CN112091404B - 一种薄壁件双轴肩搅拌摩擦焊匙孔的无变形修补方法 - Google Patents

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Abstract

一种薄壁件双轴肩搅拌摩擦焊匙孔的无变形修补方法，属于搅拌摩擦焊接领域；加工与匙孔相匹配的芯棒，并同轴对称放置于匙孔中，将两个搅拌头对称安装于双面点焊设备的加持柄上；保证两个搅拌头和匙孔为同轴，搅拌头的轴心和匙孔的圆心精确对中；两个所述搅拌头以旋转速度1000‑3000rpm且旋转方向相反，顶锻压力为10000‑20000N，进给速度10mm/min持续挤压芯棒，直至搅拌头外缘面与匙孔所在板面接触；然后停止旋转和进给，保持顶锻压力10000‑20000N时间为1‑5s；最后两个搅拌头反向运动，离开芯棒的两端面，完成匙孔修补焊接。本发明保证了薄壁双轴肩搅拌摩擦焊匙孔零变形、快捷、稳定可靠的修补。该技术主要针对薄壁(≤1mm)、不同直径匙孔的修补；也可应用于1‑2mm不同厚度薄壁件匙孔的修补。

Description

一种薄壁件双轴肩搅拌摩擦焊匙孔的无变形修补方法
技术领域
本发明属于搅拌摩擦焊接领域，具体涉及一种薄壁件双轴肩搅拌摩擦焊匙孔的无变形修补方法，用于薄壁(厚度≤1mm)、复杂结构双轴肩搅拌摩擦焊匙孔的无变形修补方法。
背景技术
搅拌摩擦焊技术是1991年英国焊接研究所(TWI)发明的一种固相连接技术，其原理主要是不可消耗的搅拌头与焊缝金属摩擦生热使金属达到塑性状态，同时在搅拌头锻压下形成致密的焊缝。该技术过程简单，无气孔、夹渣和热裂纹等缺陷，无弧光和烟尘等污染。尤其对于轻质合金(如铝合金、镁合金等)的焊接而言，搅拌摩擦焊具有无可比拟的优势。目前，欧美国家及我国已经将搅拌摩擦焊接技术运用到航空航天，轨道车辆和船舰等领域。在常规搅拌摩擦焊过程中，搅拌头边旋转边下压，因此需要背部刚性垫板对焊接工件进行支撑。该特性极大限制了搅拌摩擦焊技术在火箭燃料贮箱等无支撑曲面结构上的应用。
双轴肩搅拌摩擦焊是搅拌摩擦焊的一种重要变体，具有上下两个轴肩。下轴肩起到了支撑工件的作用，进而使得双轴肩搅拌摩擦焊技术具有自支撑特点，从而实现了将搅拌摩擦焊技术应用到无支持曲面结构的焊接。我国已经将双轴肩搅拌摩擦焊技术运用到大型火箭燃料贮箱体环缝的焊接。但该技术的缺点是在焊接结束位置不可避免会形成“匙孔”缺陷。因此“匙孔”的修补是实现高质量搅拌摩擦焊缝的关键问题之一。目前匙孔的修补工作主要采用熔化补焊和固相补焊两种方式。熔化补焊因涉及金属熔化和凝固过程，容易出现晶粒粗大、夹渣和气孔等缺陷，使匙孔修补位置成为焊缝弱区，进而影响整个环缝质量。相比于熔化补焊，固相补焊能够避免以上缺陷，也是目前应用最广的双轴肩搅拌摩擦焊匙孔修补技术。如首都航天机械公司ZL200610086611.8和ZL201711275673.8进行了固相塞补焊工艺技术研究。但以上专利研究均具有如下特点：1，需要背部刚性支撑，其支撑工装和控制复杂；2，工艺窗口较窄，塞补过程工序较多，塞补后需要对表面进行二次加工，工序繁琐；3；需要将匙孔加工为锥形塞孔，需要制作锥形且角度与塞孔相互匹配的塞棒，过程复杂。4；仅适用于厚板的匙孔补焊，对于厚度≤1mm的匙孔进行塞补焊很容易导致孔变形，进而造成匙孔修补失败甚至产品报废。专利ZL201711275673.8提出的匙孔修补方法便捷且无需背部刚性支撑，塞板厚度为1-10mm。但由于铝合金材料本身刚性较差，对厚度1mm左右的匙孔板采用该方法进行修补时，很容易导致塞孔变形而修补失败。
发明内容
要解决的技术问题：
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种薄壁件双轴肩搅拌摩擦焊匙孔的无变形修补方法，该方法简化工装设备和焊前准备工序，节约匙孔修补前准备时间，增大匙孔修补工艺参数范围，提高了匙孔修补的稳定性和便捷性。。
本发明的技术方案是：一种薄壁件双轴肩搅拌摩擦焊匙孔的无变形修补方法，其特征在于具体步骤如下：
步骤一：对双轴肩搅拌摩擦焊缝收尾处产生的匙孔缺进行测量，获得匙孔直径参数和轴向高度参数；
