CN113275734B - 一种凹型焊缝的搅拌摩擦焊方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于搅拌摩擦焊在航空制造技术领域，具体涉及一种凹型焊缝的搅拌摩擦焊方法，所述工艺流程包括增加焊接工艺余量、焊接和切除焊接工艺余量等步骤，克服了现有技术存在的不足，提供了一种去除凹型焊缝中每段焊缝尾孔和不同厚度焊缝结合处存在未焊处的工艺。本工艺满足零件对强度、质量和美观要求，有利于搅拌摩擦焊在航空制造领域的广泛应用。本发明特别适用于难装夹和搬运的大型零件。本发明简单实用、易操作、不增加零件加工的经济成本，可实现搅拌摩擦焊技术在凹型焊缝的工程应用，满足零件生产对强度、质量和美观要求，有利于搅拌摩擦焊在航空制造领域的广泛应用。

Description

一种凹型焊缝的搅拌摩擦焊方法

技术领域

本发明属于搅拌摩擦焊在航空制造领域的工程应用，涉及到一种凹型焊缝 的搅拌摩擦焊方法。

背景技术

凹型焊缝由三段焊缝依次相连构成，其中三段焊缝的下表面处在同一平面， 焊缝的上表面为两边高中间低，即第一段和第三段焊缝厚度大于第二段焊缝厚 度。如图1所示。采用搅拌摩擦焊接时，由于搅拌针长度是固定的，一种规格 的搅拌头只能焊接一种厚度的焊缝，不同厚度焊缝需采用多种规格搅拌头分别 对不同厚度焊缝进行搅拌摩擦焊接。在已经公开的专利技术中(公开号 CN103659015B)虽然提出了四段分段跳焊法，该焊接方法仅适用于平面焊缝的 焊接，对于凹型焊缝可该焊接工艺方法存在以下不足：1.在每种厚度焊缝结束 的尾部留有尾孔，影响焊缝的强度和美观；2.由于轴间直径大于搅拌针直径， 在相邻不同厚度焊缝结合处存在未焊处。以上不足均影响搅拌摩擦焊在航空制 造领域的广泛应用。

发明内容

1.解决的技术问题

本发明提供了一种凹型焊缝的搅拌摩擦焊方法，克服了现有技术存在的不 足，提供了一种去除凹型焊缝中每段焊缝尾孔和不同厚度焊缝结合处存在未焊 处的工艺。本工艺满足零件对强度、质量和美观要求，有利于搅拌摩擦焊在航 空制造领域的广泛应用。

2.技术方案

本发明提出了一种凹型焊缝的搅拌摩擦焊方法，所述方法通过焊前在焊缝 上保留焊接工艺余量，以焊接工艺余量为起焊点或收焊点，焊接从起点至终点 分为三段，按照顺序依次对第一段、第二段和第三段焊缝进行焊接；第一段焊 缝焊后，用铣刀铣削掉该厚度焊缝两端保留的焊接工艺余量；然后以第一段焊 缝的尾孔为起焊点、以距离第二段的焊接工艺余量一定距离为终点，进行第二 段焊缝焊接；其次，在第二段焊缝的尾孔处装配预置工艺余量，以预置工艺余 量为起点、以第三段焊缝工艺余量为终点，进行第三段焊缝焊接；最后，铣刀 铣削掉该厚度焊缝两端焊接工艺余量。

优选的，上述焊接方法中，可通过设计异性长方体结构作为预置工艺余量， 所述异性长方体结构最大面上还设有一圆柱体，所述圆柱体直径大于第二段焊 缝尾孔直径，圆柱体高度等于第二段焊缝的厚度。

优选的，在零件进行机械加工时，在每段焊缝两端保留焊接工艺余量，焊 接工艺余量结构形状长方体，该工艺余量的长、宽、高分别为a、b、c；焊接 从起点至终点依次定义焊缝上保留焊接工艺余量为第一至第四焊接工艺余量， 工艺余量处所对应的焊接点依次为A、B、C、D点；其中，第一焊接工艺余量和 第四焊接工艺余量是凹型焊缝在焊缝两端的延伸，两处工艺余量长度均大于所 用搅拌头轴间直径，两处工艺余量宽度均大于所用搅拌头轴间直径的一半，两 处工艺余量厚度均与焊缝两端厚度相同。

优选的，第二焊接工艺余量、第三焊接工艺余量为厚焊缝在薄焊缝上的延 伸，工艺余量长度大于所用搅拌头轴间直径，工艺余量宽度大于所用搅拌头轴 间直径的一半，工艺余量厚度为厚焊缝与薄焊缝的厚度差。

