CN115091022B - 一种基于搅拌摩擦焊的裂纹修复及微增材方法 - Google Patents
一种基于搅拌摩擦焊的裂纹修复及微增材方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN115091022B CN115091022B CN202210791564.6A CN202210791564A CN115091022B CN 115091022 B CN115091022 B CN 115091022B CN 202210791564 A CN202210791564 A CN 202210791564A CN 115091022 B CN115091022 B CN 115091022B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- crack
- stirring pin
- welding
- friction stir
- repairing
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000003756 stirring Methods 0.000 title claims abstract description 145
- 238000003466 welding Methods 0.000 title claims abstract description 91
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 66
- 239000000654 additive Substances 0.000 title claims abstract description 29
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 50
- 238000003825 pressing Methods 0.000 claims abstract description 37
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 33
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims abstract description 33
- 238000005253 cladding Methods 0.000 claims abstract description 31
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 28
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 27
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 21
- 239000010953 base metal Substances 0.000 claims abstract description 13
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 claims abstract description 8
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- 229910000861 Mg alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 4
- 230000008439 repair process Effects 0.000 claims description 65
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 64
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 20
- 229910008286 Si—Cu—Ni Inorganic materials 0.000 claims description 13
- 238000005498 polishing Methods 0.000 claims description 8
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 claims description 7
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 claims description 5
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- JPNWDVUTVSTKMV-UHFFFAOYSA-N cobalt tungsten Chemical compound [Co].[W] JPNWDVUTVSTKMV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 2
- DECCZIUVGMLHKQ-UHFFFAOYSA-N rhenium tungsten Chemical compound [W].[Re] DECCZIUVGMLHKQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 2
- 239000010959 steel Substances 0.000 claims description 2
- ZTJWUVMPZRLXAB-UHFFFAOYSA-N [Ta].[Ti].[W] Chemical compound [Ta].[Ti].[W] ZTJWUVMPZRLXAB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- QDNARMPMTMJYMK-UHFFFAOYSA-N [W].[Ti].[Nb] Chemical compound [W].[Ti].[Nb] QDNARMPMTMJYMK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 abstract description 6
- 229910018125 Al-Si Inorganic materials 0.000 abstract description 2
- 229910018520 Al—Si Inorganic materials 0.000 abstract description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 19
