CN107433388B - 一种搅拌摩擦焊后匙孔修复工具及修复方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种搅拌摩擦焊后匙孔修复工具及修复方法，包括塞头和修复搅拌头，塞头放置在待修复匙孔内，塞头与待修复匙孔采用相同材料制成，且塞头与待修复匙孔直径相同，塞头高度大于待修复匙孔深度；修复搅拌头包括依次连接的夹持柄、连接杆和轴肩，轴肩端面上设置有导流槽，导流槽为涡状线凹槽，导流槽数量为至少一条，塞头插入到匙孔内，轴肩高速旋转并与塞头和待修复匙孔接触摩擦，高速旋转的轴肩压紧待修补匙孔，并沿轴肩轴线方向对工件施加一定的顶锻力，匙孔在摩擦热和顶锻力的共同作用下，局部区域发生塑性流动，达到匙孔被修补效果。本发明具有连接强度高、修复成本低、操作简单的特点，填补了搅拌摩擦焊匙孔填补技术的空白。

Description

一种搅拌摩擦焊后匙孔修复工具及修复方法
技术领域
本发明涉及搅拌摩擦焊技术领域，尤其是涉及一种搅拌摩擦焊后匙孔修复工具及修复方法。
背景技术
搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding，FSW)是由英国焊接研究所于1991年提出的新型固相连接技术，和传统的熔焊相比，搅拌摩擦焊具有以下优点；1、接头质量高不易产生气孔、裂纹等缺陷；2、焊接成本较低，无需填充材料和保护气体，厚焊接件无需加工坡口；3、焊接过程安全、无污染、飞溅、烟尘、噪声等，且没有严重的电磁干扰和有害物质产生，是一种环保型连接方法；4、焊接过程中焊件被刚性固定，且固相焊时加热温度较低，焊件不易变形；5、便于机械化、自动化操作、质量较稳定，重复性高。因此，搅拌摩擦焊接被认为是自激光焊接问世以来最引人注目的焊接方法，尤其对于高强铝合金的焊接具有无可比拟的优势，在航天航空、轨道车辆、舰船等领域具有非常广阔的应用前景。
搅拌摩擦焊焊接过程结束时毁在焊缝末端留下匙孔，匙孔的存在不仅影响焊缝表面的美观性，而且也会在一定程度上降低焊缝的力学性能，因此在工程应用过程中对匙孔进行修复是非常必要的。
本申请人发现现有技术至少存在以下技术问题：
目前，国内外针对搅拌摩擦焊匙孔修复技术开展了大量的研究工作，现有搅拌摩擦焊的匙孔修复技术主要有以下几种：1、铆接填补法，该方法采用铆钉铆入匙孔，属于机械连接方法，连接效果差；2、钎焊塞补法，该方法需要预先在匙孔中加入钎料，然后采用组合焊具实现匙孔的塞补，但这种方法需要在加工过程中不断更换搅拌头，还必须具有特定的组合焊具；3、熔焊填补法，该方法适用范围仅限于可熔焊性能好的金属材料，并且焊缝处容易产生较多气孔，具有较高的残余应力。
发明内容
为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种搅拌摩擦焊后匙孔修复工具及修复方法，采用本发明进行匙孔修复，不需要预先对匙孔进行加工，不需要在加工过程中不断更换搅拌头，不需要准备特定的组合焊具，同时也没有熔焊出现的气孔、残余应力等缺陷，具有操作简单、方便，焊接质量好，强度高的特点。
为了实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
本发明提供的一种搅拌摩擦焊后匙孔修复工具，包括塞头和修复搅拌头，其中；
