一种改善大厚度铝合金搅拌摩擦焊焊缝厚度方向温度梯度的方法与流程

本发明属于焊接技术领域，涉及一种提高大厚度铝合金搅拌摩擦焊接质量的工艺，尤其涉及一种改善大厚度铝合金搅拌摩擦焊焊缝厚度方向温度梯度的方法，应用范围属于焊接技术领域。

背景技术：

搅拌摩擦焊在焊接20mm厚度以下铝合金具有明显优势，但对于25mm厚度以上铝合金材料，由于搅拌摩擦焊工艺本身的限制造成焊缝厚度方向存在很大的温度梯度，焊缝上表面由于搅拌头轴肩的摩擦作用温度最高，沿厚度方向向下温度逐渐降低，至焊缝下表面温度最低。而且随着被焊接铝合金材料的厚度增加这种温度差异越大，温度差值最高可达200℃。这种差异容易造成焊缝根部产生弱连接甚至是未熔合等焊接缺陷，影响焊接质量，接头力学性能沿厚度方向极不均匀，而且导致整体接头力学性能降低。

如何改善厚板铝合金搅拌摩擦焊缝沿厚度方向的温度梯度，是保证大厚板铝合金接头沿厚度方向力学性能均匀性的必要条件。现有技术多为从焊缝正面预热，或者对焊接件进行整体加热，这些方法均不能有效改善大厚板铝合金搅拌摩擦焊存在的大梯度温度场，甚至使温度梯度更大。因此，需要找到一种能够提高焊缝背面温度的方法。电磁感应加热是一种常用的加热方式，具有设备简单、操作方便、加热效率高、加热温度可控等优点，将高频电磁感应加热技术用于大厚板铝合金搅拌摩擦焊，使高频电磁感应加热技术与搅拌摩擦焊技术完美结合，改善厚板铝合金搅拌摩擦焊焊缝沿厚度方向的温度梯度，为解决大厚板铝合金搅拌摩擦焊难题提供一个新途径。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种改善大厚度铝合金搅拌摩擦焊焊缝厚度方向温度梯度的方法，具有工艺设计合理、易操作的特点，能有效改善焊缝厚度方向的温度梯度，明显提高大厚度铝合金搅拌摩擦焊接头力学性能。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种改善大厚度铝合金搅拌摩擦焊焊缝厚度方向温度梯度的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)在被焊接大厚度铝合金工件的焊缝背面，沿焊接坡口设置一高频感应线圈加热装置，感应线圈设置在搅拌针以工件为对称位置的前方距离10～25mm，感应线圈距离工件背面5～10mm；

2)根据工件的厚度和焊接热输入因子通过调节调节高频感应线圈加热装置的槽路电压、栅电流、阳极电流和阳极电压进行加热，使工件背面表面温度在2s之内达到50～150℃；

3)焊接时，搅拌头带动搅拌针高速旋转，搅拌头一边高速旋转，一边与感应线圈以相同的速度同时同向沿着工件的焊缝相对于工件移动，感应线圈加热区域最小值为搅拌针根部直径在工件上的投影区域，最大值为搅拌头轴肩直径在工件上的投影区域。

作为优选，所述大厚度铝合金工件是指厚度不小于25mm的厚板铝合金。

作为改进，所述步骤2)中的焊接热输入因子是指搅拌头的转速/焊速，且焊接热输入因子越大，对应的工件背面加热温度越低。

作为优选，所述步骤2)中的高频感应加热设备的槽路电压为4～6kv、栅电流0.3～0.6a、阳极电流2～3a，阳极电压6～10kv，工件背面的加热温度的高低与工件的厚度有关，厚度越厚，要求加热温度越高。

进一步，所述搅拌头、搅拌针与感应线圈的中心为同轴设置，搅拌针根部直径在15～25mm，搅拌头轴肩直径在30～40mm。

最后，所述工件的背面通过左衬板、右衬板和中间衬板刚性固定。

与现有技术相比，本发明的优点在于：在大厚度铝合金工件搅拌摩擦焊接时通过在焊缝背面施加一个电磁感应热源，并通过调整电磁感应功率、热源移动速度和加热面积等参数使之与搅拌摩擦焊工艺达到最佳匹配，从而改善焊缝厚度方向的温度梯度。本发明工艺设计合理、操作方便，可用于25mm厚度以上铝合金的搅拌摩擦焊接，控制焊缝厚度方向温度梯度在30℃以内，可有效消除焊缝根部产生的未焊透、未熔合和弱连接等缺陷，改善接头厚度方向力学性能的均匀性并提高接头整体力学性能。

