CN112705833B - 一种铝合金厚板搅拌摩擦焊焊接工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种铝合金厚板搅拌摩擦焊焊接工艺，用以解决现有的中厚板铝合金搅拌摩擦焊焊接技术中存在焊接热输入过大导致焊接变形大、焊接犁沟倾向大以及前期热输入过小导致焊接效率低、搅拌针容易断裂等技术问题。本发明包括焊接试板的装配定位、焊接区域的清洗、样冲冲点、小尺寸搅拌头定位焊接、大尺寸搅拌头行走焊接等关键步骤，将两块焊接试板预压紧后，利用样冲将焊接试板点冲在一起，然后先利用小尺寸搅拌头进行定位焊接使两块焊接试板形成刚性连接，再利用大尺寸搅拌头进行行走焊接，通过调节其焊接转速和焊接速度，实现焊接初始阶段热量的积累，降低焊接过程中大尺寸搅拌头断针以及焊接过热而导致焊接犁沟和塌陷的风险。

Description

一种铝合金厚板搅拌摩擦焊焊接工艺

技术领域

本发明涉及铝合金搅拌摩擦焊技术领域，具体涉及一种铝合金厚板搅拌摩擦焊焊接工艺。

背景技术

搅拌摩擦焊是一种新型高效的热固态塑化焊接技术，相比于传统熔焊方法具有高效、低耗和环保等诸多优点，能够实现有色金属如铝、镁、铜及其合金的有效焊接，在航空航天、轨道交通等诸多行业得到广泛应用。搅拌摩擦焊焊接所需热量主要来源于焊件表面与搅拌头之间的摩擦产热，在焊接渔区形成上高下低的“漏斗状”温度场，铝合金厚板焊接时，在焊缝厚度的组织性能差异很大，焊接底层组织疏松，易出现孔洞等缺陷。现有的铝合金厚板初始焊接阶段焊接热输入较小，热量积累缓慢，导致焊接下压过程热量积累的时间较长，焊接效率低，焊接过程中搅拌头的搅拌针容易发生断裂；在正常焊接阶段焊接热输入过大，导致焊接变形大、焊接犁沟倾向大等问题。焊接质量主要取决于搅拌头转速和焊接速度，现有的可调整工艺参数较少，所以铝合金厚板焊接技术难度较大。

发明内容

针对现有的中厚板铝合金搅拌摩擦焊焊接技术中存在焊接热输入过大导致焊接变形大、焊接犁沟倾向大以及前期热输入过小导致焊接效率低、搅拌针容易断裂等技术问题，本发明提出一种铝合金厚板搅拌摩擦焊焊接工艺，有效实现焊接初始阶段热量的积累，极大程度降低铝合金厚板焊接过程中大尺寸搅拌头断针以及焊接过热而导致焊接犁沟和塌陷的风险。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：一种铝合金厚板搅拌摩擦焊焊接工艺，包括如下具体步骤：

步骤S1：将两块铝合金的焊接试板置于工装垫板上并进行对接，两块焊接试板均不加工坡口，然后调整两块焊接试板的对接焊缝，并对两块焊接试板的焊接方向及其焊接平行方向进行预固定，以完成两块焊接试板的初步装夹固定；

步骤S2：清洗两块焊接试板的焊接区域；

步骤S3：对两块焊接试板的对接焊缝进行冲点定位，冲点完成后，再利用上部压紧工装和侧部顶紧工装对两块焊接试板进行夹紧固定；

步骤S4：使用小尺寸搅拌头沿着两块焊接试板的对接焊缝进行定位焊接，小尺寸搅拌头旋转压入焊接试板后保持一定的焊接转速和焊接速度进行焊接，且小尺寸搅拌头的轴肩能够将足够的焊料搅拌成型并形成致密稳定的焊缝，以完成两块焊接试板之间的刚性固定；

步骤S5：使用大尺寸搅拌头沿着两块焊接试板的对接焊缝进行行走焊接，先是大尺寸搅拌头以2倍的正常焊接转速旋转压入焊接试板，使焊接试板得到较高的焊接热输入，待大尺寸搅拌头压入焊接试板至其轴肩周围产生飞边后，大尺寸搅拌头停滞一定时间，然后调整大尺寸搅拌头至正常焊接转速，并以大尺寸搅拌头正常行走焊接速度的28%～32%开始焊接，焊接稳定后再将大尺寸搅拌头的行走焊接速度逐渐提升到正常行走焊接速度，同时在正常行走焊接过程中对焊接区域进行气冷和水冷；