所述塞头放置在待修复匙孔内，所述塞头与待修复匙孔采用相同材料制成，且所述塞头与待修复匙孔直径相同，所述塞头高度大于待修复匙孔深度；
所述修复搅拌头包括依次连接的夹持柄、连接杆和轴肩，所述夹持柄与搅拌摩擦焊机连接，所述轴肩端面为平面，所述轴肩与所述塞头和待修复匙孔均为可接触连接。
通过将塞头压入到匙孔内，然后通过修复搅拌头的高速旋转，使塞头和匙孔之间温度升高并软化，达到热塑性状态实现塞头与匙孔之间的修复连接，具有操作简单、方便、连接强度高的特点。
作为本发明的进一步改进，所述轴肩端部设置有导流槽，所述导流槽为以所述轴肩端面中心为起点向外延伸的涡状线凹槽。
通过设置导流槽，可使塑化后的材料顺着导流槽流动，导流槽为涡状线形，可将塞头和匙孔之间的材料进行充分融合连接。
作为本发明的进一步改进，所述涡状线凹槽的数量为至少一条，所有的所述涡状线凹槽以所述轴肩端面中心为点对称设置。
作为本发明的进一步改进，所述塞头高度大于待修复匙孔深度1mm。
作为本发明的进一步改进，所述连接杆侧壁上沿周向设置有散热环，所述散热环为内凹槽。
作为本发明的进一步改进，所述散热环的数量为三条，三条所述散热环均设置在所述连接杆中部。
本发明提供了一种搅拌摩擦焊后匙孔修复方法，使用所述的搅拌摩擦焊后匙孔修复工具进行匙孔修复的方法，具体步骤如下：
步骤A：制作塞头；首先根据待修复匙孔大小制做塞头，塞头尺寸与待修复匙孔一致，其中塞头锥度和待修复匙孔锥度一致，塞头小径和待修复匙孔小径一致，塞头高度比待修复匙孔深度大1mm；
步骤B：压入塞头；将塞头压入到待修复匙孔内，确保塞头与待修复匙孔紧密配合；
步骤C：焊具及工艺参数准备；将修复搅拌头装到搅拌摩擦焊机上，根据待修复匙孔的大小和深度选择工艺参数，并将工艺参数输入到搅拌摩擦焊机中准备进行修复焊接；
步骤D：匙孔修复；首先将工件通过夹具固定在搅拌摩擦焊机的工作台上，并调整待修复匙孔位置，使其位于修复搅拌头正下方，然后启动搅拌摩擦焊机程序，修复搅拌头按照步骤C中设定的工艺参数进行高速旋转并与待修复匙孔和塞头接触产生摩擦，塞头和待修复匙孔边部材料在修复搅拌头高速摩擦下温度升高并软化，达到热塑性状态，从而实现塞头和待修复匙孔材料间的连接达到待修复匙孔被修复的效果，待修复完成，关闭搅拌摩擦焊机停止修复。
作为本发明的进一步改进，所述工艺参数包括主轴转速、下压速度、压入量和停留时间，所述主轴转速范围为1500-3000rpm，所述下压速度范围为5-30mm/min，所述压入量范围为0.2-0.5mm，所述停留时间范围为10-30s。
作为本发明的进一步改进，所述主轴转速高于待修复匙孔形成时的原搅拌摩擦焊转速。
作为本发明的进一步改进，所述主轴转速为待修复匙孔形成时的原搅拌摩擦焊转速的1.5倍。
本发明是利用摩擦热与塑形变形热作为热源，通过修复搅拌头的高速旋转，使其与工件材料摩擦，连接部位的材料(包含工件材料和塞头材料)温度升高软化，处于塑形状态，在热-机作用下形成致密的金属间结合，实现材料的连接。
本发明具有不需要预先加工匙孔，在加工过程中不需要不断更换搅拌头，也不需要特定的组合焊具，同时没有熔焊出现的气孔、残余应力等缺陷，具有操作简单、方便、修复成本低、连接强度高、修复表面质量好的特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明搅拌摩擦焊后匙孔修复工具中修复搅拌头的结构示意图；