步骤二：加工补焊芯棒，所述芯棒的材料与需修补的匙孔的材料相同；芯棒的直径与匙孔的直径相匹配，为间隙配合；芯棒的高度大于匙孔的轴向高度；
步骤三：将两个带有内凹面的搅拌头对称安装于双面点焊设备的加持柄上；保证两个所述搅拌头和匙孔为同轴，搅拌头的轴心和匙孔的圆心精确对中；
步骤四：将步骤二加工完成的芯棒同轴放入所述匙孔内，并相对于匙孔中点对称放置；两个所述搅拌头的外缘面分别与芯棒的两端面接触；两个所述搅拌头以旋转速度1000-3000rpm且旋转方向相反，顶锻压力为10000-20000N，进给速度10mm/min持续挤压芯棒，直至搅拌头外缘面与匙孔所在板面接触；然后停止旋转和进给，保持顶锻压力10000-20000N时间为1-5s；
步骤五：两个所述搅拌头反向运动，离开所述芯棒的两端面，进而完成匙孔修补焊接。
本发明的进一步技术方案是：步骤二所述芯棒的直径小于匙孔直径0.1mm。
本发明的进一步技术方案是：步骤二所述芯棒的高度大于匙孔的轴向高度2mm，焊接时所述芯棒两端面分别高出所述匙孔两侧表面1mm。
本发明的进一步技术方案是：步骤三中两个所说搅拌头的轴心和匙孔的圆心位置同轴偏差<0.05mm。
有益效果
本发明的有益效果在于：本发明提出一种工艺简单，稳定可靠的薄壁件双轴肩搅拌摩擦焊匙孔的无变形修补方法，所述薄壁件厚度为≤1mm。芯棒的直径小于匙孔直径0.1mm呈少量间隙配合，使芯棒便于容易放置且满足芯棒受热挤压沿径向膨胀后与匙孔能够形成过盈配合。内凹型搅拌头能够有效将受摩擦热塑化的芯棒材料限制在搅拌头端面内部，避免材料流失而导致修补失败。采用高旋转速度和低进给速度能够有效增加摩擦热，充分塑化芯棒使其沿径向有良好的膨胀性进而充分填充整个匙孔。和目前固相塞补焊修补匙孔(厚度≥2mm)的方法(需要背部刚性支撑；塞补后需要对表面进行二次加工；很容易导致孔变形，进而造成匙孔修补失败甚至产品报废)相比，该技术能够实现薄壁(≤1mm)匙孔零变形量的修补，同时避免了常规塞补焊修补匙孔后去除余量等二次加工。此外，该技术所使用的搅拌头只进行一次装夹，避免常规塞补焊一孔一夹的复杂工序，提高了生产效率，以上特点保证了薄壁双轴肩搅拌摩擦焊匙孔零变形、快捷、稳定可靠的修补。该技术主要针对薄壁(≤1mm)、不同直径匙孔的修补；也可应用于1-2mm不同厚度薄壁件匙孔的修补。
附图说明
图1为双轴肩搅拌摩擦焊形成的“匙孔”示意图；
图2为本发明使用状态的立体结构示意图；
图3为芯棒示意图；
图4为搅拌头结构示意图。
附图标记说明：1-匙孔；2-搅拌头；3-芯棒；4-匙孔板；5-匙孔板表面；6-搅拌头凹面；7-搅拌头外缘面。
具体实施方式
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
实施实例
依1mm壁厚板的双轴肩搅拌摩擦焊匙孔修补为例。
本发明所述的一种消除薄壁件双轴肩搅拌摩擦焊匙孔的方法，其包括如下步骤：
(1)如图1所示，采用双轴肩搅拌摩擦焊技术对平板进行焊接，焊缝收尾处产生匙孔。对双轴肩搅拌摩擦焊缝收尾处产生匙孔缺进行测量，获得匙孔1直径参数8mm和匙孔轴向高度(即深度)参数1mm。
(2)加工芯棒3，芯棒3的直径与步骤(1)所述的匙孔1的直径匹配；所述芯棒3的直径小于匙孔直径0.1mm；芯棒3的高度大于匙孔板厚度2mm，目的是为了方便芯棒3顺利放入匙孔内。
(3)将两个带有内凹面的搅拌头2分别安装在双面点焊设备的加持柄上，搅拌头2加持部分的形状结构以及与加持柄的安装方式，均为现搅拌摩擦焊设备普遍使用的形状和安装方式。确保搅拌头轴心和匙孔圆心精确对中，位置同轴偏差<0.05mm。
(4)将步骤(2)加工好的芯棒3放入匙孔1内，芯棒3两端分别高出匙孔板表面1mm；两搅拌头的端面与芯棒两端面分别接触。两搅拌头以旋转速度2000rpm且旋转方向相反，顶锻压力为15000N，进给速度10mm/min持续挤压芯棒，直至搅拌头边缘面与匙孔板面接触。停止旋转和进给，保持顶锻压力15000N时间为3s。两搅拌头向反方向运动，离开芯棒作用面，进而完成匙孔修补焊接。
(5)步骤(4)完成焊接的产品，进行无损检测，合格后产品交付。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (4)

