CN114789297A - 一种薄壁异质金属层状复合材料搅拌摩擦焊修复方法 - Google Patents

Abstract

一种薄壁异质金属层状复合材料搅拌摩擦焊修复方法，包括以下步骤：(1)检测薄壁异质金属层状复合材料，确定缺陷区域；(2)缺陷区域内的最长直径作为基础线段，向上和向下平移设置外接矩形；(3)确定薄壁异质金属层状复合材料的材质；(4)准备辅助板；(5)对复合材料搭接面和辅助板搭接面分别清理；(6)辅助板通过夹具固定在薄壁异质金属层状复合材料上；(7)采用无针搅拌摩擦焊工具，对辅助板处进行无针搅拌摩擦焊；(8)修复完成后，拆除夹具去除辅助板，并进行机加处理。本发明能够有效弥补组元层在搅拌摩擦焊修复过程中发生的破坏问题；得到表面成形良好,内部无缺陷的修复区。

Description

一种薄壁异质金属层状复合材料搅拌摩擦焊修复方法

技术领域

本发明属于搅拌摩擦焊修复技术领域，尤其涉及一种薄壁异质金属层状复合材料搅拌摩擦焊修复方法。

背景技术

随着现代工业技术的发展和各种新技术、新产业的涌现，人们对金属材料综合性能的要求不断提高，单一组元金属的性能已经难以满足社会对材料服役性能需求；因此，研究和制备新型金属复合材料成了材料科学与工程领域中一个重要的方向。由两种及以上性能不同的金属，通过复合技术制备而成的异质金属层状复合材料，其与单一金属组元相比，经过合理设计复合后的层状复合材料可以继承各组元的优点，弥补各组元的缺点，因此具备单一金属所不具有的物理、化学以及力学等性能。近年来，一些薄壁(总厚度小于4mm)异质层状复合材料，凭借其良好的综合性能及其性价比而备受关注。

目前，采用压延、锻压复合或增材制造技术制备的薄壁异质金属层状复合材料，在工业领域的应用已经十分广泛。但是，在其制备过程中，由于各组元物化性质的差异，容易引起异质金属界面在局部位置出现结合质量不佳的问题；另外，在层状复合材料的后续二次塑性成形过程中，也会因各组元之间难以发生协同变形，出现界面层开裂问题；上述界面问题严重影响和限制了薄壁异质金属层状复合材料的应用。

焊接是一种常用的对于金属材料缺陷进行修复的技术。但是对于薄壁异质层状复合材料而言，由于不同组元之间的性能存在差异，因此在通过熔化焊技术对其进行修复时，在修复区内不同组元之间容易发生形成脆性金属间化合物等的过合金化反应，破坏修复区性能，无法达到理想的修复效果。相比于熔化焊修复技术，搅拌摩擦焊修复技术作为一种固相焊接修复技术，能明显降低修复过程中的热输入，从而有效降低修复区中不同组元之间的合金化反应，提高修复区的质量。但是，在薄壁层状复合材料的修复过程中，由于金属组元层的厚度较薄，极易被下压、高速旋转的搅拌工具破坏，导致复合材料丧失该组元具备的性能。另外，在修复结束，搅拌针拔出后，会在修复区末端留下针孔，从而成为新的缺陷问题，因此还需要对针孔进入二次补焊处理。

综上可见，如果在薄壁异质金属层状复合板的搅拌摩擦焊接修复时，能够解决薄壁组元破坏以及修复后针孔遗留问题，将对于推动搅拌摩擦焊技术在薄壁异质金属层状复合板修复领域的工业化应用具有重要的意义。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种薄壁异质金属层状复合材料搅拌摩擦焊修复方法，在待修复的薄壁异质金属层状复合材料组元侧，添加一层与该组元材质相同的辅助板，来避免组元层在搅拌摩擦焊接修复过程中的破坏问题，并提出通过采用无针搅拌摩擦焊接修复技术，利用搅拌工具和辅助板以及被修复材料之间的剪切摩擦产生热量，以及无针搅拌工具的挤压与顶锻作用,完成原子扩散与金属键的重建,实现对于薄壁异质金属层状复合材料界面缺陷的修复。

