一种用搅拌摩擦焊修复金属构件体积型缺陷的方法与流程

本发明涉及金属焊接，特别是一种用搅拌摩擦焊修复金属构件体积型缺陷的方法。

背景技术：

搅拌摩擦焊作为一种新型的固相焊接方法，具有焊接温度低、变形和残余应力小及焊接焊接接头质量高等优点，已被广泛应用于航空航天、高铁和船舶等领域。焊接过程中，一个由特殊设计的轴肩和搅拌头组成的搅拌摩擦焊焊具扎入金属构件内部，与金属构件摩擦产生摩擦热，使材料流动，实现待焊金属构件的连接。

在搅拌摩擦焊接过程中，由于搅拌针的存在，在焊接接头的末端会出现匙孔缺陷，该匙孔缺陷会引起弱连接和应力集中效应，极大地降低焊接接头的力学性能，降低焊接质量，严重时甚至导致焊接金属构件报废。

另外，对于现今大量应用于制造行业的铝合金和镁合金铸造件，在铸造过程中不可避免地会产生如气孔、疏松、裂纹等各种铸造缺陷，影响镁合金或铝合金铸造结构的质量，严重时也会导致铸件报废。

此外，某些金属构件在使用过程中亦会产生各种缺陷，严重时同样得报废。

针对上述产品因不同原因导致的缺陷而影响其质量和使用寿命的技术问题，为提高材料利用率、节省资源和能源，许多修复上述缺陷的方法和装置应运而生。

目前修复上述体积型缺陷最好的方法就是将上述各种体积型缺陷先加工成为匙孔缺陷，然后采取搅拌摩擦焊修复匙孔缺陷。

目前用搅拌摩擦焊修复匙孔缺陷，使用的搅拌摩擦焊焊具的搅拌头一般为传统搅拌头，搅拌头的轴肩的底面为平面、带有同心圆形状的凹槽或内凹形轴肩。用这种搅拌头进行搅拌摩擦焊修复匙孔，工件表面易出现弧纹和飞边等，且不利于材料的良好转移，造成焊缝缺陷和表面质量降低。用这类搅拌摩擦焊焊具修复匙孔缺陷的方法有搅拌摩擦塞焊法、T型填充块与无针搅拌头相结合焊接法等。

CN101966621B专利文献公开的电弧预热搅拌摩擦塞补焊的方法和CN102500915A专利文献公开的采用T型填充块与无针搅拌头填充搅拌摩擦焊匙孔的方法，均是采用类似填充块的方式进行匙孔缺陷修复，受板材厚度限制，用这两种方法难以进行大厚板材深度大的匙孔缺陷的修复；此外，修复界面极易产生冶金结合不良现象，使焊接接头性能降低。

CN102861985A专利文献公开的铝合金搅拌摩擦焊孔洞缺陷的修补方法和CN201410040662.1专利文献公开的铝合金搅拌摩擦焊接缺陷修复方法，是通过对缺陷挖排、再使用MIG焊填充，最后用搅拌摩擦焊修复缺陷。这两种方法的缺点是，搅拌摩擦焊后会出现新的匙孔缺陷，未从根本上消除体积型缺陷。

CN103212778A专利文献公开的基于搅拌摩擦的裂纹修复方法，只是采用无针搅拌头修复金属材料近表面的缺陷，未能实现沿板材深度方向的修补，且金属构件修复区会出现厚度减薄现象，导致应力集中，接头抗疲劳寿命降低。

技术实现要素：

为解决上述现有搅拌摩擦焊修复匙孔缺陷存在的问题，本发明提供一种可使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、应力集中少、修复不受缺陷深度限制、适用范围广的用搅拌摩擦焊修复金属构件体积型缺陷的方法。

