一种提高7系铝合金搅拌摩擦焊接头性能的装置和方法与流程

本发明属于材料加工技术领域，具体涉及一种提高7系铝合金搅拌摩擦焊接头性能的装置和方法。

背景技术：

7系铝合金属于(al-zn-mg-(cu))可热处理强化型高强铝合金，具有较高的比强度和比刚度，较好的耐腐蚀性能和优异的加工性能等优点，是航空、航天、压力容器、铁道运输等行业重要的结构材料之一。由于采用传统熔化极惰性气体保护焊(metalinert-gaswelding)和非熔化极惰性气体钨极保护焊(tungsteninertgaswelding)等工艺对7系铝合金焊接时易出现焊接热裂纹、气孔等缺陷，所以一般7系铝合金被认为是不可焊的铝合金。

搅拌摩擦焊(frictionstirwelding)是由英国焊接研究所于1991年发明的一种固相焊接工艺。该焊接方法以高速旋转的搅拌头与工件摩擦产热，使材料产生剧烈的塑性变形，随着搅拌头的行走，两侧热塑化的金属相互混合并完成连接。由于fsw接头的性能高、环保和焊接残余应力小等优点，被认为是铝合金优选的焊接工艺。fsw接头分为焊核区(nuggetzone，nz)、热机械影响区(thermo-mechanicallyaffect-edzone，tmaz)、热影响区(heataffectedzone，haz)和母材区(basemetal，bm)。虽然fsw焊接热输入量较低，但对于7系铝合金fsw接头，热影响区(haz)会发生明显的软化，即7系铝合金fsw接头的硬度曲线为典型的“w”型。这是由于热影响区受到焊接热循环的影响，析出强化相会发生粗化，导致硬度和强度下降。而由于7系铝合金具有较强的时效性，随着自然时效时间的延长，接头靠近焊核区的硬度和强度将获得较大程度的恢复，这是由于搅拌区域由于受到搅拌头的剧烈搅拌和高温循环作用，大量析出强化相会发生溶解，随着自然时效，强化相的析出动力很大，导致硬度和强度显著提高。而热影响区的析出相大多发生粗化，仅少部分回溶到基体中，自然时效过程中，该区域强化相析出动力很小，导致硬度和强度的恢复程度很低。热影响区的软化区依然是接头最为薄弱的位置，即断裂位置。

目前，提高fsw接头性能的手段主要有：1.在空气和水冷介质条件下进行焊接；2.接头焊后热处理。中国专利201010594943.3公布了选用的冷却介质，经高压喷头装置对焊缝形成区进行冷却，来提高接头的性能。上述方法采用的冷却介质会对钢制焊接设备造成腐蚀，且冷却介质的流量控制和回收等存在一定的问题。中国专利201720976083.7公布了一种具备冷却效果的搅拌摩擦焊接的装置。主要将冷却液喷射到焊缝区周围，同时冷却液也会在底板中流通。上述方法的试板整体冷却作用会导致焊缝区的热输入降低，降低焊缝区的金属流动能力，容易形成焊接缺陷的问题；且夹具的灵活性较差。中国专利201510139804.4公布了一种改善7系铝合金搅拌摩擦焊接头质量和力学性能的方法。主要是对7系系铝合金搅拌摩擦焊接头进行焊后热处理，提高接头的力学性能，但该方法工程应用的难度大，且效率不高。

技术实现要素：

为了解决现有技术存在的问题,本发明提供一种提高7系铝合金搅拌摩擦焊接头性能的装置和方法，技术方案如下：

一种提高7系铝合金搅拌摩擦焊接头性能的装置，所述装置包括底部衬板，底部衬板的顶部用于放置待焊接的试板，试板的上下两侧均设置有水冷散热板，水冷散热板的位置分别对应焊缝左右两侧的热影响区，底部衬板的两侧还设置有用于固定试板的焊接夹具，焊缝位置的上方设置有搅拌头。

