一种镁、铝合金中厚板搅拌摩擦焊方法

专利名称：一种镁、铝合金中厚板搅拌摩擦焊方法
技术领域：
本发明属于金属材料焊接技术领域，具体涉及一种镁、铝合金中厚板搅拌摩擦焊的方法。
背景技术：
铝、镁金属的密度小，分别为J .泛/ /和7.泛/ /，铝合金具有比重小、导热性好、易于成形、价格低廉等优点，已广泛运用于航空航天、交通运输、轻工建材等领域，是轻合金中应用最广、用量最多的合金。镁合金具有比重小，比强度、比刚度高，阻尼性、切削加工性、导热性好，电磁屏蔽能力强，尺寸稳定，资源丰富，易回收，无污染等优点，因此，在汽 车工业、通信电子工业和航空航天工业等领域正得到日益广泛的应用，近年来全世界镁合金产量的年增长率高达20%，显示出了极为广泛的应用前景。在工程实际中，铝、镁合金的焊接必不可少，采用普通熔化焊连接铝合金，易于出现以下问题1、铝合金焊接接头软化严重，强度系数低，这也是阻碍铝合金应用的最大障碍；2、铝合金表面易产生难熔的氧化膜(Al2O3其熔点为2060°C)，这就需要采用大功率密度的焊接工艺；3、铝合金焊接容易产生气孔；4、铝合金焊接易产生热裂纹；5、线膨胀系数大，易产生焊接变形；6铝合金热导率大(约为钢的4倍)，相同焊接速度下，热输入要比焊接钢材大2 4倍。镁合金采用普通熔化焊易于出现如下问题1、镁在高温下极易与氧结合生成不致密的焊缝夹杂物，严重降低焊缝质量；2、镁与一些合金元素形成低熔共晶体，在脆性温度下极易形成热裂纹；3、氢气在镁合金的溶解度随着温度的降低极具下降，因此在焊缝中形成氢气孔，尤其焊接压铸态镁合金时，气孔现象尤为严重，急剧降低焊缝接头的力学性能。搅拌摩擦焊是英国焊接研究所1991年发明(US5460317)的一种固相连接技术。是一种纯机械化连续的固相连接技术，焊接时一个特殊形状的搅拌头旋转着插入被焊工件，搅拌头和轴肩分别与被焊材料之间摩擦产生摩擦热，使材料达到塑性状态，在焊接过程中的最高温度不超过材料熔点的80%，当搅拌头沿着待焊接头向前移动时，达到塑性化的材料由搅拌头的前部向后部转移，并且在轴肩的机械压力作用下，实现工件之间的固相连接。在搅拌摩擦焊过程中不需要添加填充材料，焊前没有复杂的准备工作，不形成熔化焊接的缺陷。这种搅拌摩擦焊的方式特别适合用于铝、镁合金，特别是铝、镁合金中厚板之间的焊接。虽然对铝、镁合金中厚板(指铝合金中厚板或者镁合金中厚板)采用搅拌摩擦焊的方式，可以解决气泡、裂纹等问题。但是在对焊接好的铝、镁合金中厚板进行拉伸、疲劳试验时，如果加大试验强度，则在焊缝接头处仍然容易断裂，其焊缝接头处仍然是属于薄弱区域。故怎样提高铝、镁合金中厚板焊接后的连接强度，仍然值得研究。目前，现有技术中，也存在部分对搅拌摩擦焊进行改进的方法，例如专利CN201010188310. 2公开的一种加热搅拌摩擦焊接方法，该技术中在搅拌摩擦焊的同时采用电阻炉进行加热，其能量耗费较大，且仍然无法更好地解决上述问题。另外，在CN200710092974. 7、CN200810236447. 3、C N200910103686. 6 和 CN200910103687. O 等专利
