CN110640392B - 一种基于rfssw设备的铝合金焊缝缺陷修补方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于RFSSW设备的铝合金焊缝缺陷修补方法，属于焊接技术领域。本发明包括如下步骤：根据缺陷尺寸及位置在待修补工件上加工圆柱孔，去除缺陷部位；加工与所述圆柱孔的直径及深度一致的圆柱体零件；将圆柱体零件插入至所述圆柱孔中；将待修补工件放在垫板上，将修补工装放在待修补工件上，使修补工装的套筒及搅拌针压紧待修补工件表面；控制套筒和搅拌针开始旋转；经过第一时长后，控制套筒旋转下压、搅拌针旋转上移；经过第二时长后，控制套筒旋转上移、搅拌针旋转下压，直至套筒与搅拌针回到初始位置，控制套筒与搅拌针停止旋转；完成修补。本发明在修补过程中仅对缺陷区域局部进行机械去除及修补，且修补过程对焊缝无缺陷区域不产生任何影响。

Description

一种基于RFSSW设备的铝合金焊缝缺陷修补方法
技术领域
本发明涉及一种基于RFSSW设备的铝合金焊缝缺陷修补方法，属于搅拌摩擦焊技术领域。
背景技术
铝合金材料比强度和比刚度较大，可有效满足大型铝合金结构的轻量化设计及制造需求，因此铝合金焊接结构在航天器结构、轨道车辆车体、飞机部件、船泊部件等结构中广泛应用。由于此类结构尺寸较大，难以通过一次成型整体制造，需要利用焊接手段对多个零件/组件进行焊接，实现大型铝合金结构的制造。
目前广泛应用铝合金的焊接手段主要包括TIG、MIG、VPPA等熔化焊技术及搅拌摩擦焊。但铝合金化学性质活泼，采用熔化焊手段焊接中易出现气孔、裂纹、夹杂等多种缺陷；搅拌摩擦焊是一种固相焊，焊接过程中材料不发生熔化，但由于大型铝合金构件焊缝的尺寸及形位精度难以保证，大型铝合金构件的搅拌摩擦焊过程中易出现孔洞、隧道、未焊透等多种局部缺陷。
大型铝合金构件焊接缺陷的修补通常采用手工TIG和搅拌摩擦焊二次焊接。在手工TIG对焊接缺陷的修补中，首先对修补区缺陷进行机械去除，然后通过填丝焊接对修补区进行修补。在此过程中焊缝修补区再次发生熔化-结晶，组织转变严重，导致力学性能降低，同时修补焊过程中易再次出现各种焊接缺陷。采用搅拌摩擦焊二次焊接对缺陷进行修补过程中，需要对整体焊缝进行二次焊接，易在焊缝无缺陷区域引入新的焊接缺陷，且焊缝表面会发生进一步减簿，导致焊缝有效承载面积的减小。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于RFSSW设备的铝合金焊缝缺陷修补方法，
本发明的技术解决方案是：一种基于RFSSW设备的铝合金焊缝缺陷修补方法，包括如下步骤：
准备修补工具；所述修补工具包括套筒和搅拌针；所述搅拌针为圆柱结构，所述套筒为套在搅拌针外侧的圆环结构，且套筒底部与搅拌针底部齐平；
根据缺陷尺寸及位置在待修补工件上加工圆柱孔，去除缺陷部位；
加工与所述圆柱孔的直径及深度一致的圆柱体零件；
将圆柱体零件插入至所述圆柱孔中；
将待修补工件放在垫板上，将修补工具放在待修补工件上，使修补工具的套筒及搅拌针压紧待修补工件表面；
控制套筒和搅拌针开始旋转，套筒和搅拌针与待修补工件摩擦产生热量将待修补工件软化；经过第一时长后，控制套筒旋转下压或上移，搅拌针旋转的同时在轴向移动，所述轴向移动的方向与套筒轴向移动的方向相反；经过第二时长后，控制套筒旋转上移或下压，搅拌针旋转同时在轴向移动，所述轴向移动的方向与套筒轴向移动的方向相反，直至套筒与搅拌针回到初始位置，控制套筒与搅拌针停止旋转；完成修补。
进一步地，套筒和搅拌针下压的深度不小于所述圆柱孔的深度，且不接触垫板。
