一种基于激光冲击强化的铝合金搅拌摩擦焊对接接头强韧化方法技术

本发明专利技术公开了一种基于激光冲击强化的铝合金搅拌摩擦焊对接接头强韧化方法，涉及铝合金搅拌摩擦焊接头焊后强化技术领域，该方法包括以下步骤：（1）在铝合金板件的搅拌摩擦焊对接接头的整个软化区位置正面及焊缝背面对称位置布置吸收层和约束层；（2）对整个软化区位置的正、反面对称区域进行低能量密度激光冲击强化；（3）然后仅对前进侧热机影响区和后退侧热机影响区位置的正、反面对称区域进行高能量密度激光冲击强化，不对搅拌区位置进行激光冲击强化；（4）去除吸收层及约束层。本发明专利技术采用不同的激光冲击强化参数对不同区域进行激光冲击强化，提高接头局部性能均匀性、大幅度提高接头屈服强度、提高接头整体延伸率。提高接头整体延伸率。提高接头整体延伸率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于激光冲击强化的铝合金搅拌摩擦焊对接接头强韧化方法


[0001]本专利技术涉及铝合金搅拌摩擦焊接头焊后强化
，具体涉及一种基于激光冲击强化的铝合金搅拌摩擦焊对接接头强韧化方法。

技术介绍

[0002]高强铝合金由于具有比强度高、耐腐蚀性能强及疲劳寿命好等诸多优点，近年来广泛应用与轨道交通、船舶制造、航空航天及军工武器制造中。搅拌摩擦焊技术作为固相焊的一种，用于焊接铝合金时可以保证铝合金母材不发生熔化，可基本消除熔焊过程中存在的问题，获得高强铝合金搅拌摩擦焊力学性能也显著高于传统熔化焊接头。但是搅拌摩擦焊过程产生的机械搅拌力和摩擦热会导致焊接接头各区域中晶粒形貌、晶粒尺寸及析出相出现明显的差异，焊核区直接受到搅拌针的机械搅拌作用，经受充分的塑性变形和焊接热循环，最终导致析出相溶解，晶粒组织为细小的等轴晶；而热机影响区受到的塑性变形和焊接热均远低于焊核区，仅有部分原始晶粒转变为等轴晶，但是大部分晶粒为拉长变形的粗大柱状晶组织，该区域受热后析出相也发生严重的溶解和粗化，导致热机影响区的力学性能最低。最终接头各区域之间显微结构和力学性能出现明显的不均匀性，热机影响区由于硬度和屈服强度最低，在拉伸过程中会较早的出现早期的应变集中，导致接头断裂于此区域，通过常规的焊接方法及焊接参数的优化无法有效解决接头软化区不对称的问题，制约了接头拉伸性能的进一步提高。因此，采用合理的焊缝强化方法解决高强铝合金搅拌摩擦焊接头各区域力学性能差异大的对焊接接头对进一步提高力学性能有重要的意义。
[0003]常见的铝合金搅拌摩擦焊接头强化方式主要有焊后热处理强化和焊缝表面强化。焊后热处理可以释放搅拌摩擦焊接头轴肩作用区的残余拉应力集中，还可以稳定接头各区域组织，提高组织均匀性。但是对于尺寸较大的焊接结构件难以进行整体的热处理，并且热处理工艺通常较为复杂，生产效率低。焊缝表面强化技术是通过特殊工艺对焊缝表面进行加工，从而提高焊缝的各项力学性能，搅拌摩擦焊焊缝强化中常用的方法有喷丸强化、超声强化和激光冲击强化，三种强化方法均是通过外力作用在材料表面产生一定的塑性变形从而诱导近表面产生位错活动，通常可以导致材料表层发生晶粒细化、优化残余应力分布。然而喷丸强化通常需要使用微米级别弹丸，工作环境较差，需要设置专用的喷丸房间，提高生产成本；超声强化过程会大大提高接头表面粗糙度，容易破坏搅拌摩擦焊接头表面完整性，引入其他表面缺陷，并且在超声冲击需要使用尺寸较大的超声换能器和冲击头，不可精确控制冲击强化位置。
[0004]激光冲击强化技术原理是通过高能量密度激光束在材料表面产生等离子爆炸冲击波从而诱导材料发生塑性变形，为一种非接触式的强化方法，可达性好绿色环保，质量稳定，在钛合金、不锈钢、高温合金、铝合金强化领域已有较为广泛的应用。目前针对焊接接头的激光冲击强化方法均和金属母材强化方法相同，采用大面积、全覆盖的激光光斑路径，对整个焊缝区域进行无差别的强化，最终无论是金属母材还是焊接接头在激光冲击强化后虽
然都可以明显提高材料的屈服强度及抗拉强度，但材料的延伸率会大幅度减小，出现明显的加工硬化特征。
[0005]铝合金搅拌摩擦焊接头由于其各区域力学性能差异较大，可视为一种非均质复合材料，铝合金搅拌摩擦焊接头的硬度较低的位置与拉伸过程中的应变集中位置有较好的对应关系，接头在拉伸过程中总是在局部力学性能最低的区域发生应变集中直至断裂，因此可以通过激光冲击强化可进行精准局部强化的工艺优势调控不同区域的力学性能，大幅提升接头薄弱区域力学性能，增加各区域之间的均匀性从而提高接头整体拉伸性能，防止强化过程造成严重的加工硬化导致接头塑性降低。但现有的铝合金搅拌摩擦焊激光冲击强化技术还未有合理的激光冲击强化区域规划方法，尚不存在通过调控铝合金搅拌摩擦焊接头不同区域局部力学性能优化接头整体力学性能的激光冲击强化方法。

