CN108746960B - 一种基于电阻塞焊原理的搅拌摩擦焊匙孔填补的新方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电阻塞焊原理的搅拌摩擦焊匙孔填补新方法，实施过程是，将塞棒预置于待填补匙孔，借助电阻焊机的上电极、下电极向塞棒及匙孔施加电流及压力，促使塞棒与匙孔之间的接触电阻瞬间发热，熔化或软化结合面金属，最后在锻压力的作用下，塞棒与匙孔圆周及底部产生冶金结合，完成匙孔填补；该方法的原理与电阻塞焊相似，塞棒及匙孔的体电阻充当热源；该方法的优点是无需外加热源、操作简单、效率高、易于实现自动化；该方法可用于搅拌摩擦焊和搅拌摩擦点焊焊后匙孔填补，尤其适用于环形焊缝等匙孔无法引出的场合，可有效提高搅拌摩擦焊焊缝美观性及抗腐蚀性能。

Description

一种基于电阻塞焊原理的搅拌摩擦焊匙孔填补的新方法

技术领域

本发明涉及一种应用于搅拌摩擦焊断针焊缝修复、搅拌摩擦焊和搅拌摩擦点焊焊后匙孔填补的新方法。

背景技术

搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding，简称FSW)是英国焊接研究所(The WeldingInstitute，简称TWI) 于1991年发明的专利焊接技术。由于搅拌摩擦焊过程中热输入相对于熔焊过程较小，接头部位的金属未经历高温熔化，是一种固态焊接过程，在合金中保持母材的冶金性能，可以焊接金属基复合材料、异种材料、快速凝固材料等采用熔焊会有不良反应的材料。目前，搅拌摩擦焊技术在航空、航天、汽车、造船、动车、高铁等工业制造领域得到了广泛的应用。

针对搅拌摩擦焊焊缝尾部的匙孔消除或填补技术，国内外学者提出的方法主要包括：引出焊接法、摩擦塞焊法、熔焊填补法、铆接法以及采用伸缩式搅拌头焊接的回填式焊接法等。上述各种方法均有其优越性和局限性。引出法，是指将搅拌头保持焊接状态，逐渐移出工件退至引出板，最终将匙孔遗留在引出板上的焊接方法。其局限性是只能用在开放性焊缝，且对于环形焊缝尾部匙孔，难以采用引出法去除；铆接法，是采用铆接工艺将特制铆钉铆入匙孔中，起到填补匙孔的作用；熔焊填补法，采用非熔化极或熔化极惰性气体保护焊的方法，熔化填充金属及匙孔周围的焊缝金属，形成熔化焊接头，最终实现匙孔填补的效果。但由于搅拌摩擦焊焊接对象主要是铝合金，有些铝合金在溶化焊时，极易产生热裂纹，继而导致整条焊缝强度下降，因此，熔焊修补匙孔的方法有其局局限性；摩擦塞焊法，利用旋转摩擦焊的原理，填补匙孔的一种方法。此种方法，最初于1995年由TWI发明，并推荐给美国的洛克希德马丁公司(Lockheed Martin Space Systems Company)，Du B。栾国红，季亚娟等人研究结果表明，摩擦塞焊法填补匙孔的技术对工艺参数、塞焊接头设计、塞棒与匙孔的对中度等要求较高，难以工程化推广；回填焊接法，所用搅拌针可伸缩式搅拌头由美国国家航空航天局(NASA)首次设计并制作，并相继有很多学者研究此种方法(或类似) 所焊接头的组织结构及力学性能。回填式焊接法虽然在焊缝尾端逐渐收回搅拌针，可快速高效地填补匙孔，但其搅拌头结构复杂、加工困难，藏于压环(clamping ring)与可伸缩轴肩(sleeve)之间及可伸缩轴肩与可伸缩搅拌针(probe)之间的焊件金属难以去除，且匙孔填补处易产生疏松类缺陷，不适合焊件批量生产的工业应用领域。

