。其中1-1为搅拌头的夹 持区，1-2为搅拌头的轴肩，1-3为搅拌头的搅拌针。图5是本发明中搅拌头、焊板及辅 助板的相对位置关系的具体实施方式六的横截面示意图。图6是本发明获得的搅拌摩擦焊 接头的横截面金相图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图4和图6说明本实施方式，本实施方式的一种提高薄 板搅拌摩擦焊接头性能的方法，它包括以下步骤：

步骤一、对接焊板的制备：

采用机械加工的方式加工对接焊板2，选取长度L1为200-400mm，宽度W1为80-120 mm，厚度H1为2-6mm的对接焊板；并将对接焊板2进行铣削加工，铣削的位置为在对 接焊板2的上端面上，以其中一个长度方向的侧面为基准沿其宽度方向进行铣削，铣削掉 部分平面后留有与对接焊板2长度相同的凸台，铣削的宽度W2为60-100mm，铣削深度 H2为1-3mm；

步骤二、辅助板的制备：

采用机械加工的方式加工辅助板3，辅助板3的长度与对接焊板2的长度相同，尺寸 为200-400mm，宽度为10-50mm，厚度与对接焊板2的铣削深度H2相同，尺寸为1-3mm；

步骤三、搅拌头尺寸的确定：

搅拌头1的轴肩1-2的半径是对接焊板2未铣削处宽度为W1-W2差值的0.2-0.5倍， 搅拌头1的搅拌针1-3的长度L是对接焊板2对接面处厚度H1的0.8-1.0倍；

步骤四、焊前装配固定：

焊前装配的固定：第一对接焊板2-1的铣削面向下，第二对接焊板2-2的铣削面向上， 第一对接焊板2-1和第二对接焊板2-2对接并位于同一水平面上，且第一对接焊板2-1的 铣削侧的凸台侧面和第二对接焊板2-2的铣削侧的凸台侧面均朝向非对接面，第一辅助板 3-1和第二辅助板3-2分别置于第一对接焊板2-1的铣削面上和第二对接焊板2-2的铣削 面上，并紧贴第一对接焊板2-1的铣削侧的凸台侧面和第二对接焊板2-2的铣削侧的凸台 侧面；搅拌头1的端部中心与第一对接焊板2-1和第二对接焊板2-2的对接面在同一轴线 上；

步骤五、焊接实施：

搅拌摩擦焊接过程分下扎和行进两个阶段，下扎阶段搅拌头1扎入第一对接焊板2-1 和第二对接焊板2-2的对接面，其中搅拌头1的旋转速度范围为500-2000r/min，搅拌头 1的下扎速度范围为5-50mm/min，轴肩1-2压入工件的深度范围为0.1-0.8mm；行进阶 段搅拌头1沿第一对接焊板2-1和第二对接焊板2-2的对接面向前运动，其中搅拌头1的 旋转速度范围为500-3000r/min，搅拌头1的行进速度范围为200-1000mm/min，从而完 成对薄板的焊接。

具体实施方式二：结合图1至图4和图6说明本实施方式，本实施方式的步骤一中对 接焊板2的长度为300mm，宽度为100mm，厚度为4mm，铣削宽度为80mm，铣削深 度为2mm。如此设置，对接面厚度为4mm，可大大降低板材对接工装的难度；接头的 承载力＝接头强度×接头面积，软化区强度约为母材的60％-70％，所以接头面积应为母材 的1.7-1.4倍才能保证与母材承载力相同，在此使接头区厚度为母材的2倍，则接头区的 承载能力为母材的1.2倍以上，即使出现焊缝减薄和小尺寸的未焊合也不会明显影响接头 区的承载能力。其它连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1至图4和图6说明本实施方式，本实施方式的步骤二中辅 助板3的宽度为30mm，厚度为2mm。如此设置，以保证辅助板3能够给对接焊板2提 供良好的支撑。其它连接方式与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图1至图4和图6说明本实施方式，本实施方式的步骤三中搅 拌头1的轴肩1-2的半径是对接焊板2较厚处宽度W1-W2的0.3倍，搅拌头1的搅拌针 1-3的长度L是对接焊板2对接面处厚度H1的0.9倍。如此设置以保证软化区全部位于 对接焊板厚度较大的区域内，且对接面根部形成未焊合缺陷的可能性被大幅降低。其它连 接方式与具体实施方式一、二或三相同。

具体实施方式五：结合图1至图4和图6说明本实施方式，本实施方式的步骤五中下 扎阶段搅拌头1的旋转速度范围为600-1000r/min，搅拌头1的下扎速度范围为20-30 mm/min，轴肩1-2压入工件的深度范围为0.3-0.7mm；行进阶段搅拌头1的旋转速度范 围为1000-2000r/min，搅拌头1的行进速度范围为400-800mm/min。其它连接方式与具 体实施方式一、二、三或四相同。

