一种铝合金搅拌摩擦焊接缺陷修复方法
【专利摘要】一种铝合金搅拌摩擦焊接缺陷修复方法,采用弹簧秤下挂磁铁块方法，确定判断出铝合金搅拌摩擦焊缝中搅拌针的掩埋位置,并通过采用风动铣刀，并配合手电钻、尖嘴钳，将折断的搅拌针从焊缝中取出。再采用非熔化极惰性气体保护焊（MIG焊）对挖取处造成材料缺失进行填充。最后采用搅拌摩擦焊接方法对问题焊缝进行最终焊接修复。本发明操作简单、易于实现，经济性高，实用性强,实际工程应用意义显著。
【专利说明】一种铝合金搅拌摩擦焊接缺陷修复方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种搅拌摩擦焊接缺陷的修复方法，适用于铝合金搅拌摩擦焊接过程中搅拌头前端的搅拌针折断，并遗留掩埋于焊缝内部，由此带来的焊缝中遗留搅拌针的位置判定、抠取以及焊缝的最终修复。
【背景技术】
[0002]随着轨道车辆加工制造行业的快速发展，特别是在全球能源危机的大背景下，轻量化设计已成为主流。由于铝合金材料具有密度低、比强度高、易成型、耐腐蚀等优异的物理特性和力学性能，现已大范围应用于轨道车辆的车体加工制造。在目前的铝合金车体制造中，焊接方法主要以熔化极惰性气体保护焊(Metal Inert-gas Welding, MIG)为主。但由于铝合金在空气中及焊接时极易氧化成熔点高、稳定性强、易吸潮且不易去除的氧化铝，妨碍焊接的进行，而且铝合金在焊接过程中焊接接头内容易生成气孔、夹杂、未熔合以及未焊透等缺陷。此外，铝合金熔弧焊变形量大，特别是进行厚板焊接时问题更为突出。
[0003]揽拌摩擦技术(Friction Stir Welding, FSW)是英国焊接研究所(The WeldingInstitute, TH)在1991年发明的一种先进的材料固态连接方法。该技术具有热输入量低、焊接接头质量高、焊接变形小、对温湿度不敏感、绿色环保等优点，特别适合于铝合金材料的焊接。因此，FSW技术一经问世，既得到了专家学者的广泛关注，并由于这项技术所具备的显著技术经济效益，截止目前FSW技术已在航空、航天、造船、汽车制造，以及轨道车辆加工制造方面得到了广泛应用。
[0004]尽管利用搅拌摩擦焊接方法进行铝合金焊接可获得高质量、高稳定性的焊接接头，但在工程实际操作中，为降低成本，在最大程度发挥单支搅拌头的使用寿命情况下，常出现因搅拌头的过渡使用，导致其结构尺寸以及表面状况受损而使问题焊缝发生。通常，搅拌头主要由夹持区、轴肩和搅拌针三部分组成。在搅拌摩擦焊接过程中，搅拌头轴肩在作为主要热量来源的同时，还对塑性区金属起到包拢、挤压作用，进而保证焊缝金属的成形。此部位的主要失效破坏形式以表面磨损为主。此问题可通过观察搅拌头轴肩表面状况以及所焊焊缝表面成形进行判断，因此，搅拌头的此类破损形式较易掌握，并且由此导致的问题焊缝也较易避免。搅拌头的另一严重破损形式，则为FSW焊接过程中，其前端扎入工件内部搅拌针的突然折断。因搅拌头的搅拌针部分在焊接过程除与焊缝内部金属产生摩擦，在提供部分热量来源的同时，还起到实现焊缝塑性材料的机械搅拌、使材料流动更为合理的作用，在整个过程中搅拌针的外型及尺寸在承受磨损变短的同时，还承受较大的扭矩。由分析可知，无论在扎入阶段或稳定焊接阶段，搅拌头易发生脆性断裂的薄弱部位均为搅拌针根部。并且随着待焊材料厚度的增加，所承受的剪切力增大，相应地加大了搅拌针折断的概率。此情况下，如继续焊接，不仅折断的搅拌针掩埋于焊缝内部，其后所形成的焊缝也将存在严重的质量问题。
[0005]而且在FSW焊接过程中，即使搅拌头的前端搅拌针突然折断，搅拌摩擦焊接仍能继续进行，并且待焊工件表面仍能有效成形。从而，增加了上述FSW过程中搅拌针折断问题发生的发现难度，而且常在焊接结束后，观测搅拌头的状况时才发现搅拌头的搅拌针部分已经折断。此时，需准确地判断出搅拌针掩埋于焊缝中的位置，进而才能有效对问题焊缝进行修复。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是针对铝合金搅拌摩擦焊接过程中搅拌头的前端搅拌针部分异常折断，并因未能及时发现使得折断的搅拌针掩埋于焊缝内部问题，提出一种能够准确判定出掩埋于焊缝内的折断搅拌针位置，并针对此问题制定出对应的解决办法。
[0007]为实现上述目的，本发明提供一种铝合金搅拌摩擦焊接缺陷修复方法，其特征在于包括下列步骤:
1、将下端吊有磁铁块的弹簧秤置于焊缝表面，使磁铁下表面与铝合金FSW焊缝表面距离控制在5mm至IOmm之间；
2、以每分钟30-40mm的速度沿焊缝方向向前移动弹簧秤；
3、在行进过程中，发生弹簧秤读数突然增大，则初步判断此处为焊缝内部折断搅拌针的掩埋位置；
