一種鋁合金厚板攪拌摩擦焊方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種鋁合金的攪拌摩擦焊方法，特別適用于厚板鋁及鋁合金材料的焊接。
【背景技術(shù)】
[0002]鋁合金具有比強(qiáng)度高、易成型、耐蝕性好、材料可再生等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為軌道車輛加工制造的主要材料之一。在高速鐵路車輛制造方面，更是發(fā)揮著其他材料不可替代的作用。目前，在軌道車輛的加工制造過(guò)程中，鋁合金的焊接仍以熔化極惰性氣體保護(hù)焊(簡(jiǎn)稱MIG焊)和鎢極惰性氣體保護(hù)焊(簡(jiǎn)稱TIG焊)等常規(guī)熔化焊為主。但因鋁合金熱導(dǎo)率高，且化學(xué)性活潑，表面易形成氧化膜，焊接時(shí)極易產(chǎn)生氣孔、夾雜、未融合、未焊透，以及裂紋等缺陷。此外，因鋁合金熱膨脹系數(shù)大，焊后易產(chǎn)生變形。因此，一般情況下鋁合金工件的焊接都需設(shè)計(jì)使用專用的工裝夾具，且焊后多需調(diào)修矯形來(lái)保證最終的工件尺寸。由此可見(jiàn)，鋁合金材料的焊接不僅質(zhì)量控制難度大，而且制造工藝復(fù)雜，成本也相對(duì)較高。特別是進(jìn)行諸如軌道車輛鋁合金車體底架等關(guān)鍵部位的厚板焊接時(shí)，問(wèn)題更為突出。
[0003]攪拌摩擦焊接(簡(jiǎn)稱FSW)作為一種先進(jìn)的固相焊接方法，其熱輸入量低，焊接接頭強(qiáng)度高、焊接變形小，并且FSW焊接過(guò)程中無(wú)金屬熔化，從根源上杜絕了鋁合金弧焊常出現(xiàn)的氣孔、裂紋類缺陷產(chǎn)生。再者FSW焊接時(shí)無(wú)需填充金屬和保護(hù)氣體，且無(wú)弧光、粉塵、煙霧污染，整個(gè)過(guò)程綠色環(huán)保。因此，F(xiàn)SW技術(shù)一經(jīng)問(wèn)世，即迅速得到了工業(yè)化應(yīng)用推廣，并以鋁及鋁合金材料的焊接應(yīng)用最為廣泛和成熟。截至目前，已大量應(yīng)用于航空航天、汽車電子、化工船舶，以及軌道車輛的加工制造。
[0004]通常情況下，F(xiàn)SW工具，即攪拌頭主要由夾持區(qū)、軸肩和攪拌針三部分組成。FSW工作時(shí)，攪拌頭的攪拌針部分首先旋轉(zhuǎn)扎入待焊工件，待攪拌頭的軸肩與待焊工件表面充分接觸，并原地停留一段時(shí)間后，再以一定的轉(zhuǎn)速和焊速沿焊縫進(jìn)行焊接。FSW方法雖具有眾多優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)待焊工件的組配間隙要求卻相對(duì)較嚴(yán)，當(dāng)選用的攪拌頭及焊接工藝一定時(shí)，F(xiàn)SW焊接時(shí)如工件組對(duì)間隙變大將會(huì)導(dǎo)致焊縫內(nèi)部空洞，以及表面下凹量增大甚至表面溝槽缺陷產(chǎn)生。又因FSW焊接時(shí)，攪拌頭要對(duì)工件施加較大的下壓力，同時(shí)因攪拌針的扎入將對(duì)兩待焊工件產(chǎn)生一定的向外漲開(kāi)作用力。此時(shí)，如待焊工件厚度較薄時(shí)，通過(guò)增加工裝強(qiáng)度、作用力以及作用點(diǎn)密度來(lái)保證FSW時(shí)工件組對(duì)間隙不發(fā)生變化。但當(dāng)工件厚度較大相應(yīng)地選用的攪拌頭尺寸較大時(shí)，F(xiàn)Sff的下壓力以及由此對(duì)組對(duì)焊縫產(chǎn)生的向外撐漲作用將同步增加，特別是在攪拌針旋轉(zhuǎn)扎入的啟焊位置，上述效果更為明顯。此時(shí)即使強(qiáng)化工裝設(shè)計(jì)，也很難保證FSW焊接時(shí)攪拌頭前方焊縫組對(duì)間隙的一致性。因此，如何實(shí)現(xiàn)鋁合金厚板材料的批量工業(yè)化高品質(zhì)FSW焊接，實(shí)際難度很大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是針對(duì)鋁合金厚板FSW難度大，特別是啟焊扎入及FSW時(shí)待焊工件組對(duì)間隙難以保證的難題，提出一種提前預(yù)焊、側(cè)位打孔啟焊的FSW焊接新方法。該方法不僅降低了 FSW啟焊下扎時(shí)所需的下壓力，同時(shí)能夠有效地控制鋁合金厚板FSW時(shí)的組對(duì)間隙，確保FSW焊接的質(zhì)量穩(wěn)定性。另外，也降低了鋁合金厚板FSW焊接時(shí)對(duì)設(shè)備、工裝的要求，并能夠有效延長(zhǎng)攪拌頭的使用壽命。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種鋁合金厚板攪拌摩擦焊方法，其特征在于包括以下步驟:
1、通過(guò)FSW預(yù)組焊，實(shí)現(xiàn)待焊工件的部分焊合連接；
2、在焊縫側(cè)位鉆孔，以便從焊縫側(cè)位啟焊；
3、在鉆孔位置側(cè)位啟焊，待攪拌頭垂直行至實(shí)際焊縫中心處，再沿預(yù)組焊焊縫中心進(jìn)行全焊透FSW焊接。
[0007]所述的焊縫側(cè)位鉆孔位置是在距離工件端部尺寸及焊縫中心尺寸都不小于攪拌頭軸肩直徑尺寸的位置。
[0008]所述的鉆孔用的鉆頭是根據(jù)攪拌針直徑尺寸的平均值進(jìn)行選擇，如果攪拌針直徑尺寸的平均值為整數(shù)，鉆頭直徑尺寸即為攪拌針直徑尺寸的平均值；如果攪拌針直徑尺寸的平均值為小數(shù)，則鉆頭直徑尺寸為攪拌針直徑尺寸的平均值兩端且與平均值相鄰的整數(shù)。
[0009]所述的鉆孔深度等于攪拌針長(zhǎng)度的2/5 - 3/5ο
[0010]本發(fā)明具有以下有益效果:
1.本發(fā)明開(kāi)發(fā)提出了一種提前預(yù)焊、側(cè)位打孔啟焊的FSW焊接新方法，特別適用于鋁合金厚板的FSW焊接；
2.本發(fā)明工藝簡(jiǎn)單，能夠有效地解決鋁合金厚板FSW啟焊以及焊接過(guò)程中組對(duì)間隙難以控制的難題。本方法工藝過(guò)程穩(wěn)定，適用于工業(yè)批量化生產(chǎn)；
3.本發(fā)明降低了鋁合金厚板FSW對(duì)設(shè)備主軸、龍門剛度的要求，同時(shí)也降低了對(duì)工裝夾具的要求，并能夠有效地的延長(zhǎng)攪拌頭的使用壽命。
【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1是招合金厚板FSW預(yù)組焊后不意圖；
圖2是鋁合金厚板全焊透FSW之前側(cè)位鉆孔示意圖；
圖3為鋁合金厚板全焊透FSW焊接過(guò)程示意圖；
圖4是鋁合金厚板提前預(yù)焊，側(cè)位鉆孔啟焊的FSW焊后示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0012]結(jié)合圖1、圖2、圖3和圖4說(shuō)明本實(shí)施方式。
[0013]實(shí)施例1
待焊鋁合金工件I和鋁合金工件2都為35mm厚的6005A-T6鋁合金型材，先用酒精擦拭待焊工件I和工件2的表面，再用鋼絲刷打磨去除工件I和工件2表面及側(cè)面氧化膜，之后實(shí)現(xiàn)工件I和工件2間的良好組配。選用軸肩直徑15_，攪拌針長(zhǎng)度為5_、根部直徑6_、端部直徑3.5_的攪拌頭進(jìn)行FSW預(yù)組焊，并形成預(yù)組焊焊縫3。焊接用攪拌頭5的軸肩直徑為45mm，攪拌針長(zhǎng)度為34mm、根部直徑30mm、端部直徑8mm。選用直徑為19mm的鉆頭，在距工件I端部及偏離預(yù)組焊焊縫3中心距離同為35mm的位置鉆孔，鉆孔深度為17mm，之后形成啟焊導(dǎo)入孔4。最后采用焊接用攪拌頭5在啟焊導(dǎo)入孔4處扎入啟焊，并沿垂直于預(yù)組焊焊縫3方向行進(jìn)，行至預(yù)組焊焊縫3中心處，再沿預(yù)組焊焊縫3中心線進(jìn)行全焊透FSW焊接，形成最終全焊透焊縫6。全焊透FSW在距預(yù)組焊焊縫匙孔3-1距離為18mm位置結(jié)束，最終在結(jié)束位置形成全焊透焊縫匙孔6-1。
[0014]實(shí)施例2
待焊鋁合金工件I和鋁合金工件2都為35mm厚的6005A-T6鋁合金型材，先用酒精擦拭待焊工件I和工件2的表面，再用鋼絲刷打磨去除工件I和工件2表面及側(cè)面氧化膜，之后實(shí)現(xiàn)工件I和工件2間的良好組配。選用軸肩直徑15_，攪拌針長(zhǎng)度為5_、根部直徑6_、端部直徑3.5_的攪拌頭進(jìn)行FSW預(yù)組焊，并形成預(yù)組焊焊縫3。焊接用攪拌頭5的軸肩直徑為45mm，攪拌針長(zhǎng)度為34mm、根部直徑30mm、端部直徑8mm。選用直徑為19mm的鉆頭，在距工件I端部及偏離預(yù)組焊焊縫3中心距離同為35mm的位置鉆孔，鉆孔深度為13.6mm，之后形成啟焊導(dǎo)入孔4。最后采用焊接用攪拌頭5在啟焊導(dǎo)入孔4處扎入啟焊，并沿垂直于預(yù)組焊焊縫3方向行進(jìn)，行至預(yù)組焊焊縫3中心處，再沿預(yù)組焊焊縫3中心線進(jìn)行全焊透FSW焊接，形成最終全焊透焊縫6。全焊透FSW在距預(yù)組焊焊縫匙孔3-1距離為18mm位置結(jié)束，最終在結(jié)束位置形成全焊透焊縫匙孔6-1。
