一种轨道车体用铝合金薄板的搅拌摩擦焊接方法与流程

本发明属于铝合金焊接技术领域，涉及一种轨道车体用铝合金薄板的搅拌摩擦焊接方法。

背景技术

搅拌摩擦焊接作为一种新型的焊接技术，近年来发展相当迅速。此项技术属于固相焊接，焊接工具与母材表面的摩擦生热和接合区材料变形产生的热量使接合区局部瞬时达到约为0.8tm的高温状态，同时经历高应变速率强变形的机械混合，实现焊接。相比于传统熔焊，搅拌摩擦焊接的更多优点包括组织致密、缺陷少、残余应力小、焊件变形小、尺寸稳定性好，而且无需复杂的焊接预处理，加工速度快、效率高，是一种低成本高质量而且节能环保的焊接技术。搅拌摩擦焊接已经广泛应用于汽车、船舶、铁道车辆、火箭、飞机的制造，并体现出优越的性能，证明其作为新型的焊接工艺有非常广阔的应用前景。

焊接过程中焊核区的动态再结晶生成小于10μm的晶粒结构。细晶强化得到的力学性能大大优于传统焊接。目前对于6系铝合金主要应用在轨道车体方面，在搅拌摩擦焊焊接过程中，通常其焊缝处的兰克福特系数r值较低(r值是金属板材的塑性各向异性的量度，被广泛用作判断重结晶的低碳金属的成形性的一个指标)，产品的冲压加工性能较差，产品的成型性较低，型材焊接处的机械性能相对也比较低，型材合格率低下。这种型材制备的轨道车体表面机械强度也较低。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明为了解决现有的搅拌摩擦焊接方法制备的6系铝合金型材焊接处的机械性能较低，型材合格率低，导致通过该型材制备的轨道车体表面机械强度低的问题，提供一种轨道车体用铝合金薄板的搅拌摩擦焊接方法。

为达到上述目的，本发明提供一种轨道车体用铝合金薄板的搅拌摩擦焊接方法，包括如下步骤：

a、制备板材：将6系铝合金型材采用差速轧制的方法，制备得到厚度为0.7～2.0mm的铝合金板材，轧制速度为0.9m/min以上，6系铝合金型材原料成分按照如下重量份数比配制：mg0.70～1.50％、si0.70～1.50％、sn0.05～0.10％、fe0.50～1.0％、mn0.20～0.50％，其余单个杂质≤0.05％，杂质合计≤0.15％，余量al；

b、焊前清理及装配：将步骤a制备的铝合金板材表面进行除油、化学清洗、烘干、打磨刮削处理；

c、固溶处理：将步骤b表面处理后的铝合金板材进行t4状态下的固溶处理，其中t4状态下的固溶处理为将铝合金板材加热到540～560℃保温后迅速冷却，获得饱和固溶体后自然时效至稳定的状态；

d、焊接：设置搅拌摩擦焊的焊接程序，焊接过程中，保证搅拌头的焊接倾斜角度为0～0.5°，搅拌头的转速为700～3000rpm，搅拌头上搅拌针的焊接速度为300～1800mm/min，搅拌针转速与焊接速度之比为1.7～3.0，搅拌针焊接的同时，同步对焊接后的焊缝部分进行冷喷涂处理，送粉速率为25g/min，送粉距离为20mm，其中冷喷涂处理中冷喷涂颗粒为20～30μm的6000系列高强铝合金颗粒；

e、焊后清理：焊接结束后，对焊缝进行打磨清理，除去焊缝表面的污染物与氧化膜；

f：人工时效：将步骤e焊后清理的铝合金板材进行人工时效，时效温度为150～190℃，时效时间为5～20h；

g：拉伸矫直：将步骤f人工时效后的铝合金板材进行拉伸矫直，拉伸量控制在

1.0％～2.0％。

进一步，步骤b中铝合金板材表面除油为用丙酮清洗铝合金板材表面的油污，化学清洗为用乙醇再次清洗铝合金板材表面，烘干为将乙醇清洗后的铝合金板材置于干燥箱内进行干燥，打磨刮削处理为采用机械式铝合金专用打磨工具去除待焊接铝合金板材表面的氧化膜。