本发明用搅拌摩擦焊修复金属构件体积型缺陷的方法，其特点是：

该方法使用的搅拌摩擦焊焊具包括搅拌头和与搅拌头配合的静止轴肩；所述搅拌头的搅拌针的底面有六螺旋线凹槽；所述静止轴肩由四个套在搅拌头上、并可拆分的轴肩分体组合而成，静止轴肩的内径比搅拌头的搅拌头轴肩直径大0.1～0.3mm，静止轴肩的外径比内径大5～10mm；四个轴肩分体分别有与其配合使用的超声振动装置，超声振动装置由超声波发生器、超声换能器和超声变幅杆组成，超声变幅杆与轴肩分体的上表面相接；

用该搅拌摩擦焊焊具修复金属构件体积型缺陷，按以下步骤进行：

步骤1、用手钻将待修复金属构件上的各种体积型缺陷扩充成圆柱形匙孔；

步骤2、将金属构件水平放置在工作台上，并加以固定。

步骤3、采取连续填充焊的方法，先根据匙孔(指扩充后的圆柱形匙孔，下同)的尺寸为搅拌摩擦焊焊具选取适应各级填充焊所需的不同尺寸规格的搅拌头和与之匹配的静止轴肩；根据金属构件材质的不同和待修复匙孔的大小选取超声振动装置的超声技术参数，其选取范围是：功率为600～2000W，振幅为15～55μm，频率为20kHz～60kHz；按填充焊的级数制作一组尺寸规格分别与各级搅拌头的搅拌针直径相对应、材质与金属构件相同或不同的填充片。

步骤4、然后按下述方法对匙孔进行级进式填充焊：

一级填充焊：

选取直径与匙孔直径相同、厚度为0.1mm—10mm的一级填充片填入匙孔的下部；搅拌摩擦焊焊具选用搅拌针直径小于一级填充片直径1mm或1mm以下的搅拌头和与之匹配的静止轴肩；将静止轴肩的四个轴肩分体套在搅拌头上；将四个超声振动装置的超声变幅杆分别与四个轴肩分体的上表面相接；启动四个超声振动装置，调整超声变幅杆与金属构件表面的夹角，使超声振动达到最佳效果；然后使搅拌头和搅拌针以50～10000转/分的转速转动和0.1～10mm/分的速度向下扎入一级填充片中，扎入深度达到一级填充片厚度的10％—90％时，停留1～100秒，使一级填充片受到充分摩擦热呈塑性流动状态，其底部和侧壁与匙孔周围的材料形成冶金结合；然后撤回搅拌头和与之配套的静止轴肩，完成一级填充焊。

二级填充焊：

完成一级填充焊后，选用与一级填充焊搅拌针留下的缺孔直径相同、厚度为0.1mm—10mm的二级填充片填入一级搅拌针留下的缺孔下部；搅拌摩擦焊焊具选用搅拌针直径小于二级填充片直径1mm或1mm以下的搅拌头和与之匹配的静止轴肩，以与一级填充焊相同的方法完成二级填充焊。

三级填充焊：

完成二级填焊充后，选用与二级填充焊搅拌针留下的缺孔直径相同、厚度为0.1mm-10mm的三级填充片填入二级搅拌针留下的缺孔下部；搅拌摩擦焊焊具选用搅拌针直径小于三级填充片直径1mm或1mm以下的搅拌头和与之匹配的静止轴肩，以与一级填充焊相同的方法完成三级填充焊；

以此类推，当进行到最后一级填充焊时，改用直径大于匙孔直径的无针搅拌头进行最后一级填充焊；

步骤5、完成最后一级填充焊后，搅拌头停止下扎，搅拌头继续旋转1～100s后停止旋转，然后以1～100mm/分的速度与静止轴肩一起沿金属构件的上表面向一侧移动，(此时超声振动不停止)，使搅拌头离开修复的匙孔5mm；超声振动维持200s后停止；最后将搅拌头和静止轴肩以5mm/分的速度同时撤回，完成匙孔的整个修复过程。

与现有技术相比较，本发明的有益效果是：

1、本发明采用连续填充搅拌摩擦焊对金属构件体积型缺陷进行修复，与现有用整体式外填充材料一次性填充修复焊相比，具有界面冶金结合效果好、强度高、易于控制界面位置材料流动且焊后无减薄等优点。

