一種提高異種材料攪拌摩擦焊接接頭強(qiáng)度和塑性的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種提高異種材料攪拌摩擦焊接接頭強(qiáng)度和塑性的方法，具體步驟包括：安裝攪拌頭和待焊接材料；使攪拌頭的位置位于焊接的起始位置，并將攪拌頭上的攪拌針與待焊接材料的接縫對(duì)中；將攪拌頭向后退側(cè)材料的一側(cè)偏移一段距離；設(shè)定焊接的工作參數(shù)，包括攪拌頭的轉(zhuǎn)速和走速；攪拌頭在上述轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)并壓入待焊接材料，同時(shí)上述走速下沿平行于接縫的方向相對(duì)于待焊接材料移動(dòng)，從而對(duì)待焊接材料進(jìn)行攪拌摩擦焊接。本發(fā)明的方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)異種材料攪拌摩擦焊接接頭強(qiáng)度和塑性的增強(qiáng)，有效提高了焊接性能。
【專利說(shuō)明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種提高焊接接頭強(qiáng)度和塑性的方法，尤其涉及一種提高異種材料攪 拌摩擦焊接接頭強(qiáng)度和塑性的方法，屬于攪拌摩擦焊接技術(shù)。 一種提高異種材料攪拌摩擦焊接接頭強(qiáng)度和塑性的方法

【背景技術(shù)】
[0002] 攪拌摩擦焊接技術(shù)是利用高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭對(duì)待焊接材料提供熱輸入和機(jī)械攪 拌作用，使待焊接材料在攪拌頭的作用下產(chǎn)生塑性流變，在待焊接材料不融化的條件下實(shí) 現(xiàn)焊接。攪拌摩擦焊接能夠有效地應(yīng)用于傳統(tǒng)上難焊的鋁合金特別是異種鋁合金間的焊 接。
[0003] 采用傳統(tǒng)方式進(jìn)行的異種材料攪拌摩擦焊接，在高熱輸入量條件下，時(shí)效強(qiáng)化的 鋁合金會(huì)因析出相粗化、溶解而發(fā)生接頭軟化，容易沿時(shí)效合金的熱影響區(qū)邊界斷裂，降低 接頭強(qiáng)度；在低熱輸入量條件下，由于攪拌頭相對(duì)較小，焊接的走速較高而轉(zhuǎn)速較低，鋁合 金組織中的析出相溶解、粗化程度低，合金維持了較高的強(qiáng)度，但焊核內(nèi)材料流動(dòng)性差，異 種材料間混合不充分，界面冶金結(jié)合強(qiáng)度低，易沿焊核內(nèi)部異種材料界面斷開，對(duì)接頭性能 產(chǎn)生不利影響。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種能夠增強(qiáng)異 種材料攪拌摩擦焊接接頭的連接效果的方法，以提高異種材料焊接接頭的強(qiáng)度和塑性。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種提高異種材料攪拌摩擦焊接接頭強(qiáng)度和塑性 的方法，具體包括如下步驟：
[0006] 第一步，將攪拌頭安裝在攪拌摩擦焊接設(shè)備上，將待焊接材料固定在所述攪拌摩 擦焊接設(shè)備的工裝上，所述待焊接材料包括后退側(cè)材料和前進(jìn)側(cè)材料，所述后退側(cè)材料和 所述前進(jìn)側(cè)材料接觸處為接縫；
[0007] 第二步，使所述攪拌頭的位置位于焊接的起始位置，并將所述攪拌頭上的攪拌針 與所述接縫對(duì)中；
[0008] 第三步，將所述攪拌頭向所述后退側(cè)材料的一側(cè)偏移一段距離；
