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

背景技術：

由于鋁合金的密度低、強度高、塑性好、抗蝕性和易成型等優(yōu)點在航空航天、交通工具、機械制造等領域獲得廣泛應用。特別是近年來，高速列車、汽車的輕量環(huán)?；拍畹奶岢?，各種輕量化的鋁合金焊接結構件得到廣泛使用。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階段，很多情況下厚板鋁合金依然試驗傳統(tǒng)的熔焊方法(如mig焊)，可見厚板鋁合金熔焊的裂紋缺陷當前鋁合金焊接構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，熱裂紋又分為結晶裂紋和液化裂紋，結晶裂紋一般發(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共晶相，對中高強鋁合金厚板進行焊接時，近縫熱影響區(qū)特定位置的晶界發(fā)生低熔點共晶物熔化現(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)生的焊接應力增大到一定程度時，就會在晶界液化處形成晶界液化裂紋。而纖維狀沿軋向拉長排列的晶粒特征抑制晶界液化裂紋擴展的能力較弱，裂紋極易在晶粒拉長方向沿晶擴展。

現(xiàn)有針對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，主要是通過感應加熱對接頭焊后熱處理來降低焊接裂紋出現(xiàn)的概率；中國專利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、預熱工藝、焊接工藝來降低焊接變形，提高產(chǎn)品質量。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(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，實現(xiàn)加工區(qū)域的致密化、均勻化和細化。特別是采用攪拌摩擦加工制備的超細晶鋁合金，其強度、塑性和材料延展性都得到很大提高。通過攪拌摩擦方式對材料微觀組織進行改性，并通過材料加工區(qū)的劇烈塑性變形、混合、破碎及熱暴露，可實現(xiàn)材料加工區(qū)微觀結構的致密化、均勻化和細化。因此，本發(fā)明對鋁合金搭接接頭進行預處理，使其組織晶粒細小，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。

技術實現(xiàn)要素：

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

本發(fā)明采用的技術方案如下：

一種攪拌摩擦加工預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，并對引入板、引出板和待處理板材進行裝夾固定于攪拌摩擦加工機床上；由于在攪拌摩擦加工過程中板材會發(fā)生相應的振動，采用多個夾持裝置對其進行裝卡，裝卡過程中要做好該位置的保護工作，防止對板材裝卡部位造成擦傷或者破壞。

步驟二：采用機械方法，對板材攪拌摩擦加工的位置進行打磨處理，露出金屬光澤；對板材攪拌摩擦加工位置，進行打磨。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應的攪拌頭，選取標準為l略大于h，l為攪拌針的長度，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；加工的試板最后會形成一個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行，使板材與攪拌摩擦加工頭運動軌跡在一條直線上，并設定攪拌摩擦加工的工藝參數(shù)為攪拌頭轉數(shù)為500-2000r/min，行進速度為20-100mm/min，攪拌針傾斜角度為0-5°，使攪拌頭高速旋轉并插入待處理試板，沿著試板預處理方向勻速行進；根據(jù)不同系列的鋁合金板材，設定攪拌摩擦加工的工藝參數(shù)。

步驟五：攪拌摩擦加工時，采用旁軸壓縮氣體側吹的方法對攪拌頭進行冷卻；

步驟六：試板一面攪拌摩擦加工后，將試板旋轉90度，并用夾具固定好，對相鄰面繼續(xù)按照步驟四進行攪拌摩擦加工，直至板材的厚度方向四個面均加工完成。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90度，并用夾具固定好，對相鄰面繼續(xù)按照步驟四進行攪拌摩擦加工，焊接的順序為首尾相接，即對相鄰面攪拌摩擦加工時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備對鋁合金板材進行處理，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床上，并對板材攪拌摩擦加工的位置進行打磨處理，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應的攪拌頭，安裝好攪拌摩擦加工頭，設定攪拌摩擦加工的工藝參數(shù)為攪拌頭轉數(shù)為500-2000r/min，行進速度為20-100mm/min，攪拌針傾斜角度為0-5°，使攪拌頭高速旋轉并插入待處理試板，沿著試板預處理方向勻速行進，攪拌摩擦加工時，采用旁軸壓縮氣體側吹的方法對攪拌頭進行冷卻。試板一面攪拌摩擦加工后，將試板旋轉90度，并用夾具固定好，對相鄰面繼續(xù)按照步驟四進行攪拌摩擦加工，直至板材的厚度方向四個面均加工完成。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)明只是對接頭區(qū)域進行一次攪拌攪拌摩擦加工處理，效率遠大于熱處理。該方法主要消耗材料為攪拌頭，而對于合金鋼材質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。

具體實施方式

以下結合技術方案和附圖詳細敘述本發(fā)明的具體實施例。

對于20mm和9mm厚的7n01-t4鋁合金板材進行mig角焊，其中20mm板為補強板，9mm板為底板。對mig角焊縫接頭檢測過程中發(fā)現(xiàn)，在20mm厚的補強板近焊縫的熱影響區(qū)存在裂紋缺陷。研究認為主要是由于該位置晶界上分布著低熔點的共晶mgzn2相，并且該位置存在較大的焊接拉應力。于是對20mm厚的7n01-t4鋁合金板材進行進行攪拌摩擦加工處理后進行mig角焊。將7n01-t4鋁合金板材表面進行機械打磨，出現(xiàn)金屬光澤，并將工件固定于攪拌摩擦加工設備上。攪拌摩擦加工時，采用旁軸壓縮氣體側吹的方法對攪拌頭進行冷卻。攪拌摩擦加工的工藝參數(shù)為攪拌頭轉數(shù)為1000r/min，行進速度為50mm/min，攪拌針傾斜角度為2.5°，攪拌針長度為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，結合附圖和實施例所給出的方案內容，可以衍生出類似的技術方法。對于需采用熔焊搭接、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)明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術方案的范圍內。