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CN106475677A - 一种带开槽的异种合金t型搅拌摩擦焊接装置及焊接方法 - Google Patents

一种带开槽的异种合金t型搅拌摩擦焊接装置及焊接方法 Download PDF

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曹增强
李可
曹跃杰
杨宝惠
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Abstract

本发明公开了一种带开槽的异种合金T型搅拌摩擦焊接装置及焊接方法，是一种利用原位混合反应法，通过对已填入粉末的开口槽机械搅拌和摩擦生热，促使粉末弥散分布于焊核区，从而获得较好的焊接接头组织及力学性能。本发明使用的焊接装置专用于薄板和筋条的T型搅拌摩擦焊接，该装置结构简单、操作方便、易拆卸且夹紧牢靠，不但能够有效解决高强、高硬和高熔点的带开槽异种合金T型搅拌摩擦焊接问题，而且对实现焊接接头微观组织和力学性能的调控提供了可行性。

Description

一种带开槽的异种合金T型搅拌摩擦焊接装置及焊接方法
技术领域
本发明涉及一种用于带开槽的异种合金T型搅拌摩擦焊接方法以及一种用于这种搅拌摩擦焊接方法的焊接装置，具体涉及一种原位混合反应法，通过在开口槽填充纯钛粉或TiN粉末，并利用专用夹具固定牢靠，在摩擦热和机械搅拌作用下，使粉末弥散分布于焊核区，从而获得较好的焊接接头组织及力学性能。
背景技术
搅拌摩擦焊(简称FSW)，是将高速旋转的搅拌头插入焊核区，利用摩擦热和机械搅动来实现被焊接件的固相连接，是目前克服熔焊产生气孔、裂纹等缺陷问题最为有效的焊接工艺，也是铝合金、镁合金、铝锂合金及其异种合金的首选焊接方法。FSW因具有组织致密、残余应力小、加工效率高、环保、低成本等优点，被广泛应用于飞机、火箭、汽车、高铁、船舶等制造领域。然而现有的搅拌摩擦焊接件，其接头处的力学性能在不加处理的情况下通常低于母材区，如接头处强度为母材区的70％左右。为了提高接头处的力学性能，科研人员可以采用优化焊接参数(改变焊接速度、旋转速度等)、焊接前后热处理(水淬、时效等)、增加焊接工艺(水下焊接、电场作用下焊接等)、掺入粉末(TiN、钛粉等)等方法实现。但是优化焊接参数、热处理等需要大量设备、工装或材料，费时费力，且工艺复杂，投入成本较大。而掺入粉末的工艺简单、可控性强，其焊接效果可靠性高。
目前，市场上已经出现对异种合金T型焊接的需求。由于T型焊接异种合金材料时，其熔点相差较大、强度硬度较高、所需夹紧压力和顶锻压力较大，故需要专用夹具才可实现高质量焊接。而据申请人所知，目前能进行搅拌摩擦焊接异种高强高硬合金的夹具较少，更无一种T型搅拌摩擦焊接带开槽的异种合金夹具。因此，为了得到一焊核区掺入特定功能粉末的焊接接头，方便后期开展焊接接头力学性能研究，设计一种专用于T型搅拌摩擦焊接带开槽的异种合金装置具有十分重要的意义。
发明内容
有鉴于现行工业生产的需要，本发明所要解决的技术问题是克服现有技术缺陷，提高FSW焊接接头质量。
为了实现上述目的，本发明提供了一种带开槽的异种合金T型搅拌摩擦焊接装置，专用于装夹固定搅拌摩擦焊接的筋板，主要包括支承夹具、筋板及搅拌头，其特征在于：所述筋板由薄板和筋条组成，筋条接合面设有一用于填充粉末的开口槽，开口槽宽度小于筋条宽度T。
进一步的，所述筋条和薄板为铝合金、镁合金或铝锂合金材料制成的板材，薄板厚度为1～5mm，筋条厚度为3～6mm。
进一步的，所述粉末为纯钛粉、TiN粉末或金属铝粉与钛粉掺杂的混合物，平均颗粒度约为10～60um。
进一步的，所述搅拌头为具有良好的耐磨性、导热性等性能的镍基高温合金材料制成，搅拌头由夹持柄、中部轴、轴肩、搅拌针和凹面组成，搅拌头被夹持柄夹持固定，搅拌针深度由薄板厚度P和筋条待焊深度之和确定；所述凹面位于轴肩端面与搅拌针根部交界处，有助于前进侧材料向后退侧流动；所述搅拌针为圆台型，其根部直径大于顶部直径。
