一种铝材搅拌摩擦焊缝及母材强度均匀性的改进工艺方法
【专利摘要】本发明公开了一种铝材搅拌摩擦焊缝及母材强度均匀性的改进工艺方法，包括以下步骤：第一步，对6XXX系铝材淬火后经自然时效并在室温环境下自然冷却，使其达到T4状态；第二步，将达到T4状态的6XXX系铝材进行搅拌摩擦焊接加工，获得6XXX系铝材的焊接件；第三步，焊接后的焊接件经自然时效并在室温环境下停放；第四步，对焊接件进行T6人工时效处理，并将焊接件自然冷却到室温，获得焊缝及母材共同强化且强度差异小的6XXX系铝材焊件。本发明的铝材搅拌摩擦焊缝及母材强度均匀性的改进工艺方法，不仅能提高焊缝与母材的抗拉强度又可缩小焊缝与母材力学性能差异，而且还尽可能降低焊接前后能耗的总体时效。
【专利说明】
一种铝材搅拌摩擦焊缝及母材强度均匀性的改进工艺方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种铝合金材料焊接改进工艺，特别是涉及一种铝材搅拌摩擦焊缝及母材强度均匀性的改进工艺方法，属于6XXX系铝合金挤压型材或乳制板材搅拌摩擦固相焊接及热处理强化技术领域。
【背景技术】
[0002]6XXX系铝合金具有较高的比强度以及良好的成形性、耐蚀性和可焊性，其挤压型材及乳制板材在轨道列车、汽车、船舶等交通运输领域应用前景广阔；然而，由于受挤压机和乳机能力及型材或板材截面形状与尺寸因素的限制，挤压型材或乳制板材宽度有限，因此，大型复杂宽幅型材或板材必须通过焊接来实现;可是，传统的熔化焊接极易发生烧损、热裂纹、气孔等缺陷，其焊缝力学性能较差;近年，作为先进固相焊接工艺的搅拌摩擦焊接手段倍受关注，其高效环保的加工过程以及优异的焊缝组织与性能使得其在一些5XXX及7XXX等系铝合金材料焊接中显示出优势。但相比5XXX及7XXX等系铝合金，低合金化的6XXX系铝合金搅拌摩擦焊缝的强度明显低于母材，通常的6XXX系铝材T6态焊缝的强度损失造成其与母材存在明显的强度差异，严重影响整体焊件的使用安全性。因此，提高焊缝强度并改善其与母材强度的均匀性凸显重要。其中，固溶时效处理是6XXX系铝合金的主要强化手段，为提高焊缝的力学性能，现有技术中对该系铝合金T6态搅拌摩擦焊缝重新进行固溶时效处理，但重新固溶时效时，不可避免地影响整体焊件，不仅会降低母材强度，而且还会增加能耗;尽管申请号201210229998.3的专利公开了一种工艺优化的高焊接强度Al-Mg-Si系合金焊件制备方法，采用了近似本发明方法的加工步骤，但该发明申请采用的是氩弧焊溶化焊接，而本发明采用的搅拌摩擦焊接方法属于固相焊接，与前者的溶化焊接存在本质上的不同；申请号201310610236.2的专利公开了一种6XXX系铝合金焊接接头的强化新工艺，申请号201410181041.5的专利公开了一种改善高强铝合金搅拌摩擦焊接头性能的热处理方法，均未考虑6XXX系铝合金淬火后在室温下会随停留时间的延长而降低其人工时效效果，即停放效应；申请号201510139804.4的专利公开了一种改善7XXX铝合金搅拌摩擦焊接头质量和力学性能的方法，其工艺中采用冷却液对7XXX系铝合金搅拌摩擦焊件冷却，本发明针对淬火不敏感的6XXX系铝合金，无需冷却液也能达到淬火效果。总之，上述申请的专利没有利用6XXX系铝合金的固溶时效处理特点及搅拌摩擦焊接加工特点而提出有效改善焊件力学性能均匀性的工艺方法。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于避免现有技术的不足之处而提供一种铝材搅拌摩擦焊缝及母材强度均匀性的改进工艺方法，不仅能提高焊缝与母材的抗拉强度又可缩小焊缝与母材力学性能差异，而且还尽可能降低焊接前后能耗的总体时效。
[0004]本发明的目的通过如下技术手段实现:本发明的铝材搅拌摩擦焊缝及母材强度均匀性的改进工艺方法，包括以下步骤:
[0005]第一步，对6XXX系铝材淬火后经自然时效并在室温环境下自然冷却，使其达到T4状态；
[0006]第二步，将达到T4状态的6XXX系铝材进行搅拌摩擦焊接加工，获得6XXX系铝材的焊接件；
