本发明涉及搅拌摩擦焊接领域，特别涉及一种减少搅拌摩擦焊接对搭接接头缺陷的焊接方法。
背景技术：
搅拌摩擦焊接(frictionstirwelding，简称fsw)技术作为一种固相连接技术，在焊接过程中能有效避免熔化焊中出现的由于冶金问题产生的气孔、夹杂等焊接缺陷。但是在搅拌摩擦焊接应用于搭接结构的焊接时，由于焊缝金属的塑性流动，会在接头搅拌区的两侧出现钩状缺陷，尤其在后退侧还会出现延伸至搅拌区中的冷搭接缺陷(热加工工艺vol.46,no.3(2017)p189-194；jmaterprocesstechnol,vol.238(2016)p244-254)，严重危害接头的质量，是搅拌摩擦搭接焊接中亟待解决的问题。
对搭接结构是一种兼具对接结构和搭接结构特征的常见结构，例如在高铁、轻轨列车车体侧墙的搅拌摩擦焊接中经常需要针对这种对搭接结构进行焊接(jmseinternationaljournal,vol.47,no.3(2004)p502-511；工艺与新技术，vol.42,no.5(2013)p31-36)。对于这种对搭接结构的搅拌摩擦焊接，目前主要通过搅拌针置于对接贴合面中心的方式对其进行焊接。这种方式对于搅拌针长度的选择与焊接过程的控制提出了非常高的要求。当搅拌针端部未触及搭接贴合面时，会引起未焊透缺陷，就需要进行补焊(焊接，vol.11,(2016)p37-40)；若搅拌针端部接触到搭接贴合面(类似搭接结构焊接)，就会引起类似搭接焊中出现的钩状缺陷或冷搭接缺陷(李红，城轨铝合金车体侧墙搅拌摩擦焊接技术研究，哈尔滨工业大学硕士学位论文，2014，p35-36)，从而影响接头性能。分析对搭接结构的特性可见，这种结构只有一侧类似于搭接结构，采用较长搅拌针进行焊接时，焊接过程中只会在接头的一侧出现钩状缺陷或者冷连接缺陷，另一侧由于不存在搭接界面，便不会出现上述缺陷。研究表明将搭接界面作为后退侧时，接头受缺陷的不利影响较小，接头的性能要优于将搭接面作为前进侧时接头的性能(焊接技术，vol.16,(2014)p57-60,64)。然而采用这种方式时，会在搅拌区中形成冷搭接缺陷，仍然会对接头的性能产生不利影响。
鉴于前进侧的钩状缺陷对接头性能的不利影响要大于冷连接缺陷(专利申请号：201410705553.7)，因此如何采用简单的方式消除对搭接结构中钩状缺陷，同时尽可能减少搅拌区中冷搭接缺陷，对于提高对搭接结构接头的质量，具有重要的意义。
技术实现要素：
为解决现有技术在搅拌摩擦对搭接结构焊接中存在的钩状缺陷和冷搭接缺陷严重影响接头性能、质量的问题，本发明提供一种减少搅拌摩擦焊接对搭接接头缺陷的焊接方法。
本发明所述焊接方法包括：
步骤一、测量被焊工件和搅拌头的几何参数：
被焊工件包括平板被焊工件和台阶被焊工件，平板被焊工件包括第一对接表面及第一搭接表面，台阶被焊工件包括第二对接表面及第二搭接表面；平板被焊工件的第一对接表面与台阶被焊工件的第二对接表面紧密贴合组成对接结合面，平板被焊工件的第一搭接表面与台阶被焊工件的第二搭接表面紧密贴合组成搭接贴合面；搅拌头包括互相连接的轴肩和搅拌针；
测量平板被焊工件被焊区域的板材厚度h1、台阶被焊工件被焊区域的板材厚度h2、轴肩的直径d1、所述搭接贴合面的横向宽度l1；轴肩下压至施焊状态时从轴肩面到搭接结合面的距离l2，l2为所述厚度h1与预设的轴肩下压量之差，并测量在所述l2处搅拌针的直径d2；所述直径d1与所述直径d2之差的一半应大于等于所述宽度l1，即l1不小于0.5(d1-d2)；搅拌针长度l3大于所述厚度h1且小于所述厚度h2；搅拌针根部的直径d3至少比所述直径d1小2mm；搅拌针远离轴肩的端部的直径d4至少比所述直径d3小2mm；
步骤二、固定被焊工件：