步骤S6：焊接完成后，大尺寸搅拌头的焊接速度降为零，同时大尺寸搅拌头保持正常焊接转速进行回抽，待大尺寸搅拌头的搅拌针完全从焊接试板中抽出后，大尺寸搅拌头停止旋转，完成焊接。

所述两块焊接试板之间对接焊缝的间隙为0~1mm。

所述冲点直径为1mm，相邻两个冲点之间的距离为20～30mm。

所述小尺寸搅拌头的搅拌针针长为3mm、轴肩直径为10mm；大尺寸搅拌头的搅拌针针长为8.5mm、轴肩直径为17mm。

所述小尺寸搅拌头和大尺寸搅拌头的轴向与对接焊缝所在平面的法线方向之间的夹角均为2°~4°。

所述定位焊接中，小尺寸搅拌头的轴肩压入量为0.1~0.3mm，小尺寸搅拌头的焊接转速为1200r/min、焊接速度为300 mm/min。

所述行走焊接中，大尺寸搅拌头的正常焊接转速为300r/min，大尺寸搅拌头的正常行走焊接速度为80mm/min。

所述行走焊接中，大尺寸搅拌头的轴肩压入量为0.2~0.5mm，大尺寸搅拌头的停滞时间为5~7s。

所述上部压紧工装和侧部顶紧工装均包括压板和压紧螺栓，压板与焊接试板相配合，且压板通过压紧螺栓固定在工作台上。

本发明将两块焊接试板预压紧后，通过样冲将焊接试板点冲在一起，以保证焊接试板装配过程中位置关系的稳定；然后先利用小尺寸搅拌头进行定位焊接使两块焊接试板形成刚性连接，保证大尺寸搅拌头旋转下压和焊接过程中，对接的焊接试板不会被挤压分开以及位置关系也不会发生变化；最后再利用大尺寸搅拌头进行行走焊接，且在焊接过程中，通过调节大尺寸搅拌头的焊接转速和焊接速度，使焊接试板得到较高的焊接热输入，实现缩短焊接下压过程热量积累的时间，提高焊接效率，降低大尺寸搅拌头焊接过程中断针的风险，同时避免焊接过程因过热而产生犁沟和塌陷等。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明焊接试板对接装配及样冲冲点示意图；

图2为本发明大尺寸搅拌头的焊接过程示意图；

图3为本发明小尺寸搅拌头的焊接示意图；

图4为本发明大尺寸搅拌头或小尺寸搅拌头焊接过程中的示意图。

图中，1为工装垫板，2为上部压紧工装，3为侧部顶紧工装，4为焊接试板，5为压板，6为压紧螺栓。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供了一种铝合金厚板搅拌摩擦焊焊接工艺，包括如下具体步骤：步骤S1：将两块铝合金的焊接试板4置于工装垫板1上并进行对接，两块焊接试板4均不加工坡口，然后调整两块焊接试板4的对接焊缝，本实施例中，优选为两块焊接试板4之间对接焊缝的间隙为0~1mm，调整好之后再利用上部压紧工装2和侧部顶紧工装3对两块焊接试板4的焊接方向及其焊接平行方向进行预固定，以完成两块焊接试板4的初步装夹固定。步骤S2：完成步骤S1之后开始清洗两块焊接试板4的焊接区域，即清洗两块焊接试板4之间的对接焊缝以及其周边20mm范围内的区域，先进行机械抛光打磨去除焊接试板4上的氧化膜，打磨之后使用无水乙醇或丙酮对焊接区域进行清洗，以保证焊接前焊接区域洁净无污，进而保证其焊接效果。

步骤S3：使用样冲对两块焊接试板4的对接焊缝进行冲点定位，即两块焊接试板完成对接并清洗干净对接焊缝之后，用样冲沿着对接焊缝进行冲点，冲点可使得两块焊接试板通过微小变形实现彼此粘连，从而实现焊接试板预压紧后，通过样冲沿对接焊缝将焊接试板点冲在一起，高效实现两块焊接试板的初步定位，能够有效避免装配过程中焊接试板位置关系发生变动，进而保证了焊接试板装配过程中位置关系的稳定。本实施例中，所述冲点直径为1mm，且相邻两个冲点之间的距离为20～30mm，以保证两块焊接试板不会发生装配关系的错位或错边。冲点完成后，再利用上部压紧工装2和侧部顶紧工装3对两块焊接试板进行进一步地夹紧固定，实现工装压紧之后，焊接试板周围的限位工装能够有效卡住焊接试板，从而避免焊接过程中焊接试板随搅拌头移动而发生位置变化。

