一種用于鋁合金厚板焊接的攪拌頭及其焊接方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于焊接技術領域，具體地說是一種用于鋁合金厚板焊接的攪拌頭及其焊接方法。
【背景技術】
[0002]2XXX系和7X X X系熱處理變形強化鋁合金為高強度鋁合金，板材的抗拉強度均在400MPa以上。其中的7A52、7A05和2519等鋁合金就是該類高強鋁合金的代表，隨著高強鋁合金在大型結構件上的應用，不僅可以明顯降低結構件的重量，同時，還可以由結構件的輕量化帶來諸多其它方面的便利。
[0003]攪拌摩擦焊(frict1n stir weld縮寫為FSW)英國焊接研究所(TWI)在1991年首先發(fā)明的一種新型固態(tài)連接工藝，專門用來焊接常規(guī)氬弧焊接工藝(TIG和MIG)不能焊或焊接質量差的有色輕金屬材料。尤其在焊接20_厚度以下的高強鋁合金具有明顯優(yōu)勢，但是在焊接20mm-40mm厚度高強鋁合金，目前仍然存在以下問題，如攪拌頭的壽命普遍較低，只能焊接幾百米長的焊縫，而且破壞形式絕大部分是與攪拌頭軸肩相連的攪拌針從根部斷裂；焊接接頭強度較低約為母材的65%。因此，焊接技術制約了高強鋁合金在航空航天、武器裝備以及運輸?shù)刃袠I(yè)上的推廣應用。
[0004]隨著科學技術快速發(fā)展，尤其是攪拌摩擦焊技術和奧氏體高氮鋼材料應用技術的出現(xiàn)，為解決高強度鋁合金厚板的焊接提供了技術基礎。含N在0.40%-0.70%奧氏體高氮鋼材料具有明顯的性能優(yōu)勢，氮的加入提高了奧氏體高氮鋼的屈服強度而不降低材料韌性，特別是通過冷加工進一步提高強度，以18Mnl8Cr0.6N奧氏體高氮鋼為例，在變形量為40%時，其屈服強度可從600MPa提高到HOOMPa以上，而斷裂韌性仍保持著較高的數(shù)值，高氮鋼之所以具有如此高的加工硬化率，是由于高氮含量降低了堆垛層錯能，造成穩(wěn)定的位錯排列。同時，奧氏體高氮鋼還具有高溫斷裂韌性。因此，采用奧氏體高氮鋼制作攪拌頭可以明顯攪拌頭的使用壽命。在攪拌頭設計方面，傳統(tǒng)的攪拌針為圓柱形或圓錐形，在焊接厚板高強鋁合金時，攪拌針根部容易斷裂，因此需要對現(xiàn)有的攪拌頭進行改進，而且厚板高強鋁合金的焊接傳統(tǒng)是采用單面攪拌摩擦焊，由于沿厚度方向溫度場和流場差別較大，造成接頭性能降低，因此采用雙面焊接方式，明顯提高了焊接接頭的力學性能。
【發(fā)明內容】
[0005]本發(fā)明所要解決的第一個技術問題是提供一種用于鋁合金厚板焊接的攪拌頭，具有不易斷裂、使用壽命長的特點。
[0006]本發(fā)明所要解決的第二個技術問題是提供一種鋁合金厚板焊接的焊接方法，采用雙面攪拌摩擦焊進行焊接，焊接接頭強度高、質量好。
[0007]本發(fā)明解決上述第一個技術問題所采用的技術方案為:一種用于鋁合金厚板焊接的攪拌頭，包括攪拌針、軸肩和夾持端，攪拌針設于軸肩上端中心位置，其特征在于:所述攪拌頭是采用N含量在0.4%?0.7%的奧氏體高氮鋼加工而成的整體結構，攪拌針與軸肩連接的根部呈非比例加粗設計。
[0008]作為改進，所述攪拌針的頭部呈圓臺形或圓柱形，攪拌針的根部H2高度不大于攪拌針高度H1的1/2。
[0009]作為改進，所述攪拌針的頭部為圓臺形，攪拌針的根部為非比例加粗的圓臺形，就是攪拌針的根部的頂部夾角Θ 2為攪拌針的頭部的頂部夾角Θ !的110%?180%。
[0010]再改進，所述奧氏體高氮鋼是指高氮鋼板或棒或鍛件，其加工過程中的變形量不小于40% O
[0011]再改進，所述軸肩與攪拌針相連接的上段為圓臺形，軸肩的下段為圓柱形。
[0012]本發(fā)明解決上述第二個技術問題所采用的技術方案為:一種鋁合金厚板的焊接方法，其特征在于包括以下步驟:
[0013]I)設計攪拌頭:采用整體設計，即夾持端、軸肩、攪拌針采用同一塊采用N含量在
0.4%?0.7%的奧氏體高氮鋼材料加工而成；攪拌針的頭部呈圓臺形或圓柱形,所述攪拌針與軸肩連接的根部呈非比例加粗設計；
[0014]2)采用雙面攪拌摩擦焊的方法焊接:其中第一面焊接采用的攪拌針的高度不小于待焊鋁合金厚板的一半厚度進行焊接，第二面是在第一面焊縫的背面進行焊接，第二面焊接采用的攪拌針的高度不小于待焊鋁合金厚板的一半厚度。
[0015]作為改進，所述招合金厚板是指抗拉強度不低于400Mpa、厚度在20.0mm?40mm的熱處理變形強化鋁合金。
[0016]作為優(yōu)選，所述奧氏體高氮鋼是指高氮鋼板或棒或鍛件，其加工過程中的變形量不小于40%。
[0017]再改進，所述攪拌針的頭部為圓臺形，攪拌針的根部為非比例加粗的圓臺形，其中攪拌針的根部的頂部夾角Θ 2為攪拌針的頭部的頂部夾角Θ !的110%?180% ;攪拌針的根部H2高度不大于攪拌針高度H1的1/2。
[0018]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于:攪拌頭采用奧氏體高氮鋼加工而成的整體結構，在焊接高強度厚板鋁合金時，與熱作模具鋼H13相比，強度明顯增大，不易斷裂，且攪拌頭的使用壽命可提高10%以上；與軸肩連接的攪拌針采用非比例加粗設計，降低了攪拌針斷裂的幾率，與現(xiàn)有的圓柱形或圓錐形攪拌針設計相比，使用壽命可提高15%以上；采用雙面攪拌摩擦焊進行焊接，與采用單面焊接相比，焊接接頭的抗拉強度提高10%以上，焊縫沒有焊接氣孔、裂紋、疏松和未焊透等缺陷，焊縫內部質量達到I級。本發(fā)明的攪拌頭使用壽命長、根部不易斷裂，本發(fā)明的焊接方法明顯提高了焊接接頭的力學性能。
【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明的攪拌頭的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0020]以下結合附圖實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述。
[0021]實施例1
[0022]本實施例為焊接20mm厚7A52高強鋁合金的攪拌頭與方法，包括以下步驟:
[0023](I)攪拌頭的材料:攪拌頭的材料采用含N在0.4%的奧氏體高氮鋼，在加工過程中奧氏體高氮鋼的變形量為45%。(2)攪拌頭整體設計:攪拌頭采用整體設計，即夾持端3、軸肩2、攪拌針I(yè)采用同一塊奧氏體高氮鋼材料加工而成。(3)