CN115722787A - 一种接头结构及摩擦预热的快速拉拔式摩擦塞补焊方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种接头结构及摩擦预热的快速拉拔式摩擦塞补焊方法，属于摩擦焊接工艺领域，接头结构包括：塞棒和成形环，塞棒用于作为填充目标塞孔的耗材，在主轴提供的轴向进给力和旋转力下，带动焊接端与目标塞孔进行摩擦焊接并产生热塑性金属，实现对目标塞孔的焊接修复；成形环用于在对焊接端与目标塞孔摩擦焊接产生的热塑性金属进行拉锻时形成的飞边结构进行限位，使焊接端与目标塞孔的结合界面充分填充热塑性金属，保证塞棒和目标塞孔结合界面的焊接成形。通过塞棒、塞孔以及成形环之间的配合，能够有效修复匙孔的同时，还能够解决塞棒和塞孔结合界面的未焊合和弱连接的缺陷，从而有效保证了接头结构的质量和性能。

Description

一种接头结构及摩擦预热的快速拉拔式摩擦塞补焊方法

技术领域

本发明涉及摩擦焊接工艺技术领域，特别是涉及一种接头结构及摩擦预热的快速拉拔式摩擦塞补焊方法。

背景技术

对于重型火箭而言，火箭贮箱的生产制造工艺是重型火箭研究过程中的一个重大挑战。为了实现减重目的，一般选用铝合金作为火箭贮箱材料，但由于铝合金的熔焊性相对较差，容易产生气孔，热裂纹、软化等焊接缺陷。因此搅拌摩擦焊成为了箱体的主要焊接工艺。然而，搅拌摩擦焊的焊接结束阶段，搅拌针抽离时一般会在待焊工件表面留下匙孔。而对于匙孔问题，拉拔式摩擦塞补焊是一种修复匙孔的有效方法。

然而，随着板材厚度的增大，现有的拉拔式摩擦塞补焊方法在修复厚板材匙孔时，容易在塞孔与塞棒的结合界面上形成未焊合和弱连接缺陷，导致焊后在塞孔与塞棒结合处形成的接头结构的质量较差，无法保证接头结构的性能。因此，对现有接头结构以及拉拔式摩擦塞补焊方法进行改善迫在眉睫。

发明内容

本发明的目的是提供一种接头结构及摩擦预热的快速拉拔式摩擦塞补焊方法，在厚板焊接时能够消除塞孔与塞棒结合界面处的未焊合和弱连接的缺陷，保证接头结构的质量。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一方面，本发明提出了一种接头结构，所述接头结构用于对板材上的目标塞孔进行焊接修复，所述接头结构包括：

塞棒，包括装夹端和焊接端，所述装夹端与机床主轴可拆卸连接，所述焊接端插设于目标塞孔内，所述塞棒用于作为填充目标塞孔的耗材，在主轴提供的轴向进给力和旋转力下，带动焊接端与目标塞孔进行摩擦焊接并产生热塑性金属，实现对目标塞孔的焊接修复；

成形环，固定设置于目标塞孔底部，且所述成形环、塞棒焊接端以及目标塞孔的中心同轴，用于对焊接端与目标塞孔摩擦焊接产生的热塑性金属进行限位，以使主轴对塞棒进行拉锻的过程中，焊接端与目标塞孔的结合界面充分填充热塑性金属，保证塞棒和目标塞孔结合界面的焊接成形。

可选地，所述焊接端包括圆弧段、焊接段和过渡段；

所述圆弧段、焊接段和过渡段为一体成型的碗状结构，所述圆弧段位于所述碗状结构的碗口处，所述过渡段位于所述碗状结构的碗底处，所述焊接段位于所述碗状结构的碗口和碗底之间的位置；

