CN107813044A - 搅拌摩擦搭接焊在搅拌摩擦补焊缺陷中作为填料方法的应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种搅拌摩擦搭接焊在搅拌摩擦补焊缺陷中作为填料方法的应用，属于搅拌摩擦焊领域。本发明在搅拌摩擦补焊缺陷过程中，采用搅拌摩擦搭接焊接工艺作为填料方法，首先将板状填料和含缺陷工件以搭接形式放置，并实施装卡定位；然后进行搭接焊接使板状填料向工件缺陷处进行流动填充；最后通过机械加工去除多余填料。本发明能够对工件缺陷进行高质量的固相材料填充，有利于获得优质的搅拌摩擦补焊接头。本发明解决了当前搅拌摩擦补焊缺陷的填料方法所具有的对原工件性能影响严重、不容易定位等导致的补焊效果较差的问题。

Description

搅拌摩擦搭接焊在搅拌摩擦补焊缺陷中作为填料方法的应用

技术领域

本发明属于搅拌摩擦焊技术领域，具体涉及一种搅拌摩擦搭接焊在搅拌摩擦补焊缺陷中作为填料方法的应用。

背景技术

搅拌摩擦焊是1991年由英国焊接研究所开发出的一种新型固相连接技术，这一技术的基本原理是，高速旋转的搅拌头插入被焊工件，对其施加热与机械的综合作用，使材料发生塑性变形并围绕搅拌头产生塑性流动，最终在搅拌头的锻压作用下形成致密的焊缝。由于焊接温度低于材料的熔点，材料没有发生熔化，因此这一焊接技术很好地解决了难于熔焊材料的焊接问题，目前已被广泛的应用于各行业的焊接生产制造中。

鉴于自身的巨大技术优势，搅拌摩擦焊除了被应用于各行业的焊接制造，同时也已逐渐被应用到结构件缺陷的焊接修复中。这种基于搅拌摩擦焊原理的缺陷补焊方法被称为搅拌摩擦补焊工艺。在这一工艺中，搅拌头通过对含缺陷工件的缺陷位置实施摩擦搅拌作用，可以带动缺陷周围区域的材料发生向缺陷处的塑形流动，从而达到补焊缺陷的目的。

当结构件的缺陷尺寸较小时，直接对含缺陷工件的缺陷位置实施搅拌摩擦焊即可将缺陷消除掉，这已经在已有的研究中得到了验证。但当工件的缺陷尺寸较大时，如果直接对缺陷位置进行搅拌摩擦补焊，则由于缺陷处缺料过多导致搅拌头所能带动的塑性变形材料不足以将其彻底填充，即缺陷难以一次性得到彻底消除，此时，必须先对含缺陷工件的缺陷位置进行材料填充，而后再进行搅拌摩擦补焊，即可达到理想的缺陷补焊效果。

已有的缺陷填料方法主要包括熔化焊材料填充和固相材料填充两种。前者是将缺陷处的材料加工掉，并形成坡口，采用熔化焊方法熔化焊丝，向坡口内填充材料。填充完成后，再对熔化焊接头进行搅拌摩擦补焊，提高接头性能。这种方法虽然能够解决搅拌摩擦补焊缺陷的材料填充问题，但也带来了其他的问题。首先，熔化焊过程会产生较大的热量，容易对工件的组织性能和变形等都产生不利的影响，并最终降低搅拌摩擦补焊的效果；第二，焊丝成分与工件材料存在差异，这也是影响最终补焊焊缝组织形态及力学性能的不利因素。

而就固相材料填充方法而言，首先也是在缺陷处加工坡口，而后将与工件同质的块状或粉末状材料填充到坡口处，再采用搅拌摩擦补焊方法对填料处进行焊接。固相材料填充方法中，填充材料与工件之间仅仅是机械接触，因此这种方法避免了熔化焊填料方法的填料过程热输入高、补焊效果差等不足。但它自身的问题是，无论是在基体内填充金属块还是金属粉末，填充材料都难以定位。搅拌摩擦补焊中，搅拌头需要对工件缺陷处实施剧烈的摩擦搅拌作用，如果填充材料不能得到有效的定位，则搅拌头所施加的焊接力很可能引起填充材料发生移动甚至是向外溢出，导致由于填充材料的缺失而无法获得满意的搅拌摩擦补焊效果。

发明内容

为了解决现有缺陷填料方法中存在的对原工件性能影响严重、填充材料不容易定位等不足之处，本发明提供一种搅拌摩擦搭接焊在搅拌摩擦补焊缺陷中作为填料方法的应用，本发明在填料过程中采用搅拌摩擦搭接焊接工艺，促进填料材料向含缺陷工件流动，实现对含缺陷工件缺陷处的材料填充。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种搅拌摩擦搭接焊在搅拌摩擦补焊缺陷中作为填料方法的应用，该应用是在搅拌摩擦补焊缺陷过程中，采用搅拌摩擦搭接焊接工艺作为填料方法，该方法具体包括如下步骤：

