一种铝合金厚板搅拌摩擦焊方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种铝合金的搅拌摩擦焊方法，特别适用于厚板铝及铝合金材料的焊接。
【背景技术】
[0002]铝合金具有比强度高、易成型、耐蚀性好、材料可再生等优点，现已成为轨道车辆加工制造的主要材料之一。在高速铁路车辆制造方面，更是发挥着其他材料不可替代的作用。目前，在轨道车辆的加工制造过程中，铝合金的焊接仍以熔化极惰性气体保护焊(简称MIG焊)和钨极惰性气体保护焊(简称TIG焊)等常规熔化焊为主。但因铝合金热导率高，且化学性活泼，表面易形成氧化膜，焊接时极易产生气孔、夹杂、未融合、未焊透，以及裂纹等缺陷。此外，因铝合金热膨胀系数大，焊后易产生变形。因此，一般情况下铝合金工件的焊接都需设计使用专用的工装夹具，且焊后多需调修矫形来保证最终的工件尺寸。由此可见，铝合金材料的焊接不仅质量控制难度大，而且制造工艺复杂，成本也相对较高。特别是进行诸如轨道车辆铝合金车体底架等关键部位的厚板焊接时，问题更为突出。
[0003]搅拌摩擦焊接(简称FSW)作为一种先进的固相焊接方法，其热输入量低，焊接接头强度高、焊接变形小，并且FSW焊接过程中无金属熔化，从根源上杜绝了铝合金弧焊常出现的气孔、裂纹类缺陷产生。再者FSW焊接时无需填充金属和保护气体，且无弧光、粉尘、烟雾污染，整个过程绿色环保。因此，FSW技术一经问世，即迅速得到了工业化应用推广，并以铝及铝合金材料的焊接应用最为广泛和成熟。截至目前，已大量应用于航空航天、汽车电子、化工船舶，以及轨道车辆的加工制造。
[0004]通常情况下，FSW工具，即搅拌头主要由夹持区、轴肩和搅拌针三部分组成。FSW工作时，搅拌头的搅拌针部分首先旋转扎入待焊工件，待搅拌头的轴肩与待焊工件表面充分接触，并原地停留一段时间后，再以一定的转速和焊速沿焊缝进行焊接。FSW方法虽具有众多优点，但对待焊工件的组配间隙要求却相对较严，当选用的搅拌头及焊接工艺一定时，FSW焊接时如工件组对间隙变大将会导致焊缝内部空洞，以及表面下凹量增大甚至表面沟槽缺陷产生。又因FSW焊接时，搅拌头要对工件施加较大的下压力，同时因搅拌针的扎入将对两待焊工件产生一定的向外涨开作用力。此时，如待焊工件厚度较薄时，通过增加工装强度、作用力以及作用点密度来保证FSW时工件组对间隙不发生变化。但当工件厚度较大相应地选用的搅拌头尺寸较大时，FSff的下压力以及由此对组对焊缝产生的向外撑涨作用将同步增加，特别是在搅拌针旋转扎入的启焊位置，上述效果更为明显。此时即使强化工装设计，也很难保证FSW焊接时搅拌头前方焊缝组对间隙的一致性。因此，如何实现铝合金厚板材料的批量工业化高品质FSW焊接，实际难度很大。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是针对铝合金厚板FSW难度大，特别是启焊扎入及FSW时待焊工件组对间隙难以保证的难题，提出一种提前预焊、侧位打孔启焊的FSW焊接新方法。该方法不仅降低了 FSW启焊下扎时所需的下压力，同时能够有效地控制铝合金厚板FSW时的组对间隙，确保FSW焊接的质量稳定性。另外，也降低了铝合金厚板FSW焊接时对设备、工装的要求，并能够有效延长搅拌头的使用寿命。