本发明的薄壁异质金属层状复合材料搅拌摩擦焊修复方法包括以下步骤：

(1)通过无损检测薄壁异质金属层状复合材料，确定其界面以及组元材料自身缺陷的大小、位置和形状，进而确定缺陷区域；薄壁异质金属层状复合材料的组元材料为组元层A和组元层B；

(2)找到缺陷区域内的最长直径，以该直径作为基础线段；将基础线段向上平移至与缺陷区域上边界相切得到线段ab，向下平移至与缺陷区域下边界相切得到线段cd；根据线段ab、线段cd和缺陷区域左右两侧边界，在薄壁异质金属层状复合材料的一个侧面设置缺陷区域的外接矩形；量取外接矩形的长度L和宽度W；

(3)确定薄壁异质金属层状复合材料的材质；确定组元层A的厚度h1和组元层B的厚度h2；将设有外接矩形所在侧面作为复合材料搭接面；

(4)准备厚度为h的辅助板，辅助板的长度为L+(9～11)mm，宽度为W+(9～11)mm；辅助板的材质与复合材料搭接面所在的组元层的材质相同；将辅助板的一个侧面作为辅助板搭接面；

(5)对复合材料搭接面和辅助板搭接面分别进行清理去除粉尘和油污；

(6)将辅助板通过夹具固定在薄壁异质金属层状复合材料上，使复合材料搭接面和辅助板搭接面紧密贴合，并且辅助板覆盖外接矩形；

(7)采用轴肩直径为Φ的无针搅拌摩擦焊工具，对辅助板处进行无针搅拌摩擦焊；当W≤Φ-4mm时，通过无针搅拌摩擦焊工具沿长度L方向对辅助板处进行单道无针搅拌摩擦焊修复；当W>Φ-4mm时，通过无针搅拌摩擦焊工具沿长度L边对对辅助板处进行叠加多道次无针搅拌摩擦焊修复；

(8)修复完成后，拆除夹具去除辅助板，并进行机加处理。

上述的步骤(7)中，当进行叠加多道次无针搅拌摩擦焊时，在相邻的两个道次的修复中，后一道次修复与前一道次修复之间的修复宽度的重叠宽度为X；修复时宽度方向的两侧外延出宽度为Φ/6的过渡区域；当Φ-4<W<5Φ时，修复道次数N≥W/Φ；当5KΦ≤W<5(K+1)Φ时，修复道次数N≥W/Φ+K；其中X＝(NΦ-W-Φ/3)/(N-1)。

上述的步骤(7)中，修复过程沿长度L方向左侧起点开始至右侧终点；左侧起点位于外接矩形外发左侧，且与外接矩形间距为3Φ/4；右侧终点位于外接矩形外的右侧，且与外接矩形间距为3Φ/4。

上述的步骤(4)中，0.5mm≤h≤1.5mm。

上述的步骤(6)中，固定辅助板后，辅助板处薄壁异质金属层状复合材料和辅助板的总厚度H1＝h1+h2+h。

上述方法中，修复道次数N选最小整数。

上述方法中，K＝1，2，3……；当W为5倍Φ时，K值取1，当W再增加5倍Φ时，K值取2，即增加1；以此类推。

上述的步骤(7)中，进行无针搅拌摩擦焊修复时，下压量为h3，且0.1mm≤h3≤0.3mm；焊接速度15～150mm/min、搅拌旋转速度200～900r/min。

上述的步骤(8)中，机加处理是对去除辅助板的部分进行打磨，至毛刺被去除。

本发明的有益效果是：

1、通过在组元层一侧添加辅助板的方法，对薄复合板的缺陷实现修复，这种方式能够有效弥补组元层在搅拌摩擦焊修复过程中发生的破坏问题；得到表面成形良好,内部无缺陷的修复区；

2、采用无针搅拌摩擦焊修复技术，防止有针搅拌摩擦焊修复后，搅拌针拔出会在修复区末端留下的针孔，还需要对其进入二次补焊处理问题的发生；

3、通过对修复区域搅拌摩擦焊修复过程的合理路径设计，以及多种轴肩的合适选择，能适应薄壁复合材料中大面积、不规则界面区域缺陷的修复工作；对于提高薄壁异质金属层状复合材料质量以及促进其工业化应用具有重要的意义。

