CN114406443A - 一种基于固态连接原理的搅拌摩擦焊匙孔修复方法 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种基于固态连接原理的搅拌摩擦焊FSW匙孔修复方法，该方法具体为：设计分体式焊具，包括可消耗填充式焊柱、非消耗式轴肩、夹持体和紧固螺钉构成。首先，将焊具固定于搅拌摩擦焊刀柄并与焊缝匙孔缺陷在同一竖直轴线上，设定自动运行程序参数，使焊具缓慢旋转下压；其次，通过焊柱与匙孔摩擦生热，使其呈热塑性固态连接；最后在水平方向施加过载力，利用焊柱上的应力集中点剪断焊柱，填充匙孔缺陷。本方法可有效实现大厚板铝合金搅拌摩擦焊匙孔缺陷修复，成本低廉，焊后表面清晰完整，力学性能高，是一种创新高效解决搅拌摩擦焊匙孔缺陷的方式。

Description

一种基于固态连接原理的搅拌摩擦焊匙孔修复方法
技术领域
本发明涉及搅拌摩擦焊领域，特别涉及一种基于固态连接原理的搅拌摩擦焊匙孔修复方法。
背景技术
搅拌摩擦焊是一种基于固态连接原理的方法，在搅拌摩擦焊焊接过程中，将搅拌头按一定旋转速度缓慢扎入待焊工件，搅拌头和工件之间产生摩擦热和材料塑性变形热，使搅拌头邻近区域的材料受热变软从而热塑化，当搅拌头受到驱动沿着待焊接面向前移动时，热塑化材料有规律向后堆积，在搅拌头轴肩的锻造作用下，工件之间形成有效的固相连接。搅拌摩擦焊焊与传统熔焊相比，其温度低，焊缝应力小，焊后变形小，生产效率高且节能环保，是一种优异的绿色焊接技术。
搅拌摩擦焊焊接过程一般分为以下阶段：搅拌头旋转扎入→摩擦生热、塑化被焊金属→行走并施加锻造力→行走结束，搅拌头旋转抬起，焊接结束。可以看出，焊接结束后，搅拌头抬起会在焊缝终端留下匙孔，为了保证焊件整体质量和强度，传统方式是设置引出板或采用熔焊填补，但也因此出现工装难度高、焊缝整体性能下降等问题。
申请号CN108746960A，发明名称是一种基于用电阻塞焊的原理填补搅拌摩擦焊匙孔的新方法，是利用塞棒置于匙孔，借助电阻焊接施加上下电极使得塞棒与焊接接触面发热熔化结合，但这种方法结合面致密性不足，容易使材料发生熔化现象，且需要额外电阻焊机，程序繁琐增加成本。
申请号CN113369672A，发明名称是一种用于搅拌摩擦焊匙孔分层填补的方法及专用焊头组，是利用工件表面加工余量来填补匙孔，但此种方式依赖操作人员经验和操作手法，而且会在焊件表面形成二次缺陷，增加焊件残余应力。
发明内容
本发明是针对现有搅拌摩擦焊匙孔填补技术中存在的诸多问题，提出一种高效、创新的解决方法，即利用固态连接原理来修复搅拌摩擦焊匙孔。
本发明技术方案如下：
以可消耗填充式焊柱以及非消耗式轴肩与焊缝匙孔材料摩擦生热为主要热量来源，使焊柱前端搅拌针和焊缝匙孔机械搅拌结合。在此基础上，利用行走弯矩在焊柱后端辅助柱齿槽根部造成应力集中并承受过载力，从而截断搅拌针与辅助柱，达到一次性填补匙孔缺陷并主动分离焊具的目的。
本发明是一种基于固态连接原理的搅拌摩擦焊匙孔修复方法，包括以下步骤：
步骤a，将可消耗填充式焊柱固定在分体式夹具上，夹具固定在搅拌摩擦焊刀柄上，焊柱与匙孔在同一中轴线；
步骤b，调整焊柱向下移动，至焊柱与匙孔接触压力值突变处，设置为焊接起始零点；
步骤c，设置自动焊接参数，包括下压速度、旋转速度、下压量、转速阶段降低量、旋转保持时间、横向行走方向、速度、距离以及上升速度和距离；
步骤d，焊柱被截断后，抬起搅拌摩擦焊刀柄，通过紧固螺钉和通孔设计卸下分体式夹具和辅助柱，完成匙孔修复焊接。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进说明：
进一步的，步骤a中，可消耗填充式搅拌头分为搅拌针和辅助柱两部分，搅拌针呈光面锥状结构，与匙孔形状大小适配，且端部、根部直径均比匙孔对应处直径大3～5mm，其长度、锥度与匙孔深度、锥度保持一致；辅助柱下口与分体式夹具轴肩内孔口平齐。
进一步的，步骤b中，焊柱各面连接处均采用0.5mm圆角过渡。
进一步的，步骤c中，下压速度为0.5～1mm/min，旋转速度原FSW旋转速度的110％～120％，下压量为0.1～0.3mm，下压结束，搅拌头旋转速度以原转速的50％呈阶段性降低，直至降至最低转速150rpm，保持15s～20s后，沿原FSW焊接前进方向行走，行走速度为10～30mm/s，焊柱自形截断，焊具上升一段距离后，焊接停止。