步骤S4：如图3所示，使用小尺寸搅拌头沿着两块焊接试板4的对接焊缝进行定位焊接，小尺寸搅拌头的搅拌针针长为3mm、轴肩直径为10mm。如图4所示，小尺寸搅拌头的轴向与对接焊缝所在平面的法线方向之间的夹角为2°~4°，优选为3°，即小尺寸搅拌头的倾斜角为3°，然后小尺寸搅拌头旋转压入焊接试板4后保持一定的焊接转速和焊接速度进行焊接，具体为小尺寸搅拌头的轴肩压入量为0.1~0.3mm，且在压入过程中，小尺寸搅拌头的焊接转速逐渐提升到1200r/min，并保持这一转速开始前进焊接，其焊接速度为300 mm/min。通过利用小尺寸搅拌头定位焊一道，实现小尺寸搅拌头的轴肩能够将足够的焊料搅拌成型并形成致密稳定的焊缝，以完成两块焊接试板4之间的刚性固定。本实施例中，由于小尺寸搅拌头的搅拌针和轴肩尺寸都较小，所以成型焊缝的飞边也较小，大尺寸搅拌头的搅拌针直径较大且轴肩直径较长，旋转压入焊接试板过程中极有可能使装配完成的焊接试板挤开，进而使装配间隙变大，导致搅拌摩擦焊接过程中轴肩下材料变少，不足以回填大尺寸搅拌头的搅拌针匙孔部位，这就增大了焊接过程中产生犁沟缺陷的倾向。因此先利用小尺寸搅拌头定位焊焊缝对焊接试板形成刚性连接，可有效防止焊接过程大尺寸搅拌头挤压使得两块焊接试板位置关系发生变化，即保证大尺寸搅拌头旋转下压和焊接过程中，对接的焊接试板不会被挤压分开以及位置关系也不会发生变化。

步骤S5：完成步骤S4后，使用大尺寸搅拌头沿着两块焊接试板4的对接焊缝进行行走焊接，大尺寸搅拌头的搅拌针针长为8.5mm、轴肩直径为17mm，且同样大尺寸搅拌头的轴向与对接焊缝所在平面的法线方向之间的夹角也为3°。具体焊接过程如图2所示，在行走焊接的初始阶段，由于大尺寸搅拌头的搅拌针未完全没入焊接试板前，焊接热量全部来源于搅拌针与焊接试板搅拌所产生的热量，这远远不能满足材料搅拌磨擦焊热固态焊接所需的热量，因此在此过程中要增大焊接热输入，即行走焊接的初始阶段，大尺寸搅拌头以2倍的正常焊接转速旋转压入焊接试板4，使焊接试板4得到较高的焊接热输入，缩短铝合金进入热塑状态的时间，保证焊接初始阶段的焊接质量；待大尺寸搅拌头压入焊接试板4至其轴肩周围产生飞边10后，大尺寸搅拌头停滞一定时间，本实施例中，大尺寸搅拌头的轴肩压入量为0.2~0.5mm，且大尺寸搅拌头的停滞时间为5~7s ，停滞过程中焊接热量来自于搅拌针搅拌作用和轴肩与焊接试板搅拌摩擦产生的热量。然后调整大尺寸搅拌头至正常焊接转速，并以大尺寸搅拌头正常行走焊接速度的28%～32%开始焊接，此处优选为以正常行走焊接速度的30%开始焊接，焊接稳定后再将大尺寸搅拌头的行走焊接速度逐渐提升到正常行走焊接速度，实现有效完成焊接初始阶段的热量积累，降低了搅拌头断针风险。本实施例中，在正常行走焊接中，大尺寸搅拌头的正常焊接转速为300r/min，大尺寸搅拌头的正常行走焊接速度为80mm/min，即在行走焊接的初始阶段，大尺寸搅拌头以600r/min的焊接转速旋转压入焊接试板4，搅拌头压入焊接试板停滞后，大尺寸搅拌头的焊接转速逐渐降低为300r/min，然后以24mm/min的行走焊接速度开始焊接，焊缝成型连续稳定后，焊接速度逐渐提升到正常行走焊接速度80mm/min，这样可有效避免最初焊接阶段焊接热输入不足而降低焊接效率，同时也防止直接开始高速焊接时导致搅拌头断针的发生。进一步地，在正常行走焊接过程中持续对焊接区域进行气冷和水冷，有效避免焊接过程因过热而产生犁沟和塌陷等现象。

步骤S6：焊接完成后，大尺寸搅拌头的焊接速度降为零，同时大尺寸搅拌头保持正常焊接转速进行回抽，待大尺寸搅拌头的搅拌针完全从焊接试板4中抽出后，大尺寸搅拌头停止旋转，完成焊接。