优选的，所述焊接工艺流程依次为：装夹→焊前清理焊缝→AB段焊缝焊接 →AB段切除焊接工艺余量→BC段焊缝焊接→预置工艺余量加工与装配→CD段 焊缝焊接→CD段切除焊接工艺余量。

焊接工艺中，装夹时，将零件在上下、左右、前后方向压实顶紧，保证在 焊接过程中零件不会发生移动，总装完成后保持焊缝处有开阔的空间，防止焊 接过程中焊机机头和工装发生碰撞。

焊接工艺中，焊前清理焊缝采用机械打磨和化学清洗的方式对焊缝处进行 清洗，去除焊缝处的氧化膜和油污。

焊接工艺中，AB段切除焊接工艺余量时，将铣刀装配到搅拌摩擦焊机主轴 上，编辑程序对第一、第二焊接工艺余量进行去除。

焊接工艺中，焊接BC段时，B点和C点分别作为起焊和收焊点，根据板材 厚度和尾孔的大小选择合适的搅拌头，搅拌针直径大于等于尾孔的直径，搅拌 针长度略小于板材厚度。

上述焊接工方法中预置工艺余量加工与装配要求是：长方体的长、宽、高 分别为a0、b0、c0；其中a0＝2a6，其中a6为第三焊接工艺余量的宽度；按照 预置工艺余量的大小在焊缝上加工安置区；将铣刀装配到搅拌摩擦焊机主轴上， 在第二段焊缝的尾孔的基础上扩孔，孔径大小深度与预置工艺余量上圆柱体相 配合；铣削第三焊接工艺余量边界，将预置工艺余量与第三焊接工艺余量对接 装配；将预置工艺余量装配与零件压实顶紧，保证在焊接过程中零件不会发生 移动，总装完成后保持焊缝处有开阔的空间。

3.有益效果

本发明提供了一种凹型焊缝的搅拌摩擦焊方法，增加焊接工艺余量后，焊 接可达性较好，便于工装对零件进行装夹。按照焊接顺序对凹型焊缝焊接，一 次装夹可完成全部焊缝焊接，适用于难装夹和搬运的大型零件。本发明简单实 用、易操作、不增加零件加工的经济成本，可实现搅拌摩擦焊技术在凹型焊缝 的工程应用，满足零件生产对强度、质量和美观要求，有利于搅拌摩擦焊在航 空制造领域的广泛应用。

附图说明

本发明包括5张附图，附图及附图说明如下：

图1为凹型焊缝对接示意图；

其中：1.第一段焊缝，2.第二段焊缝，3.第三段焊缝。三段焊缝的下表 面处在同一平面，焊缝的上表面为两边高中间低，即第一段和第三段焊缝厚度 大于第二段焊缝厚度。

图2为凹型焊缝焊接工艺余量示意图。其中：

4.第一段焊缝前端工艺余量即第一焊接工艺余量，该工艺余量的长、宽、 高分别为a₄、b₄、c_4。

5.第一端焊缝后端工艺余量即第二焊接工艺余量，该工艺余量的长、宽、 高分别为a₅、b₅、c_5。

6.第三段焊缝前端工艺余量即第三焊接工艺余量，该工艺余量的长、宽、 高分别为a₆、b₆、c_6。

7.第三段焊缝后端工艺余量，即第四焊接工艺余量,该工艺余量的长、宽、 高分别为a₇、b₇、c_7。

图3为凹型焊缝对接工艺余量示意图，

图4为凹型焊缝起焊和收焊点位置示意图，

图5为第一段焊缝焊后工艺余量切除示意图，

图6为预置焊接工艺余量示意图，

图7为预置工艺余量装配效果图，

图8为焊缝焊后工艺余量切除效果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明，焊接工艺实施细节请参阅图2 到图5,

在具体实施过程中首选待焊接工件预保留焊接工艺余量

在零件进行机械加工时，在每段焊缝两端保留焊接工艺余量，焊接工艺余 量结构形状长方体，该工艺余量的长、宽、高分别为a、b、c。如图2所示。 增加工艺余量后凹型焊缝对接效果如图3所示。

第一焊接工艺余量4和第四焊接工艺余量7是凹型焊缝在焊缝两端的延伸， 工艺余量长度(a₄和a₇)大于所用搅拌头轴间直径，工艺余量宽度(b₄和b₇) 大于所用搅拌头轴间直径的一半，工艺余量厚度(c₄和c₇)分别与焊缝两端厚 度相同。

