一种搅拌摩擦焊焊具和用该焊具修复匙孔缺陷的方法与流程

本发明涉及金属焊接，特别是一种搅拌摩擦焊焊具和用该焊具修复匙孔缺陷的方法。

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针组成的搅拌摩擦焊焊具扎入工件内部，与工件摩擦产生摩擦热，使材料流动，实现待焊工件的连接。

在搅拌摩擦焊接过程中，由于搅拌针的存在，在焊接接头的末端极易出现匙孔缺陷，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工件报废。

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，为提高材料的利用率、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，其搅拌头轴肩表面(底面)为平面、内凹面，或带有同心圆形状的凹槽。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，且不利于材料的良好转移，易造成焊缝缺陷，导致表面质量降低。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，且工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、应力集中少和适用范围广的搅拌摩擦焊焊具和用该焊具修复匙孔缺陷的方法。

本发明提供的搅拌摩擦焊焊具，包括搅拌头和与搅拌头配合的静止轴肩；所述搅拌头的搅拌头轴肩表面有六螺旋线凹槽；所述静止轴肩由四个套在搅拌头上、并可拆分的静止轴肩分体组合而成，静止轴肩的内径比搅拌头轴肩的直径大0.1～0.3mm，静止轴肩的外径比内径大5～10mm；四个静止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，超声变幅杆与静止轴肩分体的上表面相接触。

用上述搅拌摩擦焊焊具修复匙孔缺陷的方法，包括以下步骤：

步骤1、将带有匙孔的待修复工件水平放置在工作台上，并加以固定。

步骤2、采取级进式填充修复焊方式，先根据匙孔的尺寸确定填充修复焊的级数；根据工件材质的不同和修复匙孔的大小选取超声振动装置的超声技术参数，选取范围是，功率为600～2000W，振幅为15～55μm，频率为20kHz～60kHz。

步骤3、然后按下述方法利用匙孔周围材质对匙孔进行级进式填充焊

一级填充焊：

搅拌摩擦焊焊具采用搅拌头轴肩直径比匙孔上端直径略大的搅拌头和与之匹配的静止轴肩；将静止轴肩的四个静止轴肩分体套在搅拌头上；然后使搅拌头以50～10000转/分的转速和0.1～10mm/分的下压速度扎入匙孔一定深度，使匙孔周围的塑化材料填充到匙孔底部和搅拌头之间的空腔中；搅拌头的下扎深度根据等体积原理确定，搅拌头达到确定的下扎深度时停止下扎，此时使静止轴肩与工件(板材)的表面相接触，但不转动；开启四个超声振动装置，调节超声变幅杆与静止轴肩表面的夹角，使振动效果达到最佳；搅拌头停止下扎后继续旋转1～100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；然后将搅拌头和静止轴肩一起撤回，完成匙孔的一级填充焊。

完成一级填充焊后，将搅拌摩擦焊焊具改用搅拌头轴肩直径比一级填充焊所用搅拌头的搅拌头轴肩直径大1～3mm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；

完成二级填充焊后，将搅拌摩擦焊焊具改用搅拌头轴肩直径比二级填充焊所用搅拌头的搅拌头轴肩直径大1～3mm的搅拌头和预制匹配的静止轴肩按与一级填充焊相同的方法对匙孔进行三级填充焊。

以此类推，完成利用匙孔周围材质对匙孔设定的多级填充焊；

步骤4、完成上述利用匙孔周围材质对匙孔确定的多级填充焊后，根据体积不变原理，在匙孔上部会出现一个深度较浅、直径较大的圆形缺孔，此时先用尺寸与该缺孔相同、材质与工件相同的圆形填充片填充该缺孔；然后将搅拌摩擦焊焊具改用搅拌头轴肩直径比该缺孔孔径大1～5mm的搅拌头和与之匹配的静止轴肩，在超声振动装置辅助下对该缺孔进行填充焊：使搅拌头以50～10000转/分的转速旋转并下扎，下扎深度达到0.1mm时停止下扎，使静止轴肩的端面与工件上表面接触，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工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1～100mm；超声振动维持100s后停止；最后将搅拌头和静止轴肩以1～5mm/分的速度同时撤回，完成匙孔的整个修复焊过程。

与现有技术相比较，本发明的有益效果是：

1、与用整体式外填充材料一次性填充修复焊相比，本发明利用匙孔周围工件自身材质对匙孔采取级进式填充修复焊，可提高修复界面冶金结合强度；减少弱连接缺陷。

2、在填充过程中，四个方向的超声波通过四个静止轴肩分体对工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，提高工件焊接部位的原子扩散程度，细化填充区晶粒尺寸，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，进一步减少弱连接缺陷，提高修复区强度。

