《一種鋁合金厚板攪拌摩擦焊方法》是長春軌道客車股份有限公司於2015年9月9日申請的專利，該專利的公布號為CN105127583A，授權公布日為2015年12月9日，發明人是張欣盟、張行、毛一偉。
《一種鋁合金厚板攪拌摩擦焊方法》其特徵在於：通過FSW預組焊，實現待焊工件的部分焊合連線；在焊縫側位鑽孔，以便從焊縫側位啟焊；在鑽孔位置側位啟焊，待攪拌頭垂直行至實際焊縫中心處，再沿預組焊焊縫中心進行全焊透FSW焊接。該發明開發提出了一種提前預焊、側位打孔啟焊的FSW焊接新方法，特別適用於鋁合金厚板的FSW焊接；該發明工藝簡單，能夠有效地解決鋁合金厚板FSW啟焊以及焊接過程中組對間隙難以控制的難題。該方法工藝過程穩定，適用於工業批量化生產；該發明降低了鋁合金厚板FSW對設備主軸、龍門剛度的要求，同時也降低了對工裝夾具的要求，並能夠有效地的延長攪拌頭的使用壽命。
2019年10月，《一種鋁合金厚板攪拌摩擦焊方法》獲得第三屆吉林省專利獎金獎。
（概述圖為《一種鋁合金厚板攪拌摩擦焊方法》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：一種鋁合金厚板攪拌摩擦焊方法
- 申請人：長春軌道客車股份有限公司
- 申請日：2015年9月9日
- 申請號：2015105668555
- 公布日：2015年12月9日
- 公布號：CN105127583A
- 發明人：張欣盟、張行、毛一偉
- 地址：吉林省長春市青蔭路435號
- Int.Cl.：B23K20/12(2006.01)I
- 代理機構：長春眾益專利商標事務所
- 代理人：余岩
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,有益效果,附圖說明,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
鋁合金具有比強度高、易成型、耐蝕性好、材料可再生等優點，2015年之前已成為軌道車輛加工製造的主要材料之一。在高速鐵路車輛製造方面，更是發揮著其他材料不可替代的作用。2015年前，在軌道車輛的加工製造過程中，鋁合金的焊接仍以熔化極惰性氣體保護焊（簡稱MIG焊）和鎢極惰性氣體保護焊（簡稱TIG焊）等常規熔化焊為主。但因鋁合金熱導率高，且化學性活潑，表面易形成氧化膜，焊接時極易產生氣孔、夾雜、未融合、未焊透，以及裂紋等缺陷。此外，因鋁合金熱膨脹係數大，焊後易產生變形。因此，一般情況下鋁合金工件的焊接都需設計使用專用的工裝夾具，且焊後多需調修矯形來保證最終的工件尺寸。由此可見，鋁合金材料的焊接不僅質量控制難度大，而且製造工藝複雜，成本也相對較高。特別是進行諸如軌道車輛鋁合金車體底架等關鍵部位的厚板焊接時，問題更為突出。
攪拌摩擦焊接（簡稱FSW）作為一種先進的固相焊接方法，其熱輸入量低，焊接接頭強度高、焊接變形小，並且FSW焊接過程中無金屬熔化，從根源上杜絕了鋁合金弧焊常出現的氣孔、裂紋類缺陷產生。再者FSW焊接時無需填充金屬和保護氣體，且無弧光、粉塵、煙霧污染，整個過程綠色環保。因此，FSW技術一經問世，即迅速得到了工業化套用推廣，並以鋁及鋁合金材料的焊接套用最為廣泛和成熟。截至2015年前，已大量套用於航空航天、汽車電子、化工船舶，以及軌道車輛的加工製造。