[0009] 第四步，設(shè)定焊接的工作參數(shù)，所述工作參數(shù)包括所述攪拌頭的轉(zhuǎn)速和走速； [0010] 第五步，所述攪拌頭在所述轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)并壓入所述待焊接材料，同時(shí)所述攪拌頭 在所述走速下沿平行于所述接縫的方向相對(duì)于所述待焊接材料移動(dòng)，從而對(duì)所述待焊接材 料進(jìn)行攪拌摩擦焊接。
[0011] 進(jìn)一步地，所述第三步中偏移的所述距離小于所述攪拌針的直徑，使所述接縫的 底部處于所述攪拌頭的攪拌范圍內(nèi)，所述攪拌范圍略大于所述攪拌針的直徑，與所述攪拌 針的長(zhǎng)度和幾何外形以及所述攪拌頭的軸肩半徑有關(guān)，可以通過(guò)對(duì)焊縫組織進(jìn)行金相分析 精確地測(cè)出。
[0012] 進(jìn)一步地，所述轉(zhuǎn)速為300?1500轉(zhuǎn)/分鐘。
[0013] 進(jìn)一步地，所述走速為60?800毫米/分鐘。
[0014] 進(jìn)一步地，所述待焊接材料為可熱處理強(qiáng)化的鋁合金板材。
[0015] 進(jìn)一步地，所述攪拌針的直徑小于所述攪拌頭軸肩直徑的50%。
[0016] 進(jìn)一步地，所述攪拌摩擦焊接為單道次焊接。
[0017] 進(jìn)一步地，所述后退側(cè)材料和所述前進(jìn)側(cè)材料為異種材料，即所述后退側(cè)材料和 所述前進(jìn)側(cè)材料存在力學(xué)差異。
[0018] 本發(fā)明的提高異種材料攪拌摩擦焊接接頭強(qiáng)度和塑性的方法中，步驟三中的將所 述攪拌頭向所述后退側(cè)材料的一側(cè)偏移一段距離實(shí)際上是引入偏移量。在攪拌摩擦焊接過(guò) 程中，由于材料的流動(dòng)和攪拌頭的運(yùn)動(dòng)，所述前進(jìn)側(cè)材料受到的擠壓摩擦作用要強(qiáng)于所述 后退側(cè)材料。如果所述攪拌針不偏移，由于所述后退側(cè)材料和所述前進(jìn)側(cè)材料為異種材料， 即所述焊縫兩側(cè)的組織是不對(duì)稱的，所述前進(jìn)側(cè)材料的再結(jié)晶程度和混合均勻程度均強(qiáng)于 所述后退側(cè)材料。引入所述偏移量可以使材料界面進(jìn)入混合更為充分的所述前進(jìn)側(cè)材料一 邊，從而所述前進(jìn)側(cè)材料和所述后退側(cè)材料在焊核內(nèi)均受到充分?jǐn)嚢瓒旌?，最終實(shí)現(xiàn)兩 種材料界面結(jié)合強(qiáng)度的提高。
[0019] 對(duì)于不同的待焊接材料和焊接參數(shù)，所述偏移量存在差異，針對(duì)特定的待焊接材 料和焊接參數(shù)，所述偏移量存在一個(gè)最佳值，可以通過(guò)從具有不同偏移量的焊縫上采集拉 伸實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，直接測(cè)得或擬合外推得到最佳偏移量。
[0020] 本發(fā)明還提供了一種由上述任意一種方法得到的焊接接頭，所述焊接接頭的強(qiáng)度 為所述待焊接材料中強(qiáng)度相對(duì)低的材料的80%?90%。
[0021] 進(jìn)一步地，所述焊接接頭的延伸率為4%?7%。
[0022] 本發(fā)明的提高異種材料攪拌摩擦焊接接頭強(qiáng)度和塑性的方法采用單道次焊接，在 不增加工序和能耗的條件下實(shí)現(xiàn)了對(duì)異種材料攪拌摩擦焊接接頭強(qiáng)度和塑性的增強(qiáng)，有效 提高了焊接性能。本發(fā)明方法得到的焊接接頭具有較高的強(qiáng)度和塑性，其強(qiáng)度能夠穩(wěn)定在 待焊接材料中強(qiáng)度相對(duì)低的材料的80%?90%，延伸率達(dá)到了 4%?7%。
