一种搅拌摩擦加工预防铝合金搭接焊晶界液化裂纹的方法

摘要

一种搅拌摩擦加工预防铝合金搭接焊晶界液化裂纹的方法，在采用熔焊对铝合金厚板搭接焊之前，对参与焊缝形成的厚板端面进行搅拌摩擦加工预处理，预处理部位由于受到摩擦热和剧烈塑性变形作用，原纤维状晶粒发生完全动态再结晶，形成细小的等轴晶，晶界处的低熔点共晶相弥散分布，提高该部位抗晶界液化开裂的能力。搅拌摩擦加工头主要由夹持柄、轴肩和搅拌针三部分组成。搅拌头材料为：马氏体不锈钢、或工具钢。搅拌摩擦加工参数为搅拌头转数为500‑2000r/min，行进速度为20‑100mm/min，搅拌针倾斜角度为0‑5°。分别按顺序对板材厚度方向的四个加工面进行搅拌摩擦处理，即获得抗裂性良好的搭接焊接板材。

说明书

技术领域

本发明涉及材料加工技术领域，涉及一种搅拌摩擦加工预防铝合金搭接焊晶界液化裂纹的方法。

背景技术

由于铝合金的密度低、强度高、塑性好、抗蚀性和易成型等优点在航空航天、交通工具、机械制造等领域获得广泛应用。特别是近年来，高速列车、汽车的轻量环保化概念的提出，各种轻量化的铝合金焊接结构件得到广泛使用。但铝合金熔焊易出现气孔、裂纹和变形等缺陷。目前针对薄厚度铝合金的搅拌摩擦焊接工艺比较成熟，避免了熔焊的常见缺陷。但厚板铝合金的搅拌摩擦焊接还处于工程试验阶段，很多情况下厚板铝合金依然试验传统的熔焊方法(如MIG焊)，可见厚板铝合金熔焊的裂纹缺陷当前铝合金焊接构件中值得重视的安全隐患。

热裂纹是铝合金熔焊过程中非常常见的裂纹类型，热裂纹又分为结晶裂纹和液化裂纹，结晶裂纹一般发生在焊缝区，而液化裂纹易出现在近焊缝热影响区。厚板铝合金在熔焊时易出现液化裂纹，这是由于制备铝合金厚板一般采用由轧制成型工艺，所以铝合金厚板的晶粒从轧向或横向观察均是拉长的纤维状晶粒，并且在晶界上分布由于前序热处理的原因存在的低熔点共晶相，对中高强铝合金厚板进行焊接时，近缝热影响区特定位置的晶界发生低熔点共晶物熔化现象，即所谓的“晶界液化”。在焊缝金属凝固的后期，凝固收缩产生的焊接应力增大到一定程度时，就会在晶界液化处形成晶界液化裂纹。而纤维状沿轧向拉长排列的晶粒特征抑制晶界液化裂纹扩展的能力较弱，裂纹极易在晶粒拉长方向沿晶扩展。

现有针对焊接接头消除缺陷方法主要有焊前热处理和焊后热处理等。中国专利200780043508.8中公开了用于热处理焊缝的方法和装置，主要是通过感应加热对接头焊后热处理来降低焊接裂纹出现的概率；中国专利201210421407.2本发明公开了一种铝合金厚板焊接的方法，主要通过清洗工艺、预热工艺、焊接工艺来降低焊接变形，提高产品质量。但上述的方法工艺繁琐，降低生产效率。

搅拌摩擦加工技术(FSP)是一种用于材料微观组织改性和制造的方法。其原理主要是利用搅拌头使加工区材料的剧烈塑性变形、混合和破碎，实现加工区域的致密化、均匀化和细化。特别是采用搅拌摩擦加工制备的超细晶铝合金，其强度、塑性和材料延展性都得到很大提高。通过搅拌摩擦方式对材料微观组织进行改性，并通过材料加工区的剧烈塑性变形、混合、破碎及热暴露，可实现材料加工区微观结构的致密化、均匀化和细化。因此，本发明对铝合金搭接接头进行预处理，使其组织晶粒细小，并且消除晶粒的方向性，降低接头出现裂纹的概率，提高生产效率。

发明内容

本发明提供了一种搅拌摩擦加工预防铝合金搭接焊晶界液化裂纹的方法。使得搅拌区发生了完全动态再结晶，形成细小的等轴晶，提高该部位抗焊接开裂能力。

本发明采用的技术方案如下：

一种搅拌摩擦加工预防铝合金搭接焊晶界液化裂纹的方法，包括如下步骤：

步骤一：选取待处理的板材，并对引入板、引出板和待处理板材进行装夹固定于搅拌摩擦加工机床上；由于在搅拌摩擦加工过程中板材会发生相应的振动，采用多个夹持装置对其进行装卡，装卡过程中要做好该位置的保护工作，防止对板材装卡部位造成擦伤或者破坏。

步骤二：采用机械方法，对板材搅拌摩擦加工的位置进行打磨处理，露出金属光泽；对板材搅拌摩擦加工位置，进行打磨。防止在搅拌摩擦加工过程中将板材表面的油污，氧化物等带入板材中。

步骤三：根据板材的厚度方向要处理的深度要求选取相对应的搅拌头，选取标准为L略大于H，L为搅拌针的长度，H为板材的厚度方向要处理的深度；选取的搅拌头是锥形搅拌头，其中搅拌针的长度范围为4-20mm，搅拌针的直径范围为3-15mm。