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 19
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 13
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 9
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 7
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 7
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 7
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 6
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 description 6
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 6
- 238000001953 recrystallisation Methods 0.000 description 6
- 230000009471 action Effects 0.000 description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 4
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 4
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 4
- 229910000853 7075 T6 aluminium alloy Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 3
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 3
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 3
- 238000010030 laminating Methods 0.000 description 3
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 description 3
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 3
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 3
- 229920001169 thermoplastic Polymers 0.000 description 3
- 239000004416 thermosoftening plastic Substances 0.000 description 3
- 244000137852 Petrea volubilis Species 0.000 description 2
- 238000007605 air drying Methods 0.000 description 2
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 2
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 2
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 2
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 2
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 2
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- 230000008719 thickening Effects 0.000 description 2
- 238000012876 topography Methods 0.000 description 2
- 229910001250 2024 aluminium alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- ATCDNCMWCPJXNQ-UHFFFAOYSA-N [Nb].[Ta].[Ti].[W] Chemical compound [Nb].[Ta].[Ti].[W] ATCDNCMWCPJXNQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005299 abrasion Methods 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 238000005275 alloying Methods 0.000 description 1
- 239000000872 buffer Substances 0.000 description 1
- 230000003139 buffering effect Effects 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000010892 electric spark Methods 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 1
- 230000020169 heat generation Effects 0.000 description 1
- 238000000265 homogenisation Methods 0.000 description 1
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 description 1
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 1
- 230000002401 inhibitory effect Effects 0.000 description 1
- 230000000977 initiatory effect Effects 0.000 description 1
