[发明专利]轻合金厚截面接头的增材搅拌摩擦连接工艺

说明书

本发明公开了一种轻合金厚截面接头的单面和双面增材搅拌摩擦连接工艺，其首先在接头接合处加工出具有连续阶梯状“V”型或“X”型坡口。利用搅拌摩擦点焊进行第一层对接缝的点固，焊点间距约20～50mm；以转速200～1000rpm、焊速300～1000mm/min、搅拌头倾角为1.5°进行第一层焊接；而后加入与台阶等宽等高的填充料板材，采用搅拌摩擦点焊进行填料板与台阶边缘的固定焊，之后以转速4000～10000rpm、焊速2500～4500mm/min、搅拌头倾角为0°的参数进行第二层面的搅拌摩擦加工。重复上述步骤，直至实现整个厚截面的无缺陷焊合。

技术领域

本发明涉及金属材料焊接领域，特别涉及轻合金厚截面接头的增材搅拌摩擦连接工艺。

背景技术

随着汽车制造、轨道交通、航空航天以及海洋工程等领域中对金属结构轻量化的需求不断增加，铝合金及铝基复合材料、镁合金及镁基复合材料、钛合金及钛基复合材料等轻金属结构的应用也越来越广泛。目前，厚截面金属构件的连接方法主要有窄间隙氩弧焊、电子束焊、变极性等离子弧焊、激光焊以及电渣焊等，其本质上都属于熔化焊方法。由于这些轻金属具有高的化学活性，极易在焊接过程中发生氧化，并产生气孔、裂纹等冶金缺陷，使得这些轻合金的焊接一直是该领域的技术难题。

搅拌摩擦焊是一种先进的固相连接技术，是焊接轻合金的首选焊接方法。现有轻合金厚截面接头的搅拌摩擦焊工艺都是采用单面或双面焊，需要采用大尺寸、具有特殊形状设计的搅拌头，以及大型搅拌摩擦焊设备，且随板厚的增加极易在焊接中发生搅拌头断裂的风险。此外，受被焊截面尺寸限制，搅拌头转速和焊接速度很低，不仅焊接效率低，更重要的是热影响区软化或组织粗大问题突出。上述问题严重制约了搅拌摩擦焊技术在轻金属厚截面结构焊接中的应用。发明专利(103624398A)中提及的低热输入高强铝合金厚板焊接方法，主要是为减小焊接热输入而采用相对较小的焊接参数范围，导致整体焊接生产效率较低，且主要针对高强铝合金这类热处理强化型合金适用。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种轻合金厚截面接头的增材搅拌摩擦连接工艺。本发明针对对接和角接接头两种情况，在被焊接头处加工出“V”型或“X”型具有连续阶梯形状的坡口，而后采用超高速转速下的多层多道增材搅拌摩擦加工方法将与母材同质的材料填入坡口中，直至整个接头横截面完全填充焊合，实现了轻合金厚截面接头的连接。

为实现上述目的，本发明是根据以下技术方案实现的：

一种轻合金厚截面接头的单面增材搅拌摩擦连接工艺，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1：将截面厚度大于20mm的轻合金对接或角接连接的端面加工出“V”型坡口形状，同时要求所有坡口边都加工出连续阶梯形状；

步骤S2：焊接前采用搅拌摩擦点焊方法点固被焊接头，焊点间距约为20～50mm；采用转速为200～1000rpm、焊速为300～1000mm/min、搅拌头倾角为1.5°的参数对接头两侧对齐后的第一道接缝进行第一层焊接；

步骤S3：将与坡口台阶等宽和等高的填充金属板材放入刚焊好的台阶中，采用可回抽搅拌摩擦点焊方法，按步骤S2中焊点间隔要求将金属板与台阶边缘焊在一起；

步骤S4：采用转速为4000～10000rpm、焊速为2500～4500mm/min、搅拌头倾角为0°的参数进行第二层台阶面的搅拌摩擦加工，加工道次和相邻两道加工区搭接尺寸应保证在台阶厚度方向与底侧平台完全焊合；

步骤S5：重复上述步骤直至整个坡口台阶平面被完全填充，最终实现厚截面的无孔洞缺陷连接。

本发明还提供了一种轻合金厚截面接头的双面增材搅拌摩擦连接工艺，包括如下步骤：

步骤S1：将截面厚度大于20mm的轻合金对接的端面加工出“X”型坡口形状，同时要求所有坡口边都加工出连续阶梯形状；