本發(fā)明涉及金屬焊縫處理，尤其涉及一種厚板攪拌摩擦焊縫的時效工藝及裝置。

背景技術：

1、攪拌摩擦焊接是一種在航空航天和軌道交通等領域廣泛應用的焊接技術，其優(yōu)點包括焊接變形小、接頭質量高和綠色節(jié)能等。但隨著大型/超大型高強鋁合金薄壁的結構尺寸不斷增加，壁板厚度也隨著增加，進而不可避免地導致了攪拌摩擦焊接焊縫的連接強度下降。從現有文獻報道中發(fā)現，2mm板厚鋁合金攪拌摩擦焊接焊接接頭的焊接系數為0.83，經過人工時效之后焊接系數為0.96；而12mm板厚鋁合金攪拌摩擦焊接焊接接頭的焊接系數為0.70，經過人工時效之后焊接系數為0.83；在板厚為16mm板厚攪拌摩擦焊接焊接接頭的焊接系數為0.53，經過人工時效之后焊接系數為0.72。對于大型/超大型的航空航天裝備而言，承重支撐結構件中的焊縫系數每提高1%，就可以使得該結構件減重1%-3%以上，從而極大地增加了有效載荷，這對我國的大型/超大型得航空航天裝備具有重大意義。因此，提高大厚板攪拌摩擦焊接接頭的強度成為一個迫切需要解決的關鍵問題。

2、在大型/超大型航空航天裝備設計制造過程中，往往采用輕質高強材料如鋁合金、鈦合金作為重要的承重結構件材料，且輕質合金大多數屬于析出強化型合金。然而，在攪拌摩擦焊接過程中，組織中析出相發(fā)生了回溶/長大，導致接頭的性能下降。比如重型火箭燃料貯箱這類特殊的大型/超大型薄壁結構件，對焊接環(huán)境和工裝夾具極為嚴格，無法將整個結構件浸入水中或者使用冷卻輔助攪拌摩擦焊接等限制了上述焊接過程中提高焊接接頭力學性能措施的實施。在現有文獻報道中，往往通過包括焊縫的整體工件進行加熱時效，使回溶在焊縫中的析出相再次析出，提升焊縫強度。但是針對存在大厚度板材焊縫的結構件而言，雖然整體連續(xù)加熱時效工藝可以提高焊縫強度，但存在以下問題：（1）由于整體加熱可能會導致該結構件受熱變形后難以矯正，容易報廢，并且焊接區(qū)以外母材的性能可能會因為發(fā)生過時效導致性能降低；（2）與薄板焊縫相比，厚板攪拌摩擦焊焊縫在厚度方向上微觀組織存在梯度差異增大，導致焊縫表面與焊縫底部時效無法同步到達峰時效。與此同時，市場也缺乏超大尺度條件下溫度空間均勻且時間同步的控制技術與時效爐裝備。因此，無法在焊后進行構件整體或局部連續(xù)時效強化，導致大型/超大型焊接構件焊后即服役，這一現狀嚴重制約航空航天裝備結構效率與性能的進一步提高。

技術實現思路

1、本發(fā)明提供了一種可避免整體時效導致焊縫厚度上存在時效效果梯度差異、可獲取焊縫厚度上的最佳時效梯度溫度場、可調控溫度場從而獲得厚板攪拌摩擦焊縫最佳焊縫力學性能的時效工藝及裝置，用以解決背景技術中提及的技術問題。

2、為解決上述技術問題，本發(fā)明提出的技術方案為：

3、一種厚板攪拌摩擦焊縫的時效工藝，包括以下步驟：

4、s1、將所述焊縫沿厚度方向均勻切割成n份薄片；采用同一溫度對所有薄片進行不同時長的脈動時效處理，再對經過脈動時效處理的薄片分別進行力學性能測試，得到焊縫時效強度與脈動時效處理時間的關系，并得出薄片到達峰時效的脈動時效響應時間；

5、s2、將所述焊縫沿厚度方向均勻切割成n份薄片；采用不同溫度對所有薄片進行相同時間的脈動時效處理，使各薄片在不同溫度下同時達到峰時效，得到空間梯度溫度場；本步驟中，脈動時效處理的溫度根據所述薄片對應達到峰時效的脈動時效響應時間調整得到，提高達到峰時效的脈動時效響應時間長的薄片的脈動時效溫度，降低達到峰時效的脈動響應時間短的薄片的脈動時效溫度，使得各薄片同時達到峰時效；

6、s3、根據所述空間梯度溫度場，在電磁脈動加熱時效裝置上調控溫度場并對焊縫進行空間梯度脈動時效處理。

7、上述技術方案的設計思路在于，本發(fā)明首先對厚板攪拌摩擦焊縫進行空間等溫脈動時效，得到各個焊縫薄片不一致的峰時效響應時間。再調整各個焊縫薄片的脈動時效溫度，使得峰時效的響應時間達到統(tǒng)一，得到焊縫沿著厚度方向同時達到峰時效的溫度場，該溫度場就是使焊縫獲得力學性能最佳的空間梯度溫度場。然后以該溫度場對厚板焊縫工件進行空間梯度脈動時效處理，可有效避免對厚板焊縫整體加熱導致的焊縫厚度方向上存在時效效果空間差異的情況，也可避免整體加熱導致的板材變形和性能改變的問題，從而在保證板材原本性質的前提下，顯著提升厚板攪拌摩擦焊接接頭的力學性能。