附图说明

图1为本发明实施例中外接矩形的确定方法示意图；

图2为本发明实施例中多道次无针搅拌摩擦焊修复轨迹示意图；

图3为本发明实施例中多道次无针搅拌摩擦焊修复过程示意图；

其中，1、组元层A，2、组元层B，3、辅助板；■为无针搅拌摩擦焊工具。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明的技术方案和效果作详细描述。

本发明实施例中，修复道次数N选最小整数。

本发明实施例中，K＝1，2，3……；当W为5倍Φ时，K值取1，当W再增加5倍Φ时，K值取2，即增加1；以此类推。

实施例1

通过无损检测薄壁异质金属层状复合材料，确定其界面以及组元材料自身缺陷的大小、位置和形状，进而确定缺陷区域；薄壁异质金属层状复合材料的组元材料为组元层A(Q235钢)和组元层B(TC4钛合金)；组元层A厚度h1为2.5mm，组元层B厚度h2为0.5mm；

找到缺陷区域内的最长直径，以该直径作为基础线段；将基础线段向上平移至与缺陷区域上边界相切得到线段ab，向下平移至与缺陷区域下边界相切得到线段cd；根据线段ab、线段cd和缺陷区域左右两侧边界，在薄壁异质金属层状复合材料的一个侧面设置缺陷区域的外接矩形；量取外接矩形的长度L和宽度W，如图1所示；L＝110mm，W＝70mm；

确定薄壁异质金属层状复合材料的材质；确定组元层A的厚度h1和组元层B的厚度h2；组元层A厚度h1为2.5mm，组元层B厚度h2为0.5mm；将设有外接矩形所在侧面作为复合材料搭接面；

准备厚度为h的辅助板，辅助板厚度h为1.0mm；辅助板的长度为L+10mm，宽度为W+10mm；辅助板的材质与复合材料搭接面所在的组元层的材质相同；将辅助板的一个侧面作为辅助板搭接面；h＝1mm；

对复合材料搭接面和辅助板搭接面分别进行清理去除粉尘和油污；

将辅助板通过夹具固定在薄壁异质金属层状复合材料上，使复合材料搭接面和辅助板搭接面紧密贴合，并且辅助板覆盖外接矩形；固定辅助板后，辅助板处薄壁异质金属层状复合材料和辅助板的总厚度H1＝h1+h2+h；

采用轴肩直径为Φ的无针搅拌摩擦焊工具，Φ＝12mm，对辅助板处进行无针搅拌摩擦焊；基于W>Φ-4mm，通过无针搅拌摩擦焊工具沿长度L边对对辅助板处进行叠加多道次无针搅拌摩擦焊修复；

在相邻的两个道次的修复中，后一道次修复与前一道次修复之间的修复宽度的重叠宽度为X；修复时宽度方向的两侧外延出宽度为Φ/6的过渡区域；

K取值为1；基于5KΦ≤W<5(K+1)Φ，修复道次数N≥W/Φ+K；N取值为7；

X＝(NΦ-W-Φ/3)/(N-1)；X＝(84-70-4)/6＝1.67mm；

如图2所示；

修复过程沿长度L方向左侧起点开始至右侧终点；左侧起点位于外接矩形外发左侧，且与外接矩形间距为3Φ/4；右侧终点位于外接矩形外的右侧，且与外接矩形间距为3Φ/4；两个间距为9mm；

进行无针搅拌摩擦焊修复时，下压量为h3，且h3＝0.2mm；焊接速度35mm/min、搅拌旋转速度250r/min；

如图3所示；

修复完成后，拆除夹具去除辅助板，并进行机加处理，对去除辅助板的部分进行打磨，至毛刺被去除；

修复区表面成形良好,内部无缺陷。

实施例2

方法同实施例1，不同点在于：

(1)辅助板的长度为L+9mm，宽度为W+9mm；

(2)h＝0.5mm；

(3)h3＝0.1mm；

(4)焊接速度50mm/min、搅拌旋转速度400r/min。

实施例3

方法同实施例1，不同点在于：

(1)辅助板的长度为L+11mm，宽度为W+11mm；

(2)h＝1.5mm；

(3)h3＝0.3mm；

(4)焊接速度100mm/min、搅拌旋转速度600r/min。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种薄壁异质金属层状复合材料搅拌摩擦焊修复方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)通过无损检测薄壁异质金属层状复合材料，确定其界面以及组元材料自身缺陷的大小、位置和形状，进而确定缺陷区域；薄壁异质金属层状复合材料的组元材料为组元层A和组元层B；