- 229910001234 light alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 description 1
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 description 1
- 238000010008 shearing Methods 0.000 description 1
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 description 1
- 239000011573 trace mineral Substances 0.000 description 1
- 235000013619 trace mineral Nutrition 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
- B23K20/12—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding
- B23K20/122—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding using a non-consumable tool, e.g. friction stir welding
- B23K20/128—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding using a non-consumable tool, e.g. friction stir welding making use of additional material
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
- B23K20/12—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding
- B23K20/122—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding using a non-consumable tool, e.g. friction stir welding
- B23K20/1245—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding using a non-consumable tool, e.g. friction stir welding characterised by the apparatus
- B23K20/1255—Tools therefor, e.g. characterised by the shape of the probe
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
- B23K20/24—Preliminary treatment
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
- B23K20/26—Auxiliary equipment
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P10/00—Technologies related to metal processing
- Y02P10/25—Process efficiency
Abstract
本发明公开了一种基于搅拌摩擦焊的裂纹修复及微增材方法，其包括如下步骤：步骤一，将覆层件装夹固定于母材基体的贯穿型裂纹上方，所述母材基体为铝合金或镁合金，所述覆层件为Al‑Si基合金；步骤二，调整搅拌针的端部中心置于裂纹始端上方，调整预压轮压紧覆层件，在焊接方向上所述预压轮位于所述搅拌针前方；步骤三，设定焊接工艺参数，搅拌针下压到目标深度，沿焊接方向移动，直至移动到裂纹末端为止，在实现覆层件与母材基体冶金结合的同时对母材基体的裂纹进行修复及焊缝表面微增材。其能够解决传统搅拌摩擦裂纹修复的修复区减薄的问题，且能够优化母材基体裂纹位置的合金成分和力学性能，效率高，简单可行，易于操作。
Description
技术领域
本发明涉及裂纹修复及增材制造，具体涉及基于搅拌摩擦焊的裂纹修复及微增材方法。
背景技术
铝合金、镁合金等轻合金由于其密度较低、比强度和比刚度较高的优势被广泛应用于国家的装备制造业中，机械产品的寿命及可靠性已成为我国装备制造业亟待解决的问题，然而，对其寿命危害最大的缺陷是裂纹。常见工程结构件在其加工过程中(焊接等)，形成微裂纹等缺陷，或者在其服役过程中，往往会受到外力冲击、介质腐蚀等因素的影响，最终导致工程结构件出现表面微裂纹或贯穿性裂纹等缺陷。裂纹往往具有多发性、突发性和重复性，且在外加载荷作用下，裂纹逐渐扩展导致失效断裂，严重影响其安全可靠性并危害生命财产安全。
目前裂纹修复的方法主要是基于待修复材料熔化的修复工艺，主要包括传统熔焊、电火花合金化、激光多层熔覆等，但不可避免的是，过大的局部热输入易造成修复区组织粗大、较高的残余应力以及熔化焊产生的气孔、焊接裂纹等缺陷，同时，修复工艺较为复杂、效率较低且具有严重的声、光污染。基于搅拌摩擦焊接技术FSW开发的裂纹修复技术，其修复过程依靠摩擦热使材料局部塑化，修复过程中整体温度均处于材料熔点以下，可以避免上述方法修复过程对母材组织和性能的不利影响。虽然搅拌摩擦修复过程较上述方法具有一定优势，但对于大部分工程结构件，特别是对三维空间形状要求较高的结构件而言，如涡轮机叶片、机翼前缘，搅拌摩擦修复技术带来的修复区域减薄，为后期服役带来了新的挑战。综上所述，对于裂纹等缺陷的修复方法很多，但目前对裂纹的修复技术还未达到预期修复效果，且修复过程费时费力、修复成本高、修复质量差，所以更适合工程应用的裂纹修复技术亟待被开发。
CN103212778A公开了一种基于搅拌摩擦的裂纹修复方法，主要解决现有技术修复成本高、修复质量差、裂纹反复出现的问题。其具体方法为通过修复工具的旋转实现轴肩与修复材料表面的摩擦，从而使修复区金属在摩擦热的作用下达到热塑性状态，利用修复工具轴肩的旋转与顶锻作用实现裂纹周围热塑性金属的流动转移与动态再结晶，从而实现对裂纹的填补修复。具有方法简单，对母材损伤小，可以实现工程裂纹的快速、等强度与原位修复，修复过程经济环保。但该方法会造成修复区域减薄，完成修复并打磨后会失去原有的三维空间形状，造成应力集中，对修复件疲劳寿命有一定影响，尤其是对于叶片及机翼前缘等，失去原有三维空间形状对后期使用过程性能造成影响。对具有特定的三维空间形状尺寸要求严格的工程结构件修复，具有较大的局限性。