所述圆弧段用于对塞棒整体进行限位，使所述焊接段与目标塞孔内壁位置对应；

所述焊接段用于与目标塞孔内壁进行摩擦焊接，作为耗材填充目标塞孔；

所述过渡段用于在塞棒插入目标塞孔时进行导向。

可选地，所述过渡段距装夹端最近的一端的直径范围为32-38mm，距装夹端最远的一端的直径范围为42-48mm。

可选地，所述焊接段的厚度为板材厚度的1-2.4倍。

可选地，所述圆弧段的圆弧半径范围为25-35mm。

可选地，所述成形环中心为锥形孔结构，所述锥形孔结构的最大直径范围为48-54mm，锥角角度范围为30°-60°，锥形孔深度范围为3-8mm。

另一方面，本发明还提出了一种摩擦预热的快速拉拔式摩擦塞补焊方法，所述方法使用如上所述的接头结构，所述方法包括：

S1、进给阶段，将塞棒的装夹端穿过目标塞孔并装夹到机床主轴后，控制机床为主轴提供进给，带动主轴旋转；

S2、预摩擦阶段，主轴带动塞棒旋转且进给至焊接端与目标塞孔内壁接触时，控制机床主轴向塞棒施加与进给方向同向的轴向力，使得焊接端与目标塞孔内壁发生摩擦数秒，实现对目标塞孔的预热；

S3、焊接阶段，控制机床增加主轴向塞棒施加的轴向力，并保持主轴旋转和进给，使旋转的塞棒与目标塞孔摩擦并产生热塑性金属，当塞棒的进给量达到预设阈值时，主轴停转；

S4、拉锻阶段，控制主轴向塞棒施加与进给方向同向的拉锻力，以将焊接阶段产生的热塑性金属挤出，利用塞棒圆弧段和成形环对热塑性金属的限位作用，在塞棒与目标塞孔结合界面的上下两侧形成飞边结构，实现塞棒和目标塞孔结合界面的焊接成形。

可选地，在步骤S1之前，所述方法还包括：

对目标塞孔进行钻孔打磨预处理，以便于所述焊接端的过渡段插入目标塞孔。

可选地，在所述步骤S4之后，所述方法还包括：

卸载主轴对装夹端的装夹力，并将塞棒与板材整体从主轴上拆卸下来；

对板材两侧除塞棒和目标塞孔结合界面以外的多余塞棒部分进行切割和打磨。

可选地，在步骤S2预摩擦阶段，主轴的转速范围为5000–10000rpm，预摩擦时间范围为0.5–3.5s，主轴施加的轴向力范围为10-30kN。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供了一种接头结构及摩擦预热的快速拉拔式摩擦塞补焊方法，能够用于对板材上的目标塞孔进行焊接修复，其中，接头结构包括：塞棒，包括装夹端和焊接端，所述装夹端与机床主轴可拆卸连接，所述焊接端插设于目标塞孔内，所述塞棒用于作为填充目标塞孔的耗材，在主轴提供的轴向进给力和旋转力下，带动焊接端与目标塞孔进行摩擦焊接并产生热塑性金属，实现对目标塞孔的焊接修复；成形环，固定设置于目标塞孔底部，且所述成形环、塞棒焊接端以及目标塞孔的中心同轴，用于对焊接端与目标塞孔摩擦焊接产生的热塑性金属进行限位，以使主轴对塞棒进行拉锻的过程中，焊接端与目标塞孔的结合界面充分填充热塑性金属，保证塞棒和目标塞孔结合界面的焊接成形。

本发明通过塞棒焊接端与目标塞孔进行摩擦焊接并产生热塑性金属，能够实现对目标塞孔的焊接修复，同时，在塞孔底部设置成形环，并使成形环、塞棒焊接端以及目标塞孔的中心同轴，通过成形环对焊接端与目标塞孔摩擦焊接产生的热塑性金属进行限位，从而保证焊接端与目标塞孔的结合界面之间能够充分填充热塑性金属，从而保证塞棒和目标塞孔结合界面焊接成形的质量。通过塞棒、塞孔以及成形环之间的配合，能够有效修复匙孔的同时，还能够解决塞棒和塞孔结合界面的未焊合和弱连接的缺陷，从而有效保证了接头结构的质量和性能，解决现有接头结构质量差、性能低的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。以下附图并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制，重点在于示出本发明的主旨。