[0006]为实现上述目的，本发明提供一种铝合金厚板搅拌摩擦焊方法，其特征在于包括以下步骤:
1、通过FSW预组焊，实现待焊工件的部分焊合连接；
2、在焊缝侧位钻孔，以便从焊缝侧位启焊；
3、在钻孔位置侧位启焊，待搅拌头垂直行至实际焊缝中心处，再沿预组焊焊缝中心进行全焊透FSW焊接。
[0007]所述的焊缝侧位钻孔位置是在距离工件端部尺寸及焊缝中心尺寸都不小于搅拌头轴肩直径尺寸的位置。
[0008]所述的钻孔用的钻头是根据搅拌针直径尺寸的平均值进行选择，如果搅拌针直径尺寸的平均值为整数，钻头直径尺寸即为搅拌针直径尺寸的平均值；如果搅拌针直径尺寸的平均值为小数，则钻头直径尺寸为搅拌针直径尺寸的平均值两端且与平均值相邻的整数。
[0009]所述的钻孔深度等于搅拌针长度的2/5 - 3/5ο
[0010]本发明具有以下有益效果:
1.本发明开发提出了一种提前预焊、侧位打孔启焊的FSW焊接新方法，特别适用于铝合金厚板的FSW焊接；
2.本发明工艺简单，能够有效地解决铝合金厚板FSW启焊以及焊接过程中组对间隙难以控制的难题。本方法工艺过程稳定，适用于工业批量化生产；
3.本发明降低了铝合金厚板FSW对设备主轴、龙门刚度的要求，同时也降低了对工装夹具的要求，并能够有效地的延长搅拌头的使用寿命。
【附图说明】
[0011]图1是招合金厚板FSW预组焊后不意图；
图2是铝合金厚板全焊透FSW之前侧位钻孔示意图；
图3为铝合金厚板全焊透FSW焊接过程示意图；
图4是铝合金厚板提前预焊，侧位钻孔启焊的FSW焊后示意图。
【具体实施方式】
[0012]结合图1、图2、图3和图4说明本实施方式。
[0013]实施例1
待焊铝合金工件I和铝合金工件2都为35mm厚的6005A-T6铝合金型材，先用酒精擦拭待焊工件I和工件2的表面，再用钢丝刷打磨去除工件I和工件2表面及侧面氧化膜，之后实现工件I和工件2间的良好组配。选用轴肩直径15_，搅拌针长度为5_、根部直径6_、端部直径3.5_的搅拌头进行FSW预组焊，并形成预组焊焊缝3。焊接用搅拌头5的轴肩直径为45mm，搅拌针长度为34mm、根部直径30mm、端部直径8mm。选用直径为19mm的钻头，在距工件I端部及偏离预组焊焊缝3中心距离同为35mm的位置钻孔，钻孔深度为17mm，之后形成启焊导入孔4。最后采用焊接用搅拌头5在启焊导入孔4处扎入启焊，并沿垂直于预组焊焊缝3方向行进，行至预组焊焊缝3中心处，再沿预组焊焊缝3中心线进行全焊透FSW焊接，形成最终全焊透焊缝6。全焊透FSW在距预组焊焊缝匙孔3-1距离为18mm位置结束，最终在结束位置形成全焊透焊缝匙孔6-1。
[0014]实施例2
待焊铝合金工件I和铝合金工件2都为35mm厚的6005A-T6铝合金型材，先用酒精擦拭待焊工件I和工件2的表面，再用钢丝刷打磨去除工件I和工件2表面及侧面氧化膜，之后实现工件I和工件2间的良好组配。选用轴肩直径15_，搅拌针长度为5_、根部直径6_、端部直径3.5_的搅拌头进行FSW预组焊，并形成预组焊焊缝3。焊接用搅拌头5的轴肩直径为45mm，搅拌针长度为34mm、根部直径30mm、端部直径8mm。选用直径为19mm的钻头，在距工件I端部及偏离预组焊焊缝3中心距离同为35mm的位置钻孔，钻孔深度为13.6mm，之后形成启焊导入孔4。最后采用焊接用搅拌头5在启焊导入孔4处扎入启焊，并沿垂直于预组焊焊缝3方向行进，行至预组焊焊缝3中心处，再沿预组焊焊缝3中心线进行全焊透FSW焊接，形成最终全焊透焊缝6。全焊透FSW在距预组焊焊缝匙孔3-1距离为18mm位置结束，最终在结束位置形成全焊透焊缝匙孔6-1。
