一种厚板铝合金预热搅拌摩擦焊接方法
【专利摘要】本发明公开了一种厚板铝合金预热搅拌摩擦焊接方法，包括：(1)将厚板铝合金置于工装上，完成待焊接件的装夹固定；(2)先采用定位搅拌头对焊接件进行定位焊；(3)在铝合金厚板定位焊缝的起始位置采用钻头加工盲孔，作为焊接预制孔；(4)对铝合金表面进行预热，使厚板铝合金表面的温度控制在100℃～120℃；(5)焊前调整焊接用搅拌头的中心使其与预制孔的中心重合并旋转扎入其中，进行行走焊接，焊接完毕后搅拌头在收焊匙孔位置停留预定时间；(6)焊接完毕后，将厚板铝合金在200℃～230℃的温度下进行退火处理，即可完成焊接。本发明解决了厚板铝合金焊接过程中搅拌头折断、焊缝质量无法保证的难题，提高了厚板铝合金搅拌摩擦焊焊缝质量和生产效率。
【专利说明】一种厚板铝合金预热搅拌摩擦焊接方法
【技术领域】
[0001]本发明属于厚板铝合金的搅拌摩擦焊，具体涉及一种厚板铝合金预热搅拌摩擦焊接方法及工装和搅拌头。
【背景技术】
[0002]厚板铝合金采用常规的熔焊接方法，由于热输入量大，焊接变形大，而且还无法保证焊缝内部质量。
[0003]搅拌摩擦焊是一种新兴的技术，它属于绿色焊接技术，与传统的熔焊相比，具有焊接变形小，无污染，且焊缝不会出现裂纹、咬边等熔焊常见的缺陷。
[0004]然而，采用搅拌摩擦焊焊接30mm以上厚度的铝合金时，由于板材很厚，塑性金属在厚度方向上的流动就越困难，焊接过程中由于金属的变形抗拉大，搅拌头在焊接过程中极易折断，从而导致无法获得优质的焊缝接头。
【发明内容】
[0005]针对以上的不足，对厚板铝合金搅拌摩擦焊的方法进行了改进，增加了焊前预热和预制孔工序，设计了一种适合厚板铝合金焊接的带锥形螺纹且加工有三平面的搅拌头，针对厚度铝合金焊接压力大，对工装进行了优化设计，保证厚板铝合金焊接过程中的牢固装夹，采用以上方法完成了 30mm?40mm厚铝合金的搅拌摩擦焊，焊缝质量成型良好。
[0006]按照本发明的一个方面，提供一种厚板铝合金预热搅拌摩擦焊接方法，用于实现厚板铝合金的牢固焊接，其特征在于，该方法包括如下具体步骤:
[0007](I)将厚板铝合金置于工装上，并在焊前方向顶紧前挡板，调整焊缝的对中线后，固定厚板铝合金的侧向，并压紧厚板铝合金的上表面，以完成待焊接件的装夹固定；
[0008](2)先采用定位搅拌头对焊接件进行定位焊；
[0009](3)在铝合金厚板定位焊缝的起始位置采用钻头加工盲孔，作为焊接预制孔；
[0010](4)对铝合金表面进行预热，使厚板铝合金表面的温度控制在100°C?120°C ；
[0011](5)通过焊接用搅拌头对预热后的厚板铝合金进行焊接，具体包括:焊前调整焊接用搅拌头的中心使其与预制孔的中心重合并旋转扎入其中，在搅拌头的轴肩接触到被焊金属上表面时旋转摩擦停留一段时间，然后进行行走焊接，焊接完毕后搅拌头在收焊匙孔位置停留预定时间，然后旋转拔出搅拌头；
[0012](6)焊接完毕后，将厚板铝合金在200°C?230°C的温度下进行退火处理，即可完成焊接。
[0013]作为本发明的改进，所述焊接用搅拌头旋转扎入预制孔的旋转速度为240rpm?280rpm,下降速度为 10mm/min。
[0014]作为本发明的改进,所述行走焊接中，焊接速度为50mm/min?80mm/min,下压量控制在0.4mm?0.6mm,搅拌头的倾角为3°。
[0015]作为本发明的改进，所述旋转摩擦停留时间为40S?60S。
[0016]作为本发明的改进，所述预制孔的直径比所述焊接搅拌头的直径小4mm?6mm，盲孔的深度比待焊接的招合金板厚小5mm?8mm。
[0017]作为本发明的改进，所述装夹固定的工装包括底板、设置在该底板上在焊接方向相对布置的两个移动板、设置在该底板上并位于两移动板之间的侧挡板、设置在该底板上并位于焊接方向前部的前挡板以及设置在呈阵列布置在两移动板上的多个压板，所述待焊接的厚板铝合金设置在该垫板上，其两侧通过所述侧挡板进行侧向固定，前部通过所述前挡板固定，上表面通过所述多个压板压紧，从而实现对待焊接的厚板铝合金的装夹固定。
