CN101966621A - 一种电弧预热搅拌摩擦塞补焊的方法 - Google Patents

Abstract

一种电弧预热搅拌摩擦塞补焊的方法，它涉及一种搅拌摩擦塞补焊的方法，以解决搅拌摩擦塞补焊的部位材料强烈的抵抗力导致搅拌针未完全塑性变形和流动就发生断裂，造成材料的连续流动性差的问题。方法：一、对搅拌摩擦焊或二次搅拌摩擦焊修复时遗留的匙孔进行电弧预热：圆环置于匙孔部位上面，圆环的中心与匙孔的中心重合，圆环的中心孔径应大于匙孔的孔径，利用钨极氩弧焊机对圆环进行电弧加热，加热温度为180～200℃，通过圆环加热后将热量传至待补焊区域，使得待补焊区域匙孔预热；二、对匙孔进行补焊：补焊时，焊具沿焊接方向移动1～5mm后，搅拌针发生塑性变形和流动，实现对匙孔的填充。本发明用于搅拌摩擦焊焊缝缺陷和匙孔的补焊。

Description

一种电弧预热搅拌摩擦塞补焊的方法

技术领域

本发明涉及一种搅拌摩擦塞补焊的方法。

背景技术

搅拌摩擦焊是利用搅拌头插入工件的待焊部位，高速旋转搅拌头使其与工件间进行摩擦搅拌，摩擦热使该部位金属处于热塑性状态并在搅拌头的压力作用下从其前端向后部塑性流动，从而使两个待焊件连接为一个整体。焊接过程中待焊金属不发生熔化，是一种固相连接方法。这种方法可以避免出现与熔化焊相关的气孔、裂纹等缺陷，实现材料的高质量连接。尽管利用搅拌摩擦焊接方法可以获得高质量的焊接接头，但是在工程实际操作中，难以完全避免焊缝缺陷，且由于搅拌摩擦焊焊具为非消耗结构致使焊缝尾部的匙孔必然会存在。因此，有必要对焊缝中所存在的焊接缺陷和匙孔进行补焊。工程上用来解决搅拌摩擦焊焊缝匙孔和焊缝缺陷的方法主要有：熔焊、摩擦塞焊、回抽式焊具搅拌摩擦焊以及搅拌摩擦塞补焊。

熔焊一般选用钨极氩弧焊(TIG)填丝的方式来实现，当前绝大部分焊接缺陷都采用传统的手工TIG焊进行修补。该方法操作简便，但热输入量大，易引起焊缝局部区域晶粒长大，韧性降低，同时会在补焊部位引起较大的残余应力和变形。另外，手工TIG补焊往往不能一次成功，而有些铝合金恰恰不能进行多次补焊，过多的补焊会造成接头合金元素烧损，严重影响接头质量，甚至造成产品报废，从而造成产品成本的大幅提高以及生产周期的延误。TIG焊接补焊时，对人工要求严格，只有经过严格训练过的工人才有可能较好的修补缺陷或匙孔，给修补带来极大的不便。

摩擦塞焊属于固相连接，补焊过程中不会出现金属熔化，连接可靠，大幅改进了补焊焊缝的力学性能、疲劳强度、断裂韧性和接头塑性，焊接参数可以精确控制，工艺稳定性和再现性高，提高了补焊一次成功的机率，而且机械原理简单、能量利用率高。此方法虽然只需一次补焊便可对缺陷进行修补，但需要二次加工去除多余的塞棒，且焊缝区域应力集中严重，影响了焊接接头的力学性能。

回抽式焊具搅拌摩擦焊采用的回抽式焊具其结构特点为轴肩和搅拌针是分体式结构，在焊接过程中与常规搅拌摩擦焊相同，只是在焊接结尾处，搅拌针旋转过程中逐渐回抽，通过轴肩下部的塑性金属回填，实现匙孔的消除，但是该技术的实现不仅需要复杂的控制系统和动力系统以及相应的机械结构，而且由于没有充裕的塑性金属实现回填，匙孔虽消除了，但造成焊缝尾部接头有效厚度变薄，仍然没有彻底消除匙孔的影响。

不具备电弧预热环节的搅拌摩擦塞补焊虽然能够实现对匙孔和缺陷的固相补焊，但补焊部位材料强烈的抵抗力会导致搅拌针未完全塑性变形和流动就已经发生断裂，导致材料的连续流动性差，降低接头的力学性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电弧预热搅拌摩擦塞补焊的方法，以解决搅拌摩擦塞补焊的部位材料强烈的抵抗力导致搅拌针未完全塑性变形和流动就已经发生断裂，造成材料的连续流动性差，降低了接头的力学性能的问题。