图2是本发明搅拌摩擦焊后匙孔修复工具中轴肩端部结构图一；
图3是本发明搅拌摩擦焊后匙孔修复工具中轴肩端部结构图二；
图4是本发明搅拌摩擦焊后匙孔修复工具中轴肩端部结构图三；
图5本发明搅拌摩擦焊后匙孔修复方法中待修复匙孔的横截面示意图；
图6是本发明搅拌摩擦焊后匙孔修复方法中塞头插入到匙孔中的结构示意图；
图7是本发明搅拌摩擦焊后匙孔修复方法的修复示意图；
图8是待修复匙孔修复后的示意图。
图中1-塞头；2-修复搅拌头；21、夹持柄；22、连接杆；221、散热环；23、轴肩；231、导流槽；3、待修复匙孔。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
如图1所示，本发明提供了一种搅拌摩擦焊后匙孔修复工具，包括塞头1和修复搅拌头2，塞头1放置在待修复匙孔3内，塞头1与待修复匙孔3采用相同材料制成，且塞头1与待修复匙孔3直径相同，塞头1高度大于待修复匙孔3深度；修复搅拌头2包括依次连接的夹持柄21、连接杆22和轴肩23，夹持柄21与搅拌摩擦焊机连接，轴肩23端面为平面，轴肩3与塞头1和待修复匙孔3均为可接触连接。通过将塞头1压入到匙孔内，然后通过修复搅拌头2的高速旋转，使塞头1和匙孔之间温度升高并软化，达到热塑性状态实现塞头1与匙孔之间的修复连接，具有操作简单、方便、连接强度高的特点。
如图2～图4所示，为了方便热塑化后的材料的流动，在轴肩23端部设置有导流槽231，导流槽231为以轴肩23端面中心为起点向外延伸的涡状线凹槽，通过设置导流槽231，可使塑化后的材料顺着导流槽231流动，导流槽231为涡状线形，可将塞头1和匙孔之间的材料进行充分融合连接。为了能保证不同角度材料均可进行相互流动，涡状线凹槽的数量为至少一条，所有的涡状线凹槽以轴肩23端面中心为点对称设置。最为可选的实施方式，塞头1高度大于待修复匙孔3深度1mm。为了方便散热，在连接杆22侧壁上沿周向设置有散热环221，散热环221为内凹槽。散热环221的数量为三条，三条散热环221均设置在连接杆22中部。
如图5～图8所示，本发明还提供了一种搅拌摩擦焊后匙孔修复方法，本修复方法适用于待修复匙孔3深度在6mm以内的匙孔，使用前面所述的搅拌摩擦焊后匙孔修复工具进行匙孔修复的方法，具体步骤如下：
步骤A：制作塞头；首先根据待修复匙孔3大小制做塞头1，塞头1尺寸与待修复匙孔3一致，其中塞头1锥度和待修复匙孔3锥度一致，塞头1小径和待修复匙孔3小径一致，塞头1高度比待修复匙孔3深度大1mm；
步骤B：压入塞头；将塞头1压入到待修复匙孔3内，确保塞头1与待修复匙孔3紧密配合；
步骤C：焊具及工艺参数准备；将修复搅拌头2装到搅拌摩擦焊机上，根据待修复匙孔3的大小和深度选择工艺参数，并将工艺参数输入到搅拌摩擦焊机中准备进行修复焊接；
步骤D：匙孔修复；首先将工件通过夹具固定在搅拌摩擦焊机的工作台上，并调整待修复匙孔3位置，使其位于修复搅拌头2正下方，然后启动搅拌摩擦焊机程序，修复搅拌头2按照步骤C中设定的工艺参数进行高速旋转并与待修复匙孔3和塞头1接触产生摩擦，塞头1和待修复匙孔边部材料在修复搅拌头2高速摩擦下温度升高并软化，达到热塑性状态，从而实现塞头1和待修复匙孔3材料间的连接达到待修复匙孔3被修复的效果，待修复完成，关闭搅拌摩擦焊机停止修复。
