一种轻合金厚板的焊接方法与流程

本发明涉及轻合金焊接领域，特别涉及一种轻合金厚板的焊接方法。

背景技术：

密度小于3.5g/cm³的铝合金、镁合金是我们通常所说的轻合金。在轻量化进程快速推进的过程中，轻合金具有巨大的市场应用潜力。焊接是轻合金商业化应用中经常采用的一种连接方式。

搅拌摩擦焊接是镁、铝等轻合金固相焊接的一种方法。在搅拌摩擦焊接过程中，使用搅拌头插入工件的待焊接部位，通过搅拌头与工件间的搅拌摩擦，摩擦热使该部位金属处于热塑性状态并在搅拌头的压力作用下从其前端向后部塑性流动，从而使待焊件焊接为一个整体。搅拌摩擦焊接具有如下优点：（1）焊接接头热影响区显微组织变化小．残余应力比较低，焊接工件不易变形；（2）能一次完成较长焊缝、大截面、不同位置的焊接．接头高：（3）操作过程方便实现机械化、自动化，设备简单，能耗低，功效高，对作业环境要求低：（4）无需添加焊丝，焊铝合金时不需焊前除氧化膜，不需要保护气体，成本低；（5）可焊热裂纹敏感的材料，适合异种材料焊接：（6）焊接过程安全、无污染、无烟尘、无辐射等。

但是，对于单面焊厚度10mm~35mm的轻合金厚板搅拌摩擦焊而言，焊接工艺窗口较薄板而言要窄的多。这是因为搅拌摩擦焊接过程实际上是很繁杂的一个非稳态过程，会受到很多因素的干扰，直接影响到焊接接头质量。搅拌摩擦焊实质上是一个金属在摩擦搅拌作用下升温软化，发生超塑性流动，这就需要金属被充分地加热，流变阻力较小；而在搅拌摩擦焊过程中，焊缝流变区温度场的特点是上高下低、上宽下窄，即在焊缝厚度方向温度表现为上部高下部低，高温区表现为上部宽下部窄；沿焊缝厚度增加，流变区温度急剧下降。所以，对于轻合金厚板而言，如果采用类似薄板焊接的方法，往往难以获得高质量的焊接接头。

为了改善轻合金厚板的搅拌摩擦焊接效果，专利（公开号cn101885109）提出了一种10～20mm厚的az31镁合金搅拌摩擦焊接方法，所述搅拌针为圆台螺旋形；实际上该发明提供的焊接方法与厚度10mm以下的镁合金搅拌摩擦焊接方法类似，且圆台螺旋形的搅拌针并不能很好地改善镁合金厚板在搅拌摩擦焊接过程中的温度场分布。专利（公开号cn102689090）提出了一种4~50mm厚镁、铝合金中厚板搅拌摩擦焊方法，主要特点是焊前在焊缝背部施加仅作用于焊缝背部搅拌头前进侧并对该侧进行加热的可控热源；这不仅增加了工装的制造工艺和费用，而且增加了能源消耗和电阻材料费用。专利（公开号cn101885109）提出了一种焊前预热、焊后热处理的厚板铝合金预热搅拌摩擦焊接方法，该方法也同样存在增加能耗和工序复杂的问题。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种轻合金厚板的焊接方法，促使流变区温度沿焊缝厚度方向缓慢下降，获得高质量的轻合金厚板搅拌摩擦焊接头，同时简化工装结构和工艺步骤，实现轻合金厚板的高质、高效搅拌摩擦焊接。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种轻合金厚板的焊接方法，其特征在于：首先将待焊的轻合金厚板母材刚性固定在垫板上；然后将搅拌头旋转着插入待焊母材内，搅拌头到达预设的位置时停留3~15s后，采用不同的旋转速度和焊接速度进行变速式搅拌摩擦焊接，所述的变速式搅拌摩擦焊接是指在焊缝前三分之一长度采用1500~3000r/min相对更高的旋转速度、100~30mm/min相对更慢的行进速度，在剩余长度上采用300~1400r/min相对更低的旋转速度、110~600mm/min相对更快的行进速度，焊接过程中轴肩下压量保持不变；搅拌头到达焊缝末端后，继续旋转着停留3~15s后将搅拌头拔出，完成轻合金厚板焊接。