鉴于上述国内外对匙孔填补技术的研究状况，结合目前节能、高效的工业发展趋势，本发明提出了一种基于塞焊原理的搅拌摩擦焊匙孔填补的新方法，即在匙孔内预置一根塞棒，采用塞焊机向塞棒施加电极压力和焊接电流，在电极压力及焊接电流的共同作用下，促使塞棒与匙孔之间的接触电阻瞬间发热，熔化(或软化)结合面金属，最后在锻压力的作用下，塞棒与匙孔圆周及底部产生冶金结合，从而完成匙孔填补。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于塞焊原理的搅拌摩擦焊匙孔填补的方法，在匙孔内预置一根塞棒，采用电阻焊机向塞棒施加电极压力和焊接电流，在电极压力及焊接电流的共同作用下，促使塞棒与匙孔之间的接触电阻瞬间发热，熔化或软化结合面金属，最后在锻压力的作用下，塞棒与匙孔圆周及底部产生冶金结合，从而完成匙孔填补。

其具体步骤如下：

(1)启动电阻焊机，设定填补工艺；

(2)根据匙孔深度，预制塞棒；

(3)采用机械或化学方法清理匙孔与塞棒接触面的氧化膜及油污等；

(4)将塞棒自然放置于匙孔内；

(5)将内置有塞棒的匙孔放置于下电极的上方端部，注意调整匙孔中轴线与下电极中轴线基本重合；

(6)启动填补工艺循环；

(7)填补工艺循环结束后，上电极自动抬起，从上、下电极间取出填补后的工件；

(8)完成填补过程，关停电阻焊机。

填补前需在匙孔内预置一根塞棒，所述塞棒的体积略大于匙孔容积；其形状与待填匙孔深度有关，深度较浅的匙孔，可用圆棒作为塞棒，深度较深的匙孔，须用与匙孔形状相似的棒材作为塞棒；另外，塞棒材料应与匙孔材料相同或相似，以保证能够在塞棒与匙孔结合面处产生冶金结合。

所用设备为电阻焊设备，填补工艺为小电流、长时间的软规范；填补过程分为软化、自动对中、配合阶段，排气、冶金阶段，锻压、冷却阶段；在填补过程中承担传递压力及电流角色的上、下电极结构相似、但不同，上电极端部直径小于下电极端部直径。

作为本方案的进一步改进，无论匙孔深度如何，塞棒结构尺寸均不必与匙孔一致，只需为圆柱体即可；此改进将大幅降低塞棒制作成本。

本发明的技术效果：该方法具有操作简单，易于实现机械化和自动化，生产率高，且无噪声及有害气体，在大批量生产中，可以和其他制造工序一起编到组装线上，冶金过程简单，焊接成本低等突出优势。优势明显，并有望应用于国内搅拌摩擦焊实际生产中，为搅拌摩擦焊技术在我国的推广与发展做出贡献。

附图说明

图1为匙孔示意图。图中：1—匙孔，2—塞棒

图2为塞棒示意图。图中：2-塞棒

图3为电极端部轮廓示意图。图中：3—上电极，4—下电极

图4为匙孔填补过程示意图。

图5为实施例1中匙孔及塞棒几何尺寸示意图。

图6为实施例1中匙孔填补接头宏观照片。图中：61—压合区(61)62—熔化区(62)63—熔合区(63)64 —塑性变形区(64)。

图7-a 至图 7 -d 为实施例1中匙孔填补微观照片。图中：7-a—塞棒与匙孔底部熔化焊接区。

7-b—塞棒圆周与匙孔内壁压合扩散焊接区。

7-c—塞棒上部塑性变形区。

7-d—塞棒中部熔化区。

图8为实施例1中匙孔填补硬度云图。

具体实施方式

一种基于塞焊原理的搅拌摩擦焊匙孔填补的方法,其步骤如下：

(1)装配：将塞棒(2)置入匙孔(1)中；

(2)待焊：将装配好的塞棒及匙孔置于上电极(3)和下电极(4)之间，使匙孔、塞棒及上下电极三者基本同轴；

(3)填补：启动填补程序；

(4)取件：将匙孔填补后的工件从上、下电极间取出。

实施例1

1.1试验材料

试验所焊材料为硬铝合金LY12，厚度3.0mm，搭接装配，在试片中部制备如图5所示的匙孔，匙孔深度5.5mm，上部直径10.0mm，底部直径4mm；塞棒形状如图2所示，为锥度略小于匙孔的圆台结构，顶部直径10.0mm、底部直径4.0mm、长度7.0mm；匙孔内壁有搅拌针螺纹回转痕迹，有助于提高塞棒与匙孔的接触电阻、分散流经两者的电流线。