第二焊接工艺余量5和第三焊接工艺余量6为厚焊缝在薄焊缝上的延伸， 工艺余量长度(a₅和a₆)大于所用搅拌头轴间直径，工艺余量宽度(b₅和b₆) 大于所用搅拌头轴间直径的一半，工艺余量厚度(c₅和c₆)为厚焊缝与薄焊缝 的厚度差。

搅拌摩擦焊焊接结束时带有尾孔，尾孔极大影响零件的强度和美观性，焊 接时，必须将焊接起点和终点选择在焊接工艺余量处，焊接后采用机械加工的 方法去除工艺余量，从而去除搅拌摩擦焊尾孔。本文提供的焊接工艺余量增加 方式，其特点是结构形式简单易加工成形，焊后便于利用铣刀去除。

实施焊接工艺过程

焊缝起焊和收焊点如图4所示，其中A点、B点、C点、D点均都位于焊接 工艺余量区，本发明凹型焊缝的具体焊接顺序如下：

a.装夹。零件装夹示意图如图4所示。要求将零件在上下、左右、前后方 向压实顶紧，保证在焊接过程中零件不会发生移动，总装完成后保持焊缝处有 开阔的空间，防止焊接过程中焊机机头和工装发生碰撞。

b.焊前清理焊缝。采用机械打磨和化学清洗的方式对焊缝处进行清洗，去 除焊缝处的氧化膜和油污。

c.AB段焊缝焊接。焊接AB段时，B点作为起焊点，A点作为收焊点，起 焊和收焊点应完全位于工艺余量上，便于焊后去除焊接工艺余量和第二条焊缝 的焊接。

d.AB段切除焊接工艺余量。将铣刀装配到搅拌摩擦焊机主轴上，编辑程 序对第一焊接工艺余量4、第二焊接工艺余量5进行去除。第一段焊缝焊后工 艺余量切除效果如图5所示。

e.BC段焊缝焊接。焊接BC段时，B点和C点分别作为起焊和收焊点。根 据板材厚度和尾孔的大小选择合适的搅拌头，搅拌针直径应大于等于尾孔的直 径，搅拌针长度略小于板材厚度；由于搅拌焊的搅拌头轴肩直径大于搅拌针直 径，不能完全薄板焊接，即BC段焊接时，C点不能达到厚板根部，所以实施过 程中增加预置工艺余量以有利于焊接；设计形式可以是多种，最为简单的是圆 柱+平板结构。

f.预置工艺余量加工与装配。预置工艺余量如图6所示。为长方体结构， 所述长方体最大面上还设有一圆柱体，所述圆柱体直径大于第二段焊缝尾孔直 径，圆柱体高度等于第二段焊缝的厚度。长方体的长、宽、高分别为a_0、b_0、c_0。 其中a₀＝2a_6。按照预置工艺余量的大小在焊缝上加工安置区。将铣刀装配到搅拌 摩擦焊机主轴上，在第二段焊缝的尾孔的基础上扩孔，孔径大小深度与预置工 艺余量上圆柱体相配合。铣削第三焊接工艺余量6边界，将预置工艺余量与第 三焊接工艺余量6对接装配。将预置工艺余量装配与零件压实顶紧，保证在焊 接过程中零件不会发生移动，总装完成后保持焊缝处有开阔的空间，防止焊接过程中焊机机头和工装发生碰撞。装配后效果如图7所示。

g.CD段焊缝焊接。焊接CD段时，C点和D点分别作为起焊和收焊点。根 据板材厚度和尾孔的大小选择合适的搅拌头，搅拌针直径应大于等于尾孔的直 径，搅拌针长度略小于板材厚度。

h.CD段切除焊接工艺余量。将铣刀装配到搅拌摩擦焊机主轴上，编辑程 序对第三焊接工艺余量6、第四焊接工艺余量7和预置工艺余量进行去除。焊 缝焊后工艺余量切除效果如图8所示，焊接后的工件整体强度、质量和美观均 符合设计要求，经显微分析未发现焊接尾孔，特别是相邻不同厚度焊缝实现完 美结合，未见焊接缺陷。

以上对本发明的具体实施例进行了描述，需要说明的是，上述实施方式中， 未详尽内容均为本领域常规技术；本发明并不局限于上述特定实施方式，其中 未尽详细描述的设备和结构应该理解为采用本领域中的普通方式予以实施；本 领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改做出若干简单推 演、变形或替换，比如说明书中所罗列的切削参数，在实际实施时，还可以略 有浮动，这并不脱离本发明的实质内容；这些改进设计均可认定为属于本发明 的保护范围。