进一步地，所述套筒外径大于所述圆柱体零件的直径。
进一步地，所述控制套筒旋转下压、搅拌针旋转上移时，套筒下压所占据的空间与搅拌针上移产生的空间相等；所述搅拌针旋转下压、套筒旋转上移时，搅拌针下压所占据的空间与套筒上移产生的空间相等。
进一步地，所述修补工具还包括压环，所述压环为套在套筒外侧的圆环结构，用于对待修补工件进行压紧固定，并对待修补工件进行约束。
进一步地，套筒上移和下压的速度保持在第一速度范围内，搅拌针下压和上移的速度保持在第二速度范围内，使得经套筒和搅拌针摩擦后的待修补工件的粘塑性材料始终在未软化待修补工件、垫板、套筒及搅拌针所包围的区域之内。
进一步地，所述修补工具为回填式搅拌摩擦点焊机。
进一步地，所述待修补工件为铝合金材料。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明在修补过程修补位置温度低于材料熔点，材料不发生熔化-结晶，焊缝修补过程不会产生采用熔化焊技术修补导致的气孔、裂纹及夹杂等缺陷；
(2)本发明在修补过程中仅对缺陷区域局部进行机械去除及修补，修补过程中不会在焊缝其它区域引入新的焊接缺陷。且修补过程对焊缝无缺陷区域不产生任何影响；
(3)本发明的修补过程温度低，热输入量小，热影响区小，对焊缝组织及力学性能影响小，且修补过程产生的焊接变形小。
附图说明
图1为本发明方法流程图；
图2为本发明方法流程示意图；
图2中，1-待修补工件，2-缺陷，3-圆柱孔，4-圆柱体零件，5-压环，6-套筒，7-搅拌针，8-垫板。
具体实施方式
如图1所示，一种基于RFSSW设备的铝合金焊缝缺陷修补方法，包括如下步骤：
准备修补工具；所述修补工具包括套筒6和搅拌针7；所述搅拌针7为圆柱结构，所述套筒6为套在搅拌针7外侧的圆环结构，且套筒6底部与搅拌针7底部齐平；
根据缺陷2尺寸及位置在待修补工件1上加工圆柱孔3，去除缺陷部位；待修补工件1为铝合金材料；
加工与所述圆柱孔3的直径及深度一致的圆柱体零件4；
将圆柱体零件4插入至所述圆柱孔3中；
将待修补工件1放在垫板8上，将修补工具放在待修补工件1上，使修补工具的套筒6及搅拌针7压紧待修补工件1表面；
控制套筒6和搅拌针7开始旋转，套筒6和搅拌针7与待修补工件1摩擦产生热量将待修补工件1软化；经过第一时长后，控制套筒6旋转下压、搅拌针7旋转上移；经过第二时长后，控制套筒6旋转上移、搅拌针7旋转下压，直至套筒6与搅拌针7回到初始位置，控制套筒6与搅拌针7停止旋转；完成修补。
优选的，所述修补工具还包括压环5，所述压环5为套在套筒6外侧的圆环结构，用于对待修补工件1进行压紧固定，并对待修补工件1进行约束。
具体地，本发明基于一种修补运动机构，该机构主要包括压环5、套筒6和搅拌针7三部分。其中压环5、套筒6和搅拌针7均可独立上下直线运动，套筒6和搅拌针7还可以进行旋转运动。在焊缝2中的局部缺陷处制备一个孔，所打孔的直径和深度需将焊缝缺陷去除。加工与所制备孔径及深度一致的铝合金圆柱零件3，将圆柱零件3安装到所制备的孔中。在待修补位置底部安装垫板8，修补机构压环5、套筒6及搅拌针7贴紧待修补位置上表面。套筒6直径大于所安装的铝合金圆柱零件4的直径，即套筒6直径大于所述圆柱体零件4的直径。压环5压紧待修补位置上表面，套筒6和搅拌针7同时开始旋转，套筒6和搅拌针7与修补区材料摩擦产生热量将待焊区软化，此时套筒6边旋转边下压，同时搅拌针7上移，套筒6下压所占据的空间与搅拌针7上移产生的空间应相等，套筒6周围材料在套筒6和搅拌针7的旋转及下压作用下发生流动及混合，套筒6继续下压直至压入深度不小于所制备的孔深度，且不得与垫板接触，即套筒6下压的深度不小于所述圆柱孔3的深度，且不接触垫板8。此时，搅拌针7下移，套筒6上移，搅拌针7下移所占据空间的材料流向套筒6上移所产生的空间位置，直至搅拌针7和套筒6恢复初始位置，即搅拌针7和套筒6下端面与待焊区表面贴紧位置。套筒6上移和搅拌针7下压的速度分别保持在第一速度范围和第二速度范围内，使得经套筒6和搅拌针7摩擦后的待修补工件1的粘塑性材料始终在未软化待修补工件1、垫板8、套筒6及搅拌针7所包围的区域之内。移除压环5、套筒6、搅拌针7及垫板8，修补过程完成。