CN106624342A公开了一种用搅拌摩擦焊修复金属构件体积型缺陷的方法，所用搅拌头的搅拌针底面有六螺旋线凹槽的分体组合搅拌头；四个轴肩分体分别有与配合使用的超声振动装置，超声变幅杆与轴肩分体的上表面相接；采取连续填充焊的方法，先选取适应各级填充焊所需搅拌头和与之匹配的静止轴肩；制作尺寸规格分别与各级搅拌头的搅拌针直径对应、材质与金属构件相同的填充片；在超声振动辅助下逐级进行填充焊，最终实现对缺陷的修复。该发明具有修复区晶粒尺寸细化、冶金结合和力学性能好、强度高、厚度不减薄、无材料溢出、应力集中现象少、修复不受缺陷深度限制等有益效果。但该方法需要多级填充修复，存在工序繁琐，修复周期长等不足，且设备复杂，在工程应用适用范围较小。
CN109967855A公开了一种抑制焊缝减薄并增厚焊缝的搅拌摩擦焊方法，通过焊前清理后，选用与待焊板材材质相同且直径大于等于预焊搅拌头的消耗式“棒材搅拌头”，保持两个搅拌头处于同一直线呈前后排列，随后开始焊接。虽然该发明消除焊缝减薄并实现焊缝的增厚，提高焊缝的服役寿命。但该方法在焊接热输入不足的前提下，材料未能完全达到热塑性状态，消耗式摩擦头不能与母材基体产生良好的冶金结合，容易在抑制焊缝减薄的同时造成焊缝裂纹、孔洞等缺陷，且该工艺相对繁琐，设备要求较高。
CN113042876A公开了一种预置异质金属夹层的搅拌摩擦焊增材制造方法，将基板、金属夹层、增材复板依次叠放在焊接平台上，形成“增材基板-金属夹层-增材复板”结构的组件，通过金属夹层与增材板材之间发生扩散并形成固溶体冶金结合，主要解决现有搅拌摩擦焊搭接接头存在软化效应，接头性能偏低的问题。该方法虽然获得了搅拌摩擦焊优质搭接接头并实增材，但所述的金属夹层为基板或复板的第一微量元素的原子半径差值的绝对值为x的纯金属箔，金属夹层厚度要求及材料选材较为苛刻，难以加工，且该方法采用的夹层位于两基板中间，并未解决增材过程或搭接接头出现的表面孔洞、裂纹等缺陷。
CN112025078A公开了一种异质金属层状复合板的搅拌摩擦焊接方法，在复板一侧预设的搅拌摩擦焊待焊位置处添加与复板材质相同的补偿板，将复合板与补偿板固定好后，在补偿板上按照预设的位置进行搅拌摩擦焊接，该方法主要解决异质复合板搅拌摩擦焊焊接的复板稀释问题，从而提高异质复合板接头与的性能，但并未涉及到焊接接头裂纹修复问题及增材方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于搅拌摩擦焊的裂纹修复及微增材方法，其能够解决传统搅拌摩擦裂纹修复的修复区减薄的问题，且能够优化母材基体裂纹位置的合金成分和力学性能，效率高，简单可行，易于操作。
本发明所述的基于搅拌摩擦焊的裂纹修复及微增材方法，其包括如下步骤：
步骤一，将覆层件装夹固定于母材基体的贯穿型裂纹上方，所述母材基体为铝合金或镁合金，所述覆层件为Al-Si基合金；
步骤二，调整搅拌针的端部中心置于裂纹始端上方，调整预压轮压紧覆层件，在焊接方向上所述预压轮位于所述搅拌针前方，所述搅拌针自由端直径大于贯穿型裂纹间隙的宽度，搅拌针针长大于覆层件与母材基体的裂纹深度之和；
步骤三，设定焊接工艺参数，搅拌针下压到目标深度，沿焊接方向移动，直至移动到裂纹末端为止，在实现覆层件与母材基体冶金结合的同时对母材基体的裂纹进行修复及焊缝表面微增材。
进一步，所述步骤三的焊接工艺参数具体设定为：搅拌头旋转速度为400～3500rpm，保压时间为5～35s，搅拌头下压量为0.1～0.3mm，搅拌针偏移量为0mm，焊接速度为35～300mm/min。
进一步，所述搅拌针为锥度螺纹状、锥度莱洛三角形状；所述锥度螺纹状为：搅拌针整体呈锥度角为5～15°的锥柱状，其外周面设有螺旋设置的螺纹槽；所述锥度莱洛三角形状为：搅拌针整体呈锥度角为5～15°的锥柱状，其搅拌针端部莱洛三角形圆弧半径a＝0.8～1.3(H1+H2)，其中H1为最大裂纹深度，H2为覆层件厚度，且搅拌针外周面加工有螺旋槽，该螺旋槽以搅拌针针尖为起点。
进一步，所述预压轮的外周面上设有与覆层件相适配的限位槽，所述预压轮上固定有预热组件，所述预热组件为加热棒，该加热棒固定于预压轮的轴心线上；所述预热组件的温度设定为100～200℃。
进一步，所述搅拌针平均直径D与最大裂纹深度H1、覆层件厚度H2的关系为：D＝0.8～1.3(H1+H2)。
进一步，所述搅拌针端部至根部的长度L与最大裂纹深度H1、覆层厚度H2的关系为：0.3mm＜L－(H1+H2)＜1.5mm。
进一步，所述焊缝表面微增材的厚度h为H2－0.3<h<H2－0.1mm。
进一步，所述搅拌针的材质为热作模具钢或硬质合金，所述硬质合金为钨铼类硬质合金、钨钴类硬质合金或钨钛钽(铌)类硬质合金中的一种。
进一步，修复前对母材基体裂纹处及裂纹周围20mm宽的区域进行打磨并进行超声波清洗；对覆层件进行打磨，用无水乙醇冲洗并风干，以去除表面氧化皮和污垢。
进一步，所述覆层件为Al-Si-Cu-Ni合金，所述Al-Si-Cu-Ni合金按重量百分比计包括如下组分：5～12％的硅，3～5％的铜，4～10％的镍，余量为铝。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果。
1、本发明具有搅拌摩擦焊接的优点，修复过程依靠搅拌头与材料的摩擦生热，使修复区金属局部塑化，修复区温度在整个过程低于材料熔点，有效避免了对母材基体材料的影响，修复后具有较其他方法的低的残余应力及小的变形量。
2、本发明所述覆层件为Al-Si-Cu-Ni合金，即以Al-Si-Cu-Ni合金作为裂纹修复覆层材料，相较于现有的裂纹修复填充材料，其合金度较低，使覆层材料具有较低的熔点，较低的硬度，有利于修复区域材料的流动、结合，缓冲修复区应力，避免因修复区应力集中造成的裂纹二次萌生。另一方面，修复过程中，修复区域的局部金属受摩擦热的影响高度塑化，并受到搅拌针的搅拌作用，发生动态再结晶形成细小的等轴晶组织，也避免了该地方的二次裂纹的产生，且修复后强度较高，优于其他修复方法。
3、本发明所述的微增材是在以解决裂纹修复为主要目的同时，抑制焊缝减薄并形成了微增材，与传统的大厚度搅拌摩擦焊增材制造有一定区别。所述覆层件为Al-Si-Cu-Ni合金，相较于其他同材粉末状增材填充材料，在搅拌摩擦焊接中能充分软化，材料塑性流动性能良好，从而使其与基体结合良好。
4、本发明所述的焊缝在搅拌摩擦焊前通过预压轮将覆层件预定位在裂纹上方，避免了搅拌摩擦焊过程中覆层件脱离预设位置，保证了裂纹修复精度和修复效率。通过预热组件在搅拌摩擦焊前对覆层件和母材基体进行预热，焊前预热有助于促进塑性材料的流动，提高了搅拌摩擦焊焊缝成型质量，降低了搅拌头的磨损，同时焊前预热促进了修复区组织的均匀化，有利于缓冲焊接过程的残余应力，避免了修复区因热应力集中造成的二次开裂。