1.2宏观成形及原理分析

根据焊接理论及晶体学，本文将接头横剖面的周围连接区、底部连接区及塞棒所在区域具体定义为熔合区(63)见图6中标志63、压合区(61)见图6中标志61、塑性变形区(64)见图6中标志64及熔化区(62)见图6中标志62。

熔合区(63)是指塞棒底面与匙孔底部连接的区域，该区域形成熔化连接的主要原因有如下两点：其一，由于电极压力垂直于塞棒底面及匙孔底面，因此熔合区(63)压力最为充分，接触面状态良好、接触电阻最小；其二，由于熔合区(63)处在上、下电极之间电荷最短通路内，因此大部分焊接电流必定优先流经该区域；鉴于上述两点原因，结合电阻焊理论，塞棒底面与匙孔底部形成熔化连接的原理成立。熔合区(63)仅限于匙孔底部、面积较小，通电填补初期，即发生熔化连接、接触电阻瞬间消失，塞棒与匙孔底部冶金结合，构成电流与热量的良好通道；通过调节工艺参数及塞棒形状，准确控制熔合区(63)形成时间，是基于电阻热进行匙孔填补的关键。

压合区(61)是指塞棒圆周面与匙孔侧面连接的区域，该区域的连接原理属于扩散焊范畴。塞棒在电阻热及电极压力侧向分力的共同作用下，接触面的原子相互扩散，最终形成原子间结合。由于塞棒的材料是铝合金，其体电阻远小于该结合面的接触电阻，因此流经该接触面的电流极少，促使原子扩散的能量主要来自于塞棒体电阻产生的热量，其次是塞棒及匙孔在加工过程中产生的界面能。扩散焊的效率远低于电阻焊，就“完全连接时刻”而言，压合区(61)远滞后于熔合区(63)；两者之间的时差，有利于排挤出塞棒与匙孔之间的空气，预防接头内产生气孔及夹杂氧化物。

塑性变形区(64)是指塞棒在电极压力及电阻热的作用下，产生塑性变形的区域，填充于熔合区(63)和压合区(61)包围的范围内，其上部由上电极末端封堵。塑性变形区(64)有助于塞棒充满匙孔，且降低了填补工艺对塞棒形状、塞棒-匙孔对中度的要求。

熔化区(62)一般发生在塞棒中部，被塑性变形区(64)包裹的位置。该位置距上下电极相对较远，当焊接电流流经塞棒时，体电阻迅速产生大量热，不能及时通过电极散失，致使该塞棒中部温度急剧升高，温度超过熔点的区域，塞棒便会发生熔化现象。在保证压合区(61)所需热量足够的条件下，通过调节工艺参数及塞棒形状，减小、甚至预防熔化区(62)产生，有助于提高匙孔填补质量。

1.3微观结构及机理分析

微观结构是分析判断接头形成过程、形成机理的主要依据，亦是评价匙孔填补质量的主要指标。

如图7-a所示，熔合区是塞棒及匙孔底部浅表接触面熔化焊接区，该区域液相金属厚度薄，熔化时间短、结晶速度快，晶粒形态以细小等轴晶及柱状晶为主，前者直径8微米左右，后者横断面直径18微米左右。熔合区上部塞棒塑性变形区晶粒发生了倾斜，匙孔侧部分晶粒形态继承了该区域柱状晶基因，见图中箭头所示，晶粒生长方向由塞棒向匙孔；细小等轴晶粒以匙孔底部再结晶晶粒为形核晶胞向塞棒定向凝固而成。塞棒原始晶粒形态变化特征表明，填补过程中，匙孔底部熔化层厚度大于塞棒末端，原因是塞棒末端经过抛光加工，表面粗糙度低于匙孔底部，匙孔侧电流密度分布不均，接触电阻热的加热效果明显，温度升高迅速，导致熔深大于塞棒。提高匙孔底部光洁度，降低其与塞棒的接触电阻，延缓熔合区(63)形成时间，有助于提高压合区温度，为保证匙孔整体填补质量创造有利条件。