作为优选：在焊接前，用电钻在焊缝起始端钻孔，孔的直径φ8~30mm、孔的深度6~20mm。在焊缝起始端钻孔，有利于搅拌摩擦焊接初始阶段获得更加均匀、更加充分的焊接热量，为后续焊接提供一个有效的预热过程，从而促进镁合金厚板在搅拌摩擦焊接过程中获得更加均匀、充分的热量，从而得到高质量的镁合金厚板焊接接头。

作为优选：所述搅拌头由夹持部分、轴肩部分和搅拌针部分组成，由t10钢、3cr2w8v钢、4cr5mosiv钢、4cr5mosiv1钢、gh4169高温合金或w-25ce合金制作而成；所述轴肩下端面设有多个凹槽、轴肩直径φ18~40mm；所述搅拌针为圆锥形并在外周面上设置有多组螺纹和三个平面，以增加焊接过程中焊缝金属在厚度方向的流动性，搅拌针大端直径φ10~25mm、搅拌针小端直径φ6~18mm、搅拌针长度9.6~34.2mm。

本发明所述的在焊缝前三分之一长度采用1500~3000r/min相对更高的旋转速度、100~30mm/min相对更慢的行进速度，是为了镁合金厚板在搅拌摩擦焊接过程中获得更有效的预热，更均匀、更充分的热量，从而解决镁合金厚板焊接工艺窗口窄、焊接接头质量差的问题。

作为优选：所述轴肩下压量0.2~0.6mm。

本发明所述轻合金是指铝合金和镁合金。

如上所述，本发明的有益效果是：与现有轻合金厚板搅拌摩擦焊接方法相比，第一方面，采用变速式搅拌摩擦焊接可以促使搅拌摩擦焊接过程中，轻合金厚板内部热量更加均匀、充分，从而实现轻合金厚板的高质、高效焊接；第二方面，本发明无需增加焊前预热、焊后热处理等工序，简化了工艺流程，节省焊接时间，提高工作效率；第三方面，本发明无需对焊接工装进行特殊的改进，常用普通的焊接工装就行，也不需要购置电阻材料，降低成本。

附图说明

图1为本发明中实施例1的方法焊接的10mm厚az31镁合金搅拌摩擦焊焊缝外观图；

图2为本发明中实施例2的方法焊接的35mm厚az31镁合金搅拌摩擦焊焊缝外观图；

图3为本发明中实施例3的方法焊接的10mm厚6061铝合金搅拌摩擦焊焊缝外观图；

图4为本发明中实施例4的方法焊接的35mm厚6061铝合金搅拌摩擦焊焊缝外观图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解发明的其他优点及功效。

实施例1：首先将待焊的轧制态az31镁合金厚板母材刚性固定在垫板上，母材尺寸为300mm×100mm×10mm（长×宽×高）；接着用电钻在焊缝起始端钻孔，孔的直径φ8mm、孔的深度6mm；然后将搅拌头旋转着插入待焊镁合金厚板内，搅拌头由4cr5mosiv钢制作而成、轴肩直径18mm、搅拌针长度9.6mm、搅拌针大端直径10mm、搅拌针小端直径6mm，搅拌头到达预设的位置时停留3s后，采用不同的旋转速度和焊接速度进行变速式搅拌摩擦焊接，具体是指在焊缝前三分之一长度采用3000r/min相对更高的旋转速度、100mm/min相对更慢的行进速度，在剩余长度上采用1400r/min相对更低的旋转速度、600mm/min相对更快的行进速度，焊接过程中轴肩下压量保持0.2mm不变；搅拌头到达焊缝末端后，继续旋转着停留3s后将搅拌头拔出，完成10mm厚az31镁合金厚板焊接。焊缝外观，如图1所述。焊缝表面光亮、成型好，经x射线无损探伤焊缝内部无空洞、隧道等缺陷，经拉伸试验后发现焊缝抗拉强度达到母材的96%，焊接质量高。

