CN105921875B - 用于填充焊接结束部位的孔或修复焊接缺陷的方法和设备 - Google Patents

用于填充焊接结束部位的孔或修复焊接缺陷的方法和设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于实现对影响焊接的缺陷的修复的方法，其包括以下步骤：将填充金属板(33)放置在已焊接部件(17)的表面上的与缺陷区域相对的位置；然后，在缺陷区域处，利用包括可收缩焊针(31)的搅拌摩擦焊接装置(30)将所述板(33)局部地焊接到已焊接部件(17)；然后，分离已焊接部件(17)与板(33)，使得与已焊接部件(17)金属混合的填充金属(35)保留在原处。局部焊接的步骤包括以下连续操作：使具有可收缩焊针的工具(30)旋转(34)且对其加压，将焊针(31)插入距砧座(14)很短的距离同时保持或加重轴肩(32)上的压力，逐步撤出焊针(31)同时保持或加重轴肩(32)上的压力，以及当焊针撤出时停止轴肩的压力保持。

Description

用于填充焊接结束部位的孔或修复焊接缺陷的方法和设备
技术领域
本发明涉及通过搅拌摩擦FSW(Friction Stir Welding)技术进行焊接的一般领域。FSW技术越来越多地用于金属结构的焊接且具体地用于铝合金结构。
本发明具体地处理通过这样的技术实现的且具有缺陷的焊接的修复问题，以及会在焊接终止区域出现的缺陷的修整问题。
背景技术
在常规的FSW焊接中，在焊接线的端部，工具会在材料中留下通常由与焊针的几何形状相同的孔所构成的印痕，这构成必须要修复的严重缺陷。
在FSW焊接中，可以使用不同类型的工具：
–常规工具和双轴肩工具(bobbin-tool)，其在焊接结束部位留下孔。
–具有可收缩焊针的工具，其可以通过在距焊接结束部位很远的距离处操作焊针的逐步收缩来避免在焊接结束部位形成孔。由本申请人提交且以FR 2900082公开的法国专利申请特别描述了实现这样的工具的方法。
利用常规工具或双轴肩工具(bobbin-tools)所实现的焊接由于之前提到的焊接线结束部位的印痕的出现而遭受损失，该印痕通常需要在要焊接的部件上预留出保护区域，在该区域内焊接线终止且该区域旨在被去除以使得组装部件具有限定的尺寸和形状。这样的焊接方法因此导致对焊接部件执行重新加工且必然导致废料的产生，这会造成组装成本增加。
另外，沿着焊接线出现的焊接缺陷的修复并不容易实现，使得有时不得不将某些没有能够执行满意的修整的组件报废。
利用可收缩焊针所实现的焊接本身展现出更加精细的特性。所使用的工具特别应具有近乎圆柱形的几何形状的焊针。焊接操作还包括在焊接线结束部位的焊针的逐步收缩操作，所实现的工具在其设计上必然更加复杂且同样更加脆弱。
还应当注意的是，沿着焊接线的焊接缺陷、孔或裂痕的修复必然导致在修复区域内形成材料分层。
在更具体地涉及在焊接线的某些点处所执行的不良焊接的修复或重复进行焊接的情况下，无论所使用的焊接方法如何，还已知使用摩擦塞焊接(Friction plug welding)法，其主要包括在缺陷处导入填充材料以形成塞且通过摩擦将该材料焊接到已组装的部件。该技术一方面需要拆卸焊接工具，另一方面需要焊缝两面的重新加工(修整)。另外，需要布置能够实现这样的方法的特定装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种解决方案，在通过借助于例如单轴肩或双轴肩的常规工具进行搅拌摩擦来实现焊接的情况下，该解决方案特别地能够解决在焊接线结束部位出现印痕(凹陷、孔)的问题。
本发明的另一目的在于提供一种解决方案，在相同背景下，该解决方案特别地能够实现对沿焊接线具有缺陷的焊接的修整或修复，这些缺陷可以是由于缺陷去除或工具破裂所造成的孔。
本发明的另一目的在于提供一种解决方案，在相同背景下，该解决方案特别地能够闭合环状或圆周焊接。
为此，本发明的目的在于一种用于使孔闭合或用于借助于具有可收缩焊针的工具和附加材料填充来修复焊接的方法。
更确切地，本发明目标在于一种用于实现对影响焊接的缺陷的修复的方法，该方法包括：
