一种搅拌摩擦焊工具和用该工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工具和用该工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，其搅拌头轴肩表面(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：

为解决上述现有用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、修复区厚度不减薄、无材料溢出、应力集中现象少、不受缺陷深度限制和适用范围广的搅拌摩擦焊工具和用该工具修复匙孔缺陷的方法。

本发明提供的搅拌摩擦焊工具，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底面有六螺旋线凹槽；所述静止轴肩通过弹簧与轴肩固定块相接，轴肩固定块固定安装在焊机上，静止轴肩中设有电加热装置和冷却介质通道，电加热装置在内，靠近搅拌头，冷却介质通道在电加热装置以外，静止轴肩的高度与搅拌头轴肩高度相同。

用上述搅拌摩擦焊工具修复匙孔缺陷的方法，包括以下步骤：

步骤1、用手钻将待修复工件的匙孔加工成圆柱形；

步骤2、将匙孔加工成圆柱形的工件水平放置在工作台上，并加以固定。

步骤3、采取连续填充修复方式，根据匙孔(指加工后的圆柱形的匙孔，下同)的尺寸设计填充修复的级数；

步骤4、然后按下述方法逐级进行填充修复：

一级填充修复：

选取直径与圆柱形匙孔直径相同、厚度为1～20mm的一级填充片填入匙孔的下部；搅拌摩擦焊工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，启动静止轴肩中的电加热装置，对靠近匙孔的工件材料进行加热，加热时间为1～20min；电加热装置开始加热1～200秒后向静止轴肩中的冷却介质通道通入循环冷却介质，以降低加热区以外的工件材料的温度；搅拌头在此位置继续旋转并停留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；搅拌头达到设定的停留时间后，以3mm/分的回抽速度进行回抽，同时停止电加热装置加热，冷却介质继续冷却1～500秒，然后将搅拌头以3mm/分的速度回抽，静止轴肩与其一起撤回，完成一级填充修复；

二级填充修复：

完成一级填充修复后，选用与一级填充修复留下的缺孔直径相同、厚度为1～20mm的二级填充片填入一级填充修复留下的缺孔下部；搅拌摩擦焊工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，以与一级填充修复相同的方法完成二级填充修复；

三级填充修复：

完成二级填充修复后，选用与二级填充修复留下的缺孔直径相同、厚度为1～20mm的三级填充片填入二级填充修复留下的缺孔下部；搅拌摩擦焊工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，以与一级填充修复相同的方法完成三级填充修复；

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，以与一级填充修复相同的方法进行最后一级填充焊，完成最后一级填充修复后撤回搅拌头和静止轴肩，匙孔的整个修复过程结束。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明采用级进式连续填充搅拌摩擦焊对工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接相比，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、由静止轴肩中的电加热装置在焊前和焊中加热靠近匙孔的工件材料，可促进材料软化并良好的塑性流动和原子扩散，使填充材料与母材良好焊合；由静止轴肩中的冷却介质通道(相当于热沉)在焊中和焊后对加热区外围的工件材料进行冷却，使热影响区减小，实现窄软化区、小软化程度以及晶粒细化的效果，提高修复后结构件的性能。

3、与搅拌针底面为平面或带有同心圆形状凹槽的搅拌头相比，本发明使用搅拌针底面为六螺旋线凹槽的搅拌头可加强塑化材料的流动，促进界面原子扩散和机械咬合，增加界面的冶金结合，提高修复区的强度。

4、焊机通过轴肩固定块和弹簧分别对静止轴肩保持一定压力，可起到阻材料溢出焊缝、使修复区表面光滑、降低待修复区温度、促进材料流动、降低焊缝表面残余应力、提高接头质量的作用。

5、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。

6、本发明可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。

7、本发明适用范围广，对于铸铝、铸镁以及其他变形铝或镁结构中的各种体积型缺陷，只需事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，且不受缺陷深度限制。