进一步的，所步骤d中，分体式焊具包括轴肩和夹持体，在夹持体和轴肩上部采用φ5mm的通孔贯穿，便于辅助柱从夹具中分离。
本发明通过对高强铝合金大厚板搅拌摩擦焊后匙孔的填补工艺的深入研究，设计出一种简易可消耗式焊柱和分体式焊具，且焊柱结构巧妙，其搅拌针与匙孔充分搅拌呈机械混合，辅助柱下部有一段齿槽，使得旋转扭矩均匀化，同时在水平行走使将应力集中引入齿槽处，在行走弯矩作用下发生自剪断，达到一次性匙孔修复和主动分离焊具功能。
此外，本发明的基于固态连接原理的搅拌摩擦焊匙孔修复方法成本低、效率高，自动化程度高，避免了其他方法对操作经验的依赖，创新高效地解决了搅拌摩擦焊匙孔尤其是高强铝合金大厚板匙孔修复的难题。
附图说明
图1为可消耗填充式焊柱结构示意图。图中：①－螺栓顶紧切面，②－齿槽，③－搅拌针根部，④－搅拌针端部，⑤－齿槽长度，⑥－齿宽，⑦－齿深
图2为非消耗分体式夹具结构示意图。图中：⑧－夹持体内5mm通孔，⑨－轴肩
图3为焊柱与夹具组合结构示意图。图中剖视图为焊柱与夹具配合示意图。
图4为FSW匙孔修复过程示意图。图中：
(a)－匙孔样貌
(b)－初始阶段
(c)－填补阶段
(d)－断裂阶段
(e)－分离阶段
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征作进一步描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
本实施例以尺寸为250*150*25mm的7A52铝合金搅拌摩擦焊焊后残留的匙孔为研究对象，焊后匙孔上孔直径为15mm，下孔直径为7mm，深度为24mm。25mm厚7A52铝合金正常FSW焊接参数为：下压速度3mm/min、旋转速度300rpm、行走速度40mm/min。采用本发明的工艺方法对焊缝匙孔进行修复，具体采用以下步骤：
1、制作一套分体式焊具，其中可消耗填充式焊柱材料为与被焊结构材料牌号一致或者不同牌号而强度更高的材料。焊柱前端的搅拌针，其端部直径为10mm，根部直径为18mm，长度为24mm，部与根部处均采用圆角过渡，锥度和匙孔锥度保持一致；焊柱后端的辅助柱，其直径为20mm，长为30mm，上口有10mm切面，下口为长度20mm的齿槽，齿槽宽度和深度根据实际情况可改变，此例中匙孔较大，为保证承受旋转扭矩采用浅齿槽结构，其中齿深1mm，齿宽2mm。
2、安装分体式夹具和焊柱，将分体式夹具固定在搅拌摩擦焊刀柄上，再将焊柱置于夹具内孔，分别用紧固螺钉固定。
3、移动焊机，将焊柱顶部在焊缝上表面定位水平零点后，移动至匙孔处下压Δk，将下压过程中压力值突变处定义为焊接起始零点，则焊接下压距离为(24-Δh+0.2)mm，下压速度为0.2mm/min，旋转速度为350rpm。
4、焊接过程中，设定自动运行程序，待焊柱旋转下压至匙孔底部，并与匙孔附近材料充分摩擦搅拌冶金结合，旋转速度降至150rpm，保持15s后，向原焊接方向以20mm/s速度移动，焊柱被截断，轴肩离开匙孔位置并上升至一定高度停止。
5、抬起焊机，利用预留通孔卸下夹具和焊柱辅助柱，清理焊缝表面，搅拌摩擦焊匙孔修复完成。
如上所述，本发明采用消耗填充式铝合金焊柱修复搅拌摩擦焊匙孔，在现有焊机基础上增加可拆卸式夹具，无需复杂回抽轴，对设备要求低。此外，焊后表面光整，毛刺较少，清理简单。匙孔修补后焊件整体利用率提高，焊缝整体力学性能保持不变，有效解决了搅拌摩擦焊固有的匙孔缺陷问题。
本发明虽然以实例公开如上，但其实用于限定本发明，任何领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于固态连接原理的搅拌摩擦焊匙孔修复方法，其特征在于：
设置分体式焊具，该分体式焊具设有可消耗填充式焊柱；
焊具固定于搅拌摩擦焊刀柄，与匙孔在同一竖直轴线上，设定自动运行程序参数，使焊具缓慢旋转下压；
可消耗填充式焊柱与匙孔摩擦生热呈热塑性固态连接后，在水平方向施加过载力，通过行走弯矩力在焊柱上的应力集中点剪断可消耗填充式焊柱，达到一次性填补修复匙孔缺陷并主动分离焊具。
2.根据权利要求1所述的一种基于固态连接原理的搅拌摩擦焊匙孔修复方法，其特征在于，所述的分体式焊具还包括非消耗式轴肩、夹持体和紧固螺钉。