–在缺陷区域处放置填充金属板的第一步骤，所述板被放置于已焊接部件表面上的与缺陷区域相对的位置。
–将填充金属板局部地焊接到已焊接部件的第二步骤，焊接是在缺陷区域处借助于包含可收缩焊针的搅拌摩擦焊接来实现的。
–已焊接部件和填充金属板的分离的第三步骤，该分离被实现为使得通过焊接而与已焊接部件的金属混合的填充金属保留在原处。
根据本发明的方法的特征，局部焊接的第二步骤包括以下连续的操作：
–使具有可收缩焊针的工具旋转并对其加压；
–使可收缩焊针插入与焊接衬板(即砧座)相距很短的距离(几百微米)，同时保持或加重轴肩上的压力；
–逐步撤出可收缩焊针，同时保持或加重轴肩上的压力；
–当焊针缩回到部件上方时，停止保持轴肩的压力。
根据本发明的方法的另一特征，分离的第三步骤是在焊接步骤执行结束时，通过在旋转停止前使填充金属板在部件的平面内移动而实现的。
根据本发明的方法的另一特征，可收缩焊针的插入操作伴随着轴肩的插入，轴肩插入是以远低于可收缩焊针的移动速度而操作的。
根据本发明的方法的另一特征，可收缩焊针的插入操作伴随着所述焊针的连续轨道移动。
根据本发明的方法的另一特征，其还包括补充的第四步骤：修整区域处的已焊接部件的表面状态恢复。
附图说明
通过阅读下面参考附图所进行的描述，将更准确地理解本发明的特征和优点，其中：
-图1和图2展示了搅拌摩擦焊接所提出的问题；
-图3是示出了根据本发明的方法的第一步骤的示意图；
-图4是示出了根据本发明的方法的第二步骤的示意图；
-图5是示出了根据本发明的方法的第三步骤的示意图。
应当注意的是，在不同的附图中，同样的元素带有同样的参考标记。
具体实施方式
根据本发明的方法的工作原理在于：在焊接后，或者为了堵塞位于焊接线端部的焊接结束部位的孔，或者为了修复具有缺陷的焊接线区域，在相关区域执行金属的附加填充。该填充是借助于填充金属板来实现的，该填充金属板位于与相关已焊接部件相对的位置处，以使得其覆盖具有待修复缺陷的焊接线的区域。
金属填充确切地讲是通过在位于缺陷位置的焊接线处将填充金属板局部地焊接到组装部件来实现的。
无论所使用的用于实现相关焊接的焊接技术如何，填充金属板的局部焊接本身是通过搅拌摩擦来实现的。然而，此处所使用的工具是具有可收缩焊针的工具。
随后，一旦填充金属与已焊接部件相连，填充金属板就与该部件分离。
根据本发明的方法优选地应用于借助于单轴肩或双轴肩(bobbin tools)的常规工具所实现的搅拌摩擦焊接的领域。
这些工具事实上具有导致在焊接线的端部经常性地形成孔或至少是凹陷的缺点。另外，根据本发明的方法使得能够有利地修复位于这样的焊接线上的可能出现的缺损、孔洞或粘连。
在本说明书的后文中，出于阐述的清晰和简单的原因，在借助于单轴肩的常规工具所实现的焊接的修整操作的范围内来展示根据本发明的方法，已焊接部件保持在与砧座或焊接衬板(Backing Bar)相对的位置。
通过图1至图5示出的本发明的介绍是以示例的形式做出的，以使得能够明确根据本发明的方法的特征。该介绍决不以将本发明的范围限制为该单个应用为目的。
图1和图2以示意的方式展示了在通过搅拌摩擦将两个部件15和16进行焊接来实现已焊接部件17的情况下经常遇到的问题，该焊接使用单体的常规工具，该工具包括以联结的方式安装在工具主体12的端部上且限定轴肩13的焊针11。
根据已知的原理，工具如同箭头19所指示的那样被驱动旋转且平移，其被定位成使得焊针穿入构成待焊接部件15和16的金属的厚度，轴肩13位于与这些部件的表面相对的位置。因此，通过摩擦，构成待组装的部件15和16的金属在焊针11的穿入区域18中的整个部件厚度上逐步塑化。
对于单轴肩工具而言，应当注意的是，砧座14或焊接衬板位于与部件15和16的表面相对的位置，该表面不与工具接触，使得工具施加的压力不使部件产生形变。在双轴肩工具的情况下，砧座14所实现的功能是通过位于反面的第二轴肩来实现的。