水冷散热板包括设置于试板底部的水冷散热沉板和设置于试板顶部的水冷散热压板，底部衬板顶部开设有两个凹槽，两个凹槽平行设置，两个凹槽内分别设置有与其尺寸相适配的水冷散热沉板，水冷散热沉板的上表面与底部衬板上表面平齐，两个水冷散热沉板分别位于试板焊缝左右两侧热影响区的下方，试板顶部设置有两个水冷散热压板，分别位于焊缝左右两侧，两个水冷散热压板分别与试板的下部两个水冷散热沉板位置相对应。

两个水冷散热沉板内均设置有空腔，两个水冷散热沉板的空腔通过胶皮软管连通，左侧的水冷散热沉板设置有第一出水口，右侧的水冷散热沉板设置有第一入水口；

两个水冷散热压板内均设置有空腔，两个水冷散热压板的空腔通过胶皮软管连通，左侧的水冷散热压板设置有第二出水口，右侧的水冷散热压板设置有第二入水口，第一入水口和第二入水口均与外部工业冷却水机的出水阀连通，第一出水口和第二出水口均与与外部工业冷却水机的进水阀连通。

所述焊接夹具设置有两套，以底部衬板为中心对称设置，其包括夹具盖板、夹具螺栓和夹具垫板，底部衬板下表面连接有工作平台，夹具垫板固定装配在工作平台的上表面，夹具盖板的一端与夹具垫板顶部搭接，夹具盖板的另一端与水冷散热压板的顶部搭接，夹具螺栓竖直贯穿夹具盖板中部并与工作平台螺接。

两个凹槽的侧壁均开设有测温孔，测温孔内安装有热电偶，热电偶与外部温度监测装置电连接。

水冷散热板与焊缝之间相隔一定的距离，定义所述距离为l，2mm≤l≤5mm。

l优选为2mm。

一种提高7系铝合金搅拌摩擦焊接头性能的方法，采用前述一种提高7系铝合金搅拌摩擦焊接头性能的装置，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：将两个水冷散热沉板分别置于底部衬板两侧的凹槽中，两个水冷散热沉板的位置分别对应试板焊缝两侧热影响区的位置，凹槽的长宽尺寸略大于水冷散热沉板的长宽尺寸，水冷散热沉板的上表面底部衬板上表面平齐，将两个水冷散热沉板用胶皮软管连通，第一入水口和第一出水口分别与工业冷水机相连；

步骤二：将两块待焊接试板的对接面进行机械打磨处理，去除表面氧化层，使得试板端面露出金属光泽，并用丙酮擦洗表面，风干备用；

步骤三：将两块试板置于底部衬板顶部，两试板的对接线与两侧凹槽的对称轴重合，将两个水冷散热压板分别置于两块试板的上表面，上部两个水冷散热压板分别与下部两个水冷散热沉板位置相对应，将两个水冷散热压板用胶皮软管连通，第二入水口和第二出水口分别与工业冷水机相连；

步骤四：安装焊接夹具，使夹具盖板压在水冷散热压板顶部，以固定试板；

步骤五：将两个热电偶分别插入至两侧凹槽侧壁处的测温孔中，并用纯铝条将热电偶固定；

步骤六：将工业冷却水机打开，设定循环冷却水的温度，打开工业冷却水机的进水阀和出水阀，向水冷散热压板和水冷散热沉板内通入冷却水，监测两个热电偶的温度测试曲线，当温度曲线稳定后，开始进行搅拌摩擦焊接。

所述步骤六中工业冷却水的设定温度为-30～20℃。

与现有技术相比，本发明具有操作简单、可行性强和环保等优点，且有效抑制搅拌摩擦焊接头热影响区软化的问题。在热影响附近位置分别放置水冷散热板，可以有效限制该位置受到焊接热循环的影响，降低该位置强化析出相的粗化程度，从而提高接头的力学性能。水冷散热板与焊缝区相隔一定的距离，这样在焊接过程中水冷散热板对焊缝区温度的影响很小，保证焊缝区金属较好的流动能力，获得无缺陷的焊接接头。采用热电偶对温度进行测量，有利于监测焊接过程中热影响区的温度变化情况，为进一步优化焊接工艺和焊接质量的跟踪控制提供更为准确的数据基础。