工艺参数包括主轴转速、下压速度、压入量和停留时间，根据待修复匙孔3的大小、深度选择不同的工艺参数，主轴转速范围为1500-3000rpm，下压速度范围为5-30mm/min，压入量范围为0.2-0.5mm，停留时间范围为10-30s。
为了保证连接器强度，主轴转速高于待修复匙孔3形成时的原搅拌摩擦焊转速。
作为最优选的，主轴转速为待修复匙孔3形成时的原搅拌摩擦焊转速的1.5倍。
匙孔修复填补的质量受工艺参数和修复搅拌头形状等因素的影响。修复搅拌头的选择也是匙孔修复填补的关键技术之一。同流动摩擦头结构类似，修复搅拌头包含以下几部分：夹持柄、连接杆和轴肩。其中修复搅拌头的轴肩尺寸以及形貌对匙孔修复填补影响最大。图1为修复搅拌头的示意图。图2～图4为几种轴肩端面形状示意图。实际修复填补过程中，需根据待修匙孔3的大小和深度情况，综合选择不同的修复搅拌头2及工艺参数。当工艺参数或修复搅拌头2选择不当时，会出现匙孔修复失败的问题。工艺参数中主轴转速范围一般为1500rpm～3000rpm，待修复匙孔3深度越大、孔径越大，则主轴转速选择越高，搅拌头轴肩23选择越大，停留时间越长。下压速度范围一般为5mm/min～30mm/min，待修复匙孔3深度越大、孔径越大，下压速度越低。修复搅拌头2的压入量一般在0.2～0.5mm之内，待修复匙孔3深度越大、孔径越大，压入量选取也越大。停留时间一般单次为10-30s，待修复匙孔3深度越大、孔径越大，停留时间越长。具体的，当待修复匙孔3深度在4mm以下时，单次停留时间10s，当待修复匙孔3深度在4mm-6mm时，单次停留时间30秒以内。
具体实施例：
依靠单相流体形成对流的传统换热方法或强制风冷方法已远远不能满足现今大功率、高热流密度的散热要求，新型的散热途径要求散热器具有灵活、可靠、紧凑、高散热效率及无需维修等特点，能满足以上散热要求的散热器最新设计成型方式是冷板结构。即：冷板由基板与盖板组成，先将大厚度铝板(或铜板)机铣流道槽形成基板，再将盖板镶嵌于基板之上，二者贴合紧密。采用先进的搅拌摩擦焊接工艺全位置焊接盖板四周，从而在盖板和基板之间形成密封腔体。同时，在冷板两端增设进出口。最后，将需散热的热阻通过螺栓紧固于冷板表面。通过外部循环泵注入冷却液，冷却液流经冷板后带走多余热量，冷却液在冷板密封腔体内如此往复循环，继以控制电子元器件的工作温度。搅拌摩擦焊基于金属材料极端的塑性变形。当搅拌针缓慢插入金属母材中时，因摩擦而生热而由搅拌头施加的压力导致金属机械变形，形成致密的焊缝并实现同质晶粒结构。这项工艺非常适合水冷散热器的焊接成型，冷板经搅拌摩擦焊接成型后会在冷板上形成匙孔。
如图5所示，某电动汽车上用水冷散热器，焊后匙孔深度5mm，小径3mm,匙孔锥度30°。如图6所示，然后用锥度30°小径3mm，高度6mm的塞头1填充待修复匙孔3并压紧，用图1所示的修复搅拌头2进行原位搅拌如图7所示，并沿修复搅拌头2轴线方向对工件施加一定的顶锻力。待修复匙孔3在摩擦热和顶锻力的共同作用下，局部区域发生塑性流动，达到匙孔被修补效果，修复搅拌头2轴肩23端面直径15mm，轴肩23端面形貌采用两条涡状线凹槽形式的导流槽231，主轴反转，当修复搅拌头2轴肩23端面与待修复匙孔3位置全部接触后，旋转停留10s，而后调整修复搅拌头2下压，下压距离0.1mm，旋转停留10s，得到图8所示效果，待焊接面精加工1mm后，表面平整，表面成型良好。目前该发明已成功运用于多种散热器匙孔修复填补中。