实施例2：首先将待焊的轧制态az31镁合金厚板母材刚性固定在垫板上，母材尺寸为300mm×100mm×35mm（长×宽×高）；接着用电钻在焊缝起始端钻孔，孔的直径φ30mm、孔的深度20mm；然后将搅拌头旋转着插入待焊镁合金厚板内，搅拌头由4cr5mosiv钢制作而成、轴肩直径40mm、搅拌针长度34.2mm、搅拌针大端直径25mm、搅拌针小端直径18mm，搅拌头到达预设的位置时停留15s后，采用不同的旋转速度和焊接速度进行变速式搅拌摩擦焊接，具体是指在焊缝前三分之一长度采用1500r/min相对更高的旋转速度、30mm/min相对更慢的行进速度，在剩余长度上采用800r/min相对更低的旋转速度、110mm/min相对更快的行进速度，焊接过程中轴肩下压量保持0.6mm不变；搅拌头到达焊缝末端后，继续旋转着停留15s后将搅拌头拔出，完成35mm厚az31镁合金厚板焊接。焊缝外观，如图2所述。焊缝表面光亮、成型好，经x射线无损探伤焊缝内部无空洞、隧道等缺陷，经拉伸试验后发现焊缝抗拉强度达到母材的82%，焊接质量高。

实施例3：首先将待焊的6061-t6铝合金厚板母材刚性固定在垫板上，母材尺寸为300mm×100mm×10mm（长×宽×高）；接着用电钻在焊缝起始端钻孔，孔的直径φ8mm、孔的深度6mm；然后将搅拌头旋转着插入待焊母材内，搅拌头由4cr5mosiv钢制作而成、轴肩直径18mm、搅拌针长度9.6mm、搅拌针大端直径10mm、搅拌针小端直径6mm，搅拌头到达预设的位置时停留3s后，采用不同的旋转速度和焊接速度进行变速式搅拌摩擦焊接，具体是指在焊缝前三分之一长度采用2500r/min相对更高的旋转速度、80mm/min相对更慢的行进速度，在剩余长度上采用1200r/min相对更低的旋转速度、300mm/min相对更快的行进速度，焊接过程中轴肩下压量保持0.2mm不变；搅拌头到达焊缝末端后，继续旋转着停留3s后将搅拌头拔出，完成10mm厚6061-t6铝合金厚板焊接。焊缝外观，如图3所述。焊缝表面光亮、成型好；经x射线无损探伤，焊缝内部无缺陷；经拉伸试验后发现焊缝抗拉强度达到母材的85%。

实施例4：首先将待焊的6061-t6铝合金厚板母材刚性固定在垫板上，母材尺寸为300mm×100mm×35mm（长×宽×高）；接着用电钻在焊缝起始端钻孔，孔的直径φ30mm、孔的深度20mm；然后将搅拌头旋转着插入待焊母材内，搅拌头由4cr5mosiv钢制作而成、轴肩直径40mm、搅拌针长度34.2mm、搅拌针大端直径25mm、搅拌针小端直径18mm，搅拌头到达预设的位置时停留15s后，采用不同的旋转速度和焊接速度进行变速式搅拌摩擦焊接，具体是指在焊缝前三分之一长度采用2000r/min相对更高的旋转速度、60mm/min相对更慢的行进速度，在剩余长度上采用300r/min相对更低的旋转速度、120mm/min相对更快的行进速度，焊接过程中轴肩下压量保持0.6mm不变；搅拌头到达焊缝末端后，继续旋转着停留15s后将搅拌头拔出，完成35mm厚6061-t6铝合金厚板焊接。焊缝外观，如图4所述。焊缝表面光亮、成型好；经x射线无损探伤，焊缝内部无缺陷；经拉伸试验后发现焊缝抗拉强度达到母材的74%。

任何熟悉此技术的人士皆可在不违背发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由发明的权利要求所涵盖。