技术实现思路

[0006]本专利技术针对现有铝合金搅拌摩擦焊对接接头激光冲击强化方法的不足，提出一种根据接头分区合理规划强化区域的激光冲击强化方法。
[0007]为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于激光冲击强化的铝合金搅拌摩擦焊对接接头强韧化方法，包括以下步骤：（1）在铝合金板件的搅拌摩擦焊对接接头的整个软化区位置表面及背面布置吸收层和约束层；（2）对整个焊缝软化区正、反两面对称区域进行低能量密度激光冲击强化；（3）然后仅对焊缝前进侧热机影响区和后退侧热机影响区正、反两面对称区域进行高能量密度激光冲击强化，不对搅拌区位置进行激光冲击强化；（4）去除接头表面及背面吸收层及约束层，即可得到强韧化的铝合金搅拌摩擦焊接头。
[0008]进一步的，根据接头水平维氏硬度分布曲线确定接头实际软化区位置和宽度、前进侧热机影响区位置和宽度、后退侧热机影响区位置和宽度及焊核区位置和宽度。
[0009]进一步的，由于铝合金母材硬度相对稳定，可以根据接头水平维氏硬度分布曲线左右两端硬度接近于水平分布的数据点计算出母材的平均硬度，将硬度低于95%母材平均硬度的区域判定为接头软化区，从曲线中测量软化区宽度及与焊缝中心线相对位置，搅拌针直接作用区域判定为接头搅拌区，搅拌区宽度为搅拌针直径，并以焊缝中心对称分布；结合搅拌针旋转方向和焊接方向的相对关系，确定前进侧热机影响区、后退侧热机影响区的宽度和相对位置。
[0010]进一步的，所述铝合金板件可以为任一种系列铝合金，优选二系铝合金和六系铝合金。
[0011]进一步的，步骤（2）中低能量密度激光冲击强化参数为：单脉冲能量2~5J，低能量密度脉冲激光光斑尺寸1~4mm，方形或圆形光斑，光斑搭接率30~70%，强化次数1~2次。
[0012]步骤（2）对整个软化区位置进行初步的强化，目的是在接头整个软化区正、反面表面产生一定的塑性变形，产生对称的残余压应力层，在整个接头软化区近表面产生一定的位错结构，但不产生严重的加工硬化效果降低接头塑性。
[0013]进一步的，步骤（3）中高能量密度激光冲击强化参数为：单脉冲能量10~25J，高能量密度脉冲激光光斑尺寸1~2mm，方形或圆形光斑，光斑搭接率50%~80%，强化次数1~5次。
[0014]进一步的，步骤（3）使用单激光束分别对焊缝正面的前进侧热机影响区和后退侧热机影响区进行强化，或者采用双光束激光同时对焊缝正面的前进侧热机影响区和后退侧热机影响区进行强化，然后采用相同的方式对焊缝背面对称区域进行强化此步骤主要是为了在热机影响区产生较大的塑性变形，诱导此区域粗大的晶粒发生晶粒细化并提高局部位错密度，产生细晶强化和位错强化效果，弥补此区域的严重软化，使得前进侧热机影响区、后退侧热机影响区及搅拌区之间的力学性能更加均匀。