3、与搅拌头轴肩表面呈平面或带有同心圆形状凹槽的传统搅拌头相比，本发明使用轴肩表面具有六螺旋线凹槽的搅拌头可使被摩擦的材料产生更好的流动，增强界面的冶金结合，提高修复区强度。

4、填充焊接过程中，由于静止轴肩不旋转，可吸收大量的热，减小热影响区的宽度和晶粒长大现象，有利于提高修复区强度；此外，静止轴肩还可起到阻止材料溢出焊缝的作用，使修复区表面光滑。

5、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。

6、与现有不消耗搅拌头的搅拌摩擦焊相比，本发明可实现对较大深度匙孔缺陷的修复，修复后的修复区厚度不减薄，且应力集中现象减少。

7、本发明适用范围广，修复不受匙孔缺陷深度限制，对于铸铝、铸镁以及其他变形铝或镁结构件中的各种体积型缺陷，只要先将各种形状的体积型缺陷用钻取工具加工成大小不同的匙孔，均可采用本发明加以修复。

附图说明

图1是本发明搅拌摩擦焊焊具的结构示意图；

图2是图1中搅拌头的搅拌头轴肩表面视图；

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工件示意图；

图5是用本发明搅拌摩擦焊焊具修复图4工件匙孔的参考图。

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静止轴肩分体，7.六螺旋线凹槽，8.工件，9.(待修复)匙孔，10.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。

结合图1至图3，本发明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；搅拌头的搅拌头轴肩5表面(底面)有六螺旋线凹槽7，六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。所述静止轴肩整体呈上大下小的圆台形，其内径比搅拌头轴肩的直径大0.1～0.3mm，下端外径比内径大5～10mm，上端外径比内径大10～100mm。静止轴肩由四个套在搅拌头上、并可拆分的静止轴肩分体6组合而成。四个静止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，超声变幅杆与静止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所示工件(铸铝)8上表面上的匙孔9进行修复的实施例。该匙孔上大下小，上端直径d为6mm，匙孔的深度为4mm。

本实施例采取三级填充焊，其中一级和二级填充焊利用匙孔周围的工件材质进行，三级填充焊利用外加的圆形填充片进行。

与三级填充焊相对应，搅拌摩擦焊焊具使用三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直径为8mm,静止轴肩的内经为8.1mm，静止轴肩的下端外径为14mm,静止轴肩的上端外径为24mm；二级填充焊使用的搅拌头的搅拌头轴肩直径为10mm,静止轴肩的内经为10.1mm，静止轴肩下端外径为16mm,静止轴肩上端外径为26mm；三级填充焊使用的搅拌头的搅拌头轴肩直径为12mm,静止轴肩的内经为12.1mm，静止轴肩下端外径为18mm,静止轴肩上端外径为28mm。

与静止轴肩的四个静止轴肩分体配套使用的四个超声振动装置的技术参数为：功率为1800W，振幅为35μm，超声波频率位22kHz。

修复过程如下：

1、将待修复工件水平放置在工作台(未图示)上，并加以固定。

2、利用匙孔周围材质对匙孔进行两级填充焊

结合图5(a)，一级填充焊方法如下：

搅拌摩擦焊焊具采用上述一级填充使用的搅拌头和与之匹配的静止轴肩；将静止轴肩的四个静止轴肩分体套在搅拌头上，使搅拌头以2000转/分的转速和0.5mm/分的下压速度扎入匙孔3mm，使匙孔周围的塑化材料填充到匙孔底部和搅拌头之间的空腔中；搅拌头达到3mm下扎深度时停止下扎，此时使静止轴肩与工件表面相接触，但不转动；将四个超声振动装置的超声变幅杆分别与四个静止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50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；然后将搅拌头与静止轴肩一起撤回，完成匙孔的一级填充焊。

结合图5(b)，完成一级填充焊后，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1.5mm；

步骤4、结合图5(c)和图5(d)，完成上述两级填充焊后，根据体积不变原理，在匙孔上部会出现一个深度为1.5mm、直径为10mm的圆形缺孔，此时用直径为10mmmm、厚度为1.5mm、与工件同材质圆形填充片10填充该缺孔；然后将搅拌摩擦焊焊具改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进行填充焊接；当搅拌头的下扎量达到0.1mm时使静止轴肩的端面与工件的上表面接触，同时搅拌头停止下扎，继续旋转100s后停止旋转，然后以5mm/分的速度V与静止轴肩一起沿工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100s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焊接过程。

修复后的工件，填充材料与工件母材冶金结合良好，修复区表面光滑平整，无缺陷。