本發(fā)明涉及材料加工技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種攪拌摩擦加工預(yù)防鋁合金搭接焊晶界液化裂紋的方法。

背景技術(shù)：

由于鋁合金的密度低、強(qiáng)度高、塑性好、抗蝕性和易成型等優(yōu)點(diǎn)在航空航天、交通工具、機(jī)械制造等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。特別是近年來，高速列車、汽車的輕量環(huán)?；拍畹奶岢觯鞣N輕量化的鋁合金焊接結(jié)構(gòu)件得到廣泛使用。但鋁合金熔焊易出現(xiàn)氣孔、裂紋和變形等缺陷。目前針對(duì)薄厚度鋁合金的攪拌摩擦焊接工藝比較成熟，避免了熔焊的常見缺陷。但厚板鋁合金的攪拌摩擦焊接還處于工程試驗(yàn)階段，很多情況下厚板鋁合金依然試驗(yàn)傳統(tǒng)的熔焊方法(如mig焊)，可見厚板鋁合金熔焊的裂紋缺陷當(dāng)前鋁合金焊接構(gòu)件中值得重視的安全隱患。

熱裂紋是鋁合金熔焊過程中非常常見的裂紋類型，熱裂紋又分為結(jié)晶裂紋和液化裂紋，結(jié)晶裂紋一般發(fā)生在焊縫區(qū)，而液化裂紋易出現(xiàn)在近焊縫熱影響區(qū)。厚板鋁合金在熔焊時(shí)易出現(xiàn)液化裂紋，這是由于制備鋁合金厚板一般采用由軋制成型工藝，所以鋁合金厚板的晶粒從軋向或橫向觀察均是拉長(zhǎng)的纖維狀晶粒，并且在晶界上分布由于前序熱處理的原因存在的低熔點(diǎn)共晶相，對(duì)中高強(qiáng)鋁合金厚板進(jìn)行焊接時(shí)，近縫熱影響區(qū)特定位置的晶界發(fā)生低熔點(diǎn)共晶物熔化現(xiàn)象，即所謂的“晶界液化”。在焊縫金屬凝固的后期，凝固收縮產(chǎn)生的焊接應(yīng)力增大到一定程度時(shí)，就會(huì)在晶界液化處形成晶界液化裂紋。而纖維狀沿軋向拉長(zhǎng)排列的晶粒特征抑制晶界液化裂紋擴(kuò)展的能力較弱，裂紋極易在晶粒拉長(zhǎng)方向沿晶擴(kuò)展。

現(xiàn)有針對(duì)焊接接頭消除缺陷方法主要有焊前熱處理和焊后熱處理等。中國(guó)專利200780043508.8中公開了用于熱處理焊縫的方法和裝置，主要是通過感應(yīng)加熱對(duì)接頭焊后熱處理來降低焊接裂紋出現(xiàn)的概率；中國(guó)專利201210421407.2本發(fā)明公開了一種鋁合金厚板焊接的方法，主要通過清洗工藝、預(yù)熱工藝、焊接工藝來降低焊接變形，提高產(chǎn)品質(zhì)量。但上述的方法工藝繁瑣，降低生產(chǎn)效率。

攪拌摩擦加工技術(shù)(fsp)是一種用于材料微觀組織改性和制造的方法。其原理主要是利用攪拌頭使加工區(qū)材料的劇烈塑性變形、混合和破碎，實(shí)現(xiàn)加工區(qū)域的致密化、均勻化和細(xì)化。特別是采用攪拌摩擦加工制備的超細(xì)晶鋁合金，其強(qiáng)度、塑性和材料延展性都得到很大提高。通過攪拌摩擦方式對(duì)材料微觀組織進(jìn)行改性，并通過材料加工區(qū)的劇烈塑性變形、混合、破碎及熱暴露，可實(shí)現(xiàn)材料加工區(qū)微觀結(jié)構(gòu)的致密化、均勻化和細(xì)化。因此，本發(fā)明對(duì)鋁合金搭接接頭進(jìn)行預(yù)處理，使其組織晶粒細(xì)小，并且消除晶粒的方向性，降低接頭出現(xiàn)裂紋的概率，提高生產(chǎn)效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種攪拌摩擦加工預(yù)防鋁合金搭接焊晶界液化裂紋的方法。使得攪拌區(qū)發(fā)生了完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，形成細(xì)小的等軸晶，提高該部位抗焊接開裂能力。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種攪拌摩擦加工預(yù)防鋁合金搭接焊晶界液化裂紋的方法，包括如下步驟：

