一种厚板搅拌摩擦焊接工艺的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种针对大厚度板材对接焊接的厚板搅拌摩擦焊接工艺，包括以下步骤：1)在两个待焊接的大厚度板材上沿待焊接的边缘开设对称阶梯状坡口，每级阶梯的宽度大于搅拌头半径，高度小于单面焊极限深度，坡口底部板材厚度小于单面焊极限深度；2)使用搅拌摩擦焊单面焊焊接坡口底部，两板材相对的坡口形成由下到上顺次变大的多个凹坑；3)在位于最下面的凹坑中嵌入与板材同质的嵌入条，嵌入条宽等于凹坑宽度，厚度等于凹坑两侧台阶的高度；4)采用搅拌摩擦焊单面焊将嵌入条与板材焊接为一体，焊接时沿多道平行的焊缝进行焊接，其中第一和最后一道焊缝为嵌入条与板材之间的焊缝；5)重复实施步骤3)、步骤4)，直至将所有的凹坑填平。本发明可广泛应用于对大厚度板材对接接头的搅拌摩擦焊接中。
【专利说明】一种厚板搅拌摩擦焊接工艺
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种焊接工艺，特别是关于一种针对大厚度板材对接焊接的厚板搅拌摩擦焊接工艺。
【背景技术】
[0002]与传统的气体保护焊相比，使用搅拌摩擦焊加工铝合金结构所得到的焊缝具有无缺陷、强度高等突出的优点，因此搅拌摩擦焊在工业领域内正得到越来越广泛的应用。特别是在航空航天、高速列车、高速船舶等行业的大型铝合金壳体的加工过程中，搅拌摩擦焊能够加工气体保护焊不好加工或不能加工的高强度焊缝，因而在这些行业中取得了不可替代的地位。
[0003]尽管具备突出的优点，搅拌摩擦焊技术也存在灵活性不足这一明显的短板。传统的熔焊可以通过堆焊工艺加工任意厚度的焊缝，而搅拌摩擦焊的原理决定了其焊接深度受到搅拌针长度的限制，单面焊接时所能够焊接的结构厚度略大于搅拌针长度，而双面焊时所能加工的最大结构厚度略大于搅拌针长度的两倍。理论上只要无限增长搅拌针就可以焊接无限厚度的接头，然而随着搅拌针长度的增大，焊接过程中搅拌针搅动的金属量越多，搅拌针所承受的扭矩和弯矩也随之增大，直至现有材料与加工工艺无法制造具备足够强度的搅拌头。其次，搅拌针的增长也导致焊接过程中设备功率的提高，设备功率的有限性同样决定了搅拌针长度的有限性。因此目前这一加工能力在单面焊时不足100mm，双面焊不足200mm，对于大于这一尺寸的结构，无法得到搅拌摩擦焊的高强度焊缝。另外，在上述的加工能力限制之内，随着加工能力的提升，设备成本会近于指数型的增长，因此常规搅拌摩擦焊设备仅具备一定厚度以下的加工能力。对于将焊接大厚度焊缝作为日常工作的企业而言，可以购买专用设备，而对数量众多的一般企业而言，对大厚度焊缝的加工需求仅是偶尔性的，为此购入昂贵的设备则得不偿失。
【发明内容】
[0004]针对上述问题，本发明的目的是提供一种使用常规搅拌摩擦焊设备实现大厚度板材对接焊接的厚板搅拌摩擦焊接工艺。
[0005]为实现上述目的，本发明采用以下技术方案:一种厚板搅拌摩擦焊接工艺，包括以下步骤:1)在两个待焊接的大厚度板材上沿待焊接的边缘开设对称阶梯状坡口，每级阶梯的宽度大于搅拌头半径，高度小于单面焊极限深度，坡口底部板材厚度小于单面焊极限深度；2)使用搅拌摩擦焊单面焊焊接坡口底部，两板材相对的坡口形成由下到上顺次变大的多个凹坑；3)在位于最下面的凹坑中嵌入与板材同质的嵌入条，嵌入条宽等于凹坑宽度，厚度等于凹坑两侧台阶的高度；4)采用搅拌摩擦焊单面焊将嵌入条与板材焊接为一体，焊接时沿多道平行的焊缝进行焊接，其中第一和最后一道焊缝为嵌入条与板材之间的焊缝；