图1为本发明提供的拉拔式摩擦塞补焊工艺基本原理的示意图；

图2为本发明实施例1提供的接头结构的剖视图；

图3为本发明实施例1提供的塞棒的结构示意图；

图4为本发明实施例1提供的塞孔的结构示意图；

图5为本发明实施例1提供的成形环的结构示意图；

图6为本发明实施例2提供的摩擦预热的快速拉拔式摩擦塞补焊方法的流程图；

图7为本发明实施例2提供的传统拉拔式摩擦塞补焊工艺中不同工艺阶段的信号特征图；

图8为本发明实施例2提供的本发明方法的不同工艺阶段的信号特征图；

图9为本发明实施例2提供的试样S1的接头形貌的测试图；

图10为本发明实施例2提供的试样S2的接头形貌的测试图；

图11为本发明实施例2提供的试样S3的接头形貌的测试图。

具体实施方式

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的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。

如本发明和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。

虽然本发明对根据本发明的实施例的系统中的某些模块做出了各种引用，然而，任何数量的不同模块可以被使用并运行在用户终端和/或服务器上。所述模块仅是说明性的，并且所述系统和方法的不同方面可以使用不同模块。

本发明中使用了流程图用来说明根据本发明的实施例的系统所执行的操作。应当理解的是，前面或下面操作不一定按照顺序来精确地执行。相反，根据需要，可以按照倒序或同时处理各种步骤。同时，也可以将其他操作添加到这些过程中，或从这些过程移除某一步或数步操作。

传统拉拔式摩擦塞补焊工艺焊接时，端部具有一定锥度的塞棒从正面穿过塞孔，并在主轴带动下高速旋转，同时在拉力作用下缓慢轴向进给，当塞棒表面与塞孔内壁接触时，主轴迅速施加轴向力，产生大量摩擦热，塞孔边缘部分金属在摩擦热的作用下转变为热塑性状态。当产生充分的热塑性金属量时，主轴停转，保持塞棒上的轴向力一定时间，将热塑性金属挤出，形成上下飞边并实现塞孔与塞棒的冶金结合，如图1所示。虽然拉拔式摩擦塞补焊属于固相焊接，不会引起热裂纹、气孔等缺陷和严重软化现象。然而，随着板材厚度的增大，现有的拉拔式摩擦塞补焊方法在修复厚板材匙孔时，容易在塞孔与塞棒的结合界面上形成未焊合和弱连接缺陷，导致焊后在塞孔与塞棒结合处形成的接头结构的质量较差，无法保证接头结构的性能。并且，厚板焊接时，焊接阶段时间往往较长，这不仅导致接头的晶粒粗大，使接头局部软化，而且焊接稳定性难以保证，当焊接时间过长时，还会由于过量的摩擦热而导致塞棒颈缩。

基于此，本发明的目的在于克服现有技术在厚板焊接中的局限性，尤其是针对12-20mm厚的航天铝合金摩擦塞补焊接头质量的问题，提供一种接头结构及摩擦预热的快速拉拔式摩擦塞补焊方法，以对现有接头结构以及拉拔式摩擦塞补焊方法进行改善，在此基础上使用合适的接头结构和合理的焊接工艺参数，可有效防止塞棒的颈缩，并消除塞孔与塞棒结合界面处的未焊合和弱连接的缺陷，保证接头结构的质量。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

如图2所示，本实施例提供了一种接头结构，所述接头结构用于对板材工件上的目标塞孔进行焊接修复，其中，目标塞孔指的是待修复的匙孔，所述接头结构包括塞棒和成形环。

其中，塞棒包括装夹端和焊接端，所述装夹端与机床主轴可拆卸连接，所述焊接端插设于目标塞孔内，所述塞棒用于作为填充目标塞孔的耗材，在主轴提供的轴向进给力和旋转力下，带动焊接端与目标塞孔进行摩擦焊接并产生热塑性金属，实现对目标塞孔的焊接修复。