5、本发明所述搅拌针为锥度螺纹状或锥度莱洛三角形状，通过搅拌头复杂的结构实现覆层材料自上而下的塑性流动，有效的填充了原有裂纹缺陷，实现了基体材料的修复。搅拌头的使用寿命长，并能够自主加工适用于不同裂纹深度的搅拌头，从而实现多种工况的修复。并可以通过更改覆层材料成分配比，增强修复区的耐疲劳性能、耐腐蚀性能、硬度和强度等。
6、相较于其他搅拌摩擦修复方法，本发明避免了修复区域的减薄且实现了修复区域的微增材效果，为后期打磨为原有结构件的三维空间形状留有打磨余量。
7、本发明能够满足不同裂纹缺陷的修复，尤其适用于平面裂纹的修复，适用于工业化生产；对曲面裂纹等复杂空间结构的裂纹可以通过机器人等柔性设备实现，具有巨大的工程应用前景。
8、本发明所述的方法的整个过程对环境及操作员友好，无声、光污染，能耗小且修复成本低，具有较好的经济性和环保性。
附图说明
图1是本发明所述基于搅拌摩擦焊的裂纹修复及微增材方法的工作原理示意图；
图2是本发明所述搅拌头的结构示意图；
图3是本发明实施例二修复区横截面的宏观形貌图之一；
图4是本发明实施例二修复区横截面的宏观形貌图之二；
图5是本发明实施例二中裂纹位置修复前后的微观图；
图6是本发明实施例二中的修复区距离修复中心的硬度分布图。
图中，1—母材基体，11—裂纹，12—修复区，2—覆层件，3—搅拌头，31—杆部，32—轴肩，33—搅拌针，4—预压轮，5—预热组件，6—工作台。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例中选用Al-Si-Cu-Ni合金为覆层材料，其具体成分配比参见表1。
表1Al-Si-Cu-Ni合金的化学成分(wt％)
| Si | Cu | Ni | Al |
| 12 | 3.5 | 5 | 余量 |
实施例一，一种基于搅拌摩擦焊的裂纹修复及微增材方法，其包括如下步骤：
步骤一，参见图1，将母材基体1装夹固定于工作台6上，将覆层件2装夹固定于母材基体1的贯穿型裂纹11上方，使得所述覆层件2与母材基体1保证一定的贴合精度。所述母材基体1的材质为2024铝合金，厚度为4mm，使用万能拉伸机测得其抗拉强度为434Mpa，所述最大裂纹深度H1为2.5mm。所述覆层件2为Al-Si-Cu-Ni合金，覆层件厚度H2为0.5mm。
采用砂纸打磨去除母材基体1的裂纹11周围的氧化膜和杂质，然后用超声波清洗机清洗15分钟，再用酒精清洗后风干。
步骤二，调整搅拌针的端部中心置于裂纹始端上方，参见图2，所述搅拌头3包括杆部31、轴肩32和搅拌针33，所述搅拌针33为锥度螺纹状，即搅拌针33整体呈锥度角为10°的锥柱状，搅拌针33外周面设有螺旋设置的螺纹槽。搅拌针端部直径D＝1.0(H1+H2)＝3mm，轴肩32直径D1为14mm，搅拌针端部至与轴肩32接触的根部的长度L为3.85mm。
调整预压轮4压紧覆层件2，在焊接方向上所述预压轮4位于所述搅拌针33前方，所述预压轮4上固定有预热组件5，所述预压轮4的外周面上设有与覆层件2相适配的限位槽，所述预热组件5为加热棒，该加热棒5固定于预压轮4的轴心线上。
步骤三，设定焊接工艺参数，具体为：主轴倾角为3°，搅拌头旋转速度为1950rpm，保压时间为10s，搅拌头下压量为0.2mm，搅拌针偏移量为0mm，焊接速度为88mm/min，预热组件的温度设定为150℃。
搅拌针对中于裂纹且下压到目标深度，沿焊接方向移动，直至移动到裂纹末端为止，在实现覆层件与母材基体冶金结合的同时对母材基体的裂纹进行修复及焊缝表面微增材。
修复完成后随空气冷却至室温，打磨去除飞边和毛刺，依照国标加工拉伸件，在万能力学拉伸试验机进行拉伸试验，得出修复后强度为370Mpa，达到母材基体的85.3％。
实施例二，一种基于搅拌摩擦焊的裂纹修复及微增材方法，其包括如下步骤：
步骤一，将母材基体装夹固定于工作台上，将覆层件装夹固定于母材基体的贯穿型裂纹上方，使得所述覆层件与母材基体保证一定的贴合精度。所述母材基体的材质为7075-T6铝合金，厚度为4mm，使用万能拉伸机测得其抗拉强度为520Mpa，所述最大裂纹深度H1为2mm。所述覆层件为Al-Si-Cu-Ni合金，覆层件厚度H2为1mm。
采用砂纸打磨去除母材基体的裂纹周围的氧化膜和杂质，然后用超声波清洗机清洗15分钟，再用酒精清洗后风干。
步骤二，调整搅拌针的端部中心置于裂纹始端上方，所述搅拌头的搅拌针整体呈锥度角为10°的锥柱状，搅拌针端部直径D为3mm，轴肩直径D1为15mm，搅拌针端部至与轴肩接触的根部的长度L为3.85mm。
调整预压轮压紧覆层件，在焊接方向上所述预压轮位于所述搅拌针前方，所述预压轮上固定有预热组件，所述预压轮的外周面上设有与覆层件相适配的限位槽，所述预热组件为加热棒，该加热棒固定于预压轮的轴心线上。
步骤三，设定焊接工艺参数，具体为：主轴倾角为3°，搅拌头旋转速度为600rpm，保压时间为10s，搅拌头下压量为0.2mm，搅拌针偏移量为0mm，焊接速度为44mm/min，预热组件的温度设定为150℃。
搅拌针对中于裂纹且下压到目标深度，沿焊接方向移动，直至移动到裂纹末端为止，在实现覆层件与母材基体冶金结合的同时对母材基体的裂纹进行修复及焊缝表面微增材。
修复完成后随空气冷却至室温，打磨去除飞边和毛刺，依照国标加工拉伸件，在万能力学拉伸试验机进行拉伸试验，得出修复后强度为364Mpa，达到母材基体的70％。
参见图3，为同一加工工艺参数下三个实验样品的宏观图像，该工艺参数下的待修复件都实现了修复和微增材。证明在合适的焊接参数下，7075-T6铝合金通过搅拌摩擦焊覆层工艺可实现裂纹的修复及微增材。
参见图4，所示的焊接接头的宏观组织图，从图上可以看出焊接接头分界线清晰可见，横截面组织可以分为焊核区WNZ、热机影响区TMAZ、母材区BMZ。观察微观组织发现，母材区晶粒较粗大，由于搅拌摩擦焊温度高于再结晶温度，熔核区发生动态再结晶，熔核区在晶粒再结晶形核长大，后期在搅拌针强烈搅拌下，来不及继续长大，被破碎形成细晶，晶粒细小均匀分布在熔核区。热机影响区范围较窄，这一区域的组织，在受到搅拌针搅拌和温度共同作用下发生热剪切，晶粒被拉长，呈纤维状。
参见图5，所示的修复前后接头微观组织对比图，以Al-Si-Cu-Ni合金作为裂纹修复覆层材料，因其合金度较低，修复区域材料的流动状态、结合能力均较好，修复区域的局部金属受摩擦热的影响高度塑化，并受到搅拌针的搅拌作用，发生动态再结晶形成细小的等轴晶组织，细小的晶粒均匀分布在界面，起到了细晶强化的作用。
参见图6，所示的7075-T6铝合金搅拌摩擦焊裂纹修复的接头硬度分布，图中显示硬度分布大致呈“w”形曲线。焊核区、热机影响区、热影响区的硬度都比母材低，说明搅拌摩擦焊过程中金属组织软化。而焊核区的硬度相对最高，因为这个区域既受到强烈的搅拌作用又受到热作用，从而发生塑性变形又因产生的摩擦热而发生再结晶，使得晶粒细化，从而强度、硬度都得到了提高。