[0018]作为本发明的改进，所述焊接搅拌头包括两侧的轴肩以及位于两轴肩之间并凸出的搅拌针，其中，所述搅拌针呈小端远离凸肩的锥体，其外周表面同轴设置有螺纹，且该搅拌针外表面在周向上均布有多个长度方向的凹槽。
[0019]作为本发明的改进，所述搅拌针的半锥角优选为6°
[0020]作为本发明的改进，所述搅拌针表面的螺纹优选为M20X2或M22X2。
[0021]作为本发明的改进，所述轴肩表面为内凹形貌，其内凹角度为15°。
[0022]作为本发明的改进，所述焊接件在装夹固定前还包括对其进行铣加工及清洗的步骤，具体为:先对被焊的厚板铝合金的对合面进行铣削加工，保证其表面粗糙度为3.2以下；然后在碱液槽中浸泡进行碱洗处理，并冲洗干净。
[0023]作为本发明的改进,所述定位搅拌头进行定位焊接时,其旋转速度为300rpm?500rpm,焊接速度为150mm/min?200mm/min,揽祥头倾角为2.5 °，下压量为0.15mm?0.3mm η
[0024]作为本发明的改进，所述厚板铝合金的铝合金表面进行预热焊接的预热方式为天燃气和氧气混合的燃烧预热，预热装置的燃烧部为方形盒形型腔，其底面加工有多个圆孔以进行多点燃烧。
[0025]按照本发明的另一方面，提供一种利用上述方法所制备的厚板铝合金焊接件。
[0026]本发明提供的一种厚板铝合金预热搅拌摩擦焊接方法，通过增加焊前预热及预制孔的方式，保证焊缝金属厚度方法温度场的均匀性，减少金属焊接过程中的塑性变形抗力，通过设计一种适合厚板铝合金焊接的带锥形螺纹且加工有三平面的搅拌头，增加焊接过程中焊缝金属在厚度方向的流动性，设计刚性的焊接工装，解决了厚板铝合金焊接过程中搅拌头折断、焊缝质量无法保证的难题，提高了厚板铝合金搅拌摩擦焊焊缝质量和生产效率。
[0027]本发明提供的厚板铝合金焊接工装，其中的垫板采用高温合金钢板，其它部件采用例如Q235材料制作。两个侧挡板对称焊接在底板上，挡板加工有螺纹孔，通过螺钉顶紧移动板固定厚板铝合金的侧向，底板上加工有多个个螺纹孔，其中2个螺纹孔通过螺钉固定前挡板，固定厚板铝合金的焊前方向，其他螺纹孔通过螺钉固定压板，压板为U形状，压板用于压紧厚板铝合金的上表面，垫板置厚板铝合金的背部。
[0028]总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果:
[0029]本发明的一种厚板铝合金预热搅拌摩擦焊接方法，通过增加焊前预热及预制孔的方式，保证焊缝金属厚度方法温度场的均匀性，减少金属焊接过程中的塑性变形抗力，提供的一种适合厚板铝合金焊接的带锥形螺纹且加工有三平面的搅拌头，增加焊接过程中焊缝金属在厚度方向的流动性，能有效控制和减少焊接时搅拌头下压力，同时简化搅拌摩擦焊对焊接工装夹具的限制，解决了厚板铝合金焊接过程中搅拌头折断、焊缝质量无法保证的难题，提高了厚板铝合金搅拌摩擦焊焊缝质量和生产效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]图1为按照本发明实施例的方法中采用的预热装置的示意图；
[0031]图2为按照本发明实施例的方法中采用的工装的三维示意图；
[0032]图3为按照本发明实施例的方法中采用的工装的剖视图；
[0033]图4为按照本发明实施例的方法中采用的工装的俯视图；
[0034]图5为按照本发明实施例的方法中采用的工装的左视图；
[0035]图6为按照本发明实施例的方法中采用的焊接搅拌头示意图；
[0036]图7为按照本发明实施例的方法中采用的焊接搅拌头截面示意图；
[0037]图8为按照本发明实施例一的方法加工30mm厚5A06铝合金形成的焊缝金相图；
[0038]图9为按照本发明实施例一的方法加工40mm厚2A70铝合金形成的焊缝金相图。
【具体实施方式】
[0039]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0040]实施例1
[0041 ] 本实施例1中，选取30mm5A06厚板铝合金进行搅拌摩擦焊。