附图说明

图1是本发明提供的改善厚板铝合金搅拌摩擦焊焊缝厚度方向温度梯度的方法的工艺示意图。

图2为工艺示意图之二。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1：

(a)被焊接工件(工件1)为25mm厚7a52铝合金工件，工件1的背面通过左衬板5、右衬板6和中间衬板7刚性固定，将搅拌针3的针头从工件1的正面伸入工件1的焊缝11处，搅拌针3的根部与搅拌头2连接固定，在工件的焊缝11背面，沿焊接坡口设置高频感应线圈加热装置，感应线圈4在搅拌针3以工件1为对称位置的前方距离l15mm，感应线圈4距离工件1背面6mm，即h1＝6mm；

(b)根据工件1的厚度(h＝25mm)和焊接热输入因子(n/v＝400/100)，调节高频感应线圈加热装置的槽路电压4kv，栅电流0.3a、阳极电压6kv和阳极电流2a，使工件1背面表面温度在2s之内达到50℃；

(c)焊接时，搅拌头2带动搅拌针3高速旋转，搅拌头2一边高速旋转，一边与感应线圈4以相同的速度同时同向沿着工件1的焊缝11相对与工件1移动，同时对工件1进行搅拌摩擦来完成焊接，感应线圈4加热区域最小值为搅拌针3根部直径(d2＝15mm)在工件1上的投影区域，最大值为搅拌头2轴肩21直径(d1＝30mm)在工件1上的投影区域。最终确定的加热区域为工件1上直径d＝18mm的投影区域。

温度梯度为20℃，所得焊接接头内部质量为ⅰ级，接头拉伸强度比不预热提高6.0％。

实施例2：

(a)被焊接工件(工件1)为30mm厚7a52铝合金工件，工件1的背面通过左衬板5、右衬板6和中间衬板7刚性固定，将搅拌针3的针头从工件1的正面伸入工件1的焊缝11处，搅拌针3的根部与搅拌头2连接固定，在工件的焊缝11背面，沿焊接坡口安置高频感应线圈加热装置，感应线圈4在搅拌针3以工件1为对称位置的前方距离20mm，感应线圈4距离工件1背面7mm；

(b)根据工件的厚度(h＝30mm)和焊接热输入因子(n/v＝350/80)，调节高频感应线圈加热装置的槽路电压4.5kv，栅电流0.4a、阳极电压8kv和阳极电流2.5a，使工件1背面表面温度在2s之内达到80℃；

(c)焊接时，搅拌头2带动搅拌针3高速旋转，搅拌头2一边高速旋转，一边与感应线圈4以相同的速度同时同向沿着工件1的焊缝11相对与工件1移动，同时对工件1进行搅拌摩擦来完成焊接，感应线圈4加热区域最小值为搅拌针3根部直径(d2＝18mm)在工件1上的投影区域，最大值为搅拌头2轴肩21直径(d1＝36mm)在工件1上的投影区域。最终确定的加热区域为工件1上直径d＝22mm的投影区域。

温度梯度为25℃，所得焊接接头内部质量为ⅰ级，接头拉伸强度比不预热提高7.5％。

实施例3：

(a)被焊接工件(工件1)在35mm厚7a52铝合金工件，工件1的背面通过左衬板5、右衬板6和中间衬板7刚性固定，将搅拌针3的针头从工件1的正面伸入工件1的焊缝11处，搅拌针3的根部与搅拌头2连接固定，在工件的焊缝11背面，沿焊接坡口安置高频感应线圈加热装置，感应线圈4在搅拌针3以工件1为对称位置的前方距离25mm，感应线圈4距离工件1背面8mm；

(b)根据工件1的厚度(h＝35mm)和焊接热输入因子(n/v＝300/70)，调节高频感应线圈加热装置的槽路电压6kv，栅电流0.6a、阳极电压10kv和阳极电流3a，使工件1背面表面温度在2s之内达到100℃；

(c)焊接时，搅拌头2带动搅拌针3高速旋转，搅拌头2一边高速旋转，一边与感应线圈4以相同的速度同时同向沿着工件1的焊缝11相对与工件1移动，同时对工件1进行搅拌摩擦来完成焊接，感应线圈4加热区域最小值为搅拌针3根部直径(d2＝20mm)在工件1上的投影区域，最大值为搅拌头2轴肩21直径(d1＝40mm)在工件1上的投影区域。最终确定的加热区域为工件1上直径d＝24mm的投影区域。

温度梯度为25℃，所得焊接接头内部质量为ⅰ级，接头拉伸强度比不预热提高8.5％。

本发明在大厚度铝合金工件搅拌摩擦焊接时通过在焊缝背面施加一个电磁感应热源，并通过调整电磁感应功率、热源移动速度和加热面积等参数使之与搅拌摩擦焊工艺达到最佳匹配，从而改善焊缝厚度方向的温度梯度。