进一步，步骤c中将铝合金板材加热到540～560℃后保温10min，然后迅速冷却至室温。

进一步，步骤d中搅拌针轴肩的直径与搅拌针的直径之比为2～3∶1，搅拌针轴肩的表面具有朝向搅拌针的凹槽，凹槽与水平方向的夹角为10～15°，搅拌针的半径为待焊接铝合金板材的1～3倍。

进一步，步骤e中打磨清理焊缝表面污染物与氧化物的工具为机械式铝合金专用打磨工具。

进一步，步骤g将拉伸矫直后的铝合金板材自然停放2～5h。

本发明的有益效果在于：

1、本发明对于6系铝合金型材采用差速轧制的方法获得铝合金板材，差速轧制的轧机重量轻，能耗低，轧制过程中轧机变形小，产品精度高；同时也减少了轧辊的磨损和中间退火，降低了生产费用，减少了轧制道，生产率高，轧机可轧厚度大。差速轧制获得的铝合金板材屈服强度有所降低，断裂伸长率得到了提高，使得最终制备轨道车体铝合金板材成型性好。

2、本发明轨道车体用铝合金薄板的搅拌摩擦焊接方法中，根据铝合金板材配料的选取，在焊接前先对铝合金板材做一步固溶处理，即能够增加强化相取向织构的积累，然后焊接后采用适当的时效处理，可以提高铝合金板材的各项性能。同时能够提高铝合金板的成形性，增加铝合金板的塑性各向异性，增加铝合金板的r值，该方法所制得的铝合金板的平均等级福特值可以为1.10或更大，能够增加强化相取向织构的积累和取向织构积聚的结晶，这提高了板材的深拉伸性和平均r值，提高了板材的成型性和焊接处的机械性能，铝合金板材焊接处的最大拉伸率可以达到母材的95％。

3、本发明轨道车体用铝合金薄板的搅拌摩擦焊接方法中，搅拌针轴肩设计为凹槽状，铝合金板材焊接过程中，被搅拌针挤出来的金属能够给被轴肩凹陷部分的空间所容纳，相当于增加了轴肩与焊材的接触面积，同时根据塑性成形中最小阻力定律可知，铝合金板材焊接过程中，焊材在轴间作用力下向凹陷部分流动的速度将增大，因此在内凹轴肩搅拌头情况下材料流动速度大于平面轴肩搅拌头，通过这种内凹状轴肩可以避免焊缝的根部缺陷。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明轨道车体用铝合金薄板的搅拌摩擦焊接方法中搅拌头的结构示意图。

具体实施方式

下面将对本发明的优选实施例进行详细的描述。

实施例1

一种轨道车体用铝合金薄板的搅拌摩擦焊接方法，包括如下步骤：

a、制备板材：将6系铝合金型材采用差速轧制的方法，制备得到厚度为0.7mm的铝合金板材，轧制速度为0.9m/min，6系铝合金型材原料成分按照如下重量份数比配制：mg0.70％、si0.70％、sn0.05％、fe0.50％、mn0.20％，其余单个杂质≤0.05％，杂质合计≤0.15％，余量al；

b、焊前清理及装配：将步骤a制备的铝合金板材表面进行除油、化学清洗、烘干、打磨刮削处理，其中铝合金板材表面除油为用丙酮清洗铝合金板材表面的油污，化学清洗为用乙醇再次清洗铝合金板材表面，烘干为将乙醇清洗后的铝合金板材置于干燥箱内进行干燥，打磨刮削处理为采用机械式铝合金专用打磨工具去除待焊接铝合金板材表面的氧化膜；

c、固溶处理：将步骤b表面处理后的铝合金板材进行t4状态下的固溶处理，其中t4状态下的固溶处理为将铝合金板材加热到540℃保温后迅速冷却，获得饱和固溶体后自然时效至稳定的状态；