[0042]如图1所示，所提供的预热装置采用天燃气和氧气混合燃烧预热，燃烧部位为一个长方形盒形型腔，在盒形型腔底面加工有例如14个直径优选为Φ Imm的圆孔。
[0043]如图2?5所示，所需的焊接工装，由底板1、两个侧挡板2、多个压板3 (例如本实施例中优选为10个，但本发明并限定于此)、垫板4、两个移动板5、前挡板6以及若干个螺钉7、8、9组成，垫板I优选采用2mm厚的高温合金钢板，其它部件优选采用Q235材料制作。两个侧挡板对称焊接在底板上，挡板加工有螺纹孔，通过螺钉顶紧移动板固定厚板铝合金的侧向，底板上加工有多个螺纹孔，例如12个，其中两个螺纹孔通过螺钉固定前挡板，固定厚板铝合金的焊前方向，其他螺纹孔通过螺钉固定对应的压板，压板为U形状，压板用于压紧厚板铝合金的上表面，垫板置厚板铝合金的背部。
[0044]如图6?7所示，本实施例所需的搅拌头优选采用4Cr5MoSiVl制作，轴肩表面为内凹形貌，本实施例中，其内凹角度优选为15°，轴肩直径Φ?优选为38mm，轴肩边缘优选倒R0.5的圆角，搅拌针与轴肩的过渡圆弧优选为R3，搅拌针的半锥角优选为6°，搅拌针表面设置螺纹，优选为M20X2，搅拌针螺纹在圆周方向沿着锥面优选均布加工有三个Imm深的平面，搅拌针顶部优选为球面SR20，搅拌针的长度L优选为29.4mm，搅拌头加工完毕后，搅拌头热处理调质后，其硬度优选为HRC53。但本发明中对搅拌头的上述参数并不限定于此，可根据实际需要进行具体选择。
[0045]本实施例中，30mm5A06厚板铝合金的搅拌摩擦焊接方法包括以下步骤:
[0046](I)铣加工及清洗:对被焊的两件厚板铝合金的对合面进行铣削加工，保证其表面粗糙度为3.2以下；然后进行碱洗处理，在碱液槽中浸泡lOmin，再用清水冲洗干净，用压缩空气吹净厚板铝合金上的水溃。
[0047](2)厚板铝合金的装夹:如图2?5所示，将厚板铝合金置于本发明所述工装的垫板1上，焊前方向顶紧前挡板6，调整焊缝的对中线后，通过螺钉9顶紧移动板5固定厚板铝合金的侧向，通过螺钉7固定U形压板3，用于压紧厚板铝合金的上表面。
[0048](3)定位焊:本实施例中优选采用轴肩直径为16mm，搅拌针直径和长度分别为6mm和5mm的定位搅拌头进行定位焊接，采用的焊接参数为:旋转速度为500rpm，焊接速度为200mm/min，搅拌头倾角为2.5°，下压量为0.15mm，定位焊接完毕后修平焊缝两侧的毛刺。
[0049](4)预制孔的加工:在铝合金厚板定位焊缝的起始位置采用钻头加工盲孔，优选盲孔的直径为16mm，盲孔的深度25mm。盲孔加工完毕后重复步骤(2)完成厚板铝合金的装夹。
[0050](5)焊前预热:采用所述的加热装置，对铝合金表面进行预热，预热时在铝合金表面放置相同材质优选3_厚的铝板，预热温度优选约为100°C，预热完毕后撤走加热装置。
[0051](6)正式焊:采用所述的厚板焊接用搅拌头实施焊接，焊前调整搅拌针的中心与预制孔的中心重合，优选采用旋转速度为280rpm,下降速度为10mm/min将搅拌针扎入预制孔中，当搅拌头的轴肩接触到被焊金属上表面时，旋转摩擦停留优选40S，然后进行行走焊接，焊接速度优选为80mm/min,优选下压量控制在0.4mm,搅拌头的倾角为3°，焊接完毕后搅拌头在收焊匙孔位置停留例如10S，然后旋转拔出搅拌头。
[0052](7)焊后退火:焊接完毕后，将厚板铝合金从工装上拆卸，然后进行退火处理，温度为200°C。
[0053]焊接完毕后对焊缝进行X射线和超声检测均合格，其金相照片见图8所示，焊缝质量优良。
[0054]实施例2
[0055]本实施例2中，选取40mm2A70厚板铝合金进行搅拌摩擦焊。
[0056]如图1所示，所提供的预热装置采用天燃气和氧气混合燃烧预热，燃烧部位为一个长方形盒形型腔，在盒形型腔底面加工有例如14个直径优选为Φ 1mm的圆孔。
