专利名称：可伸缩轴肩摩擦预热搅拌摩擦塞补焊方法及其焊具的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种填充式搅拌摩擦塞补焊的方法及其焊具，用于搅拌摩擦焊焊缝匙 孔和缺陷的补焊。
背景技术：
自英国焊接研究所(TWI)于1991年发明了搅拌摩擦焊接方法以来，这项技术因其 焊接变形小、残余应力小，无需保护气体和填充材料，可消除气孔、夹杂、裂纹等焊接缺陷， 以及不产生弧光、烟尘、噪音污染等，同时能显著降低成本、节省材料、优化结构、减轻飞行 器的结构重量等特点受到各国科研机构的关注。由于这项技术具有很多其他方法所不具备 的显著特点，它很快就被用于航天领域，新一代运载火箭芯级贮箱筒段纵缝的焊接就是选 用这种方法。尽管利用搅拌摩擦焊接方法可以获得高质量的焊接接头，但是在工程实际操 作中，难以完全避免焊缝缺陷的产生，特别是匙孔，更是难以消除。工程上用来解决搅拌摩 擦焊焊缝匙孔和焊缝缺陷的方法主要有熔焊、摩擦塞焊、回抽式焊具搅拌摩擦焊以及填充 式搅拌摩擦塞补焊。熔焊一般选用钨极氩弧焊(TIG)填丝的方式来实现，当前绝大部分焊接缺陷都采 用传统的手工TIG焊进行修补。该方法操作简便，但热输入量大，易引起焊缝局部区域晶粒 长大，韧性降低，同时会在补焊部位引起较大的残余应力和变形。另外，手工TIG补焊往往 不能一次成功，而有些铝合金不能进行多次补焊，过多的补焊会造成接头合金元素烧损，严 重影响接头质量，甚至造成产品报废，从而造成产品成本的大幅提高以及生产周期的延长。摩擦塞焊属于固相连接，补焊过程中不会出现金属熔化，焊缝残余应力低、工件变 形小，大幅改进补焊焊缝的力学性能、疲劳强度、断裂韧性和接头塑性，焊接参数可以精确 控制，工艺稳定性和再现性高，提高了补焊一次成功的机率。但此方法由于将整个塞棒置于 补焊位置，需要二次加工，将多余的塞棒去除，且由于塞焊过程中受力仅局限于塞孔侧壁的 局部区域，致使补焊区域应力集中严重，影响了接头的力学性能。并且此方法需要在施加顶 锻力的同时进行急停，需要专用设备，在常规搅拌摩擦焊机上无法实现。回抽式焊具搅拌摩擦焊在焊接过程中与常规搅拌摩擦焊相同，只是在焊接结尾 处，搅拌针旋转过程中逐渐回抽，通过轴肩下部塑性金属的回填，实现匙孔的填充，但是该 技术的实现不仅需要复杂的控制系统和动力系统以及相应的机械结构，而且由于没有充裕 的塑性金属实现回填，匙孔虽消除了，但造成焊缝尾部接头有效厚度变薄，仍然没有彻底消 除匙孔的影响。不具备预热环节的搅拌摩擦塞补焊虽然能够实现对匙孔和缺陷的固相补焊，但补 焊部位材料强烈的抵抗力会导致搅拌针未完全塑性变形就已经发生断裂，使材料的连续流 动性变差，降低接头的力学性能。
发明内容