步驟一：選取待處理的板材，并對(duì)引入板、引出板和待處理板材進(jìn)行裝夾固定于攪拌摩擦加工機(jī)床上；由于在攪拌摩擦加工過程中板材會(huì)發(fā)生相應(yīng)的振動(dòng)，采用多個(gè)夾持裝置對(duì)其進(jìn)行裝卡，裝卡過程中要做好該位置的保護(hù)工作，防止對(duì)板材裝卡部位造成擦傷或者破壞。

步驟二：采用機(jī)械方法，對(duì)板材攪拌摩擦加工的位置進(jìn)行打磨處理，露出金屬光澤；對(duì)板材攪拌摩擦加工位置，進(jìn)行打磨。防止在攪拌摩擦加工過程中將板材表面的油污，氧化物等帶入板材中。

步驟三：根據(jù)板材的厚度方向要處理的深度要求選取相對(duì)應(yīng)的攪拌頭，選取標(biāo)準(zhǔn)為l略大于h，l為攪拌針的長(zhǎng)度，h為板材的厚度方向要處理的深度；選取的攪拌頭是錐形攪拌頭，其中攪拌針的長(zhǎng)度范圍為4-20mm，攪拌針的直徑范圍為3-15mm。

步驟四：安裝好攪拌摩擦加工頭，夾具將要引入板、引出板和待處理的試板固定好。為了防止攪拌摩擦加工開始時(shí)不穩(wěn)定造成加工效果不理想，加入引入板；為了防止攪拌摩擦加工后留下匙孔，加入引出板；加工的試板最后會(huì)形成一個(gè)良好的攪拌摩擦加工區(qū)域。為了保證攪拌摩擦加工的順利進(jìn)行，使板材與攪拌摩擦加工頭運(yùn)動(dòng)軌跡在一條直線上，并設(shè)定攪拌摩擦加工的工藝參數(shù)為攪拌頭轉(zhuǎn)數(shù)為500-2000r/min，行進(jìn)速度為20-100mm/min，攪拌針傾斜角度為0-5°，使攪拌頭高速旋轉(zhuǎn)并插入待處理試板，沿著試板預(yù)處理方向勻速行進(jìn)；根據(jù)不同系列的鋁合金板材，設(shè)定攪拌摩擦加工的工藝參數(shù)。

步驟五：攪拌摩擦加工時(shí)，采用旁軸壓縮氣體側(cè)吹的方法對(duì)攪拌頭進(jìn)行冷卻；

步驟六：試板一面攪拌摩擦加工后，將試板旋轉(zhuǎn)90度，并用夾具固定好，對(duì)相鄰面繼續(xù)按照步驟四進(jìn)行攪拌摩擦加工，直至板材的厚度方向四個(gè)面均加工完成。試板厚度方向一面攪拌摩擦加工后，加工部位自然冷卻后，將試板旋轉(zhuǎn)90度，并用夾具固定好，對(duì)相鄰面繼續(xù)按照步驟四進(jìn)行攪拌摩擦加工，焊接的順序?yàn)槭孜蚕嘟?，即?duì)相鄰面攪拌摩擦加工時(shí)的起始位置緊挨著前一加工面的終止位置。