[0007]第三步，焊接后的焊接件经自然时效并在室温环境下停放；
[0008]第四步，对焊接件进行T6人工时效处理，并将焊接件自然冷却到室温，获得焊缝及母材共同强化且强度差异小的6XXX系铝材焊件;利用搅拌摩擦热及变形热效应，焊缝产生高温变形，随后自然冷却过程产生固溶处理效果，经过36?72h的停放时间，再对搅拌摩擦焊件整体进行T6峰值时效处理，促进Mg2Si强化相弥散析出，产生时效强化效应，可同时提高焊缝与母材的强度，获得焊缝与母材整体具有较高强度的搅拌摩擦焊接6XXX系铝合金焊件。
[0009]所述第三步中焊接前为T4态的6XXX系铝材在焊接后于室温环境下停放时间为36?72h0
[0010]所述第四步中焊接后焊缝和母材的T6人工时效处理温度为170?185°C，保温时间为8?12h0
[0011 ]所述6XXX系铝材包括6XXX系铝合金挤压型材及乳制板材。
[0012]本发明的铝材搅拌摩擦焊缝及母材强度均匀性的改进工艺方法，6XXX系铝型材搅拌摩擦焊件可获得综合力学性能提高的同时，缩小了焊缝与母材力学性能的差异，提高焊缝与母材的抗拉强度又可缩小焊缝与母材力学性能差异，而且还尽可能降低焊接前后能耗的总体时效强，无需对焊件进行多次时效处理，工艺简单，焊件强化效果理想，节能环保，降低生产成本。
[0013]说明书附图
[0014]利用附图对本发明作进一步的说明，但附图中的内容不构成对本发明的任何限制。
[0015]图1是本发明实施例2至实施例4FSW焊缝与母材室温下的拉伸性能示意图。
[0016]图2是本发明实施例2与对比例I?5FSW焊缝与母材室温下的拉伸性能示意图。
【具体实施方式】
[0017]结合以下实施例对本发明作进一步说明。
[0018]实施例1。
[0019]—种铝材搅拌摩擦焊缝及母材强度均匀性的改进工艺方法，包括以下步骤:
[0020]第一步，对6XXX系铝材淬火后经自然时效并在室温环境下自然冷却，使其达到T4状态；由于T4态公知技术，在此不再详述。
[0021]第二步，将达到T4状态的6XXX系铝材进行搅拌摩擦焊接加工，获得6XXX系铝材的焊接件；
[0022]第三步，焊接后的焊接件经自然时效并在室温环境下停放36?72h;
[0023]第四步，对焊接件进行T6人工时效处理，并将焊接件自然冷却到室温，获得焊缝及母材共同强化且强度差异小的6XXX系铝材焊件。优选的T6人工时效处理温度为170?185°C，保温时间为8?12h;由于T6态公知技术，在此不再详述。
[0024]本工艺方法利用搅拌摩擦热及变形热效应，焊缝产生高温变形，随后自然冷却过程产生固溶处理效果，经过36?72h的停放时间，再对搅拌摩擦焊件整体进行T6峰值时效处理，促进Mg2Si强化相弥散析出，产生时效强化效应，可同时提高焊缝与母材的强度，获得焊缝与母材整体具有较高强度的搅拌摩擦焊接6XXX系铝合金焊件;本发明的6XXX系铝材包括6XXX系铝合金挤压型材及乳制板材；
[0025]本发明的铝材搅拌摩擦焊缝及母材强度均匀性的改进工艺方法，6XXX系铝型材搅拌摩擦焊件可获得综合力学性能提高的同时，缩小了焊缝与母材力学性能的差异，提高焊缝与母材的抗拉强度又可缩小焊缝与母材力学性能差异，而且还尽可能降低焊接前后能耗的总体时效强，无需对焊件进行多次时效处理，工艺简单，焊件强化效果理想，节能环保，降低生产成本。
[0026]实施例2。
[0027]本实施例提供一种铝材搅拌摩擦焊缝及母材强度均匀性的改进工艺方法，包括以下步骤:
[0028]第一步，焊接前，用油压机对6005A铝合金铸锭进行挤压，并对其进行风冷式在线淬火处理，获得厚度为5mm的6005A铝型材；
[0029]第二步，在室温下进行自然时效处理30天，获得T4态6005A铝型材，然后进行搅拌摩擦焊接，获得6005A铝型材搅拌摩擦焊件；
[0030]第三步，焊接后，6005A铝型材焊件经在线自然空气冷却并在室温环境下停放48h;
[0031]第四步，对6005A铝型材搅拌摩擦焊件进行人工时效处理使其整体达到T6峰值时效状态，其时效处理温度为175°C，保温时间为8h，取出自然冷却到室温，获得6005A铝型材时效焊件。