本发明的目的是为解决填充式搅拌摩擦塞补焊过程中，由于未对补焊部位材料进行预热，其强烈的抵抗力会导致搅拌针未完全塑性变形就已发生断裂，使材料的连续流动 性变差，导致焊接接头力学性能差的问题，提供一种可伸缩轴肩摩擦预热搅拌摩擦塞补焊 方法及其焊具。本发明的方法是通过以下步骤实现的一、搅拌针材质的选取搅拌针的材质与 被补焊的零件材质相同；二、开锥形缺陷修复预置孔在被补焊的焊缝缺陷处打一定位孔， 将定位孔扩为锥孔，该锥孔即为待补焊的锥形缺陷修复预置孔；三、确定搅拌针的尺寸搅 拌针的外部轮廓尺寸应大于锥形缺陷修复预置孔的内部轮廓尺寸；四、对锥形缺陷修复预 置孔定位使锥形缺陷修复预置孔与搅拌针的轴线重合；五、摩擦预热当伸缩轴肩的下端 面开始与工件表面相接触时，搅拌针还未与锥形缺陷修复预置孔侧壁接触，焊具夹持体和 伸缩轴肩间的弹簧发生弹性变形，弹性变形力作用于伸缩轴肩上的下圆环的上端面，使下 圆环的下端面与工件表面之间产生相对摩擦作用，利用摩擦产热对锥形缺陷修复预置孔 附近材料进行摩擦加热，从而实现对锥形缺陷修复预置孔的预热；六、补焊预热过程结束 后，随着焊具的逐渐压入，搅拌针的锥体部分已完全从通孔中伸出且外露在下圆环的下端 面外，搅拌针与待补焊的锥形缺陷修复预置孔内壁材料紧密接触，并搅拌摩擦，界面区域金 属出现塑性变形现象，在伸缩轴肩的下端面与工件表面搅拌摩擦产热和搅拌针与锥形缺陷 修复预置孔侧壁搅拌摩擦产热的作用下，并在扭矩剪切力的作用下，塑性变形后的搅拌针 的锥体部分完全填充于锥形缺陷修复预置孔内，最后使焊具沿焊接方向移动Imm 5mm，实 现对搅拌摩擦焊焊缝缺陷和匙孔的补焊，焊具提起，弹簧处于松弛状态，搅拌针柄遗留于焊 具夹持体的夹持孔中。本发明的焊具包括焊具夹持体、伸缩轴肩、搅拌体、弹簧、四个限位板和至少四个 键，所述搅拌体由搅拌针和搅拌针柄组成，搅拌针柄和搅拌针由上至下制成一体，搅拌针柄 的外表面上设有搅拌针夹持面，搅拌针为锥体，所述焊具夹持体由同轴的上圆柱体和下圆 柱体组成，上圆柱体的直径小于下圆柱体的直径，上圆柱体与下圆柱体制成一体，上圆柱体 的外表面上设有焊具夹持面，下圆柱体的轴心处设有阶梯孔，阶梯孔由下至上分别为上圆 环孔和夹持孔，夹持孔的侧壁上设有垂直于下圆柱体轴线的螺纹通孔，上圆环孔的内壁上 均布设有至少四个内槽，伸缩轴肩由同轴的上圆环和下圆环组成，上圆环的外径小于下圆 环的外径，上圆环与下圆环制成一体，上圆环的外表面均布设有与至少四个内槽一一对应 的外槽，伸缩轴肩上的上圆环设置在上圆环孔中，每个一一对应的外槽与内槽中装有一个 键，下圆环的外径与下圆柱体的外径相等，伸缩轴肩的轴心处设有与夹持孔正对且孔径相 等的通孔，弹簧位于下圆柱体的下端面与下圆环的上端面之间，且弹簧套装在上圆环上，下 圆环的外径与下圆柱体的外径相等，每个限位板上设有长孔，四个限位板均布设置在下圆 环和下圆柱体的外表面处，每个限位板的上端通过螺钉将限位板与下圆柱体连接，每个限 位板的下端通过螺钉将限位板与下圆环连接，且每个限位板上的螺钉均穿过长孔，搅拌体 上的搅拌针柄设置在通孔和夹持孔中，且搅拌针夹持面与螺纹通孔正对，搅拌针的三分之 二锥体部分外露于下圆环的下端面外。本发明具有以下优点一、本发明通过伸缩轴肩2与待补焊区域表面相互摩擦实 现预热，使待补焊区域材料发生塑性变形，进而降低其对搅拌针的抵抗力，从而易使补焊区 域材料发生充分的塑性流动，形成性能良好的补焊接头，从根本上解决了填充式搅拌摩擦 塞补焊过程中，补焊部位的强力抵抗力导致搅拌针未完全塑性变形就已发生断裂，导致焊接接头力学性能差的问题。