成形环，固定设置于目标塞孔底部，且所述成形环、塞棒焊接端以及目标塞孔的中心同轴，用于对焊接端与目标塞孔摩擦焊接产生的热塑性金属进行限位，以使主轴对塞棒进行拉锻的过程中，焊接端与目标塞孔的结合界面充分填充热塑性金属，保证塞棒和目标塞孔结合界面的焊接成形。

本实施例中，成形环可以垫设于目标塞孔底部，并通过与机床主轴一体的工装夹具对成形环进行固定，如图2所示，也可以采用其他方式将成形环固定于塞孔底部，需要保证成形环、塞棒焊接端以及目标塞孔同轴心。

本实施例中，焊前装配时塞棒需要从正面穿过塞孔，并保证和塞孔和塞棒的同轴度，本实施例中，成形环、塞棒焊接端以及塞孔均为相互配合的锥形结构，如图1和图2所示。塞棒主要用于在预摩擦阶段和焊接阶段中与塞孔摩擦产热，并且作为耗材填充塞孔，以及在拉锻阶段作为在结合界面上施加应力的介质，以保证实现与塞孔的充分冶金结合。塞棒使用车床加工，以保证塞棒表面质量。

如图3所示，本实施例中，所述焊接端包括圆弧段、焊接段和过渡段。

其中，所述圆弧段、焊接段和过渡段为一体成型的碗状结构，所述圆弧段位于所述碗状结构的碗口处，所述过渡段位于所述碗状结构的碗底处，所述焊接段位于所述碗状结构的碗口和碗底之间的位置。所述圆弧段用于对塞棒整体以及塞孔顶部进行限位，不仅能够使所述焊接段与目标塞孔内壁位置对应，保证焊接位置处于焊接段，还能够在拉锻阶段，对焊接端与目标塞孔摩擦焊接产生的热塑性金属(焊接端与目标塞孔的结合界面顶部的热塑性金属)进行限位，与成形环(对焊接端与目标塞孔的结合界面底部的热塑性金属进行限位)的限位作用配合，通过圆弧段与成形环的上、下限位作用，使摩擦产生的热塑性金属只能从焊接端与目标塞孔的结合界面处的缝隙中滑出并在结合界面的上下两侧形成飞边结构(附图1示出的拉锻阶段塞棒与塞孔结合界面处即为飞边结构)，从而达到在塞棒与塞孔结合界面处充分填充、压实热塑性金属的目的，保证塞棒和目标塞孔结合界面的焊接成形。所述焊接段用于与目标塞孔内壁进行摩擦焊接，作为主要耗材填充目标塞孔。所述过渡段用于在塞棒插入目标塞孔时进行导向，以便于塞棒顺利地插入目标塞孔。

本实施例中，过渡段加工为球形，以提高塞棒的刚度，防止焊接过程中塞棒发生颈缩变形，如图3所示，过渡段距装夹端最近的一端即小端直径D₁范围为32-38mm，距装夹端最远的一端即大端直径D₂范围为42-48mm，过渡段的曲率半径R₁范围为20-50mm。焊接段加工为锥形，是塞棒主要参与焊接过程的部分，焊接段的小端直径就是过渡段的大端直径D₂，取值范围也为42-48mm，锥形的焊接段的锥角θ₁范围为15-35°，焊接段的厚度L₁为板材厚度的1-2.4倍。圆弧段可以有效提高接头顶部结合质量，也便于塞棒插入目标塞孔，圆弧段的圆弧半径R₂范围为25-35mm，如图3所示。

如图4所示，板材上的塞孔在焊前应固定牢靠，且保证塞孔与塞棒和主轴的同轴度。塞孔主要用于与塞棒摩擦产热，并将塞棒作为耗材提供热塑性金属材料，从而在塞孔顶部和底部形成上、下飞边结构，保证焊接接头成形。

本实施例中，所用塞孔为预制孔，可以使用车床加工，以保证塞孔内表面的质量。塞孔设计为锥直孔结构，塞孔距装夹端最远的一端的直径即大径D₃范围为48-54mm，角度θ₂比θ₁大3-10°，直孔深度L₂小于板材厚度的0.4倍。这样的塞孔结构既可以减少塞棒在焊接过程中受到的阻力，降低塞棒的颈缩倾向，使之平稳快速进给；同时，还可以保证焊接过程中产生足够的热塑性材料，使接头成形良好。