5)重复实施步骤3)、步骤4)，直至将所有的凹坑填平。
[0006]一种厚板搅拌摩擦焊接工艺，包括以下步骤:1)在两个待焊接的大厚度板材上沿待焊接的边缘开设对称阶梯状坡口，每级阶梯的宽度大于搅拌头半径，高度小于单面焊极限深度，坡口底部板材厚度小于单面焊极限深度；2)使用搅拌摩擦焊单面焊焊接坡口底部，两板材相对的坡口形成由下到上顺次变大的多个凹坑；3)在位于最下面的凹坑中嵌入与板材同质的嵌入条，嵌入条宽等于位于最下面的凹坑宽度，厚度等于位于最下面的凹坑两侧台阶的高度；4)采用搅拌摩擦焊单面焊将嵌入条与板材焊接为一体，焊接时采用多道平行的焊缝进行焊接，其中第一和最后一道焊缝为嵌入条与板材之间的焊缝；5)重复实施步骤3)、步骤4)，直至仅剩最上面的一个凹坑存在；6)在位于最上面的凹坑中嵌入一宽度等于该凹坑宽度、厚度大于该凹坑两侧台阶高度并且顶端向两侧伸出小翼的T形嵌入条，其中小翼的宽度大于搅拌头半径；7)采用搅拌摩擦焊单面焊将T形嵌入条与板材焊接为一体，焊接时沿多道平行的焊缝进行焊接；8)将T形嵌入条高出板材的部分铣平。
[0007]在所述步骤4)中，采用多道焊缝进行焊接时要保证:(η-1).8>?.，上式中，f为嵌入条的宽度，g为每道焊缝的焊核在深度c处的宽度，η为焊缝的数量，其中，c为嵌入条的厚度。
[0008]本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点:1、本发明所提供的厚板搅拌摩擦焊接工艺，可突破设备及搅拌头的限制，实现对厚度超过现有搅拌摩擦焊工艺能力的板材对接焊。2、本发明所提供的工艺，可以实现使用小型搅拌摩擦焊接设备焊接原本需要特制重型搅拌摩擦焊设备才能焊接的深焊缝，能够大幅降低设备成本，提高工艺灵活性。3、本发明采用T形嵌入条和铣平工艺，可以方便的解决搅拌摩擦焊特有的焊缝厚度低于母材的问题。本发明可广泛应用于对大厚度板材对接接头的搅拌摩擦焊接中。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1是本发明在板 材边缘开设坡口示意图；其中，图(a)是板材开设坡口之前的状态；图(b)是板材开设坡口之后的状态；
[0010]图2是本发明所采用的嵌入条示意图；
[0011]图3是本发明嵌入条与板材焊接示意图；
[0012]图4是本发明嵌入条的焊缝示意图；
[0013]图5是本发明所采用的T形嵌入条示意图；其中，图(a)是焊接之前的状态；图(b)是焊接之后的状态；图(C)是焊接后T形嵌入条顶部被铣平的状态。
【具体实施方式】
[0014]下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
[0015]实施例一:
[0016]本发明提供的一种厚板搅拌摩擦焊接工艺，其包括以下步骤:
[0017]I)如图1所示，在两个待焊接的大厚度板材I上沿待焊接的边缘开设对称阶梯状坡口，每级阶梯的宽度大于搅拌头2半径，高度小于单面焊极限深度，坡口底部板材厚度小于单面焊极限深度。单面焊极限深度，是指单面焊接时所能焊接的结构最大厚度，其略大于搅拌针3长度。
[0018]2)使用搅拌摩擦焊单面焊焊接坡口底部，两板材I相对的坡口形成由下到上顺次变大的多个凹坑4。[0019]3)如图2所示，在位于最下面的凹坑4中嵌入与板材I同质的嵌入条5，嵌入条5宽等于位于最下面的凹坑4宽度，厚度等于位于最下面的凹坑4两侧台阶的高度。
[0020]4)如图3所示，采用搅拌摩擦焊单面焊将嵌入条5与板材I焊接为一体，焊接时沿多道平行的焊缝6进行焊接，其中第一和最后一道焊缝6为嵌入条与板材I之间的焊缝6(如图4所示)。
[0021]5)重复实施步骤3)、步骤4)，直至将所有的凹坑4填平。
[0022]实施例二:
[0023]本发明还提供了另一实施例，该实施例的步骤I)到步骤4)与实施例一相同，其与实施例一不同的步骤如下:
[0024]5)重复实施步骤3)、步骤4)，直至仅剩最上面的一个凹坑4存在。
[0025]6)如图5所示，在最上的凹坑中嵌入一宽度等于凹坑宽度、厚度大于凹坑两侧台阶高度并且顶端向两侧伸出小翼的T形嵌入条8，其中小翼的宽度大于搅拌头I半径。
[0026]7)采用搅拌摩擦焊单面焊将T形嵌入条8与板材I焊接为一体，焊接时沿多道平行的焊缝6进行焊接。
[0027]8)将T形嵌入条8高出板材I的部分铣平。
[0028]下面以一具体实施例来说明本发明的技术效果。如图1所示，本实施例中所使用的搅拌摩擦焊接装置的搅拌头2的直径为a，搅拌针3长度为b，假设长度为b的搅拌针3能够一次焊透的厚度为适用焊接厚度，其值为e(该值小于焊极限深度)。
[0029]I)在两个待焊接的板材I上沿待焊接的边缘开设对称阶梯状坡口，开坡口后板材I的剩余厚度取e (小于e也可)。台阶状坡口的每级台阶高度c小于b，宽度d大于a/2。
[0030]2)使用搅拌摩擦焊单面焊焊接坡口底部，两板材I相对的坡口形成由下到上顺次变大的多个凹坑4。
[0031]3)如图2所示，根据每层台阶之间的宽度加工一系列的与板材I同质的嵌入条5，其数量与凹坑4的数量相等，在位于最下面的凹坑4中嵌入一宽度等于该凹坑4宽度、厚度等于该凹坑4两侧台阶高度的嵌入条5。
[0032]4)如图3所示，采用搅拌摩擦焊单面焊将嵌入条与板材I焊接为一体，由于在步骤
2)中对坡口底部采用搅拌摩擦焊会使最低层的凹坑4底面凹凸不平，嵌入条5的底面与凹坑4底面会存在一空隙7，因此，通过多道平行的搅拌摩擦焊将嵌入条5与板材I焊接为一个整体。在此过程中，搅拌摩擦焊的特性会驱使流动的金属填补嵌入条5与凹坑4底面的空隙7。如图4所示，假设嵌入条5的宽度为f，每道焊缝6的焊核在深度c处的宽度为g，焊缝的数量为η。为了使嵌入条5彻底的与板材I结为一体，避免未焊合、孔洞等缺陷，需要保证嵌入条5与板材I接合部位的金属都在搅拌针3的搅拌作用下充分的流动从而相互结合，因此须使焊核区覆盖整个接合部，实际上就是覆盖整个嵌入条5的横截面及边缘。为实现上述目的，应保证(n-1) *g>fo在此前提下，搅拌头的运动轨迹可以是一组同方向的平行线，也可以是往复行进的蛇形线。
[0033]5)重复实施步骤3)、步骤4)，直至仅剩最上面的一个凹坑4存在。