[0023] 以下將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的構(gòu)思、具體結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生的技術(shù)效果作進(jìn)一步說(shuō)明，以 充分地了解本發(fā)明的目的、特征和效果。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0024] 圖1是本發(fā)明的一個(gè)較佳實(shí)施例中的攪拌針與待焊接材料的接縫對(duì)中時(shí)的示意 圖。

【具體實(shí)施方式】
[0025] 在本發(fā)明的較佳實(shí)施例中，提供了一種提高異種材料攪拌摩擦焊接接頭強(qiáng)度和塑 性的方法，具體包括以下步驟：
[0026] 第一步，將攪拌頭4安裝在攪拌摩擦焊接設(shè)備上，將待焊接的后退側(cè)鋁合金板材1 和前進(jìn)側(cè)鋁合金板材2固定在工裝上。
[0027] 第二步，調(diào)節(jié)攪拌頭4的位置使之位于焊接的起始位置，并將攪拌頭4上的攪拌針 5與待焊接的鋁合金板材的接縫3對(duì)中，如圖1所示。
[0028] 第三步，將攪拌頭4向后退側(cè)鋁合金板材1的一側(cè)偏移一段距離，該距離小于攪拌 針5的直徑。
[0029] 第四步，設(shè)定焊接的工作參數(shù)，包括攪拌頭4的轉(zhuǎn)速為300?1500轉(zhuǎn)/分鐘，走速 為60?800暈米/分鐘。
[0030] 第五步，攪拌頭4在300?1500轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)并壓入待焊接的鋁合金板 材，同時(shí)攪拌頭4在60?800毫米/分鐘的走速下沿平行于接縫3的方向相對(duì)于待焊接的 鋁合金板材移動(dòng)，從而對(duì)待焊接的鋁合金板材進(jìn)行攪拌摩擦焊接。
[0031] 本發(fā)明的較佳實(shí)施例中，所采用的攪拌頭的軸肩直徑為8毫米，攪拌頭上的攪拌 針具有2. 8毫米的頂端直徑，并呈三截面形，即將圓錐形攪拌針間隔120°截出三個(gè)平面所 形成的形狀，其水平截面為帶圓角的三角形。
[0032] 實(shí)施例1 :
[0033] 本實(shí)施例1提供了一種提高2219-T6合金和2195-T8合金攪拌摩擦焊接接頭強(qiáng)度 和塑性的方法，具體包括以下步驟：
[0034] 第一步，將軸肩直徑8毫米的攪拌頭安裝在攪拌摩擦焊接設(shè)備上，將厚度均為2毫 米的2219-T6合金和2195-T8合金固定在工裝上。
[0035] 第二步，調(diào)節(jié)攪拌頭的位置使之位于焊接的起始位置，并將攪拌頭上的頂端直徑 2. 8毫米、長(zhǎng)度1. 8毫米的三截面形攪拌針與待焊接的2219-T6合金和2195-T8合金的接縫 對(duì)中。
[0036] 第三步，以2219-T6合金為后退側(cè)，將攪拌頭向2219-T6合金的一側(cè)移動(dòng)0. 7毫 米。
[0037] 第四步，設(shè)定焊接的工作參數(shù)。
[0038] 第五步，攪拌頭以2195-T8合金為前進(jìn)側(cè)，以1000轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速、400毫米/分 鐘的走速、1. 8毫米的下壓量和3. 7度的傾斜角對(duì)待焊接的2219-T6合金和2195-T5合金進(jìn) 行焊接。
[0039] 本實(shí)施例1得到的焊接接頭強(qiáng)度為2219-T6合金強(qiáng)度的80%，延伸率為4. 23%。
[0040] 實(shí)施例2 :
[0041] 本實(shí)施例2提供了一種提高2219-T87合金和2195-T8合金攪拌摩擦焊接接頭強(qiáng) 度和塑性的方法，具體包括以下步驟：
[0042] 第一步，將軸肩直徑8毫米的攪拌頭安裝在攪拌摩擦焊接設(shè)備上，將厚度均為2毫 米的2219-T87合金和2195-T8合金固定在工裝上。
[0043] 第二步，調(diào)節(jié)攪拌頭的位置使之位于焊接的起始位置，并將攪拌頭上的攪拌針與 待焊接的2219-T87合金和2195-T8合金的接縫對(duì)中。