1.一种薄壁件双轴肩搅拌摩擦焊匙孔的无变形修补方法，其特征在于具体步骤如下：
步骤一：对双轴肩搅拌摩擦焊缝收尾处产生的匙孔缺陷 进行测量，获得匙孔直径参数和轴向高度参数；
步骤二：加工补焊芯棒，所述芯棒的材料与需修补的匙孔的材料相同；芯棒的直径与匙孔的直径相匹配，为间隙配合；芯棒的高度大于匙孔的轴向高度；
步骤三：将两个带有内凹面的搅拌头对称安装于双面点焊设备的加持柄上；保证两个所述搅拌头和匙孔为同轴，搅拌头的轴心和匙孔的圆心精确对中；
步骤四：将步骤二加工完成的芯棒同轴放入所述匙孔内，并相对于匙孔中点对称放置；两个所述搅拌头的外缘面分别与芯棒的两端面接触；两个所述搅拌头以旋转速度1000-3000rpm且旋转方向相反，顶锻压力为10000-20000N，进给速度10mm/min持续挤压芯棒，直至搅拌头外缘面与匙孔所在板面接触；然后停止旋转和进给，保持顶锻压力10000-20000N时间为1-5s；
步骤五：两个所述搅拌头反向运动，离开所述芯棒的两端面，进而完成匙孔修补焊接。
2.根据权利要求1所述薄壁件双轴肩搅拌摩擦焊匙孔的无变形修补方法，其特征在于：步骤二所述芯棒的直径小于匙孔直径0.1mm。
3.根据权利要求1所述薄壁件双轴肩搅拌摩擦焊匙孔的无变形修补方法，其特征在于：步骤二所述芯棒的高度大于匙孔的轴向高度2mm，焊接时所述芯棒两端面分别高出所述匙孔两侧表面1mm。
4.根据权利要求1所述薄壁件双轴肩搅拌摩擦焊匙孔的无变形修补方法，其特征在于：步骤三中两个所述 搅拌头的轴心和匙孔的圆心位置同轴偏差<0.05mm。
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