2、在填充过程中，四个方向的超声波通过静止轴肩的四个分体对金属构件匙孔的周边同时施加高频机械振动，可增大超声波的振动效应，增加金属构件焊接部位的原子扩散程度，促进填充区层间及填充区与母材层间的扩散连接；增强填充过程中材料的流动，减少弱连接缺陷；细化填充区晶粒尺寸，进一步提高修复区性能。

3、与使用搅拌针底面为平面或带有同心圆形状的凹槽的搅拌头相比，本发明使用的搅拌头的搅拌针底面具有六螺旋线凹槽，可使塑化材料更好地流动，促进界面原子扩散和机械咬合，有利于增加界面的冶金结合，提高修复区的强度。

4、填充过程中，由于静止轴肩不旋转，可吸收大量的热，减小热影响区宽度和晶粒长大现象，有利于提高修复区强度；静止轴肩采取分体式，不仅可有效地将多级超声导入到焊缝内部，增强超声作用效果，促进修复界面原子扩散以实现良好冶金结合，还可起到阻止材料溢出焊缝的作用，使修复区表面光滑。

6、焊接完成后，继续施加一定时间的超声振动有利于消除修复区内应力，提高修复区的力学性能。

7、本发明可以通过调节热输入的方法控制单道次的组织演变和界面结合效果，有利于提高修复区性能。

8、本发明适用范围广，修复不受缺陷深度限制，对于搅拌摩擦焊产生的体积型缺陷、铝合金和镁合金铸造结构件中的隧道、孔洞、沟槽和匙孔等体积型缺陷、以及金属结构件在生产或服役过程出现的各种缺陷，均可采用本发明方法进行修复。

附图说明

图1是本发明使用的搅拌摩擦焊焊具的结构示意图；

图2是图1中搅拌针的底面视图；

图3是图1中静止轴肩和超声振动装置组装后的立体图；

图4是上表面带有匙孔的金属构件示意图；

图5是用本发明修复图4金属构件匙孔的参考图。

图中：1.搅拌头，2.超声换能器，3.超声变幅杆，4.静止轴肩，5.搅拌头轴肩，6.搅拌针，7.轴肩分体，8.六螺旋线凹槽，9.金属构件，10.(待修复)匙孔，11.一级填充片，12.二级填充片，13.三级填充片，14.四级填充片。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

如图1至图3所示，本发明使用的搅拌摩擦焊焊具包括搅拌头1和与搅拌头配合的静止轴肩4。搅拌头的搅拌针6的底面有六螺旋线凹槽8，六螺旋线凹槽的最大曲率半径ρ、弧长L和宽度b分别为搅拌针直径的0.7倍、0.5倍和0.1倍。所述静止轴肩由四个套在搅拌头上、并可拆分的轴肩分体7组合而成。静止轴肩呈上大下小的圆台形，其内径比搅拌头的搅拌头轴肩5直径大0.1～0.3mm，下端外径比内径大5～10mm，上端外径比内径大10～100mm。四个轴肩分体分别有与其配合使用的超声振动装置，超声振动装置由超声波发生器(未图示)、超声换能器2和超声变幅杆3组成，超声变幅杆与轴肩分体的上表面相接。

