[发明专利]一种增强接头力学性能的搅拌摩擦焊接工艺

说明书

技术领域：

本发明涉及金属材料焊接领域，特别提供了一种增强接头力学性能的搅拌摩擦焊接工艺，适用于焊接铝合金、镁合金、铜合金、钢铁等金属材料。

背景技术：

搅拌摩擦焊(FSW)是英国焊接研究所于1991年发明的一种固相焊接工艺。由于FSW具有能量利用率高、环境友好、焊接缺陷少、焊缝残余应力小等优点，其接头性能较熔化焊有很大提高，自发明后受到了广泛关注，在航空航天、车辆、船舶等领域获得日益广泛的应用。然而，尽管FSW大大降低了焊接热输入量，对于FSW接头，尤其对热处理强化合金或加工硬化态合金，FSW后，由于热影响区(HAZ)发生明显的软化，断裂发生在热影响区，使得接头的性能较母材明显降低。比如，对于FSW纯铜板(H1/2态)，即使采用较低热输入量的FSW参数，由于HAZ的退火软化，FSW接头的屈服强度仅有100MPa左右，较母材(～250MPa)明显降低。对于沉淀强化的6061-T651铝合金，HAZ的强化相发生溶解/粗化，也使接头强度明显低于母材。对于钢铁等高熔点金属材料，焊接过程中的温度更高，这不仅需要惰性气体的保护而且使HAZ的退火软化作用更为显著。另外，在此条件下，搅拌头的磨损十分严重，大大限制了其工程应用。

由哈尔滨工业大学申请的《水下环境中的搅拌摩擦焊接方法》(中国专利公开号：CN 101439439A)表明搅拌摩擦焊接不受外界环境约束，可实现水环境焊接，同时水环境中接头性能有所提高(比如，对于2219铝合金接头可由常规FSW的320MPa提高到水环境中的343MPa)。然而在这种静止或准静止的水环境中，焊核区产生的热量也难以快速传输，HAZ的退火软化作用仍然明显，对于上述的加工硬化型、沉淀强化型高强铜合金、铝合金及钢铁来说，焊接系数仍然很低。要实现此类材料的高质量搅拌摩擦焊接，不仅需要低的热输入还需要快速的冷却速度来大幅降低热影响区的退火软化作用。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种增强接头力学性能的搅拌摩擦焊接工艺，解决现有技术中焊核区产生的热量也难以快速传输，以及HAZ的退火软化作用明显等问题。

本发明的技术方案是：

一种增强接头力学性能的搅拌摩擦焊接工艺，过程如下：用小尺寸轴肩的搅拌头，以较低热输入的搅拌摩擦焊接参数进行焊接，在焊接过程中以高压流动冷却介质快速冷却焊缝，得到性能优异的搅拌摩擦焊接接头；

所用焊接工具轴肩直径8～14毫米，搅拌摩擦焊接参数：焊接工具转速400～800转/分钟、行进速度50～200毫米/分钟。

所述的增强接头力学性能的搅拌摩擦焊接工艺，焊接过程中以高压流动冷却介质快速冷却焊缝，选用的冷却介质为水、冰水混合物、干冰甲醇混合物或液氮酒精混合物等低温冷却介质，使冷却介质温度在室温～-50℃范围内，高压流动冷却介质的压力为0.4-0.6MPa。

所述的增强接头力学性能的搅拌摩擦焊接工艺，以高压喷头装置喷射高压流动冷却介质，高压喷头装置固定在安装搅拌头的机座上，随搅拌头一起运动，喷头对准搅拌头轴肩行进方向后侧的焊缝形成区。

所述的增强接头力学性能的搅拌摩擦焊接工艺，搅拌摩擦焊接工艺用于金属材料：铝合金、镁合金、铜合金或钢铁的焊接。

本发明的有益效果是：

1、本发明提供了一种增强接头力学性能的搅拌摩擦焊接工艺，用小尺寸轴肩的搅拌头，以较低热输入的搅拌摩擦焊接(FSW)参数进行焊接，在焊接过程中以高压流动冷却介质快速冷却焊缝，大大降低焊核及热影响区(HAZ)温度，得到性能优异的搅拌摩擦焊接接头。

2、本发明增强接头力学性能的搅拌摩擦焊接工艺中，焊接过程中选用的冷却介质可有水、冰水混合物、干冰甲醇混合物以及液氮酒精混合物等低温冷却介质，高压喷头装置固定在安装搅拌头的机座上随搅拌头一起运动，喷头对准搅拌头轴肩行进方向的后侧(即焊缝形成区)。所用焊接工具轴肩直径8～14毫米，焊接工具转速400～800转/分钟、行进速度50～200毫米/分钟。与常规搅拌摩擦焊接方法相比，本发明工艺明显提高焊接接头的力学性能，简单实用。用此种工艺焊接钢铁等高熔点材料时，不仅可以提高力学性能，而且冷却介质可以代替惰性气体进行保护，避免氧化。同时搅拌头磨损减轻，大大降低了成本。因此，有理由相信这种新的搅拌摩擦焊接工艺在高强度有色金属及钢铁材料焊接领域将有着广阔的工业应用前景。

3、本发明可以明显提高焊接接头的力学性能，尤其适用于沉淀强化型、加工硬化态有色金属材料及钢铁材料的焊接。

具体实施方式：

实施例1