[0057]如图2?5所示，所需的焊接工装，由底板1、两个侧挡板2、多个压板3 (例如本实施例中优选为10个，但本发明并限定于此)、垫板4、两个移动板5、前挡板6以及若干个螺钉7、8、9组成，垫板1优选采用2mm厚的高温合金钢板，其它部件优选采用Q235材料制作。两个侧挡板对称焊接在底板上，挡板加工有螺纹孔，通过螺钉顶紧移动板固定厚板铝合金的侧向，底板上加工有多个螺纹孔，例如12个，其中两个螺纹孔通过螺钉固定前挡板，固定厚板铝合金的焊前方向，其他螺纹孔通过螺钉固定对应的压板，压板为U形状，压板用于压紧厚板铝合金的上表面，垫板置厚板铝合金的背部。
[0058]如图6?7所示，所需的搅拌头采用4Cr5MoSiVl采用制作，轴肩表面为内凹形貌，其内凹角度为15°，本实施例2中，轴肩直径Φ?优选为44mm，轴肩边缘优选倒R0.5的圆角，搅拌针与轴肩的过渡圆弧优选为R3，搅拌针的半锥角优选为6°，搅拌针表面的螺纹优选为M22X2，搅拌针螺纹在圆周方向沿着锥面轴向优选均布加工有多个槽，优选为三个1mm深的平面槽，搅拌针顶部优选为球面SR20，搅拌针的长度L优选为39.2mm，搅拌头加工完毕后，搅拌头热处理调质后，其硬度优选为HRC48。
[0059]本实施例2中，对40mm2A70厚板铝合金的搅拌摩擦焊接方法包括以下步骤:
[0060](I)铣加工及清洗:对被焊的两件厚板铝合金的对合面进行铣削加工，保证其表面粗糙度为3.2以下；然后进行碱洗处理，在碱液槽中浸泡15min，再用清水冲洗干净，用压缩空气吹净厚板铝合金上的水溃。
[0061](2)厚板铝合金的装夹:如图2?5所示，将厚板铝合金置于本发明所述工装的垫板I上，焊前方向顶紧前挡板6，调整焊缝的对中线后，通过螺钉9顶紧移动板5固定厚板铝合金的侧向，通过螺钉7固定U形压板3，用于压紧厚板铝合金的上表面。
[0062](3)定位焊:本实施例中同样优选采用轴肩直径为16mm，搅拌针直径和长度分别为6mm和5mm的定位搅拌头进行定位焊接,采用的焊接参数为:旋转速度优选为300rpm,焊接速度优选为150mm/min,搅拌头倾角优选为2.5° ,下压量优选为0.3mm,定位焊接完毕后修平焊缝两侧的毛刺。
[0063](4)预制孔的加工:在铝合金厚板定位焊缝的起始位置采用钻头加工盲孔，盲孔的直径为16mm，盲孔的深度32mm。盲孔加工完毕后重复步骤(2)完成厚板铝合金的装夹。
[0064](5)焊前预热:采用所述的加热装置，对铝合金表面进行预热，预热时在铝合金表面放置相同材质3_厚的铝板，预热温度约为120°C，预热完毕后撤走加热装置。
[0065](6)正式焊:采用所述的厚板焊接用搅拌头实施焊接，焊前调整搅拌针的中心与预制孔的中心重合，采用旋转速度优选为240rpm,下降速度优选为10mm/min将搅拌针扎入预制孔中，当搅拌头的轴肩接触到被焊金属上表面时，旋转摩擦优选停留60S，然后进行行走焊接，焊接速度优选为50mm/min,下压量优选控制在0.6mm,搅拌头的倾角优选为3° ,焊接完毕后搅拌头在收焊匙孔位置优选停留10S，然后旋转拔出搅拌头。
[0066](7)焊后退火:焊接完毕后，将厚板铝合金从工装上拆卸，然后进行退火处理，温度优选为230°C。
[0067]焊接完毕后对焊缝进行X射线和超声检测均合格，其金相照片见图9所示，焊缝质量优良。
[0068]本发明通过增加焊前预热及预制孔的方式，可以保证焊缝金属厚度方法温度场的均匀性，减少金属焊接过程中的塑性变形抗力。另外，通过设置适合厚板铝合金焊接的带锥形螺纹且加工有三平面的搅拌头，可以增加焊接过程中焊缝金属在厚度方向的流动性，能有效控制和减少焊接时搅拌头下压力，同时简化搅拌摩擦焊对焊接工装夹具的限制，解决了厚板铝合金焊接过程中搅拌头折断、焊缝质量无法保证的难题，提高了厚板铝合金搅拌摩擦焊焊缝质量和生产效率。
[0069]上述各实施例中，各种焊接的参数以及部件尺寸仅是用于更好地说明本发明的方法，并不限于上述数值范围，可以根据实际需要进行具体选择。