步骤四：安装好搅拌摩擦加工头，夹具将要引入板、引出板和待处理的试板固定好。为了防止搅拌摩擦加工开始时不稳定造成加工效果不理想，加入引入板；为了防止搅拌摩擦加工后留下匙孔，加入引出板；加工的试板最后会形成一个良好的搅拌摩擦加工区域。为了保证搅拌摩擦加工的顺利进行，使板材与搅拌摩擦加工头运动轨迹在一条直线上，并设定搅拌摩擦加工的工艺参数为搅拌头转数为500-2000r/min，行进速度为20-100mm/min，搅拌针倾斜角度为0-5°，使搅拌头高速旋转并插入待处理试板，沿着试板预处理方向匀速行进；根据不同系列的铝合金板材，设定搅拌摩擦加工的工艺参数。

步骤五：搅拌摩擦加工时，采用旁轴压缩气体侧吹的方法对搅拌头进行冷却；

步骤六：试板一面搅拌摩擦加工后，将试板旋转90度，并用夹具固定好，对相邻面继续按照步骤四进行搅拌摩擦加工，直至板材的厚度方向四个面均加工完成。试板厚度方向一面搅拌摩擦加工后，加工部位自然冷却后，将试板旋转90度，并用夹具固定好，对相邻面继续按照步骤四进行搅拌摩擦加工，焊接的顺序为首尾相接，即对相邻面搅拌摩擦加工时的起始位置紧挨着前一加工面的终止位置。

本发明通过使用搅拌摩擦加工设备对铝合金板材进行处理，首先将引入板、引出板和待处理的板材装夹固定于搅拌摩擦加工机床上，并对板材搅拌摩擦加工的位置进行打磨处理，露出金属光泽。然后，根据板材的厚度方向要处理的深度要求选取相对应的搅拌头，安装好搅拌摩擦加工头，设定搅拌摩擦加工的工艺参数为搅拌头转数为500-2000r/min，行进速度为20-100mm/min，搅拌针倾斜角度为0-5°，使搅拌头高速旋转并插入待处理试板，沿着试板预处理方向匀速行进，搅拌摩擦加工时，采用旁轴压缩气体侧吹的方法对搅拌头进行冷却。试板一面搅拌摩擦加工后，将试板旋转90度，并用夹具固定好，对相邻面继续按照步骤四进行搅拌摩擦加工，直至板材的厚度方向四个面均加工完成。这样沿轧制方向存在的有分层组织变成了弥散分布细小的等轴晶，该焊接部位的抗开裂能力获得提高。

本发明将搭接接头的纤维状晶粒加工形成细小的等轴晶，并将分层的夹杂物被破碎呈弥散分布状态，提高抗焊接开裂能力。本发明只是对接头区域进行一次搅拌搅拌摩擦加工处理，效率远大于热处理。该方法主要消耗材料为搅拌头，而对于合金钢材质的搅拌头加工铝合金，其消耗频率非常小，搅拌头可以多次使用，成本低。

附图说明

图1搭接角焊缝焊接示意图。

图2铝合金板材轧制或短横向微观组织示意图。

图3铝合金板材焊接裂纹形成示意图。

图4搅拌摩擦加工处理后焊接接头微观组织示意图。

图5为本发明搅拌摩擦加工板材的正面示意图。

图6为本发明搅拌摩擦加工板材的俯视图。

图7为搅拌头示意图。

图8为本发明搅拌摩擦加工顺序示意图。

图9为本发明搅拌摩擦加工后搭接焊接示意图。

图10板材厚度方向进行搅拌摩擦加工后宏观照片。

图11角焊缝焊接前搅拌摩擦加工接头的宏观照片。

图12角焊缝焊接前未搅拌摩擦加工接头的宏观照片。

图13角焊缝焊接前搅拌摩擦加工接头的微观照片。

图14角焊缝焊接前未搅拌摩擦加工接头的微观照片。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。

对于20mm和9mm厚的7N01-T4铝合金板材进行MIG角焊，其中20mm板为补强板，9mm板为底板。对MIG角焊缝接头检测过程中发现，在20mm厚的补强板近焊缝的热影响区存在裂纹缺陷。研究认为主要是由于该位置晶界上分布着低熔点的共晶MgZn₂相，并且该位置存在较大的焊接拉应力。于是对20mm厚的7N01-T4铝合金板材进行进行搅拌摩擦加工处理后进行MIG角焊。将7N01-T4铝合金板材表面进行机械打磨，出现金属光泽，并将工件固定于搅拌摩擦加工设备上。搅拌摩擦加工时，采用旁轴压缩气体侧吹的方法对搅拌头进行冷却。搅拌摩擦加工的工艺参数为搅拌头转数为1000r/min，行进速度为50mm/min，搅拌针倾斜角度为2.5°，搅拌针长度为4.2mm，轴肩直径为12mm。最后在搅拌摩擦处理后的角焊缝中未发现热裂纹的产生。

如上所述，结合附图和实施例所给出的方案内容，可以衍生出类似的技术方法。对于需采用熔焊搭接、T型接头铝合金厚板均可以利用搅拌摩擦加工防止热裂纹的生成,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。