4、重复I一 3步，对焊缝内部折断搅拌针的掩埋位置进行往返测试，最终确定出搅拌针的具体掩埋位置；
5、在确定出搅拌针的具体掩埋位置后，用风动铣刀抠磨遗留在FSW焊缝中的折断搅拌针，之后配合手电钻、尖嘴钳，将折断的搅拌针从焊缝中取出；
6、用风动铣刀沿着焊缝方向将搅拌针挖取处剖磨，使该处形成逐步向焊缝表面均匀过渡的船形沟槽，再采用MIG焊进行材料填充，之后用风动角向砂轮将MIG焊焊缝磨平；
7、更换与破损搅拌头相同型号工具后，对问题焊缝进行FSW修复。
[0008]本发明具有以下有益效果:
1.本发明开发提出了适合于铝合金FSW焊接时，搅拌针折断并掩埋于焊缝内部，并由此而带来的遗留搅拌针搜寻、抠取以及问题焊缝修复的新方法；
2.本发明操作简单，经济性高，实用性强。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1是铝合金FSW焊接搅拌头扎入待焊工件前示意图；
图2是铝合金FSW焊接过程示意图；
图3为铝合金FSW焊接结束端搅拌头上提离开工件表面示意图；
图4是铝合金FSW焊缝中折断搅拌针遗留搜寻示意图。
【具体实施方式】
[0010]结合图1、图2、图3和图4，待焊铝合金工件2和铝合金工件3同为12mm板厚的6082铝合金板(热处理状态为T6)，首先用酒精擦除待焊工件2和工件3的表面油污，再用钢丝刷去除工件2和工件3上表面、侧边的氧化膜，之后实现工件2和工件3间的良好组配。所用搅拌头I由夹持区1-1、轴肩1-2和搅拌针1-3组成。设定搅拌头I轴向与待焊铝合金工件2和工件3表面法线方向成2.5°前倾角。启动搅拌摩擦焊接设备，使得搅拌头I达到设定转速450rpm。搅拌头I以0.3mm/s速度扎入待焊铝合金工件2和工件3之间的待焊焊缝4，直至搅拌头I的轴肩1-2压入工件2和工件3表面0.1mm至0.2mm之间，之后停留5s后，沿待焊焊缝4以150mm/min焊速进行焊接。在FSW焊接过程中，搅拌头I的轴肩1-2部分与待焊铝合金工件2和工件3密切接触，搅拌头I的搅拌针1-3扎入埋藏于待焊铝合金工件2和工件3内部，最终在搅拌头I后方形成FSW焊缝5。FSff焊接结束时，搅拌头I向上提升，离开待焊铝合金工件2和工件3表面，此时观察搅拌头I的搅拌针1-3部分，发生搅拌针已破损折断。将图4中所示的检测支架6放置于FSW焊缝5上端，并通过检测支架的支杆6-2的角度调整，使弹簧秤7前端吊挂的磁铁块8下表面与FSW焊缝5表面间距离控制在5-10mm范围内。手动以每分钟30_40mm的速度沿FSW焊缝5中心线向前推移检测支架6的光杠6-1上吊挂的弹簧秤7 ;在弹簧秤7移动过程中，发现磁铁块8被向下吸引，弹簧秤7读数突然增大，则判断此处FSW焊缝5的位置为搅拌针折断掩埋位置。
[0011]在确定出FSW焊缝5中折断搅拌针1-3的掩埋位置后，在挖取折断的搅拌针1-3时，为减少剖磨尺寸，用风动铣刀抠磨确定的搅拌针1-3掩埋位置，待露出遗留在FSW焊缝5中的折断搅拌针1-3后，再配合手动钻、尖嘴钳，将折断的搅拌针1-3从FSW焊缝5取出。为了保证MIG焊填补质量，在焊接填料前，用风动铣刀沿着焊缝方向将搅拌针挖取处剖磨，使该处形成逐步向焊缝表面均匀过渡的船形沟槽，之后再采用MIG焊进行材料填充，最后采用风动角向砂轮将MIG焊余高焊缝磨平。在此之后，用更新后的搅拌头I对FSW焊缝5进行再次FSW焊接。
【权利要求】
1.一种铝合金搅拌摩擦焊接缺陷修复方法，其特征在于包括下列步骤: (1)将下端吊有磁铁块的弹簧秤置于焊缝表面，使磁铁下表面与铝合金FSW焊缝表面距离控制在5mm至IOmm之间； (2)以每分钟30-40mm的速度沿焊缝方向向前移动弹簧秤； (3)在行进过程中，发生弹簧秤读数突然增大，则初步判断此处为焊缝内部折断搅拌针的掩埋位置； (4)重复I一 3步，对焊缝内部折断搅拌针的掩埋位置进行往返测试，最终确定出搅拌针的具体掩埋位置； (5)在确定出搅拌针的具体掩埋位置后，用风动铣刀抠磨遗留在FSW焊缝中的折断搅拌针，之后配合手电钻、尖嘴钳，将折断的搅拌针从焊缝中取出； (6)用风动铣刀沿着焊缝方向将搅拌针挖取处剖磨，使该处形成逐步向焊缝表面均匀过渡的船形沟槽，再采用MIG焊进行材料填充，之后用风动角向砂轮将MIG焊焊缝磨平； (7)更换与破损搅拌头相同型号工具后，对问题焊缝进行FSW修复。
【文档编号】B23K20/26GK103785942SQ201410040662
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2014年1月28日 优先权日:2014年1月28日
【发明者】杨景宏, 张欣盟, 闫占奇, 夏常青 申请人:长春轨道客车股份有限公司