[0015]实施例3
待焊铝合金工件I和铝合金工件2都为35mm厚的6005A-T6铝合金型材，先用酒精擦拭待焊工件I和工件2的表面，再用钢丝刷打磨去除工件I和工件2表面及侧面氧化膜，之后实现工件I和工件2间的良好组配。选用轴肩直径15_，搅拌针长度为5_、根部直径6_、端部直径3.5_的搅拌头进行FSW预组焊，并形成预组焊焊缝3。焊接用搅拌头5的轴肩直径为45mm，搅拌针长度为34mm、根部直径30mm、端部直径8mm。选用直径为19mm的钻头，在距工件I端部及偏离预组焊焊缝3中心距离同为35mm的位置钻孔，钻孔深度为20.4mm，之后形成启焊导入孔4。最后采用焊接用搅拌头5在启焊导入孔4处扎入启焊，并沿垂直于预组焊焊缝3方向行进，行至预组焊焊缝3中心处，再沿预组焊焊缝3中心线进行全焊透FSW焊接，形成最终全焊透焊缝6。全焊透FSW在距预组焊焊缝匙孔3-1距离为18mm位置结束，最终在结束位置形成全焊透焊缝匙孔6-1。
【主权项】
1.一种铝合金厚板搅拌摩擦焊方法，其特征在于包括以下步骤: (1)通过FSW预组焊，实现待焊工件的部分焊合连接； (2)在焊缝侧位钻孔，以便从焊缝侧位启焊； (3)在钻孔位置侧位启焊，待搅拌头垂直行至实际焊缝中心处，再沿预组焊焊缝中心进行全焊透FSW焊接。2.根据权利要求1所述的一种铝合金厚板搅拌摩擦焊方法，其特征在于:所述的焊缝侧位钻孔位置是在距离工件端部尺寸及焊缝中心尺寸都不小于搅拌头轴肩直径尺寸的位置。3.根据权利要求1所述的一种铝合金厚板搅拌摩擦焊方法，其特征在于:所述的钻孔用的钻头是根据搅拌针直径尺寸的平均值进行选择，如果搅拌针直径尺寸的平均值为整数，钻头直径尺寸即为搅拌针直径尺寸的平均值；如果搅拌针直径尺寸的平均值为小数，则钻头直径尺寸为搅拌针直径尺寸的平均值两端且与平均值相邻的整数。4.根据权利要求1所述的一种铝合金厚板搅拌摩擦焊方法，其特征在于:所述的钻孔深度等于搅拌针长度的2/5 - 3/5 ο
【专利摘要】一种铝合金厚板搅拌摩擦焊方法，其特征在于：通过FSW预组焊，实现待焊工件的部分焊合连接；在焊缝侧位钻孔，以便从焊缝侧位启焊；在钻孔位置侧位启焊，待搅拌头垂直行至实际焊缝中心处，再沿预组焊焊缝中心进行全焊透FSW焊接。本发明开发提出了一种提前预焊、侧位打孔启焊的FSW焊接新方法，特别适用于铝合金厚板的FSW焊接；本发明工艺简单，能够有效地解决铝合金厚板FSW启焊以及焊接过程中组对间隙难以控制的难题。本方法工艺过程稳定，适用于工业批量化生产；本发明降低了铝合金厚板FSW对设备主轴、龙门刚度的要求，同时也降低了对工装夹具的要求，并能够有效地的延长搅拌头的使用寿命。
【IPC分类】B23K20/12
【公开号】CN105127583
【申请号】CN201510566855
【发明人】张欣盟, 张行, 毛一伟
【申请人】长春轨道客车股份有限公司
【公开日】2015年12月9日
【申请日】2015年9月9日