d、焊接：设置搅拌摩擦焊的焊接程序，焊接过程中，保证搅拌头的焊接倾斜角度为0.5°，搅拌头的转速为700rpm，搅拌头上搅拌针的焊接速度为300mm/min，搅拌针转速与焊接速度之比为1.7，搅拌针焊接的同时，同步对焊接后的焊缝部分进行冷喷涂处理，送粉速率为25g/min，送粉距离为20mm，其中冷喷涂处理中冷喷涂颗粒为20μm的6000系列高强铝合金颗粒，如图1所示搅拌针轴肩的直径与搅拌针的直径之比为2∶1，搅拌针轴肩的表面具有朝向搅拌针的凹槽，凹槽与水平方向的夹角为10°，搅拌针的半径为待焊接铝合金板材的2倍；

e、焊后清理：焊接结束后，对焊缝进行打磨清理，除去焊缝表面的污染物与氧化膜，其中打磨清理焊缝表面污染物与氧化物的工具为机械式铝合金专用打磨工具；

f：人工时效：将步骤e焊后清理的铝合金板材进行人工时效，时效温度为190℃，时效时间为20h；

g：拉伸矫直：将步骤f人工时效后的铝合金板材进行拉伸矫直，拉伸量控制在1.0％，拉伸矫直后的铝合金板材自然停放2h。

实施例2

实施例2与实施例1的区别在于，步骤a中采用差速轧制的方法，制备得到厚度为2.0mm的铝合金板材，轧制速度为1.5m/min，6系铝合金型材原料成分按照如下重量份数比配制：mg1.50％、si1.50％、sn0.10％、fe1.0％、mn0.50％，其余单个杂质≤0.05％，杂质合计≤0.15％，余量al。

实施例3

实施例3与实施例1的区别在于，步骤d焊接过程中，保证搅拌头的焊接倾斜角度为0.5°，搅拌头的转速为3000rpm，搅拌头上搅拌针的焊接速度为1800mm/min，搅拌针转速与焊接速度之比为3.0，搅拌针焊接的同时，同步对焊接后的焊缝部分进行冷喷涂处理，送粉速率为25g/min，送粉距离为20mm，其中冷喷涂处理中冷喷涂颗粒为30μm的6000系列高强铝合金颗粒，搅拌针轴肩的直径与搅拌针的直径之比为3∶1，搅拌针轴肩的表面具有朝向搅拌针的凹槽，凹槽与水平方向的夹角为12°，搅拌针的半径为待焊接铝合金板材的3倍。

实施例4

实施例4与实施例2的区别在于，步骤d焊接过程中，保证搅拌头的焊接倾斜角度为0.5°，搅拌头的转速为3000rpm，搅拌头上搅拌针的焊接速度为1800mm/min，搅拌针转速与焊接速度之比为3.0，搅拌针焊接的同时，同步对焊接后的焊缝部分进行冷喷涂处理，送粉速率为25g/min，送粉距离为20mm，其中冷喷涂处理中冷喷涂颗粒为30μm的6000系列高强铝合金颗粒，搅拌针轴肩的直径与搅拌针的直径之比为3∶1，搅拌针轴肩的表面具有朝向搅拌针的凹槽，凹槽与水平方向的夹角为12°，搅拌针的半径为待焊接铝合金板材的3倍。

实施例5

实施例5与实施例1的区别在于，步骤f中人工时效温度为150℃，时效时间为5h。

实施例6

实施例6与实施例2的区别在于，步骤f中人工时效温度为150℃，时效时间为20h。

实施例7

实施例7与实施例1的区别在于，步骤g中拉伸量控制在2.0％，拉伸矫直后的铝合金板材自然停放5h。

实施例8

实施例8与实施例2的区别在于，步骤g拉伸量控制在2.0％，拉伸矫直后的铝合金板材自然停放5h。

对实施例1～8所制备的铝合金薄板焊缝处的兰克福特系数、焊缝处的延伸率、抗拉强度和屈服强度进行测试，其测试结果见表一。

表一：

经检测焊缝母材的延伸率为13.0％，铝合金板材焊接处的最大延伸率可以达到母材的95％以上。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。