8、作為上述技術方案的進一步優(yōu)選，步驟s1中，所述薄片的厚度為0.5~6mm，進一步優(yōu)選為1~2mm。薄片厚度過大將導致時效效果在同一薄片上的空間差異，導致溫度場的精確性和最終產品的力學性能受影響；薄片厚度過小則難以加工，且導致拉伸測試結果誤差偏大。

9、作為上述技術方案的進一步優(yōu)選，所述焊縫為鋁合金焊縫或鈦合金焊縫，板材的厚度為10~60mm。

10、作為上述技術方案的進一步優(yōu)選，步驟s1中，當所述焊縫為鋁合金焊縫時，對所有薄片進行脈動時效處理的溫度為150~180℃，進一步優(yōu)選為155~175℃；對所有薄片進行脈動時效處理的時間間隔為0.5~6h，進一步優(yōu)選為1~2h；當所述焊縫為鈦合金焊縫時，所有薄片進行脈動時效處理的溫度為480~560℃；對所有薄片進行脈動時效處理的時間間隔為1~8h。

11、作為上述技術方案的進一步優(yōu)選，所述步驟s2中，根據所述薄片對應達到峰時效的脈動時效響應時間對脈動時效處理的溫度進行調整時，脈動時效處理的溫度的變動值與達到峰時效的脈動時效響應時間的變動值的比值為1~15（℃/小時），進一步優(yōu)選為5~10（℃/小時）。

12、基于同一技術構思，本發(fā)明還提供一種厚板攪拌摩擦焊縫的時效裝置，包括加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、溫度監(jiān)測系統(tǒng)和控制系統(tǒng)；所述控制系統(tǒng)控制加熱系統(tǒng)對焊縫區(qū)域進行加熱，控制系統(tǒng)控制冷卻系統(tǒng)對加熱系統(tǒng)的加熱范圍進行限制，溫度監(jiān)測系統(tǒng)用于收集焊縫的溫度信息以指導控制系統(tǒng)對加熱系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)的控制。

13、上述技術方案的設計思路在于，本發(fā)明的焊縫的時效裝置，利用加熱系統(tǒng)可精確針對焊縫區(qū)域進行加熱時效處理，避免大范圍加熱對板材形貌、性能的改變，同時配合溫度監(jiān)測系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)限制加熱系統(tǒng)對焊縫的加熱范圍，從而在焊縫處形成特定的空間梯度溫度場，以實現對焊縫的空間梯度脈動時效處理，從而獲得最佳的焊縫力學性能。

14、作為上述技術方案的進一步優(yōu)選，所述加熱系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)安裝于一連接桿上并可相對移動；所述加熱系統(tǒng)為電磁感應線圈；所述冷卻系統(tǒng)為設置在電磁感應線圈外部、對焊縫毗鄰區(qū)域進行冷卻的冷卻裝置；所述冷卻裝置通過釋放冷卻介質限制電磁感應線圈的加熱范圍。

15、作為上述技術方案的進一步優(yōu)選，所述連接桿連接在工作臺上并且可移動，通過連接桿的移動控制電磁感應線圈和冷卻系統(tǒng)與焊縫的相對位置。

16、作為上述技術方案的進一步優(yōu)選，所述溫度監(jiān)測系統(tǒng)用于實時監(jiān)測電磁感應線圈正下方的焊縫表面的溫度、焊縫兩側母材區(qū)域的溫度。采用同一種固定形狀的感應器對工件加熱時，梯度溫度場的形狀相對穩(wěn)定，也即，電磁感應加熱的表面溫度和背面溫度的溫差相對穩(wěn)定，因此，將表面溫度作為特征溫度接入pid控制系統(tǒng)控制加熱參數已經能夠滿足加熱溫度控制，因此一般不需對焊縫背面的溫度進行監(jiān)測。

17、本發(fā)明具有以下有益效果：

18、（1）本發(fā)明的厚板攪拌摩擦焊縫的時效工藝獲得了焊縫沿著厚度方向同時達到峰時效的溫度場，并利用該溫度場指導焊縫時效工藝，從而顯著提升厚板鋁合金攪拌摩擦焊接接頭的力學性能。

19、（2）本發(fā)明的厚板攪拌摩擦焊縫的時效裝置，可通過綜合調整加熱工藝參數獲得最佳的空間梯度溫度場，操作簡單，控制方便，實現了對厚板焊縫工件進行空間梯度脈動時效的工業(yè)化生產可能性，對航空航天裝備大型/超大型薄壁結構件焊縫的質量提升具有重大意義。

20、下面將參照附圖，對本發(fā)明作進一步詳細的說明。