随后，如图2中的图示2-a中的箭头23所指示的那样，工具被驱动平移，金属的塑化逐步蔓延，以形成焊接线21，焊针经过后逐步留出的自由空间被塑化金属所填充。然而，工具在焊接线21端部的停止及其缩回到如此获得的已焊接部件17的表面上方，通常导致产生未被塑化金属所填充的区域22，该区域可以在图2中的图示2-b中的截面上看到，其具有凹陷甚至是孔的形状，该凹陷大致是中空的焊针11形状。该区域22构成结构缺陷，其应当修补。
除了经常在焊接线结束部位出现孔的问题，还可能看到出现了沿焊接线的孔洞或隧道或者粘着(或者缺乏连接)类型的缺陷，甚至，对于熔焊法，可能有裂痕。
图3至图5的图示同样以示意的方式展示了实现根据本发明的方法的原理，该方法能够有利地修补这些缺陷。
根据本发明的方法在于在预备阶段中，在要重新焊接的区域(缺陷区域)处定位搅拌摩擦焊接的工具30，如图3所示，该工具包括可收缩焊针31，该焊针能够相对于工具的主体32自由地平移，以使得焊针31的端部能够位于从主体32内部撤出的位置，或者如图3所示位于与工具主体的端部相同的平面中，或者如图4所示位于相对于该端部突出的位置。在最后一种情况下，工具主体32的端部构成相对于焊针31的轴肩。在后文中，主体32引申称为轴肩。
在通过搅拌摩擦焊接部件的情况下，根据本发明的方法的实施优选地在部件仍被保持在原位时，即其被紧压在焊接衬板(砧座)上时被实现。在相反的情况下，应当在预备阶段通过其他任何已知的且本文中未明确指出的适当方式来保持部件就位。
一旦该准备阶段完成，根据本发明的方法就在于实现以下步骤：
–在缺陷区域处放置填充金属板33的第一步骤，该板位于已焊接部件17的表面上与缺陷区域相对的位置，以使得所述板被置于该表面与焊接工具30的端部之间；
–将填充金属板33局部地焊接到已焊接部件的第二步骤，焊接是借助于具有可收缩焊针的搅拌摩擦焊接装置30来实现的。
–将已焊接部件17与填充金属板33分离的第三步轴，分离被实现成使得通过焊接而与已焊接部件17的金属混合的填充金属35保留在原处。
第二步骤的实现在于首先使得具有可收缩焊针的工具转动，随后在缺陷区域处将工具头部定位在与板33表面相对的位置，同时对工具的两个部分施加力，即焊针31和轴肩32，焊针31和轴肩32的端部位于同一平面。因此如图3所示，在板33的表面形成摩擦区域35，摩擦使金属移动且确保其塑化。
其次，自由平移的焊针31随后逐步插入构成板33的材料内部，直到穿过所述板且穿入已焊接部件17的缺陷部位(孔、凹陷或简单的缺陷)，轴肩32上的压力被保持甚至加重，以确保填充金属的塑化。如图4所示，焊针31驱动塑化的金属，该塑化的金属来到凹陷22中的焊针31周围的位置。
焊针的插入延伸到距焊接衬板(即砧座)14很短的距离(几百微米)，以使得当相关缺陷不是孔，而是其他缺陷、凹陷或其他时，焊针在缺陷处实现深度略微小于已焊接部件厚度的凹陷。
第三，如图5所示，焊针31逐步缩回到轴肩32内，而轴肩上压力保持或甚至加重，使得塑化金属的体积至少足够填补凹陷22，凹陷的体积被焊针31的回缩所释放。
根据本发明，在第二步骤和第三步骤的过程中，轴肩32在板33的厚度中的最大插入被确定为使得轴肩不穿过板且不与部件17接触。优选地，其被确定为使得支撑表面与板的表面保持一定距离且与部件17接触以将板33的焊接限制在部件17的表面。另外，轴肩32在板中的穿入速度小于焊针31在已焊接部件17中的穿入速度。
分离已焊接部件17和填充金属板33的第三步骤的目的是，在停止保持对轴肩32的压力后，当焊针缩回到部件上方时，折断可能的金属桥，该金属桥可以在焊接步骤中通过到达且停留在板33和已焊接部件17之间的界面上的塑化金属残余而形成，特别是如图5所示在焊针31完全缩回，在已焊接部件中产生的凹陷被完全填补之后。
分离被实成使得通过焊接与已焊接部件17的金属混合的填充金属保留在原处。
一般来讲，鉴于施加在轴肩32上的压力保持直到焊接步骤结束，有利地通过例如施加拉力或剪切来相对容易地将已焊接部件17与板33的未用于修复相关缺陷的部分分开。
随后，根据优选的非排他性实施方式，已焊接部件17和填充金属板33的分离是在焊接步骤的执行结束后，通过在工具旋转停止之前使填充金属板在部件平面内侧向移动而实现的。