(1)装卡定位：将搅拌头安装于设备主轴上，将板状填料放置于含缺陷工件的表面上，并覆盖工件的待填充缺陷；用卡具将板状填料和含缺陷工件牢固定位在支撑垫板上。

(2)搅拌摩擦搭接焊接：启动焊机，搅拌头开始旋转并从起焊点扎入板状填料，至搅拌头其轴肩的端面扎入板状填料上表面一定深度时，搅拌头其搅拌针已经下扎进入到工件缺陷处，然后搅拌头沿工件的待填充缺陷的分布轨迹行进，对板状填料和含缺陷工件实施搅拌摩擦搭接焊接，在搭接焊接过程中，板状填料的材料向下流动并填入工件的缺陷处。

(3)机械加工：通过机械加工的方式去除搅拌摩擦搭接焊接后板状填料多余的部分，仅保留工件的完整轮廓，以便于对已填充工件进行下一步的搅拌摩擦补焊。

所述板状填料的厚度为0.5～10mm，含缺陷工件的厚度为1～50mm。

所述板状填料与含缺陷工件为同质材料，可为铝、铝合金、镁、镁合金、铜或铜合金。

所述搅拌头的搅拌针长度最小值为板状填料上表面到含缺陷工件中待填充缺陷最低点之间距离，最大值为板状填料厚度和含缺陷工件厚度之和，搅拌头其轴肩的直径是其搅拌针长度的2～4倍。

所述的搅拌摩擦搭接焊接中，搅拌头转速50～5000r/min，焊速为5～1000mm/min。

所述步骤(3)中，机械加工后，原含缺陷工件上表面填充材料处的表面精度不低于其未焊接区的表面精度。

本发明的有益效果是：

本发明是将搅拌摩擦搭接焊接应用于搅拌摩擦补焊缺陷的填料过程中，即对板状填料和含缺陷工件实施搅拌摩擦搭接焊接，也就是在搅拌头轴肩的挤压及搅拌针的旋转带动作用下，搅拌头周围板状填料的材料会发生沿板材厚度方向的塑形流动，从而实现了对含缺陷工件缺陷处的有效填充。

以往的固相材料填充方法中，填充块或填充粉末与含缺陷工件之间仅仅是机械接触，难以有效定位，导致在搅拌摩擦补焊时容易出现移动并脱离填充位置的现象。本发明方法中，填充材料不仅填入到了缺陷处，还与含缺陷工件牢固地焊接在了一起，不会在搅拌摩擦补焊中发生移动，从而保障了补焊接头质量。

另一方面，与以往的熔化焊填料方法相比，本发明方法的填料过程产热远低于熔化焊过程，且板状填料与含缺陷工件是同质材料，因此对含缺陷工件的热影响很小，不会引起工件组织性能变差、工件变形严重等问题，从而有利于获得优异的搅拌摩擦补焊效果。

综合分析来看，本发明方法为提升搅拌摩擦补焊的质量、拓展搅拌摩擦焊技术的应用范围开辟了崭新的技术途径。

附图说明

图1是搅拌摩擦搭接焊在搅拌摩擦补焊缺陷中作为填料方法的应用过程示意图。

图2是用于搅拌摩擦搭接焊接的搅拌头示意图。

图中：1-搅拌头；11-轴肩；111-轴肩的端面；12-搅拌针；2-板状填料；3-含缺陷工件；31-含缺陷工件中缺陷处；d1-板状填料厚度；d2-含缺陷工件厚度；h-缺陷最低点到含缺陷工件上表面之间的距离；D-搅拌头的轴肩的直径；L-搅拌头的搅拌针的长度。

图3为实施例1所用板状填料。

图4为实施例1中待填充的含缺陷工件。

图5为实施例1中将板状填料放置于含缺陷工件表面示意图。

图6为实施例1中获得的板状填料和含缺陷工件的搭接焊接接头的横截面。

图7为实施例1中去除搭接焊接后多余板状填料后的工件轮廓。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

本发明为搅拌摩擦搭接焊在搅拌摩擦补焊缺陷中作为填料方法的应用，如图1所示，本发明具体按照以下步骤实现：

步骤一：装卡定位：将搅拌头1安装于设备主轴上。将板状填料2放置于含缺陷工件3的上方，板状填料2与含缺陷工件3直接紧密接触。用卡具将板状填料2和含缺陷工件3牢固定位在支撑垫板上。

步骤二：搅拌摩擦搭接焊接：启动焊机，搅拌头1开始旋转并从起焊点扎入板状填料2，直至搅拌头1其轴肩11的端面111扎入板状填料2上表面一定深度，此时搅拌头1其搅拌针12已经下扎进入到含缺陷工件3的缺陷处31，而后搅拌头1沿含缺陷工件3的缺陷31的分布轨迹行进，对板状填料2和含缺陷工件3实施搅拌摩擦搭接焊接，在搭接焊接过程中，板状填料2的材料向下流动并填入含缺陷工件3的缺陷31。