[0044] 第三步，以2219-T87合金為后退側(cè)，將頂端直徑2. 8毫米、長(zhǎng)度1. 75毫米的三截 面形攪拌頭向2195-T87合金的一側(cè)移動(dòng)0. 7毫米。
[0045] 第四步，設(shè)定焊接的工作參數(shù)。
[0046] 第五步，攪拌頭以2195-T8合金為前進(jìn)側(cè)，以800轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速、200毫米/分鐘 的走速、1. 75毫米的下壓量和3. 7度的傾斜角對(duì)待焊接的2219-T87合金和2195-T8合金進(jìn) 行焊接。
[0047] 本實(shí)施例2得到的焊接接頭的強(qiáng)度為2219-T87合金強(qiáng)度的80%，延伸率為4%。
[0048] 實(shí)施例3 :
[0049] 本實(shí)施例3提供了一種提高6061-T6合金和2219-T6合金攪拌摩擦焊接接頭強(qiáng)度 和塑性的方法，具體包括以下步驟：
[0050] 第一步，將軸肩直徑8毫米的攪拌頭安裝在攪拌摩擦焊接設(shè)備上，將厚度均為2毫 米的6061-T6合金和2219-T6合金固定在工裝上。
[0051] 第二步，調(diào)節(jié)攪拌頭的位置使之位于焊接的起始位置，并將攪拌頭上的頂端直徑 2. 8毫米、長(zhǎng)度1. 75毫米的三截面形攪拌針與待焊接的6061-T6合金和2219-T6合金的接 縫對(duì)中。
[0052] 第三步，以2219-T6合金為后退側(cè)，將攪拌頭向2219-T6合金的一側(cè)移動(dòng)0. 7毫 米。
[0053] 第四步，設(shè)定焊接的工作參數(shù)。
[0054] 第五步，攪拌頭以6061-T6合金為前進(jìn)側(cè)，以300轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速、60毫米/分鐘 的走速、1. 8毫米的下壓量和3. 7度的傾斜角對(duì)待焊接的6061-T6合金和2219-T6合金進(jìn)行 焊接。
[0055] 本實(shí)施例3得到的焊接接頭的強(qiáng)度為2219-T6合金的85%，延伸率為7%。
[0056] 實(shí)施例4 :
[0057] 本實(shí)施例4提供了一種提高2A12合金和2219-T6合金攪拌摩擦焊接接頭強(qiáng)度和 塑性的方法，具體包括以下步驟：
[0058] 第一步，將軸肩直徑8毫米的攪拌頭安裝在攪拌摩擦焊接設(shè)備上，將厚度均為2毫 米的2A12合金和2219-T6合金固定在工裝上。
[0059] 第二步，調(diào)節(jié)攪拌頭的位置使之位于焊接的起始位置，并將攪拌頭上的頂端直徑 2. 8毫米、長(zhǎng)度1. 8毫米的三截面形攪拌針與待焊接的2A12合金和2219-T6合金的接縫對(duì) 中。
[0060] 第三步，以2219-T6合金為后退側(cè)，將攪拌頭向2219-T6合金的一側(cè)移動(dòng)0. 7毫 米。
[0061] 第四步，設(shè)定焊接的工作參數(shù)。
[0062] 第五步，攪拌頭以2A12合金為前進(jìn)側(cè)，以1500轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速、600毫米/分鐘 的走速、1. 8毫米的下壓量和3. 7度的傾斜角對(duì)待焊接的2219-T6合金和2A12合金進(jìn)行焊 接。
[0063] 本實(shí)施例4得到的焊接接頭的強(qiáng)度為2219-T6合金的90%，延伸率為4. 5%。