技术中，也对搅拌摩擦焊进行了改进，利用导电回路增加了复合热源，但其导电回路包含搅拌头，会导致搅拌头寿命缩短，同时导电区域大，导致操作不安全，能量耗费较大等缺陷，使得可操作性降低；同时这些技术仍然不能更好地解决铝、镁合金中厚板焊接后容易在焊缝前进侧断裂的问题。

发明内容
针对上述问题和不足，本发明所要解决的技术问题是怎样提供一种成本低廉，耗能较小，可操作性高的镁、铝合金中厚板搅拌摩擦焊方法，提高焊缝处连接强度。为了解决上述问题，本发明采用了以下的技术方案。一种镁、铝合金中厚板搅拌摩擦焊方法，其特征在于，将待焊接的两块中厚板母材以对接形式采用夹具刚性固定，然后对母材实施搅拌摩擦焊，在焊接之前，在焊缝背部施加可控热源，所述可控热源仅作用于焊缝背部搅拌头前进侧并对该侧进行加热，搅拌摩擦焊时，搅拌头沿焊缝行走进行焊接。本技术方案中，所述中厚板是指厚度在4mm至50mm范围内的材料，本方案中限制材料厚度是因为铝、镁合金薄板在搅拌摩擦焊过程无需复合热就可以高效的进行连接；如果材料厚度过大，就需要就行双面焊(比如采取双轴肩搅拌头)，本方案就不适合。同时，本方案中，所述搅拌头前进侧是指与搅拌头接触处搅拌头旋转方向与焊接行走方向一致的该侧为前进侧，相反一侧为后退侧。为了解决现有技术存在的问题，申请人仔细进行了观察和研究，发现在铝、镁合金中厚板进行拉伸、疲劳试验中，产生断裂后，断裂处多分布在焊缝的前进侧；申请人进一步分析，发现在搅拌摩擦焊接过程中，焊缝的前进侧对于搅拌头的旋转是逆向受向前的力，该侧区域受搅拌头的强制挤压力会大于另一侧，导致焊接后，前进侧焊核区与热机影响区之间的组织过渡会呈现出突变趋势，然而返回侧焊核区与热机影响区的组织过渡相对平缓，因此导致焊缝两侧不平衡，进而在拉伸、疲劳试验中才使得前进侧成为整个焊缝接头的薄弱区域；如果要改善该情况，可以通过放慢焊接速度的方式使其得到一定改善，但这样又导致焊接速度较低，焊接成本增加。所以为了解决该问题，申请人创造性地在焊接时采用可控热源单独对焊缝的前进侧进行加热。这样前进侧在加热后在一定程度上被软化，提高该侧金属流动性，使得在搅拌摩擦焊时该侧对搅拌头的强制挤压力降低并与另一侧的受力得到平衡，焊接时搅拌头两侧金属流动性能趋向平衡。这样焊接完毕后，焊缝两侧的焊核区与热机影响区之间的组织过渡情况趋向于对称、平衡。这样就改善了焊接质量，提高了焊缝处连接强度，提高了焊接后前进侧性能，使其能够承受更高的压强和冲击力。同时，本方案中，热源是从焊缝背部施加，这样一来可以不影响搅拌摩擦焊的正常进行，二来焊缝背面是搅拌头能量难以到达的薄弱位置，从此处进行热能补充，也更加利于板材能量达到平衡，提高焊接效果。作为技术方案的优化，所述可控热源采用以下加热设备进行提供，所述加热设备包括
可控电源，用于改变加热电流与电压；背部垫板，背部垫板表面加工一安装通槽，安装桶槽用于安放电阻材料；