3.根据权利要求1所述的一种基于固态连接原理的搅拌摩擦焊匙孔修复方法，其特征在于，所述的可消耗填充式焊柱，包括前端露出轴肩外部呈锥状的搅拌针，以及后端藏于轴肩内部呈圆柱状的辅助柱。
4.根据权利要求1所述的一种基于固态连接原理的搅拌摩擦焊匙孔修复方法，其特征在于，可消耗填充式焊柱材料为与焊件材料牌号一致或者不同牌号而强度更高的材料。
5.根据权利要求2所述的一种基于固态连接原理的搅拌摩擦焊匙孔修复方法，其特征在于，所述的非消耗式轴肩、夹持体和紧固螺钉，由经淬火处理后的H13模具钢制成，轴肩下端呈6～10°内凹角，轴肩上端与夹持体内部有直径5mm孔贯通，便于焊柱的拆卸。
6.根据权利要求2所述的一种基于固态连接原理的搅拌摩擦焊匙孔修复方法，其特征在于，根据匙孔继承原FSW螺纹搅拌针结构，呈现锯齿状特征，前端锥状搅拌针要求为：光面锥状结构，且端部直径和根部直径均比匙孔对应处大3～5mm，其长度、锥度与匙孔深度、锥度保持一致。
7.根据权利要求2所述的一种基于固态连接原理的搅拌摩擦焊匙孔修复方法，其特征在于，根据焊柱既要承受填充匙孔时旋转扭矩，又要实现在行走弯矩下自截断的需求，后端辅助柱为：辅助柱直径略大于搅拌针根部直径3～5mm；靠近搅拌针部分呈齿槽状结构；齿槽长度为辅助柱长度的1/2～2/3，齿宽为0.5～1mm，齿宽和齿深比值范围在1/2～2。
8.根据权利要求1-7任一项所述的固态连接原理的搅拌摩擦焊匙孔修复方法，其特征在于，可消耗填充式焊柱与匙孔在同一竖直轴线，开始零点在焊柱与匙孔接触压力值突变处；焊接开始，下压速度降低为0.5～1mm/min，旋转速度提升为原FSW焊接旋转速度的110％～120％，焊柱压入量为0.1～0.3mm；下压结束，搅拌头旋转速度以原转速的50％呈阶段性降低，直至降至最低转速150rpm，保持15s～20s后，沿原FSW焊接前进方向行走，行走速度为10～30mm/s，直至焊柱被截断。
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004106046A (ja) * 2002-09-20 2004-04-08 Kawasaki Heavy Ind Ltd 摩擦撹拌接合装置および摩擦撹拌接合方法
CN101791743A (zh) * 2010-03-31 2010-08-04 哈尔滨工业大学 异种材料的无匙孔搅拌摩擦点焊方法
CN101982284A (zh) * 2010-11-04 2011-03-02 哈尔滨工业大学 可伸缩轴肩摩擦预热搅拌摩擦塞补焊方法及其焊具
CN105855693A (zh) * 2016-06-24 2016-08-17 哈尔滨万洲焊接技术有限公司 组合型触发式搅拌摩擦塞钎焊补焊方法及其焊具
EP3375542A1 (fr) * 2017-03-16 2018-09-19 Bollhoff Otalu S.A. Procédé d'assemblage d'un insert sur un support, et insert à assembler sur un support

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004106046A (ja) * 2002-09-20 2004-04-08 Kawasaki Heavy Ind Ltd 摩擦撹拌接合装置および摩擦撹拌接合方法
CN101791743A (zh) * 2010-03-31 2010-08-04 哈尔滨工业大学 异种材料的无匙孔搅拌摩擦点焊方法
CN101982284A (zh) * 2010-11-04 2011-03-02 哈尔滨工业大学 可伸缩轴肩摩擦预热搅拌摩擦塞补焊方法及其焊具
CN105855693A (zh) * 2016-06-24 2016-08-17 哈尔滨万洲焊接技术有限公司 组合型触发式搅拌摩擦塞钎焊补焊方法及其焊具
EP3375542A1 (fr) * 2017-03-16 2018-09-19 Bollhoff Otalu S.A. Procédé d'assemblage d'un insert sur un support, et insert à assembler sur un support

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