通常情況下，FSW工具，即攪拌頭主要由夾持區、軸肩和攪拌針三部分組成。FSW工作時，攪拌頭的攪拌針部分首先旋轉扎入待焊工件，待攪拌頭的軸肩與待焊工件表面充分接觸，並原地停留一段時間後，再以一定的轉速和焊速沿焊縫進行焊接。FSW方法雖具有眾多優點，但對待焊工件的組配間隙要求卻相對較嚴，當選用的攪拌頭及焊接工藝一定時，FSW焊接時如工件組對間隙變大將會導致焊縫內部空洞，以及表面下凹量增大甚至表面溝槽缺陷產生。又因FSW焊接時，攪拌頭要對工件施加較大的下壓力，同時因攪拌針的扎入將對兩待焊工件產生一定的向外漲開作用力。此時，如待焊工件厚度較薄時，通過增加工裝強度、作用力以及作用點密度來保證FSW時工件組對間隙不發生變化。但當工件厚度較大相應地選用的攪拌頭尺寸較大時，FSW的下壓力以及由此對組對焊縫產生的向外撐漲作用將同步增加，特別是在攪拌針旋轉扎入的啟焊位置，上述效果更為明顯。此時即使強化工裝設計，也很難保證FSW焊接時攪拌頭前方焊縫組對間隙的一致性。因此，如何實現鋁合金厚板材料的批量工業化高品質FSW焊接，實際難度很大。
發明內容
專利目的
《一種鋁合金厚板攪拌摩擦焊方法》的目的是針對鋁合金厚板FSW難度大，特別是啟焊扎入及FSW時待焊工件組對間隙難以保證的難題，提出一種提前預焊、側位打孔啟焊的FSW焊接新方法。該方法不僅降低了FSW啟焊下扎時所需的下壓力，同時能夠有效地控制鋁合金厚板FSW時的組對間隙，確保FSW焊接的質量穩定性。另外，也降低了鋁合金厚板FSW焊接時對設備、工裝的要求，並能夠有效延長攪拌頭的使用壽命。
技術方案
《一種鋁合金厚板攪拌摩擦焊方法》其特徵在於包括以下步驟：
1、通過FSW預組焊，實現待焊工件的部分焊合連線；
2、在焊縫側位鑽孔，以便從焊縫側位啟焊；
3、在鑽孔位置側位啟焊，待攪拌頭垂直行至實際焊縫中心處，再沿預組焊焊縫中心進行全焊透FSW焊接。
所述的焊縫側位鑽孔位置是在距離工件端部尺寸及焊縫中心尺寸都不小於攪拌頭軸肩直徑尺寸的位置。所述的鑽孔用的鑽頭是根據攪拌針直徑尺寸的平均值進行選擇，如果攪拌針直徑尺寸的平均值為整數，鑽頭直徑尺寸即為攪拌針直徑尺寸的平均值；如果攪拌針直徑尺寸的平均值為小數，則鑽頭直徑尺寸為攪拌針直徑尺寸的平均值兩端且與平均值相鄰的整數。所述的鑽孔深度等於攪拌針長度的2/5－3/5。
有益效果
《一種鋁合金厚板攪拌摩擦焊方法》具有以下有益效果：
1.該發明開發提出了一種提前預焊、側位打孔啟焊的FSW焊接新方法，特別適用於鋁合金厚板的FSW焊接；
2.該發明工藝簡單，能夠有效地解決鋁合金厚板FSW啟焊以及焊接過程中組對間隙難以控制的難題。該方法工藝過程穩定，適用於工業批量化生產；
3.該發明降低了鋁合金厚板FSW對設備主軸、龍門剛度的要求，同時也降低了對工裝夾具的要求，並能夠有效地的延長攪拌頭的使用壽命。
附圖說明
圖1是鋁合金厚板FSW預組焊後示意圖；
圖2是鋁合金厚板全焊透FSW之前側位鑽孔示意圖；
圖3為鋁合金厚板全焊透FSW焊接過程示意圖；
圖4是鋁合金厚板提前預焊，側位鑽孔啟焊的FSW焊後示意圖。
權利要求
1.《一種鋁合金厚板攪拌摩擦焊方法》其特徵在於包括以下步驟：
（1）通過FSW預組焊，實現待焊工件的部分焊合連線；
（2）在焊縫側位鑽孔，以便從焊縫側位啟焊；
（3）在鑽孔位置側位啟焊，待攪拌頭垂直行至實際焊縫中心處，再沿預組焊焊縫中心進行全焊透FSW焊接。
2.根據權利要求1所述的一種鋁合金厚板攪拌摩擦焊方法，其特徵在於：所述的焊縫側位鑽孔位置是在距離工件端部尺寸及焊縫中心尺寸都不小於攪拌頭軸肩直徑尺寸的位置。