实施例三，一种基于搅拌摩擦焊的裂纹修复及微增材方法，其包括如下步骤：
步骤一，将母材基体装夹固定于工作台上，将覆层件装夹固定于母材基体的贯穿型裂纹上方，使得所述覆层件与母材基体保证一定的贴合精度。所述母材基体的材质为LD7铝合金，厚度为4mm，最大裂纹深度H1为2.5mm。所述覆层件为Al-Si-Cu-Ni合金，覆层件厚度H2为2mm。
采用砂纸打磨去除母材基体的裂纹周围的氧化膜和杂质，然后用超声波清洗机清洗15分钟，再用酒精清洗后风干。
步骤二，调整搅拌针的端部中心置于裂纹始端上方，所述搅拌头的搅拌针整体呈锥度角为10°的锥柱状，搅拌针端部直径D为4mm，轴肩直径D1为18mm，搅拌针端部至与轴肩接触的根部的长度L为4.9mm。
调整预压轮压紧覆层件，在焊接方向上所述预压轮位于所述搅拌针前方，所述预压轮上固定有预热组件，所述预压轮的外周面上设有与覆层件相适配的限位槽，所述预热组件为加热棒，该加热棒固定于预压轮的轴心线上。
步骤三，设定焊接工艺参数，具体为：主轴倾角为3°，搅拌头旋转速度为960rpm，保压时间为10s，搅拌头下压量为0.2mm，搅拌针偏移量为0mm，焊接速度为44mm/min，预热组件的温度设定为150℃。
搅拌针对中于裂纹且下压到目标深度，沿焊接方向移动，直至移动到裂纹末端为止，在实现覆层件与母材基体冶金结合的同时对母材基体的裂纹进行修复及焊缝表面微增材。
修复完成后随空气冷却至室温，打磨去除飞边和毛刺，依照国标加工拉伸件，在万能力学拉伸试验机进行拉伸试验，得出修复后强度为母材基体的78.5％。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于搅拌摩擦焊的裂纹修复及微增材方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，将覆层件装夹固定于母材基体的贯穿型裂纹上方，所述母材基体为铝合金或镁合金，所述覆层件为Al-Si-Cu-Ni合金，所述Al-Si-Cu-Ni合金按重量百分比计包括如下组分：5~12%的硅，3~5%的铜，4~10%的镍，余量为铝；
步骤二，调整搅拌针的端部中心置于裂纹始端上方，调整预压轮压紧覆层件，在焊接方向上所述预压轮位于所述搅拌针前方，所述搅拌针自由端直径大于贯穿型裂纹间隙的宽度，搅拌针针长大于覆层件与母材基体的裂纹深度之和；所述预压轮的外周面上设有与覆层件相适配的限位槽，所述预压轮上固定有预热组件，所述预热组件为加热棒，该加热棒固定于预压轮的轴心线上；所述预热组件的温度设定为100~200℃；
步骤三，设定焊接工艺参数，搅拌针下压到目标深度，沿焊接方向移动，直至移动到裂纹末端为止，在实现覆层件与母材基体冶金结合的同时对母材基体的裂纹进行修复及焊缝表面微增材。
2.根据权利要求1所述的基于搅拌摩擦焊的裂纹修复及微增材方法，其特征在于，所述步骤三的焊接工艺参数具体设定为：搅拌头旋转速度为400~3500rpm/min，保压时间为5~35s，搅拌头下压量为0.1~0.3mm，搅拌针偏移量为0mm，焊接速度为35~300mm/min。
3.根据权利要求1或2所述的基于搅拌摩擦焊的裂纹修复及微增材方法，其特征在于：所述搅拌针为锥度螺纹状或锥度莱洛三角形状；
所述锥度螺纹状为：搅拌针整体呈锥度角为5~15°的锥柱状，其外周面设有螺旋设置的螺纹槽；
所述锥度莱洛三角形状为：搅拌针整体呈锥度角为5~15°的锥柱状，其搅拌针端部莱洛三角形圆弧半径a=0.8~1.3(H1＋H2)，其中H1为最大裂纹深度，H2为覆层件厚度，且搅拌针外周面加工有螺旋槽，该螺旋槽以搅拌针针尖为起点。
4.根据权利要求1或2所述的基于搅拌摩擦焊的裂纹修复及微增材方法，其特征在于，所述搅拌针平均直径D与最大裂纹深度H1、覆层件厚度H2的关系为：D=0.8~1.3(H1＋H2)。
5.根据权利要求1或2所述的基于搅拌摩擦焊的裂纹修复及微增材方法，其特征在于，所述搅拌针端部至根部的长度L与最大裂纹深度H1、覆层厚度H2的关系为：0.3mm＜L－(H1＋H2)＜1.5mm。
6.根据权利要求1或2所述的基于搅拌摩擦焊的裂纹修复及微增材方法，其特征在于，
所述焊缝表面微增材的厚度h为H2－0.3<h<H2－0.1mm。
7.根据权利要求1或2所述的基于搅拌摩擦焊的裂纹修复及微增材方法，其特征在于：所述搅拌针的材质为热作模具钢或硬质合金，所述硬质合金为钨铼类硬质合金、钨钴类硬质合金、钨钛钽类硬质合金或钨钛铌类硬质合金中的一种。
8.根据权利要求1或2所述的基于搅拌摩擦焊的裂纹修复及微增材方法，其特征在于：修复前对母材基体裂纹处及裂纹周围20mm宽的区域进行打磨并进行超声波清洗；对覆层件进行打磨，用无水乙醇冲洗并风干，以去除表面氧化皮和污垢。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210791564.6A CN115091022B (zh) | 2022-07-06 | 2022-07-06 | 一种基于搅拌摩擦焊的裂纹修复及微增材方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210791564.6A CN115091022B (zh) | 2022-07-06 | 2022-07-06 | 一种基于搅拌摩擦焊的裂纹修复及微增材方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115091022A CN115091022A (zh) | 2022-09-23 |
| CN115091022B true CN115091022B (zh) | 2023-12-05 |
Family
ID=83297710
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210791564.6A Active CN115091022B (zh) | 2022-07-06 | 2022-07-06 | 一种基于搅拌摩擦焊的裂纹修复及微增材方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115091022B (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116140789B (zh) * | 2023-04-23 | 2023-06-20 | 成都航空职业技术学院 | 一种回填式搅拌摩擦点焊设备及焊接方法 |
Citations (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001071157A (ja) * | 1999-09-03 | 2001-03-21 | Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd | 肉盛り方法および肉盛り装置 |