[0064] 以上詳細(xì)描述了本發(fā)明的較佳具體實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員無(wú) 需創(chuàng)造性勞動(dòng)就可以根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思作出諸多修改和變化。因此，凡本【技術(shù)領(lǐng)域】中技術(shù) 人員依本發(fā)明的構(gòu)思在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上通過(guò)邏輯分析、推理或者有限的實(shí)驗(yàn)可以得到的 技術(shù)方案，皆應(yīng)在由權(quán)利要求書所確定的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種提高異種材料攪拌摩擦焊接接頭強(qiáng)度和塑性的方法，其特征在于，包括如下步 驟： 第一步，安裝攪拌頭和待焊接材料，所述待焊接材料包括后退側(cè)材料和前進(jìn)側(cè)材料，所 述后退側(cè)材料和所述前進(jìn)側(cè)材料接觸處為接縫； 第二步，使所述攪拌頭的位置位于焊接的起始位置，并將所述攪拌頭上的攪拌針與所 述接縫對(duì)中； 第三步，將所述攪拌頭向所述后退側(cè)材料的一側(cè)偏移一段距離； 第四步，設(shè)定焊接的工作參數(shù)，所述工作參數(shù)包括所述攪拌頭的轉(zhuǎn)速和走速； 第五步，所述攪拌頭在所述轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)并壓入所述待焊接材料，同時(shí)所述攪拌頭在所 述走速下沿平行于所述接縫的方向相對(duì)于所述待焊接材料移動(dòng)，從而對(duì)所述待焊接材料進(jìn) 行攪拌摩擦焊接。
2. 如權(quán)利要求1所述的提高異種材料攪拌摩擦焊接接頭強(qiáng)度和塑性的方法，其特征在 于，所述第三步中偏移的所述距離小于所述攪拌針的直徑。
3. 如權(quán)利要求1所述的提高異種材料攪拌摩擦焊接接頭強(qiáng)度和塑性的方法，其特征在 于，所述轉(zhuǎn)速為300?1500轉(zhuǎn)/分鐘。
4. 如權(quán)利要求1所述的提高異種材料攪拌摩擦焊接接頭強(qiáng)度和塑性的方法，其特征在 于，所述走速為60?800毫米/分鐘。
5. 如權(quán)利要求1所述的提高異種材料攪拌摩擦焊接接頭強(qiáng)度和塑性的方法，其特征在 于，所述待焊接材料為可熱處理強(qiáng)化的鋁合金板材。
6. 如權(quán)利要求1所述的提高異種材料攪拌摩擦焊接接頭強(qiáng)度和塑性的方法，其特征在 于，所述攪拌針的直徑小于所述攪拌頭軸肩直徑的50 %。
7. 如權(quán)利要求1所述的提高異種材料攪拌摩擦焊接接頭強(qiáng)度和塑性的方法，其特征在 于，所述攪拌摩擦焊接為單道次焊接。
8. 如權(quán)利要求1所述的提高異種材料攪拌摩擦焊接接頭強(qiáng)度和塑性的方法，其特征在 于，所述后退側(cè)材料和所述前進(jìn)側(cè)材料為異種材料。
9. 一種如權(quán)利要求1-8中任意一項(xiàng)所述的提高異種材料攪拌摩擦焊接接頭強(qiáng)度和塑 性的方法得到的焊接接頭，其特征在于，所述焊接接頭的強(qiáng)度為所述待焊接材料中強(qiáng)度相 對(duì)低的材料的80 %?90 %。
10. 如權(quán)利要求9所述的焊接接頭，其特征在于，所述焊接接頭的延伸率為4%?7%。
【文檔編號(hào)】B23K20/12GK104107978SQ201410340185
【公開日】2014年10月22日 申請(qǐng)日期:2014年7月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月17日
【發(fā)明者】陳科, 房湛, 王凡, 尹玉環(huán), 張聃, 董豐波 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué), 上海航天設(shè)備制造總廠