进一步的，所述搅拌头沿着箭头方向逆时针旋转，旋转速度范围为200～1500rpm；所述搅拌头沿着X坐标轴匀速移动，移动速度范围为30～120mm/min；所述搅拌头压入量P-P1的差值为0.1～0.5mm，且筋条待焊宽度T1不大于T。
进一步的，所述搅拌摩擦焊接处理为至少一道次。
一种使用带开槽的异种合金T型搅拌摩擦焊接装置的搅拌摩擦焊接方法，利用原位混合反应法，通过对填入粉末的开口槽机械搅拌和摩擦生热，促使粉末弥散分布于焊核区，从而获得力学性能较好的焊接接头，避免了焊核区焊后热处理导致的晶粒畸变等缺陷的出现。其步骤如下：
步骤1，对所述薄板和筋条的接合面以及开口槽进行清洗和打磨，以去除杂质和表面氧化层，然后将筋条先安装在支承夹具上并夹紧，填入粉末于筋条的开口槽内压实，并与筋条接合面平齐；再将薄板接合面一侧放置于筋条上，并用夹具固定牢靠；
步骤2，选取一与所述筋条宽度T匹配的搅拌针，将具有此搅拌针的搅拌头安装在搅拌摩擦焊机上，并运动到待焊位置；
步骤3，搅拌针插入焊核区起点位置，沿着X坐标轴方向开始施焊，直到终点位置结束焊接，抽出搅拌针，关闭搅拌摩擦焊机电源；
步骤4，待筋板冷却后，取下焊件，完成T型搅拌摩擦焊接，此时的筋条和薄板被完全连接为一体。
本发明的有益效果是：采用本发明制备的专用夹具固定带开槽的异种合金，并实施T型搅拌摩擦焊接，可使TiN粉末或Ti粉均匀弥散分布于焊核区；在焊核区中，一部分粉末与铝基发生反应，生成了金属铝化物Al3Ti粒子，另一部分粉末未参与反应，继续存留于焊核区，这些第二相粒子尺寸较小，可以充当增强相提高焊接接头的质量，也可以在FSW之后的热处理过程中钉扎晶界，细化晶粒，提高焊核区微观结构的稳定性；本发明将搅拌摩擦焊接工艺与原位混合反应相结合，采用制备的焊接装置，操作方便、易拆卸且夹紧牢靠，不仅可实现高强、高硬和高熔点的带开槽异种合金搅拌摩擦焊接，而且对焊接接头微观组织和力学性能的调控提供了可行性。
附图说明
图1为本发明的一种带开槽的异种合金T型搅拌摩擦焊接装置及焊接方法示意图。
图2为图1隐藏支承夹具后沿YZ平面的二维剖视图。
图3为图2在G处的局部放大图。
图4为搅拌头示意图。
图5为图4在H处的局部放大图。
图6为本发明的一个较佳实施例的异种合金焊接接头组织的局部剖视图。
图7为本发明的一个较佳实施例的粉末焊后存留于焊接接头组织中的SEM图片。
图8为本发明的一个较佳实施例的粉末焊后存留于焊接接头组织中的TEM图片。
图中标记：1支承夹具；2筋板；3开口槽；4粉末；5夹持柄；6中部轴；7轴肩；8搅拌针；9凹面；10焊核区；100搅拌头；101筋条；102薄板。
具体实施方式
下面将关于用于实现带开槽的异种合金T型搅拌摩擦焊接装置、焊接方法以及最终产生的焊接接头部件，通过具体两个实施例来阐述其技术方案和效果。
实施例1：如图1～图3所示，第一步，抽取一厚度为5mm的2198铝锂合金筋条101，在待焊的2198铝锂合金筋条101接合面正中间制一开口槽3，横截面尺寸为3mmx2mm，沿筋条101高度方向为2mm，形成一加工区域；第二步，清洗和打磨开口槽3及筋条101的接合面，去除杂质和表面氧化层；第三步，将筋条101先安装在支承夹具1上并夹紧，填充会与Al基发生原位混合反应生成铝化合物粒子的Ti粉于开口槽3内，压实，并与筋条101接合面平齐，钛粉平均颗粒度约为35um；第四步，放置一厚度为2mm的、已去污处理的7055铝合金薄板102于筋条101上，并用夹具固定牢靠，此时的筋条101和薄板102被完全约束固定。
如图2～图6所示，首先选取一与所述筋条101宽度T匹配的搅拌针8，将具有此搅拌针8的搅拌头100安装在搅拌摩擦焊机上，并运动到待焊位置；然后对筋条101和薄板102接合面进行1道次搅拌摩擦焊接处理；焊接过程中，搅拌针先插入焊核区起点位置，沿着X坐标轴方向开始施焊，直到终点位置结束焊接，抽出搅拌针，关闭搅拌摩擦焊机电源；焊接完成后，得到的焊接接头的焊核区10弥散分布着铝化合物Al3Ti粒子和余留的未发生反应的Ti粉颗粒，施焊过程中采取的焊接参数为：搅拌头100逆时针旋转，其旋转速度为1200rpm，搅拌头100的移动速度为60mm/min，搅拌头100的轴肩7压入量为0.3mm筋条待焊宽度T1＝T。
