[发明专利]一种分体式搅拌摩擦焊具及弱化接头织构的焊接方法

说明书

本发明提供了一种分体式搅拌摩擦焊具及弱化接头织构的焊接方法，其解决了传统搅拌摩擦焊接金属材料时，由于接头晶粒取向集中分布，织构强度高，导致拉伸过程中接头各区变形不协调，损害接头拉伸性能的技术问题。本发明中提供了一种分体式搅拌摩擦焊具，其设有外搅拌头和内搅拌头，外搅拌头中心设有搅拌腔，内搅拌头设置在搅拌腔内，外搅拌头和内搅拌头能够相对独立运动，内搅拌头下端面设有同心环形槽，外搅拌头设有内凹下端面，内凹下端面设有涡状槽。同时，本发明提供一种利用分体式搅拌摩擦焊具弱化接头织构的焊接方法。本发明可广泛应用于搅拌摩擦焊技术领域。

技术领域

本发明属于焊接技术领域，更具体地说，是涉及一种分体式搅拌摩擦焊具及弱化接头织构的焊接方法。

背景技术

搅拌摩擦焊(Friction stir welding，简称FSW)是由英国焊接研究所于1991年发明的一种高效固相焊接技术，在焊接过程中，焊机驱动焊具高速旋转扎入待焊材料内部，并沿预定轨迹前进，在该过程中焊具与待焊材料发生摩擦剪切产生大量热量，使得待焊材料达到热塑性状态并在焊具的剪切带动下发生流动，并在轴肩的顶锻作用下形成连续、致密的焊缝。

作为一种固相焊接方法，搅拌摩擦焊可以有效避免在铝合金、镁合金等材料的熔化焊中易出现的气孔、夹杂、热裂纹等缺陷，因此在航空航天、兵器、交通等领域得到了广泛应用。然而，常规搅拌摩擦焊接镁合金、α型钛合金等密排六方结构的金属材料的过程中，由于热塑性金属的流动行为较为简单规律，导致在搅拌区容易出现强织构现象，其中晶粒基面环绕搅拌针侧表面分布，这种晶粒取向导致拉伸过程中接头各区变形不协调，部分区域的金属提前屈服而导致应变集中，进而损害接头拉伸性能；其次，在常规搅拌摩擦焊中，由于轴肩下压量的存在，会使得部分热塑性金属在焊接过程中外溢流失，使得焊缝产生一定量的减薄，尤其是针对薄板的焊接，焊接部位厚度的减小会使得接头的承载能力受到严重损害，具有一定的局限性。

专利CN203003336公开了一种搅拌针与轴肩差速旋转的回抽式搅拌摩擦焊主轴头，其通过控制轴肩和搅拌针的差速旋转解决了现有技术中焊缝过热而影响焊接质量的技术问题，但应用于镁合金、α型钛合金等密排六方结构的金属材料的焊接中时，由于轴肩和搅拌针为相同方向旋转，因此并不会导致焊接过程中热塑性材料的流动行为产生根本的改变，晶粒取向的集中分布以及强织构现象也并不会得到明显改善，接头力学性能仍然较低。

专利CN111618420A公开了一种弱化镁合金搅拌摩擦焊接头织构的方法和设备，其采用静轴肩搅拌摩擦焊具改善接头组织对称性，配合脉冲电流促进接头组织的动态再结晶过程，使得晶粒取向随机化，进而弱化接头织构强度，但是该方法并未从根本上改变焊接过程中的金属流动行为，因此对织构强度的弱化效果有限，且工艺复杂、设备成本较高。

专利CN101890572B公开了一种搅拌针与轴肩逆向旋转的搅拌摩擦焊接方法，其通过对被焊材料施加相反的驱动力，改善接头组织和性能的不对称性，提高接头的力学性能。但是该方法中由于搅拌针的存在，焊缝底部的材料流动主要还是受搅拌针旋转的影响，轴肩的反向旋转并不能有效改变焊缝底部的材料流动行为，因此对焊缝底部的织构强度改善效果有限，且该方法会对焊缝厚度造成减薄效果，进而影响接头的承载性能。

发明内容

本发明就是为了解决上述背景技术的不足，提供了一种分体式搅拌摩擦焊具及弱化接头织构的焊接方法。本发明中的分体式搅拌摩擦焊具设有相对独立运动的内搅拌头和外搅拌头，两者在不同主轴的驱动下实现反向差速旋转，并配合各自下端面的凹槽结构，一方面使得热塑性金属应变形式复杂化；另一方面提高热塑性金属的应变速率，促进非基面滑移系的激活，进而弱化接头织构。同时外搅拌头内凹下端面边缘与金属板材表面和内搅拌头侧壁形成封闭空腔能够临时储存外溢的热塑性金属，焊接过程中，储存在封闭空间内的热塑性金属在外搅拌头的顶锻作用下重新回填至内搅拌头后方的减薄区域，避免了热塑性金属的外溢流失，最终获得与母材厚度相同、晶粒取向随机化、织构强度低、力学性能优异的搅拌摩擦接头。