虽然以最佳地修复相关焊接的缺陷的方式实现，且将已焊接部件17的表面状态恢复到尽可能接近所述部件所具有的总体表面状态，然而在相关缺陷的修复区域内，已焊接部件的表面可能具有某些不规则或凹凸不平，其出现可能是特别地由部件17和板33的分离阶段的执行所导致的。
这是为什么在一个特定的实施方式中，根据本发明的方法包括特别是在修整区域处恢复已焊接部件17的表面状态的第四步骤(重新加工或修整)。
正如前文中所描述的，根据本发明的方法的实施意味着使用具有可收缩焊针的搅拌摩擦焊接工具。在这里优选地使用具有圆柱形焊针的工具，该圆柱形焊针的直径略微大于待填充的孔或凹陷的直径。同样以优选的方式，工具的轴肩32的直径约为焊针直径的1.5倍至3倍。
另外，填充金属板33的厚度优选地小于已焊接部件17的厚度。因此，根据情况，板33的厚度值约为已焊接部件17的厚度值的1/4至2/3。
另外，填充金属优选地与构成部件17的金属相同。
从根据本发明的方法的实施的角度看，应当注意的是，填充金属板应当在其被放置(该方法的第一步骤)时被卡住以防旋转。
另外还应注意的是，焊针31和轴肩32的旋转速度和插入力取决于构成已焊接部件17的材料、其厚度、待填补的孔的尺寸以及焊接工具，其中焊针和轴肩的速度值可以不同。旋转速度、插入速度的设定类似于在搅拌焊接中所做出的且取决于焊接情况的传统设定。
正如从前文中得出的，根据本发明的方法的实施仅仅设想了工具(焊针31和轴肩32)垂直于已焊接部件表面17的移动。
然而，在特定的实施方式中，可以设想工具的侧向相对移动，例如根据轨道运动的移动。这样的运动能够有利地借助于其尺寸理想地适合于给定尺寸的缺陷的单一工具来实现不同尺寸的缺陷修复。

Claims (6)

1.一种用于实现对影响焊接的缺陷的修整的方法，其特征在于，其包括：
-在缺陷区域处放置填充金属板(33)的第一步骤，所述填充金属板位于已焊接部件(17)的表面上与缺陷区域(22)相对的位置；
-将填充金属板(33)局部地焊接到所述已焊接部件(17)的第二步骤，所述焊接是在所述缺陷区域(22)处借助于包含可收缩焊针(31)的搅拌摩擦焊接装置(30)来实现的；
-将所述已焊接部件(17)与所述填充金属板(33)分离的第三步骤，所述分离被实现成使得通过焊接而与所述已焊接部件(17)的金属混合的填充金属(35)保留在原处；
其中所述第三步骤是在所述第二步骤执行结束时，通过在所述搅拌摩擦焊接装置(30)的旋转(34)停止之前使所述填充金属板(33)在所述已焊接部件(17)的平面中移动来实现的。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二步骤包括以下连续的操作：
-使具有所述可收缩焊针的所述搅拌摩擦焊接装置(30)旋转(34)并对其加压；
-将所述可收缩焊针(31)插入距砧座(14)很短的距离，同时保持或加重轴肩(32)上的压力；
-逐步撤出所述可收缩焊针(31)，同时保持或加重所述轴肩(32)上的压力；
-当所述可收缩焊针(31)缩回到所述已焊接部件(17)上方时，停止所述轴肩(32)的压力的保持。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述很短的距离是几百微米。
4.根据权利要求2至3中的任意一项所述的方法，其特征在于，所述可收缩焊针(31)的插入操作伴随着所述轴肩(32)的插入，所述轴肩(32)的插入的移动速度远低于所述可收缩焊针(31)的插入的移动速度。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述可收缩焊针(31)的插入操作伴随着所述可收缩焊针的连续的轨道移动。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，其还包括补充的第四步骤：在所述缺陷区域(22)处恢复所述已焊接部件(17)的表面状态。
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