[0032]实施例3。
[0033]本实施例提供一种铝材搅拌摩擦焊缝及母材强度均匀性的改进工艺方法，包括以下步骤:
[0034]第一步，焊接前，用油压机对6005A铝合金铸锭进行挤压，并对其进行风冷式在线淬火处理，获得厚度为5mm的6005A铝型材；
[0035]第二步，在室温下进行自然时效处理30天，获得T4态6005A铝型材，然后进行搅拌摩擦焊接，获得6005A铝型材搅拌摩擦焊件；
[0036]第三步，焊接后，6005A铝型材焊件经在线自然空气冷却并在室温环境下停放36h;
[0037]第四步，对6005A铝型材搅拌摩擦焊件进行人工时效处理使其整体达到T6峰值时效状态，其时效处理温度为170°C，保温时间为12h，取出自然冷却到室温，获得6005A铝型材时效焊件。
[0038]实施例4。
[0039]本实施例提供一种铝材搅拌摩擦焊缝及母材强度均匀性的改进工艺方法，包括以下步骤:
[0040]第一步，焊接前，用油压机对6005A铝合金铸锭进行挤压，并对其进行风冷式在线淬火处理，获得厚度为5mm的6005A铝型材；
[0041 ]第二步，在室温下进行自然时效处理30天，获得T4态6005A铝型材，然后进行搅拌摩擦焊接，获得6005A铝型材搅拌摩擦焊件；
[0042]第三步，焊接后，6005A铝型材焊件经在线自然空气冷却并在室温环境下停放72h;
[0043]第四步，对6005A铝型材搅拌摩擦焊件进行人工时效处理使其整体达到T6峰值时效状态，其时效处理温度为185°C，保温时间为8h，取出自然冷却到室温，获得6005A铝型材时效焊件。
[0044]上述是6005A铝型材焊件其母材的抗拉强度与延伸率，在同一技术路线中，采用不同的控制参数，其整体焊缝与母材力学性能差异小，焊缝和母材强度比较均匀，其中，实施例2实施效果最佳。
[0045]实施例5。
[0046]本实施例提供一种铝材搅拌摩擦焊缝及母材强度均匀性的改进工艺方法，包括以下步骤:
[0047]第一步，焊接前，用油压机对6009铝合金铸锭进行挤压，并对其进行风冷式在线淬火处理，获得厚度为5mm的6009铝型材；
[0048]第二步，在室温下进行自然时效处理30天，获得T4态6009铝型材，然后进行搅拌摩擦焊接，获得6009铝型材搅拌摩擦焊件；
[0049]第三步，焊接后，6009铝型材焊件经在线自然空气冷却并在室温环境下停放48h;
[0050]第四步，对6009铝型材搅拌摩擦焊件进行人工时效处理使其整体达到T6峰值时效状态，其时效处理温度为175 °C，保温时间为8h，取出自然冷却到室温，获得6009铝型材时效焊件。
[0051 ] 实施例6。
[0052]本实施例提供一种铝材搅拌摩擦焊缝及母材强度均匀性的改进工艺方法，包括以下步骤:
[0053]第一步，焊接前，用油压机对6016铝合金铸锭进行挤压，并对其进行风冷式在线淬火处理，获得厚度为5mm的6016铝型材；
[0054]第二步，在室温下进行自然时效处理30天，获得T4态6016铝型材，然后进行搅拌摩擦焊接，获得6016铝型材搅拌摩擦焊件；
[0055]第三步，焊接后，6016铝型材焊件经在线自然空气冷却并在室温环境下停放48h;
[0056]第四步，对6016铝型材搅拌摩擦焊件进行人工时效处理使其整体达到T6峰值时效状态，其时效处理温度为175 °C，保温时间为8h，取出自然冷却到室温，获得6016铝型材时效焊件。
[0057]实施例5和实施例6分别选用了6009铝型材和6016铝型材为原材料，采用实施例2的加工工艺进行加工，其加工后的参数与实施例2基本一致，在此不再详述。
[0058]对比例I。
[0059]本实施例提供一种铝材搅拌摩擦焊缝及母材强度均匀性的改进工艺方法，包括以下步骤:
[0060]第一步，焊接前，用油压机对6005A铝合金铸锭进行挤压，并对其在线淬火处理，获得厚度为5_的6005A铝型材；
[0061 ]第二步，在室温下进行自然时效处理30天，获得T4态6005A铝型材，然后进行搅拌摩擦焊接，获得6005A铝型材搅拌摩擦焊件；