| US6676004B1 (en) * | 2001-02-13 | 2004-01-13 | Edison Welding Institute, Inc. | Tool for friction stir welding |
| JP2006075844A (ja) * | 2004-09-07 | 2006-03-23 | Toshiba Corp | 構造部材の亀裂補修装置および亀裂補修方法 |
| CN102513688A (zh) * | 2011-11-22 | 2012-06-27 | 长春轨道客车股份有限公司 | 厚板铝合金搅拌摩擦焊匙孔修补焊方法 |
| CN103212778A (zh) * | 2013-04-15 | 2013-07-24 | 沈阳航空航天大学 | 基于搅拌摩擦的裂纹修复方法 |
| WO2014048041A1 (zh) * | 2012-09-29 | 2014-04-03 | 长春轨道客车股份有限公司 | 铝合金搅拌摩擦焊孔洞缺陷的修补方法 |
| CN105522275A (zh) * | 2016-02-05 | 2016-04-27 | 河南正航主轴科技有限公司 | 一种搅拌摩擦焊搅拌头 |
| CN107570859A (zh) * | 2017-07-31 | 2018-01-12 | 江苏大学 | 一种镁合金搅拌摩擦焊工艺方法 |
| CN108637505A (zh) * | 2018-05-20 | 2018-10-12 | 北京工业大学 | 一种非对称钨极氩弧焊预热-搅拌摩擦复合焊接方法 |
| JP2020099913A (ja) * | 2018-12-20 | 2020-07-02 | 株式会社東芝 | き裂補修方法及びき裂補修装置 |
| CN113172333A (zh) * | 2021-05-31 | 2021-07-27 | 四川航天长征装备制造有限公司 | 一种提高焊透深度的搅拌摩擦焊接搅拌头 |
| CN113996913A (zh) * | 2021-11-09 | 2022-02-01 | 北京卫星制造厂有限公司 | 一种用于无倾角搅拌摩擦焊的搅拌头 |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7000303B2 (en) * | 2002-10-24 | 2006-02-21 | The Boeing Company | Method of repairing a crack in a component utilizing friction stir welding |
| US6913186B2 (en) * | 2003-09-11 | 2005-07-05 | The Boeing Company | Apparatus and method for friction stir welding with a variable speed pin |
| US20070175967A1 (en) * | 2006-01-27 | 2007-08-02 | Narasimha-Rao Venkata Bangaru | High integrity welding and repair of metal components |
| US20170304933A1 (en) * | 2016-04-20 | 2017-10-26 | Brigham Young University | Friction stir additive processing and methods thereof |
-
2022
- 2022-07-06 CN CN202210791564.6A patent/CN115091022B/zh active Active
Patent Citations (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001071157A (ja) * | 1999-09-03 | 2001-03-21 | Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd | 肉盛り方法および肉盛り装置 |
| US6676004B1 (en) * | 2001-02-13 | 2004-01-13 | Edison Welding Institute, Inc. | Tool for friction stir welding |
| JP2006075844A (ja) * | 2004-09-07 | 2006-03-23 | Toshiba Corp | 構造部材の亀裂補修装置および亀裂補修方法 |
| CN102513688A (zh) * | 2011-11-22 | 2012-06-27 | 长春轨道客车股份有限公司 | 厚板铝合金搅拌摩擦焊匙孔修补焊方法 |
| WO2014048041A1 (zh) * | 2012-09-29 | 2014-04-03 | 长春轨道客车股份有限公司 | 铝合金搅拌摩擦焊孔洞缺陷的修补方法 |
| CN103212778A (zh) * | 2013-04-15 | 2013-07-24 | 沈阳航空航天大学 | 基于搅拌摩擦的裂纹修复方法 |
| CN105522275A (zh) * | 2016-02-05 | 2016-04-27 | 河南正航主轴科技有限公司 | 一种搅拌摩擦焊搅拌头 |
| CN107570859A (zh) * | 2017-07-31 | 2018-01-12 | 江苏大学 | 一种镁合金搅拌摩擦焊工艺方法 |
| CN108637505A (zh) * | 2018-05-20 | 2018-10-12 | 北京工业大学 | 一种非对称钨极氩弧焊预热-搅拌摩擦复合焊接方法 |
| JP2020099913A (ja) * | 2018-12-20 | 2020-07-02 | 株式会社東芝 | き裂補修方法及びき裂補修装置 |
| CN113172333A (zh) * | 2021-05-31 | 2021-07-27 | 四川航天长征装备制造有限公司 | 一种提高焊透深度的搅拌摩擦焊接搅拌头 |