本发明的方法是通过以下步骤实现的：步骤一、对搅拌摩擦焊或二次搅拌摩擦焊修复时遗留的匙孔进行电弧预热：将铜制的圆环水平置于搅拌摩擦焊遗留的匙孔部位上面，且将圆环的中心与匙孔的中心重合，圆环的中心孔径应大于匙孔的孔径，利用电弧加热系统中的钨极氩弧焊机对圆环进行电弧加热，加热温度为180℃～220℃，圆环加热后将热量传至待补焊区域，使得待补焊区域匙孔预热；步骤二、对匙孔进行补焊：待匙孔预热后对其进行搅拌摩擦塞补焊，补焊时，焊具沿焊接方向移动1mm～5mm后，搅拌针发生塑性变形和流动，实现对匙孔的填充。

本发明具有以下优点：一、本发明通过电弧预热可使补焊区域材料易发生塑性变形，进而降低其对搅拌针的抵抗力，从而易使补焊区域材料发生充分的塑性流动，搅拌针不易断裂，使得工件接头界面结合良好，形成力学性能良好的补焊接头。同时，电弧间接预热，避免了电弧与待补焊工件的直接接触，降低了电弧对待补焊工件的烧蚀和熔化。二、借助圆环与工件接触面上的热电偶，对预热区域进行实时温度监测，实现了对待补焊区域的预热温度的控制。三、搅拌摩擦塞补焊属于固相连接，焊接过程中不出现金属熔化，焊缝残余应力低、工件变形小，大幅提高了补焊焊缝的力学性能，对于铝合金而言，补焊接头强度系数达到了0.75，补焊接头伸长率≥5％。四、利用本发明的方法补焊后无需二次加工，能够保证一次性成形，工艺稳定性和再现性高，适应性强。

附图说明

图1是具体具体实施方式一的步骤示意图(图中1为工件、2为匙孔、3为TIG焊枪、4为电弧、5为实心铜制圆环、6为热电偶、7为八通道测温仪)，图2是具体实施方式二的预热系统结构示意图，图3是圆环5下表面的八个热电偶6均布设置的示意图，图4是具体实施方式四组合焊具的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式是通过以下步骤实现的：步骤一、对搅拌摩擦焊或二次搅拌摩擦焊修复时遗留的匙孔进行电弧预热：将铜制的圆环5水平置于搅拌摩擦焊遗留的匙孔部位上面，且将圆环5的中心与匙孔的中心重合，圆环5的中心孔径应大于匙孔的孔径，利用电弧加热系统中的钨极氩弧焊机对圆环5进行电弧加热，加热温度为180℃～220℃，圆环5加热后将热量传至待补焊区域，使得待补焊区域匙孔预热，理想预热温度为180℃～220℃，如温度高于理想预热温度，立即停止电弧加热，如温度低于理想预热温度，立即开始电弧加热；步骤二、对匙孔进行补焊：待匙孔预热后对其进行搅拌摩擦塞补焊，补焊时，焊具沿焊接方向移动1mm～5mm后，搅拌针发生塑性变形和流动，实现对匙孔的填充。电弧预热的关键作用是使补焊区域材料易发生塑性变形，进而降低其对搅拌针的抵抗力，从而易使补焊区域材料发生充分的塑性流动，形成力学性能良好的补焊接头。

具体实施方式二：结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式的步骤一中的电弧加热系统由钨极氩弧焊机、圆环5、八个热电偶6和八通道测温仪7组成，钨极氩弧焊机上的焊枪头3对准圆环5的上表面，八个热电偶6的一端均与八通道测温仪7连接，八个热电偶6的另一端均布放置在圆环5与工件的接触面上，放置位置如图3所示，电弧热量通过圆环5传导至待补焊区域，实现电弧间接预热。热电偶6对预热区域进行实时温度监测，实现预热温度的控制。其它步骤与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式的步骤一中对圆环5的加热可采用单电弧加热或多电弧加热。单电弧加热是采用一个焊枪在圆环5的上表面做圆周运动，形成单电弧均匀加热；多电弧加热是采用二～八个焊枪在圆环5的上表面均匀分布，并同步在圆环5的上表面上做圆周运动，形成多电弧，实现对待补焊区域的充分、均匀的预热。其它步骤与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：结合图4说明本实施方式，本实施方式的步骤二中的搅拌摩擦塞补焊采用的焊具为组合式焊具8，组合式焊具8由钢制的轴肩8-1和搅拌针8-2组成，搅拌针8-2的材质与待补焊区域的金属相同。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