附图说明

图1为本发明装置的主视结构示意图；

图2为本发明装置的俯视结构示意图；

图3为本发明底部衬板与水冷散热沉板的装配结构示意图；

图4为本发明实施例1中7n01-t5铝合金搅拌摩擦焊接头显微硬度曲线；

图5为本发明实施例1中7n01-t5铝合金常规搅拌摩擦热影响区tem图片。

图6为本发明实施例1中7n01-t5铝合金局部冷区搅拌摩擦热影响区tem图片。

其中：试板1；搅拌头2；水冷散热压板3；第二出水口4；第二入水口5；夹具盖板6；夹具螺栓7；夹具垫板8；底部衬板9；水冷散热沉板10；第一出水口11；测温孔12；第一入水口13；工作平台14；凹槽15。

具体实施方式

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

实施例1

如图1至图6所示，本发明提供了一种提高7系铝合金搅拌摩擦焊接头性能的装置，包括底部衬板9，底部衬板9的顶部用于放置待焊接的试板1，试板1的上下两侧均设置有水冷散热板，水冷散热板的位置分别对应焊缝左右两侧的热影响区，水冷散热板与焊缝之间相隔一定的距离l，l具体为2mm，底部衬板9的两侧还设置有用于固定试板1的焊接夹具，焊缝位置的上方设置有用于进行焊接的搅拌头2。

水冷散热板包括设置于试板1底部的水冷散热沉板10和设置于试板1顶部的水冷散热压板3，底部衬板9顶部开设有两个凹槽15，两个凹槽15平行设置，两个凹槽15内分别设置有与其尺寸相适配的水冷散热沉板10，水冷散热沉板10的上表面与底部衬板9上表面平齐，两个水冷散热沉板10分别位于试板1焊缝左右两侧热影响区的下方，试板1顶部设置有两个水冷散热压板3，分别位于焊缝左右两侧，两个水冷散热压板3分别与试板1的下部两个水冷散热沉板10位置相对应。

具体的，水冷散热沉板10采用厚度为3mm硬铝制作，而水冷散热压板3不仅起到在试板1上部冷却热影响区作用还会受到夹具的较大的挤压力，因此采用厚度为6mm的不锈钢板制作。

两个凹槽15相邻侧壁之间相距40mm，凹槽15的尺寸为350mm×50mm×20mm(长×宽×深)，水冷散热沉板10的尺寸为349mm×49mm×20mm(长×宽×深)，水冷散热压板3尺寸为349mm×49mm×15mm(长×宽×深)。

两个水冷散热沉板10内均设置有空腔，两个水冷散热沉板10的空腔通过胶皮软管连通，左侧的水冷散热沉板10设置有与其内部空腔相连通的第一出水口11，右侧的水冷散热沉板10设置有与其内部空腔相连通的第一入水口13；

两个水冷散热压板3内均设置有空腔，两个水冷散热压板3的空腔通过胶皮软管连通，左侧的水冷散热压板3设置有与其内部空腔相连通的第二出水口4，右侧的水冷散热压板3设置有与其内部空腔相连通的第二入水口5，第一入水口13和第二入水口5均与外部工业冷却水机的出水阀连通，第一出水口11和第二出水口4均与与外部工业冷却水机的进水阀连通，由工业冷却水机向第一入水口13和第二入水口5供给冷水，冷水对焊缝热影响区冷却后经由第一出水口11和第二出水口4回流至工业冷却水机，其中水冷散热沉板10和水冷散热压板3内部的冷却水由同一台工业冷水机供给。

所述焊接夹具设置有两套，以底部衬板9为中心对称设置，其包括夹具盖板6、夹具螺栓7和夹具垫板8，底部衬板9下表面连接有工作平台14，夹具垫板8固定装配在工作平台14的上表面，夹具盖板6的一端与夹具垫板8顶部搭接，夹具盖板6的另一端与水冷散热压板3的顶部搭接，夹具螺栓7竖直贯穿夹具盖板6中部并与工作平台14螺接，利用杠杆原理对水冷散热压板3进行固定，当旋紧夹具螺栓7时，夹具盖板6对夹具垫板8和水冷散热压板3同时施加压力，使水冷散热压板3、试板1、水冷散热沉板10三者之间紧密贴合，从而达到较好的冷却效果，同时亦可达到固定试板1的目的，防止焊接时试板1发生窜动。