[0015]进一步的，所述吸收层为10~100μm厚的铝箔、黑胶带或黑漆；所述约束层为1~3mm厚的流动水层或K9玻璃。
[0016]进一步的，所述接头水平维氏硬度分布曲线绘制方法包括以下步骤：1）根据搅拌摩擦焊工作台工装夹具尺寸，切取合适尺寸的铝合金母材模拟件，并采用实际生产所用焊接本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于激光冲击强化的铝合金搅拌摩擦焊对接接头强韧化方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）在铝合金板件的搅拌摩擦焊对接接头的整个软化区位置正面面及背面布置吸收层和约束层；（2）对整个软化区位置的正、反面对称区域进行低能量密度激光冲击强化；（3）然后仅对前进侧热机影响区和后退侧热机影响区位置的正、反面对称区域进行高能量密度激光冲击强化，不对搅拌区位置进行激光冲击强化；（4）去除接头正面及背面吸收层及约束层，即可得到强韧化的铝合金搅拌摩擦焊接头。2.根据权利要求1所述的一种基于激光冲击强化的铝合金搅拌摩擦焊对接接头强韧化方法，其特征在于，根据接头水平维氏硬度分布曲线确定接头实际软化区位置和宽度、前进侧热机影响区位置和宽度、后退侧热机影响区位置和宽度及焊核区位置和宽度。3.根据权利要求2所述的一种基于激光冲击强化的铝合金搅拌摩擦焊对接接头强韧化方法，其特征在于，根据接头水平维氏硬度分布曲线计算出母材的平均硬度，将硬度低于95%母材平均硬度的区域判定为接头软化区，从曲线中测量软化区宽度及与焊缝中心线相对位置，搅拌针直接作用区域判定为接头搅拌区，搅拌区宽度为搅拌针直径，并以焊缝中心对称分布；结合搅拌针旋转方向和焊接方向的相对关系，确定前进侧热机影响区、后退侧热机影响区的宽度和相对位置。4.根据权利要求1所述的一种基于激光冲击强化的铝合金搅拌摩擦焊对接接头强韧化方法，其特征在于，步骤（2）中低能量密度激光冲击强化参数为：单脉冲能量2~5J，低能量密度脉冲激光光斑尺寸1~4mm，方形或圆形光斑，光斑搭接率30~70%，强化次数1~2次。5.根据权利要求1所述的一种基于激光冲击强化的铝合金搅拌摩擦焊对接接头强韧化方法，其特征在于，步骤（3）中高能量密度激光冲击强化参数为：单脉冲能量10~25J，高能量密度脉冲激光光斑尺寸1~2mm，方形或圆形光斑，光斑搭接率50%~80%，强化次数1~5次。6.根据权利要求1所述的一...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭伟，戴为，张宏强，肖军，史佳鑫，朱颖，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：