本发明的应用实例：

(1)、以7.5mm厚的2219-T6铝合金板为例，对其搅拌摩擦焊缝尾部的匙孔进行补焊，参见图1，将圆环5水平放置于搅拌摩擦焊遗留的匙孔部位上面，且将圆环5的中心与匙孔2的中心重合，电弧加热圆环5，通过圆环5将热量传至待补焊区域，使得待补焊区域匙孔预热，采用单电弧在圆环5的上表面做圆周运动，或三电弧在圆环5的上表面均匀分布并同步在圆环表面上做圆周运动，同时通过均匀放置在圆环与工件接触面上的八个热电偶6对预热区域进行实时温度监测，预热温度为180℃～220℃，如温度高于220℃，立即停止电弧加热，如温度低于180℃，立即开始电弧加热；预热后对匙孔进行搅拌摩擦塞补焊，焊具采用组合式焊具，搅拌针的材质为2219铝合金，补焊时，焊具沿焊接方向移动1mm～5mm，搅拌针发生塑性变形和流动，并对匙孔实现填充。通过对匙孔补焊界面的显微分析，发现补焊区域材料发生了连续、充分的塑性流动。

(2)、以7.5mm厚的2219-T6铝合金板为例，对其搅拌摩擦焊焊缝中沟槽缺陷进行补焊，首先采用常规搅拌摩擦焊方法对沟槽进行二次搅拌摩擦焊，实现沟槽的补焊；参见图1，然后将圆环5水平放置于搅拌摩擦焊遗留的沟槽缺陷部位上面，且将圆环5的中心与二次搅拌摩擦焊遗留的匙孔的中心重合，电弧加热圆环5，通过圆环5将热量传至待补焊区域，使得待补焊区域匙孔预热，采用单电弧在圆环5的上表面做圆周运动，或三电弧在圆环5的上表面均匀分布并同步在圆环表面上做圆周运动，同时通过均匀放置在圆环与工件接触面上的八个热电偶6对预热区域进行实时温度监测，预热温度为180℃～220℃，如温度高于220℃，立即停止电弧加热，如温度低于180℃，立即开始电弧加热；预热后对匙孔进行搅拌摩擦塞补焊，焊具采用组合式焊具，搅拌针的材质为2219铝合金，补焊时，焊具沿焊接方向移动1mm～5mm，搅拌针发生塑性变形和流动，并对匙孔实现填充。通过对匙孔补焊界面的显微分析，发现补焊区域材料发生了连续、充分的塑性流动。

Claims (4)

1.一种电弧预热搅拌摩擦塞补焊的方法，其特征在于：所述方法是通过以下步骤实现的：步骤一、对搅拌摩擦焊或二次搅拌摩擦焊修复时遗留的匙孔进行电弧预热：将铜制的圆环(5)水平置于搅拌摩擦焊遗留的匙孔部位上面，且将圆环(5)的中心与匙孔的中心重合，圆环(5)的中心孔径应大于匙孔的孔径，利用电弧加热系统中的钨极氩弧焊机对圆环(5)进行电弧加热，加热温度为180℃～220℃，圆环(5)加热后将热量传至待补焊区域，使得待补焊区域匙孔预热；步骤二、对匙孔进行补焊：待匙孔预热后对其进行搅拌摩擦塞补焊，补焊时，焊具沿焊接方向移动1mm～5mm后，搅拌针发生塑性变形和流动，实现对匙孔的填充。

2.根据权利要求1所述一种电弧预热搅拌摩擦塞补焊的方法，其特征在于：所述步骤一中的电弧加热系统由钨极氩弧焊机、圆环(5)、八个热电偶(6)和八通道测温仪(7)组成，钨极氩弧焊机上的焊枪头(3)对准圆环(5)的上表面，八个热电偶(6)的一端均与八通道测温仪(7)连接，八个热电偶(6)的另一端均布放置在圆环(5)与工件的接触面上。

3.根据权利要求1或2所述一种电弧预热搅拌摩擦塞补焊的方法，其特征在于：所述步骤一中对圆环(5)的加热可采用单电弧加热或多电弧加热。

4.根据权利要求3所述一种电弧预热搅拌摩擦塞补焊的方法，其特征在于：所述步骤二中的搅拌摩擦塞补焊采用的焊具为组合式焊具(8)，组合式焊具(8)由钢制的轴肩(8-1)和搅拌针(8-2)组成，搅拌针(8-2)的材质与待补焊区域的金属相同。

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