[发明专利]一种提高7系铝合金搅拌摩擦焊接头性能的装置和方法

说明书

一种提高7系铝合金搅拌摩擦焊接头性能的装置，包括底部衬板，底部衬板的顶部用于放置待焊接的试板，试板的上下两侧均设置有水冷散热板，水冷散热板的位置分别对应焊缝左右两侧的热影响区，底部衬板的两侧还设置有用于固定试板的焊接夹具，焊缝位置的上方设置有搅拌头；本发明具有操作简单、可行性强和环保等优点，且有效抑制搅拌摩擦焊接头热影响区软化的问题；在热影响附近位置分别放置水冷散热板，可以有效限制该位置受到焊接热循环的影响，降低该位置强化析出相的粗化程度，从而提高接头的力学性能；水冷散热板与焊缝区相隔一定的距离，在焊接过程中水冷散热板对焊缝区温度的影响很小，保证焊缝区金属较好的流动能力，获得无缺陷的焊接接头。

技术领域

本发明属于材料加工技术领域，具体涉及一种提高7系铝合金搅拌摩擦焊接头性能的装置和方法。

背景技术

7系铝合金属于(Al-Zn-Mg-(Cu))可热处理强化型高强铝合金，具有较高的比强度和比刚度，较好的耐腐蚀性能和优异的加工性能等优点，是航空、航天、压力容器、铁道运输等行业重要的结构材料之一。由于采用传统熔化极惰性气体保护焊(Metal inert-gaswelding)和非熔化极惰性气体钨极保护焊(Tungsten Inert Gas Welding)等工艺对7系铝合金焊接时易出现焊接热裂纹、气孔等缺陷，所以一般7系铝合金被认为是不可焊的铝合金。

搅拌摩擦焊(Friction stir welding)是由英国焊接研究所于1991年发明的一种固相焊接工艺。该焊接方法以高速旋转的搅拌头与工件摩擦产热，使材料产生剧烈的塑性变形，随着搅拌头的行走，两侧热塑化的金属相互混合并完成连接。由于FSW接头的性能高、环保和焊接残余应力小等优点，被认为是铝合金优选的焊接工艺。FSW接头分为焊核区(Nuggetzone，NZ)、热机械影响区(Thermo-mechanically affect-ed zone，TMAZ)、热影响区(Heat affected zone，HAZ)和母材区(Base metal，BM)。虽然FSW焊接热输入量较低，但对于7系铝合金FSW接头，热影响区(HAZ)会发生明显的软化，即7系铝合金FSW接头的硬度曲线为典型的“W”型。这是由于热影响区受到焊接热循环的影响，析出强化相会发生粗化，导致硬度和强度下降。而由于7系铝合金具有较强的时效性，随着自然时效时间的延长，接头靠近焊核区的硬度和强度将获得较大程度的恢复，这是由于搅拌区域由于受到搅拌头的剧烈搅拌和高温循环作用，大量析出强化相会发生溶解，随着自然时效，强化相的析出动力很大，导致硬度和强度显著提高。而热影响区的析出相大多发生粗化，仅少部分回溶到基体中，自然时效过程中，该区域强化相析出动力很小，导致硬度和强度的恢复程度很低。热影响区的软化区依然是接头最为薄弱的位置，即断裂位置。

目前，提高FSW接头性能的手段主要有：1.在空气和水冷介质条件下进行焊接；2.接头焊后热处理。中国专利201010594943.3公布了选用的冷却介质，经高压喷头装置对焊缝形成区进行冷却，来提高接头的性能。上述方法采用的冷却介质会对钢制焊接设备造成腐蚀，且冷却介质的流量控制和回收等存在一定的问题。中国专利201720976083.7公布了一种具备冷却效果的搅拌摩擦焊接的装置。主要将冷却液喷射到焊缝区周围，同时冷却液也会在底板中流通。上述方法的试板整体冷却作用会导致焊缝区的热输入降低，降低焊缝区的金属流动能力，容易形成焊接缺陷的问题；且夹具的灵活性较差。中国专利201510139804.4公布了一种改善7系铝合金搅拌摩擦焊接头质量和力学性能的方法。主要是对7系系铝合金搅拌摩擦焊接头进行焊后热处理，提高接头的力学性能，但该方法工程应用的难度大，且效率不高。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题,本发明提供一种提高7系铝合金搅拌摩擦焊接头性能的装置和方法，技术方案如下：

一种提高7系铝合金搅拌摩擦焊接头性能的装置，所述装置包括底部衬板，底部衬板的顶部用于放置待焊接的试板，试板的上下两侧均设置有水冷散热板，水冷散热板的位置分别对应焊缝左右两侧的热影响区，底部衬板的两侧还设置有用于固定试板的焊接夹具，焊缝位置的上方设置有搅拌头。