(2)找到缺陷区域内的最长直径，以该直径作为基础线段；将基础线段向上平移至与缺陷区域上边界相切得到线段ab，向下平移至与缺陷区域下边界相切得到线段cd；根据线段ab、线段cd和缺陷区域左右两侧边界，在薄壁异质金属层状复合材料的一个侧面设置缺陷区域的外接矩形；量取外接矩形的长度L和宽度W；

(3)确定薄壁异质金属层状复合材料的材质；确定组元层A的厚度h1和组元层B的厚度h2；将设有外接矩形所在侧面作为复合材料搭接面；

(4)准备厚度为h的辅助板，辅助板的长度为L+(9～11)mm，宽度为W+(9～11)mm；辅助板的材质与复合材料搭接面所在的组元层的材质相同；将辅助板的一个侧面作为辅助板搭接面；

(5)对复合材料搭接面和辅助板搭接面分别进行清理去除粉尘和油污；

(6)将辅助板通过夹具固定在薄壁异质金属层状复合材料上，使复合材料搭接面和辅助板搭接面紧密贴合，并且辅助板覆盖外接矩形；

(7)采用轴肩直径为Φ的无针搅拌摩擦焊工具，对辅助板处进行无针搅拌摩擦焊；当W≤Φ-4mm时，通过无针搅拌摩擦焊工具沿长度L方向对辅助板处进行单道无针搅拌摩擦焊修复；当W>Φ-4mm时，通过无针搅拌摩擦焊工具沿长度L边对对辅助板处进行叠加多道次无针搅拌摩擦焊修复；

(8)修复完成后，拆除夹具去除辅助板，并进行机加处理。

2.根据权利要求1所述的薄壁异质金属层状复合材料搅拌摩擦焊修复方法，其特征在于步骤(7)中，当进行叠加多道次无针搅拌摩擦焊时，在相邻的两个道次的修复中，后一道次修复与前一道次修复之间的修复宽度的重叠宽度为X；修复时宽度方向的两侧外延出宽度为Φ/6的过渡区域；当Φ-4<W<5Φ时，修复道次数N≥W/Φ；当5KΦ≤W<5(K+1)Φ时，修复道次数N≥W/Φ+K；其中X＝(NΦ-W-Φ/3)/(N-1)。

3.根据权利要求1所述的薄壁异质金属层状复合材料搅拌摩擦焊修复方法，其特征在于步骤(7)中，修复过程沿长度L方向左侧起点开始至右侧终点；左侧起点位于外接矩形外发左侧，且与外接矩形间距为3Φ/4；右侧终点位于外接矩形外的右侧，且与外接矩形间距为3Φ/4。

4.根据权利要求1所述的薄壁异质金属层状复合材料搅拌摩擦焊修复方法，其特征在于步骤(4)中，0.5mm≤h≤1.5mm。

5.根据权利要求1所述的薄壁异质金属层状复合材料搅拌摩擦焊修复方法，其特征在于步骤(6)中，固定辅助板后，辅助板处薄壁异质金属层状复合材料和辅助板的总厚度H1＝h1+h2+h。

6.根据权利要求1所述的薄壁异质金属层状复合材料搅拌摩擦焊修复方法，其特征在于所述的K＝1，2，3……；当W为5倍Φ时，K值取1，当W再增加5倍Φ时，K值取2，即增加1；以此类推。

7.根据权利要求1所述的薄壁异质金属层状复合材料搅拌摩擦焊修复方法，其特征在于步骤(7)中，进行无针搅拌摩擦焊修复时，下压量为h3，且0.1mm≤h3≤0.3mm；焊接速度15～150mm/min、搅拌旋转速度200～900r/min。

8.根据权利要求1所述的薄壁异质金属层状复合材料搅拌摩擦焊修复方法，其特征在于步骤(8)中，机加处理是对去除辅助板的部分进行打磨，至毛刺被去除。

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