如图5所示，本实施例中，所述成形环的中心也为锥形孔结构，所述锥形孔结构距装夹端最远的一端的直径即大径D₄范围为48-54mm，锥角角度θ₃范围为30°-60°，锥形孔深度L₃范围为3-8mm。

本实施例中，通过成形环保证拉锻阶段接头的底部成形和改善结合界面的应力分布状态。所用成形环材料的刚度需要大于塞棒和塞孔材料，可以采用45钢，40Cr等材质，成形环也可使用车床加工，以保证表面质量。这样的刚性成形环结构既可以确保在很大的进给量范围内，塞棒不会与成形环接触，也可以使得焊接过程中结合界面上的应力均匀分布，有助于消除弱连接等缺陷。

本实施例中，成形环和圆弧段分别布置于塞孔的底部和顶部，两者配合使用，在对焊接段和塞孔摩擦焊接后的拉锻阶段，需要保证对焊接端与塞孔摩擦焊接时产生的热塑性金属进行拉锻时，利用成形环和圆弧段对塞棒与目标塞孔结合界面的上下两侧形成的热塑性金属进行限位，保证在拉锻阶段中焊接端与目标塞孔的结合界面充分填充、压实热塑性金属，从而达到消除塞孔与塞棒结合界面处的未焊合和弱连接的缺陷的目的，保证接头结构的质量。

本发明通过塞棒焊接端与目标塞孔进行摩擦焊接并产生热塑性金属，能够实现对目标塞孔的焊接修复，同时，在塞孔底部设置成形环，并使成形环、塞棒焊接端以及目标塞孔的中心同轴，通过成形环对焊接端与目标塞孔摩擦焊接产生的热塑性金属进行限位，从而保证焊接端与目标塞孔的结合界面之间能够充分填充热塑性金属，从而能够消除塞棒和塞孔结合界面的未焊合和弱连接等缺陷，有效保证了塞棒和目标塞孔结合界面焊接成形质量，解决现有焊后接头结构质量差、性能低的问题。

实施例2

如图6所示，本实施例提供了摩擦预热的快速拉拔式摩擦塞补焊方法，所述方法使用如实施例1所述的接头结构，所述方法包括以下步骤：

步骤S1、进给阶段，将塞棒的装夹端穿过目标塞孔并装夹到机床主轴后，控制机床为主轴提供进给，带动主轴旋转。

步骤S2、预摩擦阶段，主轴带动塞棒旋转且进给至焊接端与目标塞孔内壁接触时，控制机床主轴向塞棒施加与进给方向同向的轴向力，使得焊接端与目标塞孔内壁发生摩擦数秒，实现对目标塞孔的预热。

步骤S3、焊接阶段，控制机床增加主轴向塞棒施加的轴向力，并保持主轴旋转和进给，使旋转的塞棒与目标塞孔摩擦并产生热塑性金属，当塞棒的进给量达到预设阈值时，主轴停转。

步骤S4、拉锻阶段，控制主轴向塞棒施加与进给方向同向的拉锻力，以将焊接阶段产生的热塑性金属挤出，利用塞棒圆弧段和成形环对热塑性金属的上、下限位作用，使摩擦产生的热塑性金属只能从焊接端与目标塞孔的结合界面处的缝隙中滑出并在结合界面的上下两侧形成飞边结构(附图1示出的拉锻阶段塞棒与塞孔结合界面处即为飞边结构)，此时表示焊接端与目标塞孔的结合界面处已经充分填充、挤压压实了热塑性金属，实现塞棒和目标塞孔结合界面的焊接成形。