两个凹槽15的侧壁均开设有测温孔12，测温孔12内安装有热电偶，热电偶与外部温度监测装置电连接，热电偶具体为k-型热电偶，测温范围为-100～600℃。

一种提高7系铝合金搅拌摩擦焊接头性能的方法，采用前述一种提高7系铝合金搅拌摩擦焊接头性能的装置，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：将两个水冷散热沉板10分别置于底部衬板9两侧的凹槽15中，两个水冷散热沉板10的位置分别对应试板1焊缝两侧热影响区的位置，凹槽15的长宽尺寸略大于水冷散热沉板10的长宽尺寸，水冷散热沉板10的上表面底部衬板9上表面平齐，将两个水冷散热沉板10用胶皮软管连通，第一入水口13和第一出水口11分别与工业冷水机相连；

步骤二：将两块待焊接试板1的对接面进行机械打磨处理，去除表面氧化层，使得试板1端面露出金属光泽，并用丙酮擦洗表面，风干备用；

步骤三：将两块试板1置于底部衬板9顶部，两试板1的对接线与两侧凹槽15的对称轴重合，将两个水冷散热压板3分别置于两块试板1的上表面，上部两个水冷散热压板3分别与下部两个水冷散热沉板10位置相对应，将两个水冷散热压板3用胶皮软管连通，第二入水口5和第二出水口4分别与工业冷水机相连；

步骤四：安装焊接夹具，使夹具盖板6压在水冷散热压板3顶部，以固定试板1，避免试板1在焊接过程中松动；

步骤五：将两个热电偶分别插入至两侧凹槽15侧壁处的测温孔12中，并用纯铝条将热电偶固定，避免热电偶在焊接过程中脱落；

步骤六：将工业冷却水机打开，设定循环冷却水的温度，打开工业冷却水机的进水阀和出水阀，向水冷散热压板3和水冷散热沉板10内通入冷却水，监测两个热电偶的温度测试曲线，当温度曲线稳定后，开始进行搅拌摩擦焊接。

在本实施例中，试板1具体选用10mm厚的7n01-t5铝合金板材，进行fsw对焊，工业冷却水机设定温度为0℃，等到热电偶的测量温度曲线保持稳定在0℃时候，开始搅拌摩擦焊接。

搅拌摩擦焊接参数为搅拌头2转数为1200r/min，行进速度为80mm/min，搅拌针倾斜角度为2.5°，压下量为0.2mm，搅拌针长度为9.8mm，轴肩直径为22mm。焊接完成后，对试板1截取拉伸试样，每组试样为3个平行试样，拉伸实验结果为3组试样的平均值，对比发现采用局部冷却，接头的屈服强度和断裂延伸率略有提高，而抗拉强度提高了25.6mpa，见下表。

接头的横截面的硬度曲线对比发现，如图4所示，常规搅拌摩擦焊接头的硬度为典型的“w”型，热影响区存在明显软化区，软化区硬度为66hv，而局部冷却接头的软化区硬度为75hv明显提高，且间距变小；对常规和局部冷却试样的热影响区进行tem观察，如图5和图6所示，发现，局部冷却试样η析出相的粗化情况明显减少，所以导致接头的硬度和力学性能的提高。

实施例2

一种提高7系铝合金搅拌摩擦焊接头性能的装置和方法，其装置结构和使用的方法与实施例1相同，不同之处在于本实施例对6mm7075-t6铝合金进行fsw对焊，冷却水设置温度为-5℃，焊接工艺参数为搅拌头2转数为1200r/min，行进速度为40mm/min，搅拌针倾斜角度为2.5°，压下量为0.2mm，搅拌针长度为5.8mm，轴肩直径为16mm。接头的拉伸性能如下表所示，冷却试样的抗拉强度提高了31.4mpa。

如上所述，结合附图和实施例所给出的方案内容，可以衍生出类似的技术方法。对于其他可热处理强化铝合金均可以利用该装置和方法提高接头的力学性能；依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。