具体实施方式六：结合图1至图3、图5和图6说明本实施方式，本实施方式的一种 提高薄板搅拌摩擦焊接头性能的方法，它包括以下步骤：

步骤一、对接焊板的制备：

采用机械加工的方式加工对接焊板2，选取长度L1为200-400mm，宽度W1为80-120 mm，厚度H1为2-6mm的对接焊板；并将对接焊板2进行铣削加工，铣削的位置为在对 接焊板2的上端面上，以其中一个长度方向的侧面为基准沿其宽度方向进行铣削，铣削掉 部分平面后留有与对接焊板2长度相同的凸台，铣削的宽度W2为60-100mm，铣削深度 H2为1-3mm；

步骤二、辅助板的制备：

采用机械加工的方式加工辅助板3，辅助板3的长度与对接焊板2的长度相同，尺寸 为200-400mm，宽度为10-50mm，厚度与对接焊板2的铣削深度H2相同，尺寸为1-3mm；

步骤三、搅拌头尺寸的确定：

搅拌头1的轴肩1-2的半径是对接焊板2未铣削处宽度为W1-W2差值的0.2-0.5倍， 搅拌头1的搅拌针1-3的长度L是对接焊板2对接面处厚度H1的0.8-1.0倍；

步骤四、焊前装配固定：

焊前装配的固定：第一对接焊板2-1的铣削面和第二对接焊板2-2的铣削面均向下， 第一对接焊板2-1和第二对接焊板2-2对接并位于同一水平面上，且第一对接焊板2-1的 铣削侧的凸台侧面和第二对接焊板2-2的铣削侧的凸台侧面均朝向非对接面，第一辅助板 3-1和第二辅助板3-2分别置于第一对接焊板2-1的铣削面上和第二对接焊板2-2的铣削 面上，并紧贴第一对接焊板2-1的铣削侧的凸台侧面和第二对接焊板2-2的铣削侧的凸台 侧面；搅拌头1的端部中心与第一对接焊板2-1和第二对接焊板2-2的对接面在同一轴线 上；

步骤五、焊接实施：

搅拌摩擦焊接过程分下扎和行进两个阶段，下扎阶段搅拌头1扎入第一对接焊板2-1 和第二对接焊板2-2的对接面，其中搅拌头1的旋转速度范围为500-2000r/min，搅拌头 1的下扎速度范围为5-50mm/min，轴肩1-2压入工件的深度范围为0.1-0.8mm；行进阶 段搅拌头1沿第一对接焊板2-1和第二对接焊板2-2的对接面向前运动，其中搅拌头1的 旋转速度范围为500-3000r/min，搅拌头1的行进速度范围为200-1000mm/min，从而完 成对薄板的焊接。

具体实施方式七：结合图1至图3、图5和图6说明本实施方式，本实施方式的步骤 一中对接焊板2的长度为300mm，宽度为100mm，厚度为4mm，铣削宽度为80mm， 铣削深度为2mm。如此设置，对接面厚度为4mm，可大大降低板材对接工装的难度；接 头的承载力＝接头强度×接头面积，软化区强度约为母材的60％-70％，所以接头面积应为 母材的1.7-1.4倍才能保证与母材承载力相同，在此使接头区厚度为母材的2倍，以确保 其承载力远大于母材，即使出现焊缝减薄小尺寸的未焊合也不会大幅影响接头区的承载 力。其它连接方式与具体实施方式六相同。

具体实施方式八：结合图1至图3、图5和图6说明本实施方式，本实施方式的步骤 二中辅助板3的宽度为30mm，厚度为2mm。如此设置，以保证辅助板3能够给对接焊 板2提供良好的支撑。其它连接方式与具体实施方式六或七相同。

具体实施方式九：结合图1至图3、图5和图6说明本实施方式，本实施方式的步骤 三中搅拌头1的轴肩1-2的半径是对接焊板2最厚处宽度W1-W2的0.3倍，搅拌头1的 搅拌针1-3的长度L是对接焊板2对接面处厚度H1的0.9倍。如此设置，以保证软化区 全部位于对接焊板厚度较大的区域内，且对接面根部形成未焊合缺陷的可能性被大幅降 低。其它连接方式与具体实施方式六、七或八相同。

具体实施方式十：结合图1至图3、图5和图6说明本实施方式，本实施方式的步骤 五中下扎阶段搅拌头1的旋转速度范围为600-1000r/min，搅拌头1的下扎速度范围为 20-30mm/min，轴肩1-2压入工件的深度范围为0.3-0.7mm；行进阶段搅拌头1的旋转速 度范围为1000-2000r/min，搅拌头1的行进速度范围为400-800mm/min。其它连接方式 与具体实施方式六、七、八或九相同。