用宽幅永久性加强板防止减薄并改善表面成形的加强式搅拌摩擦焊方法技术

本发明专利技术公开了一种用宽幅永久性加强板防止减薄并改善表面成形的加强式搅拌摩擦焊方法：(1)焊前在待对接母材的表面预置加强板，并在加强板与母材表面间预置钎料，要求钎料能与母材发生共晶反应或对母材有明显的溶解能力。(2)采用带针工具在加强板表面摩擦，同时实现母材/母材之间的搅拌摩擦对接焊(FSBW)及加强板/母材表面之间的搭接搅拌摩擦钎焊。本发明专利技术所述“加强式搅拌摩擦焊(R‑FSW：reinforced FSW)”方法，通过用永久性加强板盖面的方法，可以获得无减薄、光滑成形的加强焊道，形成类似弧焊接头中的永久性“盖面焊道”，可用于铝质压力容器及异种金属的搅拌摩擦焊接。

Strengthened Friction Stir Welding with Wide Permanent Reinforcement Plate to Prevent Thinning and Improve Surface Forming

The invention discloses a reinforced friction stir welding method for preventing thinning and improving surface forming with a wide permanent reinforcement plate: (1) Before welding, a pre-set reinforcement plate is placed on the surface of the parent metal to be butted, and a pre-set filler metal is placed between the reinforcement plate and the surface of the base metal, requiring that the filler metal can react with the parent metal eutectically or have obvious solubility to the base metal. (2) Friction stir butt welding (FSBW) between base metal and base metal and lap friction stir brazing (FSBW) between base metal and base metal surfaces are realized by using needle tool. The reinforced friction stir welding (R FSW: reinforced FSW) method described in the present invention can obtain a non-thinning, smooth-formed reinforced weld path by means of a permanent strengthening plate cover, forming a permanent \cover weld\ similar to that in an arc welded joint, and can be used for friction stir welding of aluminium pressure vessels and dissimilar metals.

