[发明专利]一种小变形、高力学性能的控冷环境辅助下的搅拌摩擦焊工艺方法

说明书

技术领域：本发明涉及一种焊接工艺方法，尤其是一种小变形、高力学性能的控冷环境辅助下的搅拌摩擦焊工艺方法。

背景技术：作为一种固相连接技术，搅拌摩擦焊接过程中没有材料的熔化与凝固现象产生，焊接过程中的热输入比较低，因此搅拌摩擦焊构件残余应力较低、变形相对较小。但铝合金薄壁结构搅拌摩擦焊的焊接变形问题还是表现得很突出，尤其是薄壁结构的焊接变形与工程实际的要求存在较大差距。例如某型号飞机座舱地板2.0mm厚试验件搭接结构采用搅拌摩擦焊工艺焊接，焊后试件呈波浪形，宏观变形较大。随着搅拌摩擦焊技术的不断深入以及工程应用的不断扩大，搅拌摩擦焊残余变形的减小与控制逐步成为研究热点，并已经发展了诸如利用动态低应力无变形技术、温差拉伸法等来控制搅拌摩擦焊接头的残余变形。同时，对于搅拌摩擦焊接头来讲，焊接热的存在使热机影响区或热影响区的晶粒粗大化，造成接头出现软化区，影响了接头的力学性能。近年来，国内外的研究者已经开始对强冷介质影响搅拌摩擦焊接头温度分布、组织与性能的规律进行了研究，但利用控冷环境来改善接头组织以及控制接头残余变形的报道还未出现

发明内容：为了解决搅拌摩擦焊连接金属薄板结构的残余变形往往不能满足实际工程需求的问题以及进一步提高接头的力学性能，本发明设计了适用于控冷环境辅助下的搅拌摩擦焊工艺方法，为铝合金、钛合金等薄板结构搅拌摩擦焊残余变形的有效控制提供了一个新的思路与方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种小变形、高力学性能的控冷环境辅助下的搅拌摩擦焊工艺方法，其中控冷环境主要是由四个辅助夹具来实现，且辅助夹具分别在焊接方向与垂直焊接方向上各布置两个；在焊接过程中，在焊接方向上且选取靠近焊接方向起始端的辅助夹具与垂直于焊接方向布置的两辅助夹具配合实现控冷环境的冷却面积与位置的调控。该发明的具体步骤为：

步骤一、将焊件A和焊件B对接放置且位于同一水平面上(即将焊件A与焊件B组对)，并用夹具装夹在工作台上；所述焊件A和焊件B均为板材。

步骤二、确定焊接方向，将冷却装置夹持到辅助夹具上，根据焊接工艺需要选择焊接用辅助夹具并对其位置进行调整，保证冷却气体的喷嘴与搅拌头的边界距离为3-30mm，打开冷却装置上面的控制阀，开始供冷气。

步骤三、搅拌头的搅拌针以100～2000转/分的转速扎入待焊部位(即焊件A与焊件B的对接面)；搅拌头扎入速度为1～4mm/分，搅拌针扎入工件深度比工件厚度小0～0.3mm，保持轴肩端面与工件上边面紧密贴合且有一定的下压力。

步骤四、当搅拌头达到设定的下扎深度时，搅拌头以50～1600mm/分的速度沿着焊件A与焊件B的对接面水平方向移动，直到焊接完成为止。

本发明是的有益效果是：

(一)基于控冷环境，加大搅拌摩擦焊接过程中的被焊件的冷却速度，减少焊后热机影响区或热影响区晶粒的粗大程度，缩小接头软化区的范围，提高接头的性能；

(二)基于控冷环境，在搅拌头后面的焊件上形成马鞍形温度场，利用温差拉伸效应大幅度减小接头的残余变形，为铝合金、钛合金等薄板结构搅拌摩擦焊残余变形的有效控制提供了一个新的思路与方法。

附图说明：

图1是控冷环境辅助下的搅拌摩擦焊焊接过程示意图。

图2是辅助夹具结构示意图。

图3是冷却装置冷气喷嘴结构示意图。

图4是温差拉伸效应示意图。

图中：1.焊件A，2.焊件B，3.搅拌摩擦焊设备头部，4.搅拌头，5.辅助夹具，6.冷却装置，7.辅助夹具工作部，8.水平调节杆，9.调整螺钉A，10.竖直调节杆，11.调整螺钉B，12.固定底座，13.喷气嘴，14.流量调节挡块，15.气腔，16.针式控制阀，17.冷气入口。18.冷却装置A。

具体实施方式：

如图1所示：在常规的搅拌摩擦焊设备头部3的四个方向分别安装了辅助夹具5及其夹持的冷却装置6，保持喷气嘴13与搅拌头4适合的相对位置。在焊接过程中，根据焊接方向的不同，只开开通靠近焊接起始端的一个冷却装置A18处于工作状态，其他三个均没有冷气流出，进而实现后置冷却。图中箭头所示为焊接方向。

如图2所示：辅助夹具通过固定底座12固定在搅拌摩擦焊设备头部3上。水平调节杆8可通过调整螺钉A9来定位，竖直调节杆10可通过调整螺钉B11来定位，完全满足了喷气嘴13在焊接方向上的任意位置的调节。