| CN113996913A (zh) * | 2021-11-09 | 2022-02-01 | 北京卫星制造厂有限公司 | 一种用于无倾角搅拌摩擦焊的搅拌头 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 铝合金的旋转加压半固态钎焊工艺研究;邓春香;唐松;凌贵君;许惠斌;;现代焊接(第10期);29-31 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115091022A (zh) | 2022-09-23 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Sejani et al. | Stationary shoulder friction stir welding–low heat input joining technique: a review in comparison with conventional FSW and bobbin tool FSW | |
| US20220371119A1 (en) | Double-sided friction stir welding method, methods for producing cold-rolled steel strip and coated steel strip, double-sided friction stir welding apparatus, and facilities for producing cold-rolled steel strip and coated steel strip | |
| Zhou et al. | Effect of rotating speed on joint morphology and lap shear properties of stationary shoulder friction stir lap welded 6061-T6 aluminum alloy | |
| CN108620762B (zh) | 一种提高Al-Cu异质金属搅拌摩擦焊对接接头质量的方法 | |
| CN115091022B (zh) | 一种基于搅拌摩擦焊的裂纹修复及微增材方法 | |
| WO2019182020A1 (ja) | 両面摩擦撹拌接合用回転ツール、両面摩擦撹拌接合装置、及び両面摩擦撹拌接合方法 | |
| CN105728895A (zh) | 一种铝合金件焊接方法 | |
| Ge et al. | Effect of pin length and welding speed on lap joint quality of friction stir welded dissimilar aluminum alloys | |
| Ji et al. | Effect of groove distribution in shoulder on formation, macrostructures, and mechanical properties of pinless friction stir welding of 6061-O aluminum alloy | |
| Verma et al. | Friction stir welding of aerospace materials: a state of art review | |
| Liu et al. | Improving interface morphology and shear failure load of friction stir lap welding by changing material concentrated zone location | |
| CN110814512A (zh) | 一种薄规格钛钢层状复合板的搅拌摩擦焊方法 | |
| CN113369728B (zh) | 钛合金大型复杂结构构件的制造方法 | |
| CN111390373B (zh) | 一种用于钛合金材料对接的电流辅助热场搅拌摩擦焊方法 | |
| Niu et al. | Passive filling friction stir repairing AZ31-B magnesium alloy by external stationary shoulder | |
| CN112975108B (zh) | 一种添加中间层材料的摩擦焊接方法 | |
| Mahto et al. | Effect of tool offset distance variation and mechanical property evaluation for effective cladding of copper to steel by friction stir cladding | |
| Liu et al. | Microstructure and mechanical properties of refill friction stir spot welded 6005 Al alloy butt joints | |
| CN113210836A (zh) | 一种铝合金中厚板筒段长直纵缝无弱结合搅拌摩擦焊方法 | |
| Hamzah et al. | Effect of Pin Shape and Rotational Speed on the Mechanical Behaviour and Microstructures of Friction Stir Spot Welding of Aa6061 Aluminum Alloy | |
| Krishnan et al. | Effect of tool pin profiles on mechanical properties of friction stir welded joints | |
| AU2021105989A4 (en) | Improving interface microstructure and mechanical properties of FSLW dissimilar Al/Mg joints by changing pin-tip profiles | |
| Hovanski et al. | Aluminum Tailor-Welded Blanks for High Volume Automotive Applications | |
| AU2021105984A4 (en) | A new method of improving metal flow and mechanical properties of FSW joints by adding pin centerline deviation | |
| CN111299743B (zh) | 一种基于铣削辅助的钢质角接接头半固态钎焊方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |