一种提高异质金属搅拌摩擦焊接头可焊性的方法技术

本申请提供一种提高异质金属搅拌摩擦焊接头可焊性的方法，其在避免整张板材热处理的前提下，对接头的局部进行预搅拌摩擦加工；通过搅拌针高速旋转产生的破碎作用与摩擦热作用，实现钢、钛合金等硬质金属接头组织的局部细化，既避免了整张板材组织粗化和力学性能降低，又能够提高接头在后续焊接过程中的流动性，从而提高构件的整体性能。此外，预搅拌摩擦加工过程中，通过预埋添加相进一步改善晶粒的细化程度，增大接头细晶区域，并抑制后续焊接过程中金属间化合物的生成。过程中金属间化合物的生成。过程中金属间化合物的生成。

【技术实现步骤摘要】
一种提高异质金属搅拌摩擦焊接头可焊性的方法


[0001]本申请涉及焊接领域，尤其涉及一种提高异质金属搅拌摩擦焊接头可焊性的方法。

技术介绍

[0002]资源紧缺和环境危机是当前全球制造业共同面对的两大严峻问题，伴随着科技高效、高速的发展，航空、航天及运输的进步面临着新的挑战。钛合金、铝合金、镁合金等轻金属的大量应用，实现了各领域装置的轻量化，有效提高其燃料效率和航程。随着异质金属的应用衍生了异质金属的焊接，然而异质金属的焊接质量决定着这些构件的使用性能，影响着飞机、火箭、动车等装置的安全性能。现阶段钢或钛与其他轻金属材料焊接的主要问题有：材料熔点、热膨胀系数和热导率等热因素引起的未熔合、气孔和裂纹等焊接缺陷；弹性、硬度差异引起的焊接过程中流动不匹配及焊后接头在受力过程中局部应力集中问题。
[0003]目前多采用搅拌摩擦焊接前对整张钢板或钛合金板材进行加热，通过提高温度来提高钛合金的塑性。这使得整张板材原有的力学性能发生改变，无法达到原有设计的强度和疲劳性能，这降低了焊接构件在航空、航天及运输领域中预先设计的服役周期，存在严重的安全隐患。
[0004]本
技术介绍
所公开的上述信息仅仅用于增加对本申请
技术介绍
的理解，因此，其可能包括不构成本领域普通技术人员已知的现有技术。