电阻材料，电阻材料安装在背部垫板的安装通槽内，且电阻材料外表面与背部垫板表面处于同一平面，电阻材料与可控电源电连接；电阻材料与背部垫板之间依次以绝缘材料和绝热材料隔开；电阻材料上表面喷涂有一层绝缘材料；在搅拌摩擦焊过程中，电阻材料上表面的绝缘材料与焊缝背部搅拌头前进侧的母材相贴并为其提供热量。这样优化后，本加热设备结构简单，利于实施，加工时方便调节供热量的大小，使焊缝两侧的焊接情况趋向于平衡，可以最大程度节省耗费的能量，降低加工成本。具体实施时，供热的大小与焊材实际情况之间的对应关系，可以根据上述原理分析来计算或者根据具体实验来获得，使焊接效果达到最佳。同时，作为进一步优化，采用本装置供热，可以在焊接结束后，继续供热以进行缓冷，缓冷时调节温度平稳地逐渐降低，可以进一步提高焊接效果O综上所述，本发明与现有技术相比具有以下显著效果
I)、本发明的方法能够使搅拌摩擦焊时焊缝两侧的金属流动情况趋向于平衡一致，进而改善焊接质量，提闻焊接强度，提闻焊接速度。2)、本发明所涉及的外加热源回路不包含搅拌头，直接对焊缝进行加热。第一、可使搅拌头不直接受外加热源作用发生软化，提高搅拌头的使用寿命。第二、由于外加热源安放于背部垫板，与垫板之间采用绝缘材料隔开，直接作用于焊缝背部，提高可操作性、外力口热源利用率高，减少热量浪费且提高安全性。3)、本发明所采用的外加热源，在整个回路电阻不随着搅拌头的移动而改变，可量化外加热量，提高了外加热量的可控性。4)、本发明所设计的装置简单，实施方便，实施成本低廉且可操作性强。说明书附图

图I为本方法实施时采用的加热设备的结构示意图。
具体实施例方式具体实施时，一种镁、铝合金中厚板搅拌摩擦焊方法，先将待焊接的两块中厚板母材以对接形式采用夹具刚性固定，然后对母材实施搅拌摩擦焊，在焊接之前，在焊缝背部施加可控热源，所述可控热源仅作用于焊缝背部搅拌头前进侧并对该侧进行加热，搅拌摩擦焊时，搅拌头沿焊缝行走进行焊接。具体实施时，所述可控热源采用以下加热设备进行提供，所述加热设备结构如图I所示，包括
可控电源I，用于改变加热电流与电压；
背部垫板2,背部垫板2表面加工一安装通槽,安装桶槽用于安放电阻材料3 ；
电阻材料3，电阻材料3安装在背部垫板2的安装通槽内，且电阻材料3外表面与背部垫板表面处于同一平面，电阻材料3与可控电源I电连接；电阻材料3与背部垫板2之间依次以绝缘材料4和绝热材料5隔开；电阻材料3上表面喷涂绝缘层；在搅拌摩擦焊过程中，电阻材料3外表面与焊缝背部搅拌头前进侧的母材相贴并为其提供热量。具体实施时，作为加热设备的进一步优化，采用的背部垫板中，还设置有接头滑槽，接头滑槽和安装通槽并排设置，接头滑槽内可滑动地设置有一对与电阻材料保持接通的电连接头，电阻材料通过电连接头与可控电源电连接。这样优化后，本加热设备可以采用同一套设备处理不同焊缝长度的具体焊接情况，通过调节电连接头的位置使电阻材料中被导通的发热段与焊缝长度匹配即可。为了进一步验证本发明的原理和效果。申请人在上述具体实施方式
基础上，进一步进行了对比试验进行验证，以证明本发明和普通搅拌摩擦焊之间的差异。实例I :
采用本发明焊接4mm厚的压铸态镁合金AZ91D，接头形式为对接，搅拌头的轴肩直径10mm、顶部直径2. 8mm、根部直径4. 2mm、长度4. Omm,焊前对母材进行物理和化学表面清理，去除表面的油污、水分、氧化膜等。用夹具将母材以对接形式刚性固定，对接间隙在O. 3mm以内。对母材实施搅拌摩擦焊连接，实验参数轴肩下压量3. 8mm，搅拌头倾斜角2. 5° ;焊接速度80mm/min,旋转速度1500r/min ;焊接时采用加热设备对焊缝背部前进侧供热,设定 辅助电流值为400A、回路电压值为30V。通过本实例焊接所得到的焊缝外观成型美观，无任何宏观缺陷，焊核区微观组织为等轴晶，前进侧焊核区与热机影响区的的过渡得到明显的改变，组织过渡呈现出渐进性。进行拉伸力学性能测试，拉伸强度到达母材的86%。对比实例I