[0034]6)如图5所示，在最上面的凹坑4中嵌入一宽度等于该凹坑宽度、厚度大于该凹坑两侧台阶高度并且顶端向两侧伸出小翼9的T形嵌入条8，其中小翼9的宽度大于搅拌头2半径。[0035]7)采用搅拌摩擦焊单面焊将T形嵌入条8与板材I焊接为一体，焊接时采用多道平行的焊缝6进行焊接。
[0036]8)将T形嵌入条8高于板材I的部分铣平。
[0037]本发明仅以上述实施例进行说明，各部件的结构、设置位置、及其连接都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。
【权利要求】
1.一种厚板搅拌摩擦焊接工艺，包括以下步骤: 1)在两个待焊接的大厚度板材上沿待焊接的边缘开设对称阶梯状坡口，每级阶梯的宽度大于搅拌头半径，高度小于单面焊极限深度，坡口底部板材厚度小于单面焊极限深度； 2)使用搅拌摩擦焊单面焊焊接坡口底部，两板材相对的坡口形成由下到上顺次变大的多个凹坑； 3)在位于最下面的凹坑中嵌入与板材同质的嵌入条，嵌入条宽等于凹坑宽度，厚度等于凹坑两侧台阶的高度； 4)采用搅拌摩擦焊单面焊将嵌入条与板材焊接为一体，焊接时沿多道平行的焊缝进行焊接，其中第一和最后一道焊缝为嵌入条与板材之间的焊缝； 5)重复实施步骤3)、步骤4)，直至将所有的凹坑填平。
2.如权利要求1所述的一种厚板搅拌摩擦焊接工艺，其特征在于:在所述步骤4)中，采用多道焊缝进行焊接时要保证:(n-1).g>f, 上式中，f为嵌入条的宽度，g为每道焊缝的焊核在深度c处的宽度，η为焊缝的数量，其中，c为嵌入条的厚度。
3.一种厚板搅拌摩擦焊接工艺，包括以下步骤: 1)在两个待焊接的大厚度板材上沿待焊接的边缘开设对称阶梯状坡口，每级阶梯的宽度大于搅拌头半径，高度小于单面焊极限深度，坡口底部板材厚度小于单面焊极限深度； 2)使用搅拌摩擦焊单面焊焊接坡口底部，两板材相对的坡口形成由下到上顺次变大的多个凹坑； 3)在位于最下面的凹坑中嵌入与板材同质的嵌入条，嵌入条宽等于位于最下面的凹坑宽度，厚度等于位于最下面的凹坑两侧台阶的高度； 4)采用搅拌摩擦焊单面焊将嵌入条与板材焊接为一体，焊接时采用多道平行的焊缝进行焊接，其中第一和最后一道焊缝为嵌入条与板材之间的焊缝； 5)重复实施步骤3)、步骤4)，直至仅剩最上面的一个凹坑存在； 6)在位于最上面的凹坑中嵌入一宽度等于该凹坑宽度、厚度大于该凹坑两侧台阶高度并且顶端向两侧伸出小翼的T形嵌入条，其中小翼的宽度大于搅拌头半径； 7)采用搅拌摩擦焊单面焊将T形嵌入条与板材焊接为一体，焊接时沿多道平行的焊缝进行焊接； 8)将T形嵌入条高出板材的部分铣平。
4.如权利要求3所述的一种厚板搅拌摩擦焊接工艺，其特征在于:在所述步骤4)中，采用多道焊缝进行焊接时要保证:(n-1).g>f, 上式中，f为嵌入条的宽度，g为每道焊缝的焊核在深度c处的宽度，η为焊缝的数量，其中，c为嵌入条的厚度。
【文档编号】B23K20/12GK103978304SQ201410238732
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年5月30日 优先权日:2014年5月30日
【发明者】史清宇, 李晗, 吴建军 申请人:清华大学