实施例
如图2所示，8mm厚度铝锂合金焊接接头，牌号为2195。内部出现局部未连接缺陷2，缺陷2区域位于直径5mm的圆形范围内，深度距离母材下表面2mm。
先根据缺陷2尺寸及位置制孔，制孔过程将缺陷2去除；
在缺陷2正上方位置，利用吸附式台钻(或手钻，或铣削设备)，加工一个直径5mm圆柱孔3，孔深度7mm，确保缺陷位置打孔完成后可完全去除原缺陷2。
加工与所制孔直径及深度一致的铝合金圆柱体零件4；
利用2195铝锂合金或铝合金材料采用铣削或车削的方式加工一个直径5mm的圆柱体零件4，圆柱体零件4高度7mm。
将圆柱体零件4安装至所制孔中；
将步骤2所加工的2195铝合金圆柱体零件4放置于步骤1所打孔内，确保安装完成后，圆柱体零件4下底面与步骤1所打孔的底部端面贴实，无间隙。
压环5、套筒6及搅拌针7压紧待修补区表面；
在待修补区域的正下方放置钢制垫板8，要求垫板8与接头待修补区域背面完全贴实，无间隙。将回填式搅拌摩擦点焊机(RFSSW)的机头压紧待修补区域上表面。回填式搅拌摩擦点焊机头应包括压环5、套筒6和搅拌针7。圆柱面直径需大于套筒内径且小于套筒7内径。在本实施例中，搅拌针7尺寸直径4mm，套筒6内径4mm，外径8mm，压环内径8mm，外径12mm。
套筒6、搅拌针7开始旋转；
套筒6和搅拌针7同时开始以一定的速度(可相同也可不同)旋转，旋转方向为右旋，旋转速度为300-500rpm(不同材料、不同尺寸缺陷、不同深度的缺陷采用的旋转速度不同，也可以超出这个速度范围)。同时，压环5压紧待修补区域表面。同步旋转的套筒6和搅拌针7与材料表面进行摩擦，摩擦时间为3～5s(针对不同材料，不同尺寸缺陷及不同深度缺陷时间也可以变化，也可以超出这个时间范围)，摩擦产生摩擦热量导致待修补区域温度上升，待修补区域的材料在热量作用下发生软化，并达到粘塑性状态。粘塑性材料被约束在未软化材料、垫板8、压环5、套筒6及搅拌针7包围的区域之内。
套筒6下压，搅拌针7上移；
在步骤5之后，随即进行步骤6的过程，两步骤之间无时间间隔。套筒6和搅拌针7保持一定速度和同方向的旋转，旋转速度300～500rpm(同上，不同材料，不同尺寸，不同厚度，可采用不同速度)，旋转方向为右旋。套筒6以3mm/s的速度下压(下压速度同上)，同时搅拌针7在保持一定旋转速度下进行上移。此时，套筒6下部粘塑性材料在套筒的挤压下向上流动，并进入搅拌针7上移产生的空间中，此过程中粘塑性材料始终约束在未软化材料、垫板8、压环5、套筒6及搅拌针7包围的区域之内进行流动。
套筒6下压深度至大于所制孔底部，且不得接触底板位置；
套筒6继续下压，直至压入深度为距离修补区域上表面7mm处。套筒6下压距离应大于或等于步骤1所加工的孔深度。
套筒6上移，搅拌针下压；
套筒6和搅拌针7在保证同方向，同速度旋转的前提下，开始上移，上移速度为3mm/s，同时搅拌针7下压，此过程中需通过套筒6上移和搅拌针7下压的速度匹配保证粘塑性材料始终约束在未软化材料、垫板8、压环4、套筒6及搅拌针7所包围的区域之内进行流动。
套筒6与搅拌针7回到初始位置；