【技术实现步骤摘要】
用宽幅永久性加强板防止减薄并改善表面成形的加强式搅拌摩擦焊方法
本专利技术属于搅拌摩擦焊领域，具体涉及一种采用宽幅永久性加强板盖面的“加强式搅拌摩擦焊(R-FSW：reinforcedFSW)”方法，从而防止搅拌摩擦焊焊后母材减薄并改善异种金属搅拌摩擦焊表面成形的光滑性，可用于铝质压力容器及异种金属的搅拌摩擦焊接。
技术介绍
免开坡口、免预热、无结晶裂纹的搅拌摩擦焊(FSW:frictionstirwelding)在同种铝板材的焊接方面已获得了广泛应用，可代替钨极氩弧焊与熔化极惰性气体保护电弧焊。FSW可进一步分为搅拌摩擦对接焊(FSBW:frictionstirbuttwelding)与搅拌摩擦搭接焊(FSLW:frictionstirlapwelding)两种。其中，FSBW因针的旋转方向垂直于焊接界面，针对界面氧化膜破碎与分散效果要远优于FSLW；FSLW因针的旋转方向与搭接界面平行，针的破膜与氧化膜碎屑的分散、竖向金属的混合效果变差。因此，从破除分散氧化膜、母材塑性混合的程度、范围等角度看，搅拌摩擦对接焊(FSBW)焊接质量好，容易实现左/右界面两侧塑性金属的混合，而搅拌摩擦搭接焊(FSLW)上/下界面两侧金属的竖向混合质量“天生”较差。所以，搅拌摩擦搭接焊的难度远远大于搅拌摩擦对接焊。但搅拌摩擦对接焊(FSBW)在铝质应力容器制造、异种金属对接焊两项工业应用方面还有一些技术难点，限制了FSW在这两项工业方面的大面积应用。在铝质压力容器(如5083厚板制作空分行业的铝质应力容器)进行同种铝材的搅拌摩擦对接焊时，虽然对同种母材而言，能够获得光滑成形表面与无缺陷的搅拌区，但表面不可避免地会出现减薄。而现行应力容器行业标准规定焊接区的厚度应不低于母材原始厚度，这一矛盾造成铝质压力容器行业的设计与制造技术人员对FSW技术“敬而远之”。另一方面，当FSBW用于异种金属对接焊(如Al/Cu组合)方面，除了同样存在焊接区板厚被“减薄”的问题之外，还存在以下更多问题(表面缺陷与内部缺陷)。(1)表面成形极为粗糙。虽然Al/Al组合、Cu/Cu组合的FSBW均能获得很光滑的表面成形，但是，Al/Cu组合的FSBW表面成形却十分粗糙、粘附搅拌头，内部也易于出现缺陷。异种金属FSBW接头表面成形极为粗糙被认为是难以根除的问题，原因主要有：(a)宽大轴肩直接作用下，表面过度的摩擦与热量导致形成脆性金属间化合物(IMC)，而形成的表面IMC无塑性变形能力，极易被工具的轴肩“搅碎”；(b)在摩擦表面，实际上Al、Cu、IMC三种相共存，其物理性能，如屈服强度、软化温度、流变应力、塑性指标均相差较大，导致表面层自身塑性流动连续性差；(c)表面金属间化合物或共晶相易于粘附搅拌工具的轴肩。(2)粗糙的表面成形引起母材表面局部严重减薄。(3)在搅拌区，塑性好、强度高的母材难以被一次性打碎分散，在搅拌区呈大片状存在，分割搅拌区并与低强母材形成新的界面，破坏了搅拌区力学性能的连续性。(4)在搅拌区，伴随上述大片状或大块状高强母材常出现空洞缺陷。上述缺陷中，搅拌区内部的粗大高强母材片或块、空洞可在适当规范参数下消除，而粗糙的表面成形、搅拌区局部厚度严重减薄却难以消除(参考文献1)。在改善异种金属FSW表面成形方面，哈工大刘会杰等提出了母材上方附加阻隔板材的Frictionstirbuttbarrierwelding(FSBBW)思路(参考文献2)，并申报了专利(参考文献3)。“阻隔板”具有以下优点(参考文献3)：阻隔了轴肩同时与铜、铝异种母材表面的接触摩擦，使搅拌头只与阻隔板接触摩擦，既阻止铜、铝在肩表面的附近的流动混合，又避免了异种母材与轴肩的粘连问题。但是由于阻隔板与母材的焊接属于搭接搅拌摩擦焊，而搭接搅拌摩擦焊的质量远不及对接搅拌摩擦焊。搭接搅拌摩擦焊的主要问题有(参考文献4、5)：(1)搅拌焊合区狭窄，这是因针的直径较细所致；(2)搅拌区边缘存在较深的伸向上板内部的勾装缺陷(hook)或缺口缺陷，这些缺陷导致加强板的实际有效承载厚度大幅减薄，并形成应力集中；(3)搅拌区内本身氧化膜的驱散能力差，如上所述，其原因主要在于工具的旋转方向与焊接界面平行(均为水平方向)，难以实现上/下界面间的竖向混合。现有的常规焊接方法(如电弧焊、搅拌摩擦搭接焊)都难以胜任加强板与母材表面之间的搭接焊接，具体原因分析如下。首先，传统电弧焊因可达性问题、效率问题不适于板材大面积搭接接头，因此不适于宽尺寸加强板与其正下方母材表面之间的搭接焊接，除非采用堆焊技术，预先将焊丝熔化后堆覆于母材表面(成为单边预堆焊)，完成单边预堆焊后再进行FSBW。但是，当加强板与母材为异种金属时，电弧堆焊会形成脆性金属间化合物，因而无法采用。其次，搅拌摩擦搭接焊因上述固有问题也难以获得高质量的加强板/母材搭接接头。参考文献[1]H.J.Liu,J.J.ShenandL.Zhou.Microstructuralcharacterisationandmechanicalpropertiesoffrictionstirweldedjointsofaluminiumalloytocopper.ScienceandTechnologyofWeldingandJoining,2011,16(1):92–99.[2]H.J.Liu,J.J.Shen,S.Xie,Y.X.Huang,F.Cui,C.LiuandL.Y.Kuang.Weldappearanceandmicrostructuralcharacteristicsoffrictionstirbuttbarrierweldedjointsofaluminiumalloytocopper.ScienceandTechnologyofWeldingandJoining,2012,17(2):104-110.[3]刘会杰，沈俊军，刘超，匡玲艺，崔凡.一种铜-铝异种材料对接阻隔搅拌摩擦焊方法.公开日：2009年12月30日；公开号：CN101612690A；申请号：200910072504.3[4]ZhangGF,ZhangK,ZhangLJ.Approachtodisruptingthickintermetalliccompoundinterfaciallayerinfrictionstirbrazing(FSB)ofAl/Cuplates.ScienceandTechnologyofWeldingandJoining,2014(19):554-559.[5]ZhangGF,ZhangLJ,KangCW.Developmentoffrictionstirspotbrazing(FSSB).MaterialsandDesign,2016(94):502-514.[6]张贵锋，苏伟，张建勋等.一种搅拌摩擦钎焊制备双金属复合板的方法：中国，200910021918.3[P].2009-04-08.[7]ZhangGF,SuW,ZhangJX,etal.Frictionstirbrazing:anovelprocessforfabricatingAl/Steellayeredcompositeandfordissimilarjoini本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种防减薄光滑焊道永久型加强式搅拌摩擦焊方法，其特征在于：该加强式搅拌摩擦焊方法包括以下步骤：1)焊前在待进行搅拌摩擦对接焊的母材上面预置厚度为1～5mm板材，将该板材称之为加强板；2)在加强板与母材表面间预置钎料，要求钎料能与加强板或母材发生共晶反应或对母材有溶解能力；3)采用带针工具在加强板表面摩擦，同时进行母材与母材之间的搅拌摩擦对接焊及加强板与各母材表面之间的搭接搅拌摩擦钎焊，获得表面成形光滑、且加强板与母材表面焊合幅宽可达轴肩直径的宽焊幅“盖面焊道”(或称加强焊道)，从而得到具有宽焊幅永久性加强板的搅拌摩擦焊接头。