[0062]第三步，焊接后，6005A铝型材焊件经在线自然空气冷却并在室温环境下停放24h;
[0063]第四步，对6005A铝型材搅拌摩擦焊件进行人工时效处理使其整体达到T6峰值时效状态，其时效处理温度为175°C，保温时间为8h，取出自然冷却到室温，获得6005A铝型材时效焊件。
[0064]上述对比例I与实施例2区别在于:实施例2焊接后将6005A铝型材焊件经在线自然空气冷却并在室温环境下停放48h;对比例I是将焊接后6005A铝型材焊件经在线自然空气冷却并在室温环境下停放24h;结果如图2所示，实施例2和对比例I完成的6005A铝型材焊件其母材的抗拉强度与延伸率基本一致，而实施例2焊缝的抗拉强度和延伸率明显优于对比例I;且实施例2焊缝与母材力学性能差异小，焊缝和母材强度更加均匀。
[0065]对比例2。
[0066]本实施例提供一种铝材搅拌摩擦焊缝及母材强度均匀性的改进工艺方法，包括以下步骤:
[0067]第一步，焊接前，用油压机对6005A铝合金铸锭进行挤压，并对其在线淬火处理，获得厚度为5_的6005A铝型材；
[0068]第二步，在室温下进行自然时效处理30天，获得T4态6005A铝型材，然后进行搅拌摩擦焊接，获得6005A铝型材搅拌摩擦焊件；
[0069]第三步，焊接后，6005A铝型材焊件经在线自然空气冷却并在室温环境下停放168h；
[0070]第四步，对6005A铝型材搅拌摩擦焊件进行人工时效处理使其整体达到T6峰值时效状态，其时效处理温度为175°C，保温时间为8h，取出自然冷却到室温，获得6005A铝型材时效焊件。
[0071 ]上述对比例2与实施例2区别在于:实施例2焊接后将6005A铝型材焊件经在线自然空气冷却并在室温环境下停放48h;对比例2是将焊接后将6005A铝型材焊件经在线自然空气冷却并在室温环境下停放168h;结果如图2所示，实施例2和对比例2完成的6005A铝型材焊件其母材的抗拉强度与延伸率基本一致，而实施例2焊缝的抗拉强度和延伸率明显优于对比例2;且实施例2焊缝与母材力学性能差异小，焊缝和母材强度更加均匀。
[0072]对比例3。
[0073]本实施例提供一种铝材搅拌摩擦焊缝及母材强度均匀性的改进工艺方法，包括以下步骤:
[0074]第一步，焊接前，用油压机对6005A铝合金铸锭进行挤压，并对其在线淬火处理，获得厚度为5_的6005A铝型材；
[0075]第二步，在室温下进行自然时效处理30天，获得T4态6005A铝型材，然后进行搅拌摩擦焊接，获得6005A铝型材搅拌摩擦焊件；
[0076]第三步，焊接后焊件经在线自然空气冷却后并立刻对6005A铝型材搅拌摩擦焊件进行人工时效处理使其整体达到T6峰值时效状态，其时效处理温度为175°C，保温时间为8h，取出自然冷却到室温，获得6005A铝型材时效焊件。
[0077]上述对比例3与实施例2区别在于:实施例2焊接后将6005A铝型材焊件经在线自然空气冷却并在室温环境下停放48h;对6005A铝型材搅拌摩擦焊件进行人工时效处理使其整体达到T6峰值时效状态;对比例3是将焊接后焊件经在线自然空气冷却后并立刻对6005A铝型材搅拌摩擦焊件进行人工时效处理使其整体达到T6峰值时效状态;结果如图2所示，实施例2和对比例3完成的6005A铝型材焊件其母材的抗拉强度与延伸率基本一致，而实施例2焊缝的抗拉强度和延伸率明显优于对比例3;且实施例2焊缝与母材力学性能差异小，焊缝和母材强度更加均匀。
[0078]对比例4。
[0079]本实施例提供一种铝材搅拌摩擦焊缝及母材强度均匀性的改进工艺方法，包括以下步骤:
[0080]第一步，焊接前，用油压机对6005A铝合金铸锭进行挤压，并对其在线淬火处理，获得厚度为5_的6005A铝型材；
[0081 ]第二步，进行峰值人工时效T6处理，获得T6态6005A铝型材，然后进行搅拌摩擦焊接，获得6005A铝型材搅拌摩擦焊件；
[0082]第三步，焊接后，6005A铝型材焊件经在线自然空气冷却并在室温环境下停放进行自然时效。