利用夹具将所述被焊工件固定在工作台上，且使平板被焊工件紧密对搭于台阶被焊工件的上方，使对接贴合面和搭接贴合面都实现紧密贴合，平板被焊工件与台阶被焊工件最高上表面保持在同一水平面，完成被焊工件的组装；
步骤三、确定施焊位置：
首先，将搅拌头移至所述被焊工件的对接贴合面上方，使搅拌针的中心线位于对接贴合面的正上方；然后将搅拌针的中心线向前进侧水平偏移0.5d2的距离，使搅拌针在搭接结合面处的外壁与对接贴合面和搭接贴合面形成的交线相切，完成搅拌头的定位；
步骤四、搅拌摩擦焊接：
搅拌头压入所述被焊工件中，保持所述搅拌针在搭接结合面处的外壁始终与所述对接贴合面和搭接贴合面形成的交线相切；搅拌头沿平行于所述对接贴合面与所述被焊工件上表面的交线方向行走，直至焊接完成。
步骤一中所述搅拌针为锥形搅拌针。
步骤一中所述预设的轴肩压入量控制在0.1-0.3mm范围内。
所述搅拌针的插入量应大于h1并小于5/6h2。
步骤四中所述搅拌头下压时速度控制在2-300mm/min。
步骤四中施焊过程中，以高焊接热输入的方式进行搅拌摩擦对搭接焊，即控制所述搅拌头的转速在800-3000rpm/min之间，且所述转速与所述搅拌头行进速度的比值不低于3。
本发明主要采用锥形搅拌针偏置于前进侧的方式，以高焊接热输入方式进行搅拌摩擦对搭接焊接，轴肩的下压量控制在0.1-0.3mm范围内，且搅拌针的插入量应大于h1并小于5/6h2。利用这种搅拌针偏置的方式避免搭接贴合面处的氧化膜进入到接头的搅拌区中，在巧妙的避免了对搭接结构接头前进侧钩状缺陷产生的基础上，同时减少了后退侧中搅拌区内的冷搭接缺陷的形成。
附图说明
图1是本发明中搅拌摩擦对搭接结构焊接工艺的示意图；
图2是本发明中被焊工件平板被焊工件结构示意图；
图3是本发明中被焊工件台阶被焊工件结构示意图；
图4是采用本发明的焊接方法获得的对搭接结构的铝合金接头的金相图：其中图a为采用本发明的焊接方法获得的接头的宏观形貌图，图b为采用本发明的焊接方法获得的接头后退侧微观组织图；
图5是采用现有搅拌摩擦焊接方法获得的对搭接结构的铝合金接头的金相图：其中图a为采用现有焊接方法获得的接头的宏观形貌图，图b为采用现有焊接方法获得的接头后退侧微观组织图。
图中：1平板被焊工件，2台阶被焊工件，3第一对接表面，4第一搭接表面，5第二对接表面，6第二搭接表面，7轴肩，8搅拌针；a对接贴合面，b搭接贴合面，c轴肩面；h1平板被焊工件被焊区域的板材厚度，h2台阶被焊工件被焊区域的板材厚度，h3平板被焊工件远离被焊区域的板材厚度，h4台阶被焊工件远离被焊区域的板材厚度；l1搭接贴合面(b)的横向宽度l1，l2轴肩下压至施焊状态时从连接搅拌针根部的轴肩面(c)到搭接结合面(b)的距离，l3搅拌针长度；d1轴肩直径，d2搅拌针在l2处的直径，d3搅拌针根部的直径，d4搅拌针远离轴肩的端部的直径。
具体实施方式
为了解决现有技术存在的问题，如图1至图5所示，本发明提供了一种减少搅拌摩擦焊接对搭接接头缺陷的焊接方法，该搅拌摩擦焊接对搭接焊接的方法的步骤如下：
步骤一、测量被焊工件和搅拌头的几何参数：
被焊工件包括平板被焊工件(1)和台阶被焊工件(2)，平板被焊工件(1)包括第一对接表面(3)及第一搭接表面(4)，台阶被焊工件(2)包括第二对接表面(5)及第二搭接表面(6)；平板被焊工件(1)的第一对接表面(3)与台阶被焊工件(2)的第二对接表面(5)紧密贴合组成对接结合面(a)，平板被焊工件(1)的第一搭接表面(4)与台阶被焊工件(2)的第二搭接表面(6)紧密贴合组成搭接贴合面(b)；搅拌头包括互相连接的轴肩(7)和搅拌针(8)：轴肩(7)为圆柱形轴肩，搅拌针(8)为锥形搅拌针；