图7和图8分别为传统拉拔式摩擦塞补焊工艺中不同工艺阶段的信号特征图以及本发明方法的不同工艺阶段的信号特征图。与传统拉拔式摩擦塞补焊过程相比，本实施例在塞棒进给阶段和焊接阶段之间增加了预摩擦阶段。预摩擦阶段定义为：在塞棒高速旋转且缓慢进给至与塞孔侧壁接触时，主轴保持高速旋转的同时施加较小的轴向力，使得塞棒在这一阶段与塞孔侧壁发生较短时间的摩擦，预热塞孔。由于预摩擦阶段可以产生额外的摩擦热，使得焊接过程中，结合界面附近的材料有更好的流动性，有助于避免缺陷的形成；同时也可以使得焊接过程中，塞棒进给更加平稳快速，提高了焊接过程的稳定性，有利于塞棒和塞孔之间实现更充分的冶金结合。

本发明通过增加预摩擦阶段，可有效降低焊接阶段所需时间，以实现快速焊接。快速焊接拥有一些很重要的优势，如可以防止晶粒过度粗化，可以提高焊接过程稳定性，降低塞棒的塑性变形倾向等，对接头的结合质量和性能都有着重要意义。并且，本发明设计的接头结构减小了塞棒焊接段的厚度，增大了塞孔锥孔部分的深度等，这些尺寸上的调整也有助于实现快速焊接。

需要注意的是，预摩擦阶段的工艺参数不宜过大，否则会造成塞棒的颈缩。因此，本实施例在步骤S2预摩擦阶段优选以下工艺参数：主轴的转速范围为5000–10000rpm，预摩擦时间范围为0.5–3.5s，主轴施加的轴向力范围为10-30kN。容易理解的是，本实施例各阶段的工艺参数并不是固定的、唯一的，可根据实际情况自行设定。

在预摩擦阶段后进入焊接阶段，本实施例中的焊接阶段定义为：当预摩擦结束时，主轴迅速施加较大轴向力，同时保持高速旋转并缓慢进给，使得塞棒与塞孔剧烈摩擦并产生热塑性金属，当塞棒进给量达到预设值时，主轴停转。

在焊接阶段中需要注意的是，在确定焊接参数时，要保证在进给量足够的前提下，尽可能快速完成焊接过程，即在尽可能短的时间内产生足够的摩擦热，生成足量的热塑性材料转速5000-10000rpm，焊接拉力35-75kN，进给量3-10mm，在此工艺窗口范围内，焊接阶段时间可控制在2-5s内，且接头成形和结合质量良好。

本实施例焊接阶段后进入拉锻阶段，拉锻阶段定义为：焊接阶段后，主轴停转，同时施加拉锻力并保持一定的时间，将焊接阶段产生的热塑性金属挤出，在塞棒圆弧段和成形环对热塑性金属的约束限位作用下，形成接头的上下飞边结构，并保证塞棒和塞孔之间实现充分的冶金结合。其中，拉锻时间过短、拉锻力较小时，接头结合质量差，反之则会导致塞棒的颈缩，形成底部未焊合缺陷。因此，本实施例设置拉锻力范围为35-75kN，拉锻时间范围为2-5s，可有效消除弱连接缺陷，提高界面的结合质量。

本实施例中，在步骤S1之前，所述方法还可以包括：

步骤A1、对目标塞孔进行钻孔打磨预处理，以便于所述焊接端的过渡段插入目标塞孔。

本实施例中，在所述步骤S4之后，所述方法还可以包括：

步骤B1、卸载主轴对装夹端的装夹力，并将塞棒与板材整体从主轴上拆卸下来；

步骤B2、按照需求可以对板材两侧除塞棒和目标塞孔结合界面以外的多余塞棒部分进行切割和打磨，以使板材工件恢复平整。

下面以举例说明的方式，以对本发明方法进行解释说明：

本实施例选用名义厚度为18mm的2219-T87板材为母材，选择2219-T6材料作为塞棒材质，进行拉拔式摩擦塞补焊工艺试验。试验分为三组进行。在三组实验中，通过调整接头几何结构和焊接工艺参数以及焊接阶段的时间。第一组试验未按技术方案选取工艺参数，没有实现快速焊接，焊接时间较长；第二组试验按照技术方案选择工艺参数，焊接速度较快，但没有摩擦预热阶段。第三组试验在第二组试验的基础上，进行焊前摩擦预热。试验选用的焊接工艺和接头几何结构参数分别如表1和表2所示。