步骤三：机械加工：通过机械加工的方式去除搅拌摩擦搭接焊接后多余的板状填料2，仅保留工件3的完整轮廓，然后对已填充工件3进行下一步的搅拌摩擦补焊。

板状填料2的厚度为0.5～10mm，含缺陷工件3的厚度为1～50mm。所述板状填料2与含缺陷工件3为同质材料，可为铝、铝合金、镁、镁合金、铜或铜合金。

如图2所示，搅拌头1的搅拌针12长度L的最小值为板状填料2上表面到含缺陷工件3中缺陷31最低点之间的距离d1+h，最大值为板状填料2和含缺陷工件3的厚度之和d1+d2，搅拌头1其轴肩11的直径D是其搅拌针12长度L的2～4倍。

搅拌摩擦搭接焊接中，搅拌头1的转速为50～5000r/min，焊速为5～1000mm/min。

步骤3中，机械加工后，原含缺陷工件3上表面填充材料处的表面精度不低于其未焊接区的表面精度。

实施例1

本实施例中，板状填料的厚度为2.8mm(图3)。含缺陷工件的厚度为6mm，其中缺陷的高度为2mm(图4)。所述填料用板与含缺陷工件均为6061铝合金。

采用以下步骤对含缺陷工件中的缺陷进行材料填充：

将搅拌头安装于设备主轴上，搅拌头的搅拌针长度为5mm，搅拌头其轴肩的直径为14mm。将板状填料放置于含缺陷工件的上方，板状填料与含缺陷工件直接紧密接触(图5)。用卡具将板状填料和含缺陷工件牢固定位在支撑垫板上。

启动焊机，搅拌头开始旋转并从起焊点扎入填料用板，直至搅拌头其轴肩的端面扎入板状填料上表面0.2mm，而后搅拌头沿含缺陷工件的缺陷分布轨迹行进，对填料用板和含缺陷工件实施搅拌摩擦搭接焊接；在搭接焊接过程中，搅拌头的转速为600r/min，焊速为50mm/min。获得的板状填料和含缺陷工件的搭接焊接接头的横截面如图6所示。可见，通过搅拌摩擦搭接焊接工艺，促使填料用板材料向下流入含缺陷工件，板状填料不仅填入到了缺陷处，还与含缺陷工件牢固的焊接在了一起，从而成功实现了对含缺陷工件缺陷处的高质量、高效率的材料填充，达到了预期的效果。

通过机械加工的方式去除搭接焊接后多余的板状填料，仅保留工件的完整轮廓(图7)，以便于对已填充工件进行下一步的搅拌摩擦补焊。

Claims (7)

1.一种搅拌摩擦搭接焊在搅拌摩擦补焊缺陷中作为填料方法的应用，其特征在于：在搅拌摩擦补焊缺陷过程中，采用搅拌摩擦搭接焊接工艺作为填料方法。

2.根据权利要求1所述的搅拌摩擦搭接焊在搅拌摩擦补焊缺陷中作为填料方法的应用，其特征在于：所述填料方法具体包括如下步骤：

(1)装卡定位：将搅拌头安装于设备主轴上，将板状填料放置于含缺陷工件的表面上，并覆盖工件的待填充缺陷；用卡具将板状填料和含缺陷工件牢固定位在支撑垫板上；

(2)搅拌摩擦搭接焊接：启动焊机，搅拌头开始旋转并从起焊点扎入板状填料，至搅拌头其轴肩的端面扎入板状填料上表面一定深度时，搅拌头其搅拌针已经下扎进入到工件缺陷处，然后搅拌头沿工件的待填充缺陷的分布轨迹行进，对板状填料和含缺陷工件实施搅拌摩擦搭接焊接，在搭接焊接过程中，板状填料的材料向下流动并填入工件的缺陷处；

(3)机械加工：通过机械加工的方式去除搅拌摩擦搭接焊接后多余的板状填料，仅保留工件的完整轮廓，然后对已填充工件进行下一步的搅拌摩擦补焊。

3.根据权利要求1或2所述的搅拌摩擦搭接焊在搅拌摩擦补焊缺陷中作为填料方法的应用，其特征在于：所述板状填料的厚度为0.5～10mm，含缺陷工件的厚度为1～50mm。

4.根据权利要求1或2所述的搅拌摩擦搭接焊在搅拌摩擦补焊缺陷中作为填料方法的应用，其特征在于：所述板状填料与含缺陷工件为同质材料，板状填料的材质为铝、铝合金、镁、镁合金、铜或铜合金。

5.根据权利要求2所述的搅拌摩擦搭接焊在搅拌摩擦补焊缺陷中作为填料方法的应用，其特征在于：所述搅拌头的搅拌针长度最小值为板状填料上表面到含缺陷工件中待填充缺陷最低点之间距离，最大值为板状填料厚度和含缺陷工件厚度之和，搅拌头其轴肩的直径是其搅拌针长度的2～4倍。

6.根据权利要求2所述的搅拌摩擦搭接焊在搅拌摩擦补焊缺陷中作为填料方法的应用，其特征在于：所述的搅拌摩擦搭接焊接中，搅拌头转速50～5000r/min，焊速为5～1000mm/min。

7.根据权利要求2所述的搅拌摩擦搭接焊在搅拌摩擦补焊缺陷中作为填料方法的应用，其特征在于：步骤(3)中，机械加工后，原含缺陷工件表面填充材料处的表面精度不低于其未焊接区的表面精度。