[0083]上述对比例4与实施例2区别在于:实施例2焊接后将6005A铝型材焊件经在线自然空气冷却并在室温环境下停放48h;对6005A铝型材搅拌摩擦焊件进行人工时效处理使其整体达到T6峰值时效状态;对比例4是将6005A铝型材直接进行峰值人工时效T6处理，获得T6态6005A铝型材，然后进行搅拌摩擦焊接，获得6005A铝型材搅拌摩擦焊件;焊接后，6005A铝型材焊件经在线自然空气冷却并在室温环境下停放进行自然时效;结果如图2所示，对比例4的完成的6005A铝型材焊件其母材的抗拉强度与延伸率，及焊缝的延伸率好于实施例2，但其母材和焊缝强度差别很大，而实施例2焊缝与母材力学性能差异小，焊缝和母材强度更加均匀。
[0084]对比例5。
[0085]本实施例提供一种铝材搅拌摩擦焊缝及母材强度均匀性的改进工艺方法，包括以下步骤:
[0086]第一步，焊接前，用油压机对6005A铝合金铸锭进行挤压，并对其在线淬火处理，获得厚度为5_的6005A铝型材；
[0087]第二步，进行峰值人工时效T6处理，获得T6态6005A铝型材，然后进行搅拌摩擦焊接，获得6005A铝型材搅拌摩擦焊件；
[0088]第三步，焊接后，经在线自然空气冷却后立刻对6005A铝型材搅拌摩擦焊件进行人工时效处理使其整体达到T6峰值时效状态，其时效处理温度为175°C，保温时间为8h，取出自然冷却到室温，获得6005A铝型材时效焊件。
[0089]上述对比例5与实施例2区别在于:实施例2焊接后将6005A铝型材焊件经在线自然空气冷却并在室温环境下停放48h;对6005A铝型材搅拌摩擦焊件进行人工时效处理使其整体达到T6峰值时效状态;对比例5是将6005A铝型材进行峰值人工时效T6处理，然后进行搅拌摩擦焊接，获得6005A铝型材搅拌摩擦焊件;焊接后，经在线自然空气冷却后立刻对6005A铝型材搅拌摩擦焊件进行人工时效处理使其整体达到T6峰值时效状态;结果如图2所示，对比例4的完成的6005A铝型材焊件其母材的抗拉强度延伸率略好于实施例2，但实施例2生产的6005A铝型材其母材和焊缝的延伸率，及焊缝的抗拉强度都明显优于对比例5，且对比例5生产的6005A铝型材母材和焊缝强度差别很大，而实施例2焊缝与母材力学性能差异小，焊缝和母材强度更加均匀。
[0090]通过对比例I?5和实施例2进行比较，可知，实施例2可获得综合力学性能提高的同时，缩小了焊缝与母材力学性能的差异，提高焊缝与母材的抗拉强度又可缩小焊缝与母材力学性能差异。
[0091]最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
【主权项】
1.一种铝材搅拌摩擦焊缝及母材强度均匀性的改进工艺方法，其特征在于:包括以下步骤:第一步，对6XXX系铝材淬火后经自然时效并在室温环境下自然冷却，使其达到T4状态；第二步，将达到T4状态的6XXX系铝材进行搅拌摩擦焊接加工，获得6XXX系铝材的焊接件;第三步，焊接后的焊接件经自然时效并在室温环境下停放;第四步，对焊接件进行T6人工时效处理，并将焊接件自然冷却到室温，获得焊缝及母材共同强化且强度差异小的6XXX系招材焊件。2.根据权利要求1所述的铝材搅拌摩擦焊缝及母材强度均匀性的改进工艺方法，其特征在于:所述第三步中焊接前为T4态的6XXX系铝材在焊接后于室温环境下停放时间为36?72h03.根据权利要求1所述的铝材搅拌摩擦焊缝及母材强度均匀性的改进工艺方法，其特征在于:所述第四步中焊接后焊缝和母材的T6人工时效处理温度为170?185°C，保温时间为8?12h04.根据权利要求1所述的铝材搅拌摩擦焊缝及母材强度均匀性的改进工艺方法，其特征在于:所述6XXX系铝材包括6XXX系铝合金挤压型材及乳制板材。
【文档编号】C22F1/04GK105821352SQ201610240781
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年4月17日
【发明人】袁鸽成, 骆志捷, 何理谦, 曾国勋, 程永奇
【申请人】广东工业大学