表1试验用焊接工艺参数

表2接头几何结构尺寸参数

试验完成后，以塞棒中心线为界沿着垂直于焊缝表面的方向用线切割切取试样，打磨、抛光。抛光至镜面后立刻用Keller(H₂O 95％，HNO₃2.5％，HCl1.5％，HF 1％)试剂擦拭腐蚀10-20s，腐蚀结束以后用酒精冲洗吹干。随后在蔡司Smartzoom5超景深显微镜下进行宏观观察和拍照，最后在OLYMPUS-GX51F光学显微镜下观察特定区域成形和缺陷情况。

图9、图10和图11分别对应为试样S1、试样S2和试样S3的拉拔式摩擦塞补焊接头的形貌测试图。在试样S1中，由于进给量过大，且塞孔没有直孔部分，塞棒进给过程中受到的阻力较大，延长了焊接阶段摩擦时间，使得结合界面处集中产生过多的摩擦热，塞棒强度下降，在较大的轴向载荷下发生了颈缩，导致接头的底部产生了未焊合缺陷，通过信号曲线发现焊接时间为6.3s。

试样S2减小了焊接进给量，增大了焊接拉力和拉锻力，因此使得焊接过程更加快速，且在更大的轴向载荷下，塞棒也没有发生颈缩，最终得到了不存在未焊合缺陷，成形良好的接头。相比试样S1，接头结合质量明显提高，但仍可观察到结合界面附近的弱连接缺陷。通过信号曲线发现焊接时间为4.1s。

相比试样S2，试样S3的结合界面上弱连接缺陷进一步减少。在摩擦预热的条件下，在进入焊接阶段前，塞孔边缘材料就已经产生了一定的流动性，这会使焊接过程中塞棒的进给更加稳定快速，提高了焊接过程的稳定性，同时也降低了弱连接缺陷的产生倾向，提高了接头的结合质量。通过信号曲线发现焊接时间为2.6s。

综上，采用本发明提出的包含预摩擦阶段的工艺方法，在进行铝合金厚板的拉拔式摩擦塞补焊时，可以在很短的时间内迅速完成焊接过程，得到的接头不存在未焊合缺陷，且结合界面上的弱连接缺陷减少，焊接接头质量较高。

本实施例提供了一种摩擦预热的快速拉拔式摩擦塞补焊方法，可以在铝合金厚板的拉拔式摩擦塞补焊时，消除未焊合和弱连接缺陷，获得成形和结合质量较好的焊接接头，提高了拉拔式摩擦塞补焊的接头质量，使之可应用在重载火箭的匙孔修复上，对我国重载火箭的自主研制及发展有重大意义。

根据本发明内容进行焊接工艺参数和接头几何结构的调整，均可实现焊接质量优异的接头。以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

除非另有定义，这里使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本发明所属领域的普通技术人员共同理解的相同含义。还应当理解，诸如在通常字典里定义的那些术语应当被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非这里明确地这样定义。

上面是对本发明的说明，而不应被认为是对其的限制。尽管描述了本发明的若干示例性实施例，但本领域技术人员将容易地理解，在不背离本发明的新颖教学和优点的前提下可以对示例性实施例进行许多修改。因此，所有这些修改都意图包含在权利要求书所限定的本发明范围内。应当理解，上面是对本发明的说明，而不应被认为是限于所公开的特定实施例，并且对所公开的实施例以及其他实施例的修改意图包含在所附权利要求书的范围内。本发明由权利要求书及其等效物限定。

Claims (10)

1.一种接头结构，所述接头结构用于对板材上的目标塞孔进行焊接修复，其特征在于，所述接头结构包括：

塞棒，包括装夹端和焊接端，所述装夹端与机床主轴可拆卸连接，所述焊接端插设于目标塞孔内，所述塞棒用于作为填充目标塞孔的耗材，在主轴提供的轴向进给力和旋转力下，带动焊接端与目标塞孔进行摩擦焊接并产生热塑性金属，实现对目标塞孔的焊接修复；