二、利用本发明的方法及其焊具能够实现摩擦预热与填充式搅 拌摩擦塞补焊一体化设计，简化了补焊工艺，提高了工艺稳定性和再现性，适应性强。三、可 伸缩轴肩摩擦预热搅拌摩擦塞补焊与搅拌摩擦焊和摩擦塞焊一样，同属于固相连接，焊接 过程中不出现金属熔化，且在轴肩的搅拌摩擦作用下，焊缝残余应力降低、工件变形减小， 大幅提高了补焊焊缝的力学性能，对于铝合金而言，补焊接头强度系数达到了 0. 75，补焊接 头伸长率彡5%。
图1是可伸缩轴肩摩擦预热搅拌摩擦塞补焊的焊具结构主剖视图；图2是图1的A-A剖视图；图3是图1的K向视图；图4是搅拌体3的结构主剖视图；图5是可伸缩轴肩摩擦预热搅拌摩擦塞补焊的焊具预热过程状态图；图6是可伸缩轴肩摩擦预热搅拌摩擦塞补焊的焊具补焊过程状态图；图7是可伸缩轴肩摩擦预热搅拌摩擦塞补焊的焊具补焊后状态图。
具体实施例方式具体实施方式
一结合图1、图5、图6和图7说明本实施方式，本实施方式是通 过以下步骤实现的一、搅拌针材质的选取搅拌针3-1的材质与被补焊的零件材质相同； 二、开锥形缺陷修复预置孔在被补焊的焊缝缺陷处打一定位孔，用型钻依据补焊需求将定 位孔扩为锥孔，该锥孔即为待补焊的锥形缺陷修复预置孔；三、确定搅拌针的尺寸搅拌针 3-1的外部轮廓尺寸应大于锥形缺陷修复预置孔的内部轮廓尺寸，用以保证搅拌针与缺陷 修复预置孔有充分摩擦和足够的填充量；四、对锥形缺陷修复预置孔定位使锥形缺陷修 复预置孔与搅拌针3-1的轴线重合；五、摩擦预热当伸缩轴肩2的下端面开始与工件表面 相接触时，搅拌针3-1还未与锥形缺陷修复预置孔侧壁接触，焊具夹持体1和伸缩轴肩2间 的弹簧4发生弹性变形，弹性变形力作用于伸缩轴肩2上的下圆环2-2的上端面，使下圆环 2-2的下端面与工件表面之间产生相对摩擦作用，利用摩擦产热对锥形缺陷修复预置孔附 近材料进行摩擦加热，从而实现对锥形缺陷修复预置孔的预热，焊具状态如图5所示；六、 补焊预热过程结束后，随着焊具的逐渐压入，如图6所示，搅拌针3-1的锥体部分已完全 从通孔2-3中伸出且外露在下圆环2-2的下端面外，搅拌针3-1与待补焊的锥形缺陷修复 预置孔内壁材料紧密接触，并搅拌摩擦，界面区域金属出现塑性变形现象，在伸缩轴肩2的 下端面与工件表面搅拌摩擦产热和搅拌针3-1与锥形缺陷修复预置孔侧壁搅拌摩擦产热 的作用下，并在扭矩剪切力的作用下，塑性变形后的搅拌针3-1的锥体部分完全填充于锥 形缺陷修复预置孔内，为使材料发生更好的塑性流动，最后使焊具沿焊接方向移动Imm 5mm,实现对搅拌摩擦焊焊缝缺陷和匙孔的补焊，焊具提起，弹簧4处于松弛状态，搅拌针柄 遗留于焊具夹持体1的夹持孔1-2-2中，焊具状态如图7所示。
具体实施方式