采用和实例I相同参数的搅拌摩擦焊进行焊接，但不采用加热设备供热。分析焊缝接头发现。背部存在未焊透缺陷，前进侧焊核区与热机影响区过渡呈现出突变趋势。处理后，进行拉伸力学性能测试，接头的抗拉强度仅为母材的68%。对比实例2
采用和实例I相同参数的搅拌摩擦焊进行焊接，但不采用加热设备供热，同时焊接时焊接速度放慢到45mm/min。本实例得到的焊缝外观成型美观，无任何宏观缺陷，焊核区微观组织为等轴晶，前进侧焊核区与热机影响区的的过渡呈现出突变趋势。进行拉伸力学性能测试，拉伸强度到达母材的80%。通过具体的对比实例I与对比实例1、2可知，采用本发明的设备焊接镁合金，在相同的条件下，得到的焊缝质量远远高于不采用本发明的设备。同时搅拌摩擦焊的焊接速度得到一定的提高，焊缝前进侧焊核区与热机影响区的过渡得到改善，呈现出渐变趋势。综上所述，本发明专利的特点是简单有效，克服了现有专利中热源利用率低，加热作用区间大而不具有针对性、不直接作用于焊缝，搅拌头软化，缩短搅拌头寿命，加热过程回路电阻变化，加热不稳定，热源可控性低，可操作性、安全性低等纵多问题。可以有效实用于铝、镁合金搅拌摩擦焊过程的复合加热，提高搅拌摩擦焊速度，增大搅拌头使用寿命，提闻焊接质量。
权利要求
1.一种镁、铝合金中厚板搅拌摩擦焊方法，其特征在于，将待焊接的两块中厚板母材以对接形式采用夹具刚性固定，然后对母材实施搅拌摩擦焊，在焊接之前，在焊缝背部施加可控热源，所述可控热源仅作用于焊缝背部搅拌头前进侧并对该侧进行加热，搅拌摩擦焊时，搅拌头沿焊缝行走进行焊接。
2.如权利要求I所述的镁、铝合金中厚板搅拌摩擦焊方法，其特征在于，所述可控热源采用以下加热设备进行提供，所述加热设备包括 可控电源，用于改变加热电流与电压； 背部垫板，背部垫板表面加工一安装通槽，安装桶槽用于安放电阻材料； 电阻材料，电阻材料安装在背部垫板的安装通槽内，且电阻材料外表面与背部垫板表面处于同一平面，电阻材料与可控电源电连接；电阻材料与背部垫板之间依次以绝缘材料和绝热材料隔开；电阻材料上表面喷涂有一层绝缘材料；在搅拌摩擦焊过程中，电阻材料上表面的绝缘材料与焊缝背部前进侧的母材相贴并为其提供热量。
全文摘要
本发明公开了一种镁、铝合金中厚板搅拌摩擦焊方法，其特征在于，将待焊接的两块中厚板母材以对接形式采用夹具刚性固定，然后对母材实施搅拌摩擦焊，在焊接之前，在焊缝背部施加可控热源，所述可控热源仅作用于焊缝背部搅拌头前进侧并对该侧进行加热，搅拌摩擦焊时，搅拌头沿焊缝行走进行焊接。本发明具备成本低廉，耗能较小，可操作性高等优点，能够提高焊缝处连接强度，同时提高焊接速度。
文档编号B23K20/26GK102689090SQ201210212639
公开日2012年9月26日 申请日期2012年6月26日 优先权日2012年6月26日
发明者张均成, 杜鹃, 游国强, 王向杰, 谭霞 申请人:重庆大学