套筒6和搅拌针7在保证同方向，同速度的前提下，套筒6继续上移，搅拌针7继续下移，直至套筒6与搅拌针7回到初始位置，即步骤4中的位置。
套筒6与搅拌针7停止旋转；
套筒6和搅拌针7回到初始位置后停止旋转。
补修过程完成。
移除回填式搅拌摩擦点焊机机头及垫板8，补修过程完成。
修补过程修补位置温度低于材料熔点，材料不发生熔化-结晶，焊缝修补过程不会产生采用熔化焊技术修补导致的气孔、裂纹及夹杂等缺陷；在修补过程中仅对缺陷区域局部进行机械去除及修补，修补过程中不会在焊缝其它区域引入新的焊接缺陷。且修补过程对焊缝无缺陷区域不产生任何影响；修补过程温度低，热输入量小，热影响区小，对焊缝组织及力学性能影响小，且修补过程产生的焊接变形小。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种基于RFSSW设备的铝合金焊缝缺陷修补方法，其特征在于，包括如下步骤：
准备修补工具；所述修补工具包括套筒(6)和搅拌针(7)；所述搅拌针(7)为圆柱结构，所述套筒(6)为套在搅拌针(7)外侧的圆环结构，且套筒(6)底部与搅拌针(7)底部齐平；
根据缺陷尺寸及位置在待修补工件(1)上加工圆柱孔，去除缺陷部位；
加工与所述圆柱孔的直径及深度一致的圆柱体零件(4)；
将圆柱体零件(4)插入至所述圆柱孔中；
将待修补工件(1)放在垫板(8)上，将修补工具放在待修补工件(1)上，使修补工具的套筒(6)及搅拌针(7)压紧待修补工件(1)表面；
控制套筒(6)和搅拌针(7)开始旋转，套筒(6)和搅拌针(7)与待修补工件(1)摩擦产生热量将待修补工件(1)软化；经过第一时长后，控制套筒(6)旋转下压或上移，搅拌针(7)旋转的同时在轴向移动，所述轴向移动的方向与套筒(6)轴向移动的方向相反；经过第二时长后，控制套筒(6)旋转上移或下压，搅拌针(7)旋转同时在轴向移动，所述轴向移动的方向与套筒(6)轴向移动的方向相反，直至套筒(6)与搅拌针(7)回到初始位置，控制套筒(6)与搅拌针(7)停止旋转；完成修补；
套筒(6)和搅拌针(7)下压的深度不小于所述圆柱孔的深度，且不接触垫板(8)；
所述套筒(6)外径大于所述圆柱体零件(4)的直径。
2.根据权利要求1所述的一种基于RFSSW设备的铝合金焊缝缺陷修补方法，其特征在于：所述控制套筒(6)旋转下压、搅拌针(7)旋转上移时，套筒(6)下压所占据的空间与搅拌针(7)上移产生的空间相等；所述搅拌针(7)旋转下压、套筒(6)旋转上移时，搅拌针(7)下压所占据的空间与套筒(6)上移产生的空间相等。
3.根据权利要求1所述的一种基于RFSSW设备的铝合金焊缝缺陷修补方法，其特征在于：所述修补工具还包括压环(5)，所述压环(5)为套在套筒(6)外侧的圆环结构，用于对待修补工件(1)进行压紧固定，并对待修补工件(1)进行约束。
4.根据权利要求3所述的一种基于RFSSW设备的铝合金焊缝缺陷修补方法，其特征在于：套筒(6)上移和下压的速度保持在第一速度范围内，搅拌针(7)下压和上移的速度保持在第二速度范围内，使得经套筒(6)和搅拌针(7)摩擦后的待修补工件(1)的粘塑性材料始终在未软化待修补工件(1)、垫板(8)、套筒(6)及搅拌针(7)所包围的区域之内。
5.根据权利要求1所述的一种基于RFSSW设备的铝合金焊缝缺陷修补方法，其特征在于：所述修补工具为回填式搅拌摩擦点焊机。
6.根据权利要求5所述的一种基于RFSSW设备的铝合金焊缝缺陷修补方法，其特征在于：所述待修补工件(1)为铝合金材料。
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