【技术特征摘要】
1.一种防减薄光滑焊道永久型加强式搅拌摩擦焊方法，其特征在于：该加强式搅拌摩擦焊方法包括以下步骤：1)焊前在待进行搅拌摩擦对接焊的母材上面预置厚度为1～5mm板材，将该板材称之为加强板；2)在加强板与母材表面间预置钎料，要求钎料能与加强板或母材发生共晶反应或对母材有溶解能力；3)采用带针工具在加强板表面摩擦，同时进行母材与母材之间的搅拌摩擦对接焊及加强板与各母材表面之间的搭接搅拌摩擦钎焊，获得表面成形光滑、且加强板与母材表面焊合幅宽可达轴肩直径的宽焊幅“盖面焊道”(或称加强焊道)，从而得到具有宽焊幅永久性加强板的搅拌摩擦焊接头。2.根据权利要求1所述一种防减薄光滑焊道永久型加强式搅拌摩擦焊方法，其特征在于：所述加强式搅拌摩擦焊中，要求加强板塑性较好，即在经受旋转轴肩的摩擦作用后表面不开裂且表面成形光滑；其中，同种母材搅拌摩擦对接焊时，加强板的材质采用同种母材，或与母材材质不同；异种母材搅拌摩擦对接焊时，加强板采用一块塑性较好的完整板材，加强板的材质为异种母材中的一种，或与两种母材材质不同。3.根据权利要求1所述一种防减薄光滑焊道永久型加强式搅拌摩擦焊方法，其特征在于：所述搭接搅拌摩擦钎焊是指加强板与两母材表面在不同区域通过搅拌摩擦搭接焊与搅拌摩擦钎焊两种方法获得牢固结合；其中，在针的搅拌区，同时通过搅拌摩擦搭接焊与搅拌摩擦钎焊两种方法实现加强板与母材之间的焊接；在针以外但仍在带针工具肩下的更大宽度范围内，通过搅拌摩擦钎焊实现更大搭接面积间的焊合。4.根据权利要求3所述一种防减薄光滑焊道永久型加强式搅拌摩擦焊方法，其特征在于：所述加强板的有效宽度，即与母材表面获得冶金结合区域的真实宽度，可通过调整带针工具轴肩直径的大小进行调整。5.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：张贵锋，周杨智，张林杰，张建勋，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61