附图说明

图1本发明搅拌摩擦焊工具的结构示意图(剖视图)；

图2是图1中搅拌头的搅拌针的底面示意图；

图3是图1中静止轴肩的外形立体图(不含电加热装置和冷却介质通道)；

图4是图3静止轴肩沿其电加热装置的横向截面图；

图5是待修复工件的示意图；

图6是用图1所示搅拌摩擦焊工具修复图5所示工件匙孔的参考图。

图中：1.搅拌头，2.轴肩固定块，3.弹簧，4.静止轴肩，5.电加热装置，6.冷却介质通道，61.冷却介质入口，62.冷却介质出口，7.搅拌头轴肩，8.搅拌针，9.六螺旋线凹槽，10.工件，11.匙孔，12.一级填充片，13.二级填充片，14.三级填充片。

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。

结合图1至图4，本发明搅拌摩擦工具包括搅拌头1和与搅拌头配合的静止轴肩4。搅拌头的搅拌针8底面有六螺旋线凹槽9，六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。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7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20～50mm，高度与搅拌头细部(图1中搅拌头位于搅拌针以上、上下直径相同的圆柱形部分)高度相同。静止轴肩通过弹簧3与轴肩固定块2相接，轴肩固定块固定安装在焊机(未图示)上。静止轴肩中设有环形电加热装置5和冷却介质通道6，电加热装置在内，靠近搅拌头，冷却介质通道在电加热装置以外，在静止轴肩的外壁上有冷却介质入口61和冷却介质出口62。

以下为利用上述结构的搅拌摩擦工具对图5所示工件10(铸铝)上表面上的匙孔11进行修复的实施例。该匙孔上大下小，上端直径d为5mm，匙孔的深度为4mm。

修复操作步骤如下。

步骤1、用手钻将待修复工件的匙孔加工成直径为5mm、深度为4mm的圆柱形；

步骤2、将匙孔加工成圆柱形的工件水平放置在工作台(未图示)上，并加以固定。

步骤3、根据匙孔(指圆柱形匙孔，下同)的尺寸，本实施例采取三级填充修复。

步骤4、按下述方法进行三级填充修复：

结合图6(a),一级填充修复方法如下：

采用直径为5mm、厚度为4mm、与工件同材质的一级填充片12填入匙孔的下部；搅拌摩擦焊工具选用搅拌头轴肩、搅拌针直径和长度分别为10mm、4mm和3mm的搅拌头；选用静止轴肩下端内经为10.2mm、下端外径为22mm、上端外径为50mm；将静止轴肩套在搅拌头上；然后使搅拌头以1800转/分的转速和1mm/分的速度向下扎入一级填充片中，扎入深度达到3.1mm时，启动静止轴肩中的电加热装置，对靠近匙孔的工件材料进行加热，加热时间为5min；电加热装置开始加热100秒后向静止轴肩中的冷却介质通道通入循环冷却水，以降低加热区以外的工件材料的温度；搅拌头在此位置继续旋转并停留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；搅拌头停留50秒后以3mm/分的回抽速度进行回抽，同时停止电加热装置加热，冷却水继续冷却100秒，然后将搅拌头以3mm/分的速度回抽，与静止轴肩同时撤回，完成一级填充修复，并留下直径为3.1mm(与一级搅拌头的搅拌针直径相同)的缺孔。

结合图6(b),完成一级填充修复后进行二级填充修复：采用直径为4mm、厚度为3.2mm、与工件同材质的二级填充片13填入一级填充修复留下的缺孔下部；搅拌摩擦焊工具选用搅拌头轴肩、搅拌针直径和长度分别为10mm、3mm和2.2mm的搅拌头；选用下端内经为10.2mm、下端外径为22mm、上端外径为50mm的静止轴肩；以与一级填充修复相同的方法完成二级填充修复。二级填充修复留下直径为2.2mm(与二级搅拌头的搅拌针直径相同)的缺孔。

结合图6(c)和图6(d),三级填充修复：

完成二级填充修复后，进行三级填充修复：采用直径为3mm、厚度为2.2mm、与工件同材质的三级填充片14填入二级填充修复留下的缺孔下部；搅拌摩擦焊工具改用搅拌头轴肩直径为10mm的无针搅拌头；选用下端内经为10.2mm、下端外径为22mm、上端外径为50mm的静止轴肩；以与一级填充修复相同的方法进行三级填充修复；完成最后一级填充修复后撤回搅拌头和静止轴肩，匙孔的整个修复过程结束。

经过上述三级填充修复后的工件修复区，填充材料与工件母材冶金结合良好，表面光滑平整，无缺陷。