成形环，固定设置于目标塞孔底部，且所述成形环、塞棒焊接端以及目标塞孔的中心同轴，用于对焊接端与目标塞孔摩擦焊接产生的热塑性金属进行限位，以使主轴对塞棒进行拉锻的过程中，焊接端与目标塞孔的结合界面充分填充热塑性金属，保证塞棒和目标塞孔结合界面的焊接成形。

2.根据权利要求1所述的接头结构，其特征在于，所述焊接端包括圆弧段、焊接段和过渡段；

所述圆弧段、焊接段和过渡段为一体成型的碗状结构，所述圆弧段位于所述碗状结构的碗口处，所述过渡段位于所述碗状结构的碗底处，所述焊接段位于所述碗状结构的碗口和碗底之间的位置；

所述圆弧段用于对塞棒整体进行限位，使所述焊接段与目标塞孔内壁位置对应；

所述焊接段用于与目标塞孔内壁进行摩擦焊接，作为耗材填充目标塞孔；

所述过渡段用于在塞棒插入目标塞孔时进行导向。

3.根据权利要求2所述的接头结构，其特征在于，所述过渡段距装夹端最近的一端的直径范围为32-38mm，距装夹端最远的一端的直径范围为42-48mm。

4.根据权利要求2所述的接头结构，其特征在于，所述焊接段的厚度为板材厚度的1-2.4倍。

5.根据权利要求2所述的接头结构，其特征在于，所述圆弧段的圆弧半径范围为25-35mm。

6.根据权利要求1所述的接头结构，其特征在于，所述成形环中心为锥形孔结构，所述锥形孔结构的最大直径范围为48-54mm，锥角角度范围为30°-60°，锥形孔深度范围为3-8mm。

7.一种摩擦预热的快速拉拔式摩擦塞补焊方法，所述方法使用如权利要求1-6任一项所述的接头结构，其特征在于，所述方法包括：

S1、进给阶段，将塞棒的装夹端穿过目标塞孔并装夹到机床主轴后，控制机床为主轴提供进给，带动主轴旋转；

S2、预摩擦阶段，主轴带动塞棒旋转且进给至焊接端与目标塞孔内壁接触时，控制机床主轴向塞棒施加与进给方向同向的轴向力，使得焊接端与目标塞孔内壁发生摩擦数秒，实现对目标塞孔的预热；

S3、焊接阶段，控制机床增加主轴向塞棒施加的轴向力，并保持主轴旋转和进给，使旋转的塞棒与目标塞孔摩擦并产生热塑性金属，当塞棒的进给量达到预设阈值时，主轴停转；

S4、拉锻阶段，控制主轴向塞棒施加与进给方向同向的拉锻力，以将焊接阶段产生的热塑性金属挤出，利用塞棒圆弧段和成形环对热塑性金属的限位作用，在塞棒与目标塞孔结合界面的上下两侧形成飞边结构，实现塞棒和目标塞孔结合界面的焊接成形。

8.根据权利要求7所述的摩擦预热的快速拉拔式摩擦塞补焊方法，其特征在于，在步骤S1之前，所述方法还包括：

对目标塞孔进行钻孔打磨预处理，以便于所述焊接端的过渡段插入目标塞孔。

9.根据权利要求7所述的摩擦预热的快速拉拔式摩擦塞补焊方法，其特征在于，在所述步骤S4之后，所述方法还包括：

卸载主轴对装夹端的装夹力，并将塞棒与板材整体从主轴上拆卸下来；

对板材两侧除塞棒和目标塞孔结合界面以外的多余塞棒部分进行切割和打磨。

10.根据权利要求7所述的摩擦预热的快速拉拔式摩擦塞补焊方法，其特征在于，在步骤S2预摩擦阶段，主轴的转速范围为5000–10000rpm，预摩擦时间范围为0.5–3.5s，主轴施加的轴向力范围为10-30kN。

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