二 结合图1 图4说明本实施方式，本实施方式包括焊具夹持体 1、伸缩轴肩2、搅拌体3、弹簧4、四个限位板5和至少四个键6，搅拌体3由搅拌针3-1和搅 拌针柄3-2组成，搅拌针柄3-2和搅拌针3-1由上至下制成一体，搅拌针柄3-2的外表面上设有搅拌针夹持面3-2-1，搅拌针3-1为锥体，焊具夹持体1由同轴的上圆柱体1-1和下圆 柱体1-2组成，上圆柱体1-1的直径小于下圆柱体1-2的直径，上圆柱体1-1与下圆柱体 1-2制成一体，上圆柱体1-1的外表面上设有焊具夹持面1-1-1，下圆柱体1-2的轴心处设 有阶梯孔，阶梯孔由下至上分别为上圆环孔1-2-1和夹持孔1-2-2，夹持孔1-2-2的侧壁上 设有垂直于下圆柱体1-2轴线的螺纹通孔1-2-3，上圆环孔1-2-1的内壁上均布设有至少四 个内槽1-2-1-1，伸缩轴肩2由同轴的上圆环2-1和下圆环2-2组成，上圆环2_1的外径小 于下圆环2-2的外径，上圆环2-1与下圆环2-2制成一体，上圆环2-1的外表面均布设有与 至少四个内槽1-2-1-1 —一对应的外槽2-1-1，伸缩轴肩2上的上圆环2-1设置在上圆环 孔1-2-1中，每个——对应的外槽2-1-1与内槽1-2-1-1中装有一个键6，下圆环2-2的外 径与下圆柱体1-2的外径相等，伸缩轴肩2的轴心处设有与夹持孔1-2-2正对且孔径相等 的通孔2-3，夹持孔1-2-2和通孔2-3用于放置搅拌体3，弹簧4位于下圆柱体1_2的下端 面与下圆环2-2的上端面之间，且弹簧4套装在上圆环2-1上，下圆环2-2的外径与下圆柱 体1-2的外径相等，每个限位板5上设有长孔5-1，四个限位板5均布设置在下圆环2-2和 下圆柱体1-2的外表面处，每个限位板5的上端通过螺钉将限位板5与下圆柱体1-2连接， 每个限位板5的下端通过螺钉将限位板5与下圆环2-2连接，且每个限位板5上的螺钉均 穿过长孔5-1，每个限位板5上位于下方的螺钉可带动伸缩轴肩2沿长孔5-1上下移动，搅 拌体3上的搅拌针柄3-2设置在通孔2-3和夹持孔1-2-2中，且搅拌针夹持面3_2_1与螺 纹通孔1-2-3正对，搅拌针3-1的三分之二锥体部分外露于下圆环2-2的下端面外。螺栓 7通过螺纹通孔1-2-3将搅拌体3与下圆柱体1-2紧固在一起。当下圆环2-2的下端面开 始与工件表面相接触时，搅拌针3-1还未与锥形缺陷修复预置孔侧壁接触，但弹簧4已发生 弹性变形，弹性变形力作用于下圆环2-2的上端面上，使下圆环2-2的下端面与工件表面之 间产生相对摩擦作用，利用摩擦生热对锥形缺陷修复预置孔附近材料进行摩擦加热，从而 实现对缺陷修复预置孔的预热。
具体实施方式
三结合图1说明本实施方式，本实施方式的下圆环2-2的下端面设 有外边缘高于中心的凹形轴肩面2-2-1。凹形轴肩面2-2-1有效防止了搅拌针3-1塑性化 后的材料的流出。其它组成及连接关系与具体实施方式
二相同。
具体实施方式
四结合图1说明本实施方式，本实施方式的焊具夹持体1上端面的 轴心处设有与下圆柱体1-2上的夹持孔1-2-2相通的退料孔1-3，且退料孔1-3的孔直径小 于夹持孔1-2-2的孔直径。补焊完成后，可从退料孔1-3将遗留在夹持孔1-2-2内的搅拌 针柄3-2推出，便于更换搅拌体3。其它组成及连接关系与具体实施方式
二或三相同。
具体实施方式
五结合图1说明本实施方式，本实施方式的焊具夹持体1和伸 缩轴肩2的材质均为高速钢。焊具夹持体1和伸缩轴肩2可采用W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2, W9Mo3Cr4V牌号的高速钢，上述材质的高速钢结构可以重复使用。搅拌体3的材质与被补焊 的零件材质相同。其它组成及连接关系与具体实施方式
四相同。
权利要求
一种可伸缩轴肩摩擦预热搅拌摩擦塞补焊方法，其特征在于所述方法是通过以下步骤实现的一、搅拌针材质的选取搅拌针(3 1)的材质与被补焊的零件材质相同；二、开锥形缺陷修复预置孔在被补焊的焊缝缺陷处打一定位孔，将定位孔扩为锥孔，该锥孔即为待补焊的锥形缺陷修复预置孔；三、确定搅拌针的尺寸搅拌针(3 1)的外部轮廓尺寸应大于锥形缺陷修复预置孔的内部轮廓尺寸；四、对锥形缺陷修复预置孔定位使锥形缺陷修复预置孔与搅拌针(3 1)的轴线重合；五、摩擦预热当伸缩轴肩(2)的下端面开始与工件表面相接触时，搅拌针(3 1)还未与锥形缺陷修复预置孔侧壁接触，焊具夹持体(1)和伸缩轴肩(2)间的弹簧(4)发生弹性变形，弹性变形力作用于伸缩轴肩(2)上的下圆环(2 2)的上端面，使下圆环(2 2)的下端面与工件表面之间产生相对摩擦作用，利用摩擦产热对锥形缺陷修复预置孔附近材料进行摩擦加热，从而实现对锥形缺陷修复预置孔的预热；六、补焊预热过程结束后，随着焊具的逐渐压入，搅拌针(3 1)的锥体部分已完全从通孔(2 3)中伸出且外露在下圆环(2 2)的下端面外，搅拌针(3 1)与待补焊的锥形缺陷修复预置孔内壁材料紧密接触，并搅拌摩擦，界面区域金属出现塑性变形现象，在伸缩轴肩(2)的下端面与工件表面搅拌摩擦产热和搅拌针(3 1)与锥形缺陷修复预置孔侧壁搅拌摩擦产热的作用下，并在扭矩剪切力的作用下，塑性变形后的搅拌针(3 1)的锥体部分完全填充于锥形缺陷修复预置孔内，最后使焊具沿焊接方向移动1mm～5mm，实现对搅拌摩擦焊焊缝缺陷和匙孔的补焊，焊具提起，弹簧(4)处于松弛状态，搅拌针柄遗留于焊具夹持体(1)的夹持孔(1 2 2)中。
2. 一种实现权利要求1所述可伸缩轴肩摩擦预热搅拌摩擦塞补焊方法的焊具，所述 焊具包括搅拌体(3)，所述搅拌体(3)由搅拌针(3-1)和搅拌针柄(3-2)组成，搅拌针柄 (3-2)和搅拌针(3-1)由上至下制成一体，搅拌针柄(3-2)的外表面上设有搅拌针夹持 面(3-2-1)，搅拌针(3-1)为锥体，其特征在于所述焊具还包括焊具夹持体(1)、伸缩轴 肩(2)、弹簧(4)、四个限位板(5)和至少四个键(6)，所述焊具夹持体⑴由同轴的上圆 柱体(1-1)和下圆柱体(1-2)组成，上圆柱体(1-1)的直径小于下圆柱体(1-2)的直径， 上圆柱体(1-1)与下圆柱体(1-2)制成一体，上圆柱体(1-1)的外表面上设有焊具夹持面 (1-1-1)，下圆柱体(1-2)的轴心处设有阶梯孔，阶梯孔由下至上分别为上圆环孔(1-2-1) 和夹持孔(1-2-2)，夹持孔(1-2-2)的侧壁上设有垂直于下圆柱体(1-2)轴线的螺纹通孔 (1-2-3)，上圆环孔(1-2-1)的内壁上均布设有至少四个内槽(1-2-1-1)，伸缩轴肩(2)由 同轴的上圆环(2-1)和下圆环(2-2)组成，上圆环(2-1)的外径小于下圆环(2-2)的外 径，上圆环(2-1)与下圆环(2-2)制成一体，上圆环(2-1)的外表面均布设有与至少四个 内槽(1-2-1-1) —一对应的外槽(2-1-1)，伸缩轴肩(2)上的上圆环(2-1)设置在上圆环 孔(1-2-1)中，每个一一对应的外槽(2-1-1)与内槽(1-2-1-1)中装有一个键(6)，下圆环 (2-2)的外径与下圆柱体(1-2)的外径相等，伸缩轴肩(2)的轴心处设有与夹持孔(1-2-2) 对且孔径相等的通孔(2-3)，弹簧(4)位于下圆柱体(1-2)的下端面与下圆环(2-2)的上端 面之间，且弹簧(4)套装在上圆环(2-1)上，下圆环(2-2)的外径与下圆柱体(1-2)的外径 相等，每个限位板(5)上设有长孔(5-1)，四个限位板(5)均布设置在下圆环(2-2)和下圆 柱体(1-2)的外表面处，每个限位板(5)的上端通过螺钉将限位板(5)与下圆柱体(1-2)连 接，每个限位板(5)的下端通过螺钉将限位板(5)与下圆环(2-2)连接，且每个限位板(5) 上的螺钉均穿过长孔(5-1)，搅拌体(3)上的搅拌针柄(3-2)设置在通孔(2-3)和夹持孔(1-2-2)中，且搅拌针夹持面(3-2-1)与螺纹通孔(1-2-3)对，搅拌针(3_1)的三分之二锥 体部分外露于下圆环(2-2)的下端面外。
3.根据权利要求2所述可伸缩轴肩摩擦预热搅拌摩擦塞补焊的焊具，其特征在于所 述下圆环(2-2)的下端面设有外边缘高于中心的凹形轴肩面(2-2-1)。
4.根据权利要求2或3所述可伸缩轴肩摩擦预热搅拌摩擦塞补焊的焊具，其特征在于 焊具夹持体(1)上端面的轴心处设有与下圆柱体(1-2)上的夹持孔(1-2-2)相通的退料孔 (1-3)，且退料孔(1-3)的孔直径小于夹持孔(1-2-2)的孔直径。
5.根据权利要求4所述可伸缩轴肩摩擦预热搅拌摩擦塞补焊的焊具，其特征在于所 述焊具夹持体(1)和伸缩轴肩(2)的材质均为高速钢。
全文摘要
可伸缩轴肩摩擦预热搅拌摩擦塞补焊方法及其焊具，它涉及一种填充式搅拌摩擦塞补焊方法及其焊具，以解决填充式搅拌摩擦塞补焊过程中，强烈的抵抗力导致搅拌针未完全塑性变形就已发生断裂，使材料的连续流动性变差的问题。方法一、搅拌针材质与被补焊零件材质相同；二、开锥形缺陷修复预置孔；三、确定搅拌针尺寸；四、对锥形缺陷修复预置孔定位；五、摩擦预热；六、补焊。焊具伸缩轴肩上的上圆环与焊具夹持体上的下圆柱体之间用键连接，伸缩轴肩上的下圆环的上端面与下圆柱体的下端面之间装有弹簧，下圆柱体与下圆环的外表面用限位板连接，搅拌体设置在焊具夹持体上的夹持孔和伸缩轴肩上的通孔中。本发明用于搅拌摩擦焊焊缝匙孔和缺陷的补焊。
文档编号B23K20/24GK101982284SQ20101053194
公开日2011年3月2日 申请日期2010年11月4日 优先权日2010年11月4日
发明者冷劲松, 刘会杰, 李垚, 韩冰, 黄永宪 申请人:哈尔滨工业大学