如图7-b所示，压合区属扩散焊接区，晶粒尺寸及晶粒取向存在明显差异，自扩散是金属原子迁移的主要形式。塞棒加工过程及填补挤压过程，增加的表面能为金属原子扩散提供了驱动力。晶界移动时，金属原子由塞棒侧的小晶粒迁移至匙孔侧大晶粒，出现大晶粒吞并小晶粒现象。匙孔填补完成后，塞棒侧塑性变形区柱状晶有挤压变形现象，匙孔侧大晶粒明显增多，除部分属于再结晶晶粒长大形成等轴大晶粒外，靠近接触面的柱状大晶粒主要是吞并塞棒小晶粒长大形成。在保证电极压力有效传递的条件下(即保证塞棒具有足够硬度)，延长压合区高温停留时间，有助于增大扩散层厚度及均匀性，继而保证匙孔填补的总体效果。

如图7-c所示，塞棒上部塑性变形区，在电极压力作用下，原轧制纤维组织出现了弯折变形的“几何软化”现象，以弯折拐点连线为界，界线上部以回复现象为主，下部有回复和再结晶现象，再结晶区域更大，但其晶粒多为细小等轴晶，说明随着塞棒距上电极中心部位的距离逐渐增大，其在体电阻加热作用下，温升逐渐增大，但此种填补方法的原理决定，其在高温停留时间短暂，晶粒没有充足的时间长大。根据金属塑性变形与再结晶原理，课题选用拉拔铝棒作为塞棒原材料，选材于待填补匙孔所有板料，将有利于塞棒沿匙孔所在板面方向压延形变、延缓回复和再结晶现象产生，保持塞棒力学性能。

图7-d所示，熔化区微观结构，主要是等轴枝晶。塞棒体电阻发热，并在中部大量积聚，出现了液相凝固组织，未见塞棒原始组织。由于塞棒中部距上、下电极距离最远、散热最差，当其圆周及底部达到与匙孔冶金结合温度条件时，中部必定出现液相或固-液共存区域。为预防液相金属在结晶过程中，在晶粒收缩应力的作用下产生结晶裂纹，需向电极施加足够大的压力。

综上所述，采用压焊方法填补搅拌摩擦焊匙孔时，根据匙孔形状、尺寸，应综合考虑电流大小及通电时间、压力大小及调整时刻、塞棒尺寸及晶粒位向等工艺参数。

1.4硬度云图分析

图8接头显微硬度分布云图，测试点间距0.5mm、加载0.2kgf、保荷10s。匙孔周围硬度均匀、偏低，未见明显梯度，硬度值在40HV-50HV之间，说明匙孔填补过程未对其组织及性能产生明显影响。匙孔与塞棒熔合区域硬度梯度明显，从塞棒侧90HV逐渐降低至到匙孔侧50HV，熔合区(63)冶金反应深度约为 0.5mm。塞棒中部熔化区硬度最低(60-70HV)，局部低至60HV以下，自内而外逐渐升高，梯度分布明显；说明塞棒在填补过程中，中部液相深度约为1mm、宽度约为4mm，固-液共存区包裹与液相外，厚度约 0.5mm、宽度跨越塞棒中部直径范围。塞棒塑性变形区原晶间回复严重，硬度下降显著，导致该区硬度高、低交替分布，虽然总体硬度高于其它区域，均值在80HV以上，但在受到平行于板面方向拉力作用时，表面晶粒间硬度较低区域将是裂纹源起位置。结合接头微观组织形态，综合分析硬度分布云图，可知：改变塞棒晶粒位向、提高上下电极冷却速率，有助于硬度均布、缩小低硬度区范围，达到改善接头整体力学性能的效果。