Claims (8)

1.一种凹型焊缝的搅拌摩擦焊方法，其特征在于：所述方法通过焊前在每段焊缝两端保留焊接工艺余量，焊接工艺余量结构形状为长方体；以焊接工艺余量为起焊点或收焊点，焊接从起点至终点分为三段，按照顺序依次对第一段、第二段和第三段焊缝进行焊接；

焊接从起点至终点依次定义焊缝上保留焊接工艺余量为第一至第四焊接工艺余量；其中，第一焊接工艺余量和第四焊接工艺余量是凹型焊缝在焊缝两端的延伸，第二焊接工艺余量、第三焊接工艺余量为厚焊缝在薄焊缝上的延伸；

第一段焊缝焊后，用铣刀铣削掉该厚度焊缝两端保留的焊接工艺余量；然后以第一段焊缝的尾孔为起焊点、以距离第二段的焊接工艺余量一定距离为终点，进行第二段焊缝焊接；其次，在第二段焊缝的尾孔处装配预置工艺余量，以预置工艺余量为起点、以第四焊接工艺余量为终点，进行第三段焊缝焊接；最后，铣刀铣削掉该厚度焊缝两端焊接工艺余量和预置工艺余量；

所述预置工艺余量为异形长方体结构，所述异形长方体结构最大面上还设有一圆柱体，所述圆柱体直径大于第二段焊缝尾孔直径，圆柱体高度等于第二段焊缝的厚度；预置工艺余量加工与装配要求是：长方体的长、宽、高分别为a0、b0、c0；其中a0＝2a6，a6为第三焊接工艺余量的宽度；按照预置工艺余量的大小在焊缝上加工安置区；将铣刀装配到搅拌摩擦焊机主轴上，在第二段焊缝的尾孔的基础上扩孔，孔径大小深度与预置工艺余量上圆柱体相配合；铣削第三焊接工艺余量边界，将预置工艺余量与第三焊接工艺余量对接装配；将预置工艺余量与零件压实顶紧。

2.根据权利要求1所述的凹型焊缝的搅拌摩擦焊方法，其特征在于：在零件进行机械加工时，焊接工艺余量的长、宽、高分别为a、b、c；第一焊接工艺余量、第四焊接工艺余量的工艺余量长度均大于所用搅拌头轴间直径，两处工艺余量宽度均大于所用搅拌头轴间直径的一半，两处工艺余量厚度均与焊缝两端厚度相同。

3.根据权利要求1所述的凹型焊缝的搅拌摩擦焊方法，其特征在于：第二焊接工艺余量、第三焊接工艺余量的工艺余量长度大于所用搅拌头轴间直径，工艺余量宽度大于所用搅拌头轴间直径的一半，工艺余量厚度为厚焊缝与薄焊缝的厚度差。

4.根据权利要求1所述的凹型焊缝的搅拌摩擦焊方法，其特征在于：焊接工艺流程依次为：装夹→焊前清理焊缝→AB段焊缝焊接→AB段切除焊接工艺余量→BC段焊缝焊接→预置工艺余量加工与装配→CD段焊缝焊接→CD段切除焊接工艺余量和预置工艺余量，其中，A点、B点、C点、D点均都位于工艺余量区。

5.根据权利要求4所述的凹型焊缝的搅拌摩擦焊方法，其特征在于：装夹时，将零件在上下、左右、前后方向压实顶紧，保证在焊接过程中零件不会发生移动，总装完成后保持焊缝处有开阔的空间，防止焊接过程中焊机机头和工装发生碰撞。

6.根据权利要求4所述的凹型焊缝的搅拌摩擦焊方法，其特征在于：焊前清理焊缝采用机械打磨和化学清洗的方式对焊缝处进行清洗，去除焊缝处的氧化膜和油污。

7.根据权利要求4所述的凹型焊缝的搅拌摩擦焊方法，其特征在于：AB段切除焊接工艺余量时，将铣刀装配到搅拌摩擦焊机主轴上，编辑程序对第一、第二焊接工艺余量进行去除。

8.根据权利要求4所述的凹型焊缝的搅拌摩擦焊方法，其特征在于：焊接BC段时，B点和C点分别作为起焊和收焊点，根据板材厚度和尾孔的大小选择合适的搅拌头，搅拌针直径大于等于尾孔的直径，搅拌针长度略小于板材厚度。

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