以下为利用上述结构的搅拌摩擦焊焊具对图4所示金属构件9(铸铝)上表面上的匙孔10行修复的实施例。该匙孔上大下小，上端直径d为6mm，匙孔的深度为5mm。

修复采取四级填充焊，与四级填充焊相对应，搅拌摩擦焊焊具使用四种尺寸规格的搅拌头和静止轴肩：一级填充焊使用的搅拌头的搅拌头轴肩、搅拌针的直径和针长分别为15mm、5mm和4mm,静止轴肩的内经为15.2mm，静止轴肩的下端外径24mm,静止轴肩的上端外径34mm；二级填充焊使用的搅拌头的搅拌头轴肩、搅拌针的直径和针长分别为15mm、4mm和3mm,静止轴肩的内经为15.2mm，静止轴肩的下端外径24mm,静止轴肩的上端外径为34mm；三级填充焊使用的搅拌头的搅拌头轴肩、搅拌针的直径和针长分别为15mm、3mm和2mm,静止轴肩的内经为15.2mm，静止轴肩的下端外径24mm,静止轴肩的上；四级填充焊使用的搅拌头为无针搅拌头，直径为15mm,静止轴肩的内经为15.2mm，静止轴肩的下端外径24mm,静止轴肩的上端外径为34mm。

与静止轴肩的四个轴肩分体配套使用的四个超声振动装置分别由超声波发生器(未图示)、超声换能器2和超声变幅杆3组成，其技术参数为：功率2000W，振幅37μm，频率20kHz。

修复过程如下：

1、用手钻将待修复金属构件上大下小的匙孔扩成直径为6mm、深度为5mm圆柱形匙孔。

2、将上述扩孔后的金属构件水平放置在工作台上，并加以固定。

3、然后按下述方法对匙孔进行级进式填充焊

结合图5(a)，一级填充焊方法如下：

选用直径为6mm、厚度为5mm、与金属构件材质相同的一级填充片11填入匙孔下部；搅拌摩擦焊焊具采用上述一级填充焊使用的搅拌头和与之匹配的静止轴肩；将静止轴肩的四个轴肩分体套在搅拌头上，使搅拌头以1500转/分的转速和1mm/分的下压速度扎入匙孔4mm，搅拌头达到4mm下扎深度时停止下扎，此时使静止轴肩与金属构件表面相接触，但不转动；将四个超声振动装置的超声变幅杆分别与四个轴肩分体的上表面呈60°夹角接触，使超声振动达到最佳效果；搅拌头停止下扎后继续旋转60秒，使搅拌头下部的填充材料塑性流动，与填充区的界面实现冶金结合；搅拌头停止下扎后继续旋转120s，然后将搅拌头与静止轴肩一起以5mm/分的速度撤回，完成匙孔的一级填充焊。

结合图5(b)，完成一级填充焊后，选用直径为5mm、厚度4mm、与金属构件材质相同的二级填充片12填入一级填充焊留下的缺孔下部；搅拌摩擦焊焊具采用上述二级填充焊使用的搅拌头和与之匹配的静止轴肩；按与一级填充焊相同的方法对匙孔进行二级填充焊，二级填充焊搅拌头的下扎量为3mm。

结合图5(c)，完成二级填充焊后，选用直径为4mm、厚度为3mm、与金属构件材质相同的三级填充片13填入二级填充焊留下的缺孔下部；搅拌摩擦焊焊具采用上述三级填充焊使用的搅拌头和与之匹配的静止轴肩；按与一级填充焊相同的方法对缺孔进行三级填充焊，三级填充焊搅拌头的下扎量为2mm。

结合图5(d)，完成三级填充焊后，选用直径为2mm、厚度为1mm、与金属构件材质相同的四级填充片14填入三级填充留下的缺孔下部；搅拌摩擦焊焊具采用上述四级填充焊使用的搅拌头和与之匹配的静止轴肩；按与一级填充焊相同的方法对缺孔进行四级填充焊，四级填充搅拌头的下扎量为0.1mm。

4、结合图5(e)，完成四级填充焊后，搅拌头停止下扎，继续旋转100s，对材料进行软化、搅拌和混合，然后以1mm/分的速度与静止轴肩一起沿金属构件的上表面向一侧移动，(此时超声振动不停止)，使搅拌头离开修复的匙孔5mm，维持超声振动200s后停止，最后将搅拌头和静止轴肩以5mm/分的速度同时撤回，完成匙孔的整个修复过程。

经过四级填充焊修复后的金属构件，修复区填充材料与金属构件母材冶金结合良好，表面光滑平整，无缺陷。