实施例2

将带有匙孔的焊件(硬铝合金5083-O，板厚为1.5mm+1.5mm)装入塞焊夹具(5)，使匙孔中心对准夹具中心，夹紧焊件。然后把预先加工好的塞棒(2)装入匙孔(1)，将装好的夹具(5)套入塞焊机的下电极(4)，使焊件与下电极(4)充分接触。开启塞焊机，待焊机预热充分后，调节电极压力的大小和压力时间以及焊接电流(大小和压力时间)，电极下落时间为35个周波，预压压力为3.4KN，预压时间为20 个周波，焊压时间为25个周波，预热电流为20KA，预热电流时间为10个周波，焊接压力为2KN，焊接电流为55KA，焊接电流时间为10个周波，压力维持时间为22个周波，锻压压力为3.4KN，锻压时间为1 个周波，(一个周波时间为0.02s)。按下塞焊机的焊接按钮后，塞焊机的气缸带动上电极(3)向下运动，上电极(3)接触到塞棒(2)后，上电极(3)推动塞棒(2)，将其压入置于下电极的匙孔(1)并施加焊接电流，促使塞棒(2)与匙孔(1)之间的接触电阻瞬间发热，熔化(或软化)结合面金属。待结合面金属充分熔化(或软化)后，塞焊机按照预先设定时间，自动切断焊接电流，释放电极压力并抬高上电极(3)。将带有焊件的夹具(5)松下，并取下已经完成匙孔填补的焊件。

Claims (2)

1.一种基于塞焊原理的搅拌摩擦焊匙孔填补的新方法，其特征在于，以电阻焊机为填补设备，填补所需电流及压力来自于电阻焊机的上电极、下电极，利用塞棒与匙孔之间的接触电阻产生的电阻热为热源来熔化或软化接合面金属，最后施加锻压力使塞棒与匙孔内壁产生冶金结合，达到填补匙孔的效果，塞棒底面与匙孔底部连接的区域采用熔化连接，塞棒圆周面与匙孔侧面连接的区域采用扩散焊接；填补前需在匙孔内预置一根塞棒，所述塞棒的体积略大于匙孔容积；塞棒形状与待填匙孔深度有关，深度较浅的匙孔，可用圆棒作为塞棒，深度较深的匙孔，须用与匙孔形状一致的棒材作为塞棒，塞棒优选为锥度略小于匙孔的圆台结构；另外，塞棒材料应与匙孔材料相同或相似，以保证能够在塞棒与匙孔结合面处产生冶金结合；

填补过程分为软化、自动对中、配合阶段，排气、冶金阶段，锻压、冷却阶段；具体如下：匙孔内预置塞棒，采用电阻热作为塞棒与匙孔实现冶金结合的能量来源；使用所述电阻焊机为填补设备，具体步骤如下：

(1)启动电阻焊机，设定填补工艺；

(2)根据匙孔深度，预制塞棒；

(3)采用机械或化学方法清理匙孔与塞棒接触面的氧化膜及油污；

(4)将塞棒自然放置于匙孔内；

(5)将内置有塞棒的匙孔放置于下电极的上方端部，调整匙孔中轴线与下电极中轴线至重合；

(6)启动填补工艺循环；

(7)填补工艺循环结束后，上电极自动抬起，从上、下电极间取出填补后的工件；

(8)完成填补过程，关停电阻焊机；

其中所述填补工艺具体设定如下：电极下落时间为35个周波，预压压力为3.4KN，预压时间为20个周波，焊压时间为25个周波，预热电流为20KA，预热电流时间为10个周波，焊接压力为2KN，焊接电流为55KA，焊接电流时间为10个周波，压力维持时间为22个周波，锻压压力为3.4KN，锻压时间为1个周波。

2.根据权利要求1所述的基于塞焊原理的搅拌摩擦焊匙孔填补的新方法，其特征在于，所述塞棒的形状为圆柱形或圆台形等轴对称回转结构，上电极端部直径小于下电极端部直径。

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