图6～图8为利用上述具体实施例得到的T型搅拌摩擦焊接接头及焊接接头的SEM和TEM图片，其焊核区10弥散分布着大量的原位自生铝化合物Al3Ti，其尺寸较小，为纳米级，在焊核区弥散分布且与基体界面平整；余留的未发生原位混合反应的Ti粉颗粒也弥散分布于焊烗区10中。
实施例2：根据实施例1，本实施例还可采用其它型号的异种合金来制取筋条101和薄板102，如7050、7075等高强铝合金板材、MB5、AM60B等镁合金板材及2195、2196等铝锂合金板材，所制取的待焊薄板102厚度为1～5mm；粉末4还可采取TiN粉末或金属铝粉与钛粉掺杂的混合颗粒，平均颗粒度为10～60um；采取的搅拌头100移动速度为30～120mm/min，搅拌头100旋转速度为200～1500rpm，搅拌头100压入量P-P1的差值为0.1-0.5mm，且T1不大于T。
当然上述说明并非对本发明的限制，本发明也不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种带开槽的异种合金T型搅拌摩擦焊接装置，专用于装夹固定搅拌摩擦焊接的筋板(2)，主要包括支承夹具(1)、筋板(2)及搅拌头(100)，其特征在于：所述筋板(2)由薄板(102)和筋条(101)焊接制成，筋条(101)接合面设有一开口槽(3)，开口槽(3)用于粉末(4)的填充。
2.如权利要求1所述的一种带开槽的异种合金T型搅拌摩擦焊接装置，其特征在于：所述筋条(101)和薄板(102)为铝合金、镁合金或铝锂合金材料制成的板材，薄板(102)厚度为1～5mm，筋条(101)厚度为3～6mm。
3.如权利要求1所述的一种带开槽的异种合金T型搅拌摩擦焊接装置，其特征在于：所述粉末(4)为纯钛粉、TiN粉末或金属铝粉与钛粉掺杂的混合物，平均颗粒度约为10～60um。
4.如权利要求1所述的一种带开槽的异种合金T型搅拌摩擦焊接装置，其特征在于：所述搅拌头(100)为镍基高温合金材料制成，搅拌头(100)由夹持柄(5)、中部轴(6)、轴肩(7)、搅拌针(8)和凹面(9)组成，搅拌头(100)被夹持柄(5)夹持固定，搅拌针(8)深度由薄板(102)厚度P和筋条(101)待焊深度之和确定；所述凹面(9)位于轴肩(7)端面与搅拌针(8)根部交界处；所述搅拌针(8)为圆台型，其根部直径大于顶部直径。
5.权利要求1所述的一种带开槽的异种合金T型搅拌摩擦焊接装置，其特征在于：所述搅拌头(100)沿着箭头方向逆时针旋转，旋转速度范围为200～1500rpm；所述搅拌头(100)沿着X坐标轴匀速移动，移动速度范围为30～120mm/min；所述搅拌头(100)压入量P-P1的差值为0.1～0.5mm，且筋条(101)待焊宽度T1不大于T。
6.如权利要求1所述的一种带开槽的异种合金T型搅拌摩擦焊接装置，其特征在于：所述搅拌摩擦焊接处理为至少一道次。
7.一种搅拌摩擦焊接方法，使用如权利要求1所述的一种带开槽的异种合金T型搅拌摩擦焊接装置焊接，利用原位混合反应法，通过对填入粉末(4)的开口槽(3)机械搅拌和摩擦生热，促使粉末(4)弥散分布于焊核区(10)，其特征在于：所述搅拌摩擦焊接方法步骤如下：
步骤1，对所述薄板(102)和筋条(101)的接合面以及开口槽(3)进行清洗和打磨，然后将筋条(101)先安装在支承夹具(1)上并夹紧，填入粉末(4)于筋条(101)的开口槽(3)内压实，并与筋条(101)接合面平齐；再将薄板(102)接合面一侧放置于筋条(101)上，并用夹具固定牢靠；
步骤2，选取一与所述筋条(101)宽度T匹配的搅拌针(8)，将具有此搅拌针(8)的搅拌头(100)安装在搅拌摩擦焊机上，并运动到待焊位置；
步骤3，搅拌针(8)插入焊核区(10)起点位置，沿着X坐标轴方向开始施焊，直到终点位置结束焊接，抽出搅拌针(8)，关闭搅拌摩擦焊机电源；
步骤4，待筋板(6)冷却后，取下焊件，完成T型搅拌摩擦焊接。
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