本实施例中，所述侧部顶紧工装3包括纵向顶紧工装和横向顶紧工装，纵向顶紧工装和横向顶紧工装均至少设有两组，其中两组纵向顶紧工装分别设置在焊接试板的上下两侧，两组横向顶紧工装分别设置在焊接试板的左右两侧，然后再配合上部压紧工装，从而实现焊接试板全方位的装夹固定。所述上部压紧工装2和侧部顶紧工装3均包括压板5和压紧螺栓6，压板5与焊接试板4相配合，且压板5通过压紧螺栓6固定在工作台上，即压板用于固定焊接试板4，通过拧动压紧螺栓6来调节压板5固定焊接试板4的松紧度，整体操作简单，使用方便。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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。

Claims (5)

1.一种铝合金厚板搅拌摩擦焊焊接工艺，其特征在于，包括如下具体步骤：

步骤S1：将两块铝合金的焊接试板（4）置于工装垫板（1）上并进行对接，两块焊接试板（4）均不加工坡口，然后调整两块焊接试板（4）的对接焊缝，并对两块焊接试板（4）的焊接方向及其焊接平行方向进行预固定，以完成两块焊接试板（4）的初步装夹固定；

步骤S2：对两块焊接试板（4）的焊接区域进行机械打磨，再用无水乙醇对打磨后的焊接区域进行清洗；

步骤S3：对两块焊接试板（4）的对接焊缝进行冲点定位，冲点直径为1mm，相邻两个冲点之间的距离为20～30mm，冲点完成后，再利用上部压紧工装（2）和侧部顶紧工装（3）对两块焊接试板进行夹紧固定；

步骤S4：使用小尺寸搅拌头沿着两块焊接试板（4）的对接焊缝进行定位焊接，小尺寸搅拌头旋转压入焊接试板（4）后保持一定的焊接转速和焊接速度进行焊接，且小尺寸搅拌头的轴肩能够将足够的焊料搅拌成型并形成致密稳定的焊缝，以完成两块焊接试板（4）之间的刚性固定；所述小尺寸搅拌头的搅拌针针长为3mm、轴肩直径为10mm；定位焊接中，小尺寸搅拌头的轴肩压入量为0.1~0.3mm，小尺寸搅拌头的焊接转速为1200r/min、焊接速度为300mm/min；

步骤S5：使用大尺寸搅拌头沿着两块焊接试板（4）的对接焊缝进行行走焊接，先是大尺寸搅拌头以2倍的正常焊接转速旋转压入焊接试板（4），使焊接试板（4）得到较高的焊接热输入，待大尺寸搅拌头压入焊接试板（4）至其轴肩周围产生飞边后，大尺寸搅拌头停滞一定时间，然后调整大尺寸搅拌头至正常焊接转速，并以大尺寸搅拌头正常行走焊接速度的28%～32%开始焊接，焊接稳定后再将大尺寸搅拌头的行走焊接速度逐渐提升到正常行走焊接速度，同时在正常行走焊接过程中对焊接区域进行气冷和水冷；所述大尺寸搅拌头的搅拌针针长为8.5mm、轴肩直径为17mm；行走焊接中，大尺寸搅拌头的正常焊接转速为300r/min，大尺寸搅拌头的正常行走焊接速度为80mm/min；

步骤S6：焊接完成后，大尺寸搅拌头的焊接速度降为零，同时大尺寸搅拌头保持正常焊接转速进行回抽，待大尺寸搅拌头的搅拌针完全从焊接试板（4）中抽出后，大尺寸搅拌头停止旋转，完成焊接。

2.根据权利要求1所述的铝合金厚板搅拌摩擦焊焊接工艺，其特征在于：所述两块焊接试板（4）之间对接焊缝的间隙为0~1mm。

3.根据权利要求2所述的铝合金厚板搅拌摩擦焊焊接工艺，其特征在于：所述小尺寸搅拌头和大尺寸搅拌头的轴向与对接焊缝所在平面的法线方向之间的夹角均为2°~4°。

4.根据权利要求3所述的铝合金厚板搅拌摩擦焊焊接工艺，其特征在于：所述行走焊接中，大尺寸搅拌头的轴肩压入量为0.2~0.5mm，大尺寸搅拌头的停滞时间为5~7s。

5.根据权利要求1~4任一项所述的铝合金厚板搅拌摩擦焊焊接工艺，其特征在于：所述上部压紧工装（2）和侧部顶紧工装（3）均包括压板（5）和压紧螺栓（6），压板（5）与焊接试板（4）相配合，且压板（5）通过压紧螺栓（6）固定在工作台上。

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