3.根據權利要求1所述的一種鋁合金厚板攪拌摩擦焊方法，其特徵在於：所述的鑽孔用的鑽頭是根據攪拌針直徑尺寸的平均值進行選擇，如果攪拌針直徑尺寸的平均值為整數，鑽頭直徑尺寸即為攪拌針直徑尺寸的平均值；如果攪拌針直徑尺寸的平均值為小數，則鑽頭直徑尺寸為攪拌針直徑尺寸的平均值兩端且與平均值相鄰的整數。
4.根據權利要求1所述的一種鋁合金厚板攪拌摩擦焊方法，其特徵在於：所述的鑽孔深度等於攪拌針長度的2/5－3/5。
實施方式
- 實施例1
待焊鋁合金工件1和鋁合金工件2都為35毫米厚的6005A-T6鋁合金型材，先用酒精擦拭待焊工件1和工件2的表面，再用鋼絲刷打磨去除工件1和工件2表面及側面氧化膜，之後實現工件1和工件2間的良好組配。選用軸肩直徑15毫米，攪拌針長度為5毫米、根部直徑6毫米、端部直徑3.5毫米的攪拌頭進行FSW預組焊，並形成預組焊焊縫3。焊接用攪拌頭5的軸肩直徑為45毫米，攪拌針長度為34毫米、根部直徑30毫米、端部直徑8毫米。選用直徑為19毫米的鑽頭，在距工件1端部及偏離預組焊焊縫3中心距離同為35毫米的位置鑽孔，鑽孔深度為17毫米，之後形成啟焊導入孔4。最後採用焊接用攪拌頭5在啟焊導入孔4處扎入啟焊，並沿垂直於預組焊焊縫3方向行進，行至預組焊焊縫3中心處，再沿預組焊焊縫3中心線進行全焊透FSW焊接，形成最終全焊透焊縫6。全焊透FSW在距預組焊焊縫匙孔3-1距離為18毫米位置結束，最終在結束位置形成全焊透焊縫匙孔6-1。
- 實施例2
待焊鋁合金工件1和鋁合金工件2都為35毫米厚的6005A-T6鋁合金型材，先用酒精擦拭待焊工件1和工件2的表面，再用鋼絲刷打磨去除工件1和工件2表面及側面氧化膜，之後實現工件1和工件2間的良好組配。選用軸肩直徑15毫米，攪拌針長度為5毫米、根部直徑6毫米、端部直徑3.5毫米的攪拌頭進行FSW預組焊，並形成預組焊焊縫3。焊接用攪拌頭5的軸肩直徑為45毫米，攪拌針長度為34毫米、根部直徑30毫米、端部直徑8毫米。選用直徑為19毫米的鑽頭，在距工件1端部及偏離預組焊焊縫3中心距離同為35毫米的位置鑽孔，鑽孔深度為13.6毫米，之後形成啟焊導入孔4。最後採用焊接用攪拌頭5在啟焊導入孔4處扎入啟焊，並沿垂直於預組焊焊縫3方向行進，行至預組焊焊縫3中心處，再沿預組焊焊縫3中心線進行全焊透FSW焊接，形成最終全焊透焊縫6。全焊透FSW在距預組焊焊縫匙孔3-1距離為18毫米位置結束，最終在結束位置形成全焊透焊縫匙孔6-1。
- 實施例3
待焊鋁合金工件1和鋁合金工件2都為35毫米厚的6005A-T6鋁合金型材，先用酒精擦拭待焊工件1和工件2的表面，再用鋼絲刷打磨去除工件1和工件2表面及側面氧化膜，之後實現工件1和工件2間的良好組配。選用軸肩直徑15毫米，攪拌針長度為5毫米、根部直徑6毫米、端部直徑3.5毫米的攪拌頭進行FSW預組焊，並形成預組焊焊縫3。焊接用攪拌頭5的軸肩直徑為45毫米，攪拌針長度為34毫米、根部直徑30毫米、端部直徑8毫米。選用直徑為19毫米的鑽頭，在距工件1端部及偏離預組焊焊縫3中心距離同為35毫米的位置鑽孔，鑽孔深度為20.4毫米，之後形成啟焊導入孔4。最後採用焊接用攪拌頭5在啟焊導入孔4處扎入啟焊，並沿垂直於預組焊焊縫3方向行進，行至預組焊焊縫3中心處，再沿預組焊焊縫3中心線進行全焊透FSW焊接，形成最終全焊透焊縫6。全焊透FSW在距預組焊焊縫匙孔3-1距離為18毫米位置結束，最終在結束位置形成全焊透焊縫匙孔6-1。
榮譽表彰
2019年10月，《一種鋁合金厚板攪拌摩擦焊方法》獲得第三屆吉林省專利獎金獎。