测量平板被焊工件(1)靠近对接贴合面区域即被焊区域的板材厚度h1、台阶被焊工件(2)靠近对接贴合面区域即被焊区域的板材厚度h2、轴肩(7)的直径d1、搭接贴合面(b)的横向宽度l1；平板被焊工件远离被焊区域的板材厚度h3应小于等于h1、台阶被焊工件远离被焊区域的板材厚度h4应小于等于h2；轴肩(7)下压至施焊状态时从轴肩面(c)到搭接结合面(b)的距离l2，为板材厚度h1与预设的轴肩下压量之差，且预设的轴肩下压量应控制在0.1-0.3mm范围内；测量在l2处搅拌针(8)的直径d2；直径d1与直径d2之差的一半应大于等于横向宽度l1，即l1不小于0.5(d1-d2)；搅拌针(8)长度l3大于板材厚度h1且小于板材厚度h2；搅拌针(8)根部的直径d3至少比轴肩(7)直径d1小2mm；搅拌针(8)远离轴肩(7)的端部的直径d4至少比直径d3小2mm；
步骤二、固定被焊工件：
利用夹具将被焊工件固定在工作台上，且使平板被焊工件(1)紧密对搭于台阶被焊工件(2)的上方，使对接贴合面(a)和搭接贴合面(b)都实现紧密贴合，平板被焊工件(1)与台阶被焊工件(2)最高上表面保持在同一水平面，完成被焊工件的组装；
步骤三、确定施焊位置：
将搭接贴合面一侧作为后退侧，另一侧即台阶被焊工件(2)一侧作为前进侧；首先，将搅拌头移至被焊工件的对接贴合面(a)上方，使搅拌针(8)的中心线位于对接贴合面(a)的正上方；然后将搅拌针(8)的中心线向前进侧水平偏移0.5d2的距离，使搅拌针(8)在搭接结合面(b)处的外壁与对接贴合面(a)和搭接贴合面(b)形成的交线相切，如图1中虚线位置所示，完成搅拌头的定位；
步骤四、搅拌摩擦焊接：
搅拌头以2-300mm/min的下压速度压入被焊工件中，保持搅拌针(8)在搭接结合面(b)处的外壁始终与对接贴合面(a)和搭接贴合面(b)形成的交线相切；以高焊接热输入的方式控制搅拌头转速在800-3000rpm/min之间，且转速(rpm/min)与搅拌头的行进速度(mm/min)的比值不低于3，使搅拌头沿平行于对接贴合面(a)与被焊工件上表面的交线的方向行走，直至焊接完成。
实施例1
将h1＝4mm的铝合金平板被焊板材1和h2＝6mm的铝合金台阶被焊板材2，进行对搭接结构装配，对接面贴合面高度与h1相同、即为4mm，搭接贴合面长度l1选为15mm，然后采用本发明的焊接方法进行搅拌摩擦焊接：搅拌针长l3＝5.4mm，下压量＝0.2mm，搅拌针根部直径d3＝6mm，端部直径d4＝4mm，搭接贴合面交接处的搅拌针直径为d2＝4.6mm，轴肩直径d1＝18mm，转速800r/min，焊接速度200mm/min，搅拌针偏置对接贴合面中心的距离为0.5×4.6mm＝2.3mm。微观组织分析显示，接头中前进侧没有出现钩状缺陷，特别是在后退侧的搅拌区中未发现冷搭接缺陷的产生(如图4所示)，因此接头的质量得到显著提高。
对比例1
将h1＝4mm的铝合金平板被焊板材1和h2＝6mm的铝合金台阶被焊板材2，进行对搭接结构装配，对接面贴合面高度与h1相同、即为4mm，搭接贴合面长度l1选为15mm，然后采用现有搅拌摩擦焊接的方法：搅拌针l3＝5.4mm，下压量为0.2mm，搅拌针根部直径d3＝6mm，端部直径d4＝4mm，轴肩直径d1＝18mm，转速800r/min，焊接速度200mm/min，搅拌针中心线置于对接贴合面的正上方。微观组织分析显示，虽然在接头中前进侧没有出现钩状缺陷，但是在后退侧的搅拌区中发现了延伸至搅拌区的冷搭接缺陷(如图5所示)，影响了接头的质量。
本发明在传统对搭接搅拌摩擦焊接的基础上，将搭接贴合面一侧作为后退侧，提出了将锥形搅拌针向前进侧偏置的方式进行焊接，即申请中的一种减少搅拌摩擦焊接对搭接接头缺陷的焊接方法，在巧妙的避免了对搭接结构接头前进侧钩状缺陷产生的基础上，同时减少了后退侧在搅拌区中形成的冷搭接缺陷。
本发明操作工艺简单，易于实现，适用于各种厚度的对搭接结构的搅拌摩擦焊接，接头的质量显著提高。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。