[0015]實(shí)施例3
待焊鋁合金工件I和鋁合金工件2都為35mm厚的6005A-T6鋁合金型材，先用酒精擦拭待焊工件I和工件2的表面，再用鋼絲刷打磨去除工件I和工件2表面及側(cè)面氧化膜，之后實(shí)現(xiàn)工件I和工件2間的良好組配。選用軸肩直徑15_，攪拌針長(zhǎng)度為5_、根部直徑6_、端部直徑3.5_的攪拌頭進(jìn)行FSW預(yù)組焊，并形成預(yù)組焊焊縫3。焊接用攪拌頭5的軸肩直徑為45mm，攪拌針長(zhǎng)度為34mm、根部直徑30mm、端部直徑8mm。選用直徑為19mm的鉆頭，在距工件I端部及偏離預(yù)組焊焊縫3中心距離同為35mm的位置鉆孔，鉆孔深度為20.4mm，之后形成啟焊導(dǎo)入孔4。最后采用焊接用攪拌頭5在啟焊導(dǎo)入孔4處扎入啟焊，并沿垂直于預(yù)組焊焊縫3方向行進(jìn)，行至預(yù)組焊焊縫3中心處，再沿預(yù)組焊焊縫3中心線進(jìn)行全焊透FSW焊接，形成最終全焊透焊縫6。全焊透FSW在距預(yù)組焊焊縫匙孔3-1距離為18mm位置結(jié)束，最終在結(jié)束位置形成全焊透焊縫匙孔6-1。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種鋁合金厚板攪拌摩擦焊方法，其特征在于包括以下步驟: (1)通過(guò)FSW預(yù)組焊，實(shí)現(xiàn)待焊工件的部分焊合連接； (2)在焊縫側(cè)位鉆孔，以便從焊縫側(cè)位啟焊； (3)在鉆孔位置側(cè)位啟焊，待攪拌頭垂直行至實(shí)際焊縫中心處，再沿預(yù)組焊焊縫中心進(jìn)行全焊透FSW焊接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鋁合金厚板攪拌摩擦焊方法，其特征在于:所述的焊縫側(cè)位鉆孔位置是在距離工件端部尺寸及焊縫中心尺寸都不小于攪拌頭軸肩直徑尺寸的位置。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鋁合金厚板攪拌摩擦焊方法，其特征在于:所述的鉆孔用的鉆頭是根據(jù)攪拌針直徑尺寸的平均值進(jìn)行選擇，如果攪拌針直徑尺寸的平均值為整數(shù)，鉆頭直徑尺寸即為攪拌針直徑尺寸的平均值；如果攪拌針直徑尺寸的平均值為小數(shù)，則鉆頭直徑尺寸為攪拌針直徑尺寸的平均值兩端且與平均值相鄰的整數(shù)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鋁合金厚板攪拌摩擦焊方法，其特征在于:所述的鉆孔深度等于攪拌針長(zhǎng)度的2/5 - 3/5 ο
【專利摘要】一種鋁合金厚板攪拌摩擦焊方法，其特征在于：通過(guò)FSW預(yù)組焊，實(shí)現(xiàn)待焊工件的部分焊合連接；在焊縫側(cè)位鉆孔，以便從焊縫側(cè)位啟焊；在鉆孔位置側(cè)位啟焊，待攪拌頭垂直行至實(shí)際焊縫中心處，再沿預(yù)組焊焊縫中心進(jìn)行全焊透FSW焊接。本發(fā)明開(kāi)發(fā)提出了一種提前預(yù)焊、側(cè)位打孔啟焊的FSW焊接新方法，特別適用于鋁合金厚板的FSW焊接；本發(fā)明工藝簡(jiǎn)單，能夠有效地解決鋁合金厚板FSW啟焊以及焊接過(guò)程中組對(duì)間隙難以控制的難題。本方法工藝過(guò)程穩(wěn)定，適用于工業(yè)批量化生產(chǎn)；本發(fā)明降低了鋁合金厚板FSW對(duì)設(shè)備主軸、龍門剛度的要求，同時(shí)也降低了對(duì)工裝夾具的要求，并能夠有效地的延長(zhǎng)攪拌頭的使用壽命。
【IPC分類】B23K20/12
【公開(kāi)號(hào)】CN105127583
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510566855
【發(fā)明人】張欣盟, 張行, 毛一偉
【申請(qǐng)人】長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司
【公開(kāi)日】2015年12月9日
【申請(qǐng)日】2015年9月9日