技术实现思路

[0005]本申请在避免整张板材热处理的前提下，对接头的局部进行预搅拌摩擦加工(预FSP,friction stir processing)；通过搅拌针高速旋转产生的破碎作用与摩擦热作用，实现钢、钛合金等硬质金属接头组织的局部细化，既避免了整张板材组织粗化和力学性能降低，又能够提高接头流动性，从而提高构件的整体性能。此外，预搅拌摩擦加工过程中，通过预埋添加元素进一步改善晶粒的细化程度，增大接头细晶区域，并抑制后续焊接过程中金属间化合物的生成，而后再对焊接板材等进行搅拌摩擦焊(FSW,friction stir weldding)。
[0006]在本申请的一些实施例中，提供了一种提高异质金属搅拌摩擦焊接头可焊性的方法，包括以下步骤：
[0007](1)对待焊接金属接头位置进行预搅拌摩擦加工，得到局部细晶组织；
[0008](2)将待焊接金属与异质金属材料进行对接点焊；
[0009](3)对待焊接金属与异质金属进行全焊缝的搅拌摩擦焊接。
[0010]所述待焊接金属为硬质合金或软质合金；所述预搅拌摩擦加工为单侧预搅拌或双侧预搅拌。
[0011]在本申请的一些实施例中，
[0012](1)对硬质金属接头位置进行预搅拌摩擦加工，得到局部细晶组织；
[0013](2)将硬质金属与异质金属材料进行对接点焊；
[0014](3)对硬质金属与异质金属进行全焊缝的搅拌摩擦焊接。
[0015]在本申请的一些实施例中，在对硬质金属接头位置进行预搅拌摩擦加工前，在硬质金属接头处添加增强相。
[0016]在本申请的一些实施例中，所述增强相为硅、硼、锡。
[0017]在本申请的一些实施例中，所述增强相为硅颗粒。
[0018]在本申请的一些实施例中，采用刻槽、预制孔、箔材层或涂层的方式，在硬质金属接头处添加增强相。
[0019]在本申请的一些实施例中，所述硬质金属包括但不限于钛、钢、铝、镁、铜合金等金属材料。
[0020]在本申请的一些实施例中，所述硬质金属与异质金属接头形式包括但不限于对接、搭接、角接、T型接头，有角度坡口。
[0021]在本申请的一些实施例中，所述硬质金属和异质金属可以为平面件或者曲面件。
[0022]在本申请的一些实施例中，预搅拌侧包含硬质金属、软质金属或双侧预搅拌；
[0023]在本申请的一些实施例中预搅拌摩擦加工进行双侧预搅拌，与多个异质金属材料同时进行焊接；
[0024]在本申请的一些实施例中，在预搅拌摩擦加工中，当待焊接金属为硬质合金时，搅拌头的旋转速度为250
‑
450rpm，前进速度为30
‑
50rpm。
[0025]在本申请的一些实施例中，在预搅拌摩擦加工中，当待焊接金属为软质合金时，旋转速度600
‑
750rpm，前进速度100
‑
150rpm。
[0026]经过大量实验发现，对于待焊接金属来说，在上述转速下，焊缝表面成型好，焊缝组织趾根或空洞缺陷少，
[0027]在本申请的一些实施例中，在预搅拌摩擦加工中，搅拌头的下压量为0.2
‑
0.5mm，经实验发现下压量太大，搅拌区的材料被挤压出，成为飞边，焊缝厚度降低，下压量太小，与板材摩擦少，产热少，无法提供足够的热源，在该区间内，既保证了硬质金属的塑性，又不改变原有的力学性能。
[0028]在本申请的一些实施例中，搅拌头旋转角度2.5
°
，既保证了搅拌头与待焊接金属接触，产生足够的热量，又能使整体焊接板材原始性能受影响最小。
[0029]在本申请的一些实施例中，当需焊接的材料为钛铝合金时，通过添加硅增强相，抑制Ti
‑
Al系化合物Ti3Al、TiAl、TiAl3的生成。
[0030]在本申请的一些实施例中，所述硬质合金为TC4，所述异质金属为为7A04铝合金，焊接前TC4与7A04铝合金为轧态组织，TC4晶粒尺寸为42μm，铝合金晶粒尺寸范围为50～145μm；钛合金为长轴组织，铝合金为板条状组织；预搅拌后的TC4与搅拌摩擦焊接后的7A04均为等轴细晶组织，平均晶粒尺寸分别为1.2和4.5μm，晶粒得到了细化，降低了接头趾根、空洞缺陷明显。
[0031]本申请的优点至少在于，通过接头局部组织的细晶化和组织调控提高硬质金属板材的塑性，改善相对较硬金属的流动性；与现有钢/铝、铜/铝、钛/铝、钛/铜或钛/镁等异质金属焊接相比，预搅拌后的硬质金属接头因晶粒等轴且细化而流动性提高，接头趾根、空洞等缺陷降低，接头力学性能改善；经预搅拌后的板材，可在另一侧继续搅拌摩擦焊接，增大
了接头的细晶区域，接头韧性提高；并通过预搅拌的添加元素或增强颗粒，使接头金属间化合物得到抑制。
附图说明
[0032]为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0033]图1为本申请实施例1的焊接过程示意图；
[0034]图2为本申请实施例2的焊接过程示意图；
[0035]图3为本申请实施例2焊接前后组织对比图：
[0036]焊前组织:(a)TC4，(b)7A04
[0037]焊后组织:(c)TC4，(d)7A04；
[0038]图4为本申请实施例3预搅拌与未预搅拌的单侧直接搅拌焊接的力学性能对比图；
[0039]图5为本申请实施本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种提高异质金属搅拌摩擦焊接头可焊性的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)对待焊接金属接头位置进行预搅拌摩擦加工，得到局部细晶组织；(2)将待焊接金属与异质金属材料进行对接点焊；(3)对待焊接金属与异质金属进行全焊缝的搅拌摩擦焊接；所述待焊接金属为硬质合金或软质合金；所述预搅拌摩擦加工为单侧预搅拌或双侧预搅拌。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在对待焊接金属接头位置进行预搅拌摩擦加工前，在待焊接金属接头处添加增强相。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，采用刻槽、预制孔、箔材层或涂层的方式，在待焊接金属接头处添加增强相，优选地，所述增强相为硅、硼、锡，更为优选地，所述增强相为硅颗粒，当需焊接的材料为钛铝合金时，通过添加硅增强相，抑制Ti
‑
Al系化合物Ti3Al、TiAl、TiAl3的生成。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述硬质金属包括钛、钢、铝、镁、铜合金。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述待焊接金属与异质金属接头形式包括对接、搭接、角接、T型接头，有角度坡口，优选地，所述待焊接金属和异质金属为平面件或者曲面件。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，预搅拌摩擦加工进行双侧预搅拌，与多个异质金属材料同时进行焊接。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当待焊接金属为硬质合金时，在预搅拌摩擦加工中，搅拌头的旋转速度为250
‑
450rpm，前进速度为30...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨文静，马良超，陈东高，张龙，何逸凡，姜彤，戴宇，王大锋，聂景江，马冰，王有祁，
申请(专利权)人：中国兵器科学研究院宁波分院，
类型：发明
国别省市：