[0070]本领域的技术人员容易理解，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种厚板铝合金预热搅拌摩擦焊接方法，用于实现厚板铝合金的牢固焊接，其特征在于，该方法包括如下具体步骤: (1)将厚板铝合金置于工装上，并在焊前方向顶紧前挡板，调整焊缝的对中线后，固定厚板铝合金的侧向，并压紧厚板铝合金的上表面，以完成待焊接件的装夹固定； (2)先采用定位搅拌头对焊接件进行定位焊； (3)在铝合金厚板定位焊缝的起始位置采用钻头加工盲孔，作为焊接预制孔； (4)对铝合金表面进行预热，使厚板铝合金表面的温度控制在100°C?120°C； (5)通过焊接用搅拌头对预热后的厚板铝合金进行焊接，具体包括:焊前调整焊接用搅拌头的中心使其与预制孔的中心重合并旋转扎入其中，在搅拌头的轴肩接触到被焊金属上表面时旋转摩擦停留一定时间，然后进行行走焊接，焊接完毕后搅拌头在收焊匙孔位置停留预定时间，最后旋转拔出搅拌头； (6)焊接完毕后，将厚板铝合金在200°C?230°C的温度下进行退火处理，即可完成焊接。
2.根据权利要求1所述的一种厚板铝合金预热搅拌摩擦焊接方法，其中，所述焊接用搅拌头旋转扎入预制孔的旋转速度为240rpm?280rpm,下降速度为10mm/min。
3.根据权利要求1或2所述的一种厚板铝合金预热搅拌摩擦焊接方法，其中，所述行走焊接中，焊接速度为50mm/min?80mm/min,下压量控制在0.4mm?0.6mm,搅拌头的倾角为3° ο
4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种厚板铝合金预热搅拌摩擦焊接方法，其中，所述旋转摩擦停留时间为40S?60S。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种厚板铝合金预热搅拌摩擦焊接方法，其中，所述预制孔的直径比所述焊接搅拌头的直径小4mm?6mm，盲孔的深度比待焊接的铝合金板厚小5mm?8mmο
6.根据权利要求1-5中任一项所述的一种厚板铝合金预热搅拌摩擦焊接方法，其中，所述装夹固定的工装包括底板、设置在该底板上且在焊接方向相对布置的两个移动板、设置在该底板上并位于两移动板之间的两个侧挡板、设置在该底板上并位于焊接方向前部的前挡板以及呈阵列布置在两移动板上的多个压板，所述待焊接的厚板铝合金设置在该垫板上，其两侧分别通过所述侧挡板进行侧向固定，前部通过所述前挡板固定，上表面通过所述多个压板压紧，从而实现对待焊接的厚板铝合金的装夹固定。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的一种厚板铝合金预热搅拌摩擦焊接方法，其中，所述焊接搅拌头包括两侧的轴肩以及位于两轴肩之间并凸出的搅拌针，其中，所述搅拌针呈小端远离凸肩的锥体，其外周表面同轴设置有螺纹，且该搅拌针外表面在周向上均布有多个长度方向的凹槽。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的一种厚板铝合金预热搅拌摩擦焊接方法，其中，所述焊接件在装夹固定前还包括对其进行铣加工及清洗的步骤，具体为:先对被焊的厚板铝合金的对合面进行铣削加工，保证其表面粗糙度为3.2以下；然后在碱液槽中浸泡进行碱洗处理，并冲洗干净。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的一种厚板铝合金预热搅拌摩擦焊接方法，其中，所述厚板铝合金的铝合金表面进行预热焊接的预热方式为天燃气和氧气混合的燃烧预热，预热装置的燃烧部为方形盒形型腔，其底面加工有多个圆孔以进行多点燃烧。
10.一种利用上述权利要求1-9中任一项所述的方法所制备的厚板铝合金焊接件。
【文档编号】B23K20/12GK104227226SQ201410522853
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月30日 优先权日:2014年9月30日
【发明者】李宝华, 鄢江武, 陈莹, 唐众民, 聂绪胜, 沈明明, 熊俊, 魏宝华, 樊世华 申请人:湖北三江航天红阳机电有限公司