采用本发明中的修复方法对经过搅拌摩擦焊处理后的水冷散热器上的焊后匙孔进行修复填补，效果显著。相对于传统的搅拌摩擦焊接匙孔处理方法，本发明在很大程度上提高了连接强度、降低了成本，填补了搅拌摩擦焊匙孔填补技术的空白，并已成功应用于搅拌摩擦焊接水冷散热器匙孔填补中。搅拌摩擦焊匙孔的传统处理方式一般为引出产品实体或者留在后续加工掉的部位，而本发明技术中所采用的匙孔填补技术无需任何引出或者加工余量，直接在产品基体中实现匙孔填补，有效解决了搅拌摩擦焊接水冷散热器匙孔填补困难的问题，对于推动搅拌摩擦焊以及流动摩擦焊等专利技术在电子电力、航空航天等领域中的广泛应用奠定了基础。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种搅拌摩擦焊后匙孔修复方法，其特征在于：适用于待修复匙孔深度在6mm以内的匙孔，具体步骤如下：
步骤A：制作塞头；首先根据待修复匙孔(3)大小制做塞头(1)，塞头(1)尺寸与待修复匙孔(3)一致，其中塞头(1)锥度和待修复匙孔(3)锥度一致，塞头(1)小径和待修复匙孔(3)小径一致，塞头(1)高度比待修复匙孔(3)深度大1mm；
步骤B：压入塞头；将塞头(1)压入到待修复匙孔(3)内，确保塞头(1)与待修复匙孔(3)紧密配合；
步骤C：焊具及工艺参数准备；将修复搅拌头(2)装到搅拌摩擦焊机上，根据待修复匙孔(3)的大小和深度选择工艺参数，并将工艺参数输入到搅拌摩擦焊机中准备进行修复焊接；
步骤D：匙孔修复；首先将工件通过夹具固定在搅拌摩擦焊机的工作台上，并调整待修复匙孔(3)位置，使其位于修复搅拌头(2)正下方，然后启动搅拌摩擦焊机程序，修复搅拌头(2)按照步骤C中设定的工艺参数进行高速旋转并与待修复匙孔(3)和塞头(1)接触产生摩擦，塞头(1)和待修复匙孔(3)边部材料在修复搅拌头(2)高速摩擦下温度升高并软化，达到热塑性状态，从而实现塞头(1)和待修复匙孔(3)材料间的连接达到待修复匙孔(3)被修复的效果，待修复完成，关闭搅拌摩擦焊机停止修复；
所述工艺参数包括主轴转速、下压速度、压入量和停留时间，所述主轴转速范围为1500-3000rpm，所述下压速度范围为5-30mm/min，所述压入量范围为0.2-0.5mm，所述停留时间范围为10-30s；
所述主轴转速高于待修复匙孔(3)形成时的原搅拌摩擦焊转速；所述主轴转速为待修复匙孔(3)形成时的原搅拌摩擦焊转速的1.5倍；
所述塞头(1)与待修复匙孔(3)采用相同材料制成，所述修复搅拌头(2)包括依次连接的夹持柄(21)、连接杆(22)和轴肩(23)，所述夹持柄(21)与搅拌摩擦焊机连接，所述轴肩(23)端面为平面，所述轴肩(23)与所述塞头(1)和待修复匙孔(3)均为可接触连接；所述轴肩(23)端部设置有导流槽(231)，所述导流槽(231)为以所述轴肩(23)端面中心为起点向外延伸的涡状线凹槽，所述导流槽(231)的终点延伸到所述轴肩(23)端面边沿处；所述涡状线凹槽的数量为至少一条，所有的所述涡状线凹槽以所述轴肩(23)端面中心为点对称设置；所述连接杆(22)侧壁上沿周向设置有散热环(221)，所述散热环(221)为内凹槽；所述散热环(221)的数量为三条，三条所述散热环(221)均设置在所述连接杆(22)中部。
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