本發(fā)明通過使用攪拌摩擦加工設(shè)備對(duì)鋁合金板材進(jìn)行處理，首先將引入板、引出板和待處理的板材裝夾固定于攪拌摩擦加工機(jī)床上，并對(duì)板材攪拌摩擦加工的位置進(jìn)行打磨處理，露出金屬光澤。然后，根據(jù)板材的厚度方向要處理的深度要求選取相對(duì)應(yīng)的攪拌頭，安裝好攪拌摩擦加工頭，設(shè)定攪拌摩擦加工的工藝參數(shù)為攪拌頭轉(zhuǎn)數(shù)為500-2000r/min，行進(jìn)速度為20-100mm/min，攪拌針傾斜角度為0-5°，使攪拌頭高速旋轉(zhuǎn)并插入待處理試板，沿著試板預(yù)處理方向勻速行進(jìn)，攪拌摩擦加工時(shí)，采用旁軸壓縮氣體側(cè)吹的方法對(duì)攪拌頭進(jìn)行冷卻。試板一面攪拌摩擦加工后，將試板旋轉(zhuǎn)90度，并用夾具固定好，對(duì)相鄰面繼續(xù)按照步驟四進(jìn)行攪拌摩擦加工，直至板材的厚度方向四個(gè)面均加工完成。這樣沿軋制方向存在的有分層組織變成了彌散分布細(xì)小的等軸晶，該焊接部位的抗開裂能力獲得提高。

本發(fā)明將搭接接頭的纖維狀晶粒加工形成細(xì)小的等軸晶，并將分層的夾雜物被破碎呈彌散分布狀態(tài)，提高抗焊接開裂能力。本發(fā)明只是對(duì)接頭區(qū)域進(jìn)行一次攪拌攪拌摩擦加工處理，效率遠(yuǎn)大于熱處理。該方法主要消耗材料為攪拌頭，而對(duì)于合金鋼材質(zhì)的攪拌頭加工鋁合金，其消耗頻率非常小，攪拌頭可以多次使用，成本低。

附圖說明

圖1搭接角焊縫焊接示意圖。

圖2鋁合金板材軋制或短橫向微觀組織示意圖。

圖3鋁合金板材焊接裂紋形成示意圖。

圖4攪拌摩擦加工處理后焊接接頭微觀組織示意圖。

圖5為本發(fā)明攪拌摩擦加工板材的正面示意圖。

圖6為本發(fā)明攪拌摩擦加工板材的俯視圖。

圖7為攪拌頭示意圖。

圖8為本發(fā)明攪拌摩擦加工順序示意圖。

圖9為本發(fā)明攪拌摩擦加工后搭接焊接示意圖。

圖10板材厚度方向進(jìn)行攪拌摩擦加工后宏觀照片。

圖11角焊縫焊接前攪拌摩擦加工接頭的宏觀照片。

圖12角焊縫焊接前未攪拌摩擦加工接頭的宏觀照片。

圖13角焊縫焊接前攪拌摩擦加工接頭的微觀照片。

圖14角焊縫焊接前未攪拌摩擦加工接頭的微觀照片。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施例。

對(duì)于20mm和9mm厚的7n01-t4鋁合金板材進(jìn)行mig角焊，其中20mm板為補(bǔ)強(qiáng)板，9mm板為底板。對(duì)mig角焊縫接頭檢測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)，在20mm厚的補(bǔ)強(qiáng)板近焊縫的熱影響區(qū)存在裂紋缺陷。研究認(rèn)為主要是由于該位置晶界上分布著低熔點(diǎn)的共晶mgzn2相，并且該位置存在較大的焊接拉應(yīng)力。于是對(duì)20mm厚的7n01-t4鋁合金板材進(jìn)行進(jìn)行攪拌摩擦加工處理后進(jìn)行mig角焊。將7n01-t4鋁合金板材表面進(jìn)行機(jī)械打磨，出現(xiàn)金屬光澤，并將工件固定于攪拌摩擦加工設(shè)備上。攪拌摩擦加工時(shí)，采用旁軸壓縮氣體側(cè)吹的方法對(duì)攪拌頭進(jìn)行冷卻。攪拌摩擦加工的工藝參數(shù)為攪拌頭轉(zhuǎn)數(shù)為1000r/min，行進(jìn)速度為50mm/min，攪拌針傾斜角度為2.5°，攪拌針長(zhǎng)度為4.2mm，軸肩直徑為12mm。最后在攪拌摩擦處理后的角焊縫中未發(fā)現(xiàn)熱裂紋的產(chǎn)生。

如上所述，結(jié)合附圖和實(shí)施例所給出的方案內(nèi)容，可以衍生出類似的技術(shù)方法。對(duì)于需采用熔焊搭接、t型接頭鋁合金厚板均可以利用攪拌摩擦加工防止熱裂紋的生成,依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。