一種攪拌摩擦焊工具和用該工具修復匙孔缺陷的方法與流程

本發明涉及金屬焊接，特別是一種攪拌摩擦焊工具和用該工具修復匙孔缺陷的方法。

背景技術：

攪拌摩擦焊作為一種新型的固相焊接方法，具有焊接溫度低、變形和殘余應力小及焊接焊接接頭質量高等優點，已被廣泛應用于航空航天、高鐵和船舶等領域。焊接過程中，一個由特殊設計的軸肩和攪拌頭組成的攪拌摩擦焊焊具扎入金屬構件內部，與金屬構件摩擦產生摩擦熱，使材料流動，實現待焊金屬構件的連接。

在攪拌摩擦焊接過程中，由于攪拌針的存在，在焊接接頭的末端會出現匙孔缺陷，該匙孔缺陷會引起弱連接和應力集中效應，極大地降低焊接接頭的力學性能，降低焊接質量，嚴重時甚至導致焊接金屬構件報廢。

另外，對于現今大量應用于制造行業的鋁合金和鎂合金鑄造件，在鑄造過程中不可避免地會產生如氣孔、疏松、裂紋等各種鑄造缺陷，影響鎂合金或鋁合金鑄造結構的質量，嚴重時也會導致鑄件報廢。

此外，某些金屬構件在使用過程中亦會產生各種缺陷，嚴重時同樣得報廢。

針對上述產品因不同原因導致的缺陷而影響其質量和使用壽命的技術問題，為提高材料利用率、節省資源和能源，許多修復上述缺陷的方法和裝置應運而生。

目前修復上述體積型缺陷最好的方法就是將上述各種體積型缺陷先加工成為匙孔缺陷，然后采取攪拌摩擦焊修復匙孔缺陷。

目前用攪拌摩擦焊修復匙孔缺陷，使用的攪拌摩擦焊焊具的攪拌頭一般為傳統攪拌頭，其攪拌頭軸肩表面(底面)為平面、帶有同心圓形狀的凹槽或內凹形軸肩。用這種攪拌頭進行攪拌摩擦焊修復匙孔，工件表面易出現弧紋和飛邊等，且不利于材料的良好轉移，造成焊縫缺陷和表面質量降低。用這類攪拌摩擦焊焊具修復匙孔缺陷的方法有攪拌摩擦塞焊法、T型填充塊與無針攪拌頭相結合焊接法等。

CN101966621B專利文獻公開的電弧預熱攪拌摩擦塞補焊的方法和CN102500915A專利文獻公開的采用T型填充塊與無針攪拌頭填充攪拌摩擦焊匙孔的方法，均是采用類似填充塊的方式進行匙孔缺陷修復，受板材厚度限制，用這兩種方法難以進行大厚板材深度大的匙孔缺陷修復；此外，修復界面極易產生冶金結合不良現象，使焊接接頭性能降低。

CN102861985A專利文獻公開的鋁合金攪拌摩擦焊孔洞缺陷的修補方法和CN201410040662.1專利文獻公開的鋁合金攪拌摩擦焊接缺陷修復方法，是通過對缺陷挖排、再使用MIG焊填充，最后用攪拌摩擦焊修復缺陷。這兩種方法的缺點是，攪拌摩擦焊后會出現新的匙孔缺陷，未從根本上消除體積型缺陷。

CN103212778A專利文獻公開的基于攪拌摩擦的裂紋修復方法，只是采用無針攪拌頭修復金屬材料近表面的缺陷，未能實現沿板材深度方向的修補，且金屬構件修復區會出現厚度減薄現象，導致應力集中，接頭抗疲勞壽命降低。

技術實現要素：

為解決上述現有用攪拌摩擦焊修復匙孔缺陷存在的問題，本發明提供一種可使修復區晶粒尺寸細化、冶金結合和力學性能好、強度高、修復區厚度不減薄、無材料溢出、應力集中現象少、不受缺陷深度限制和適用范圍廣的攪拌摩擦焊工具和用該工具修復匙孔缺陷的方法。

本發明提供的攪拌摩擦焊工具，包括攪拌頭和與攪拌頭配合的靜止軸肩；所述攪拌頭的攪拌針底面有六螺旋線凹槽；所述靜止軸肩通過彈簧與軸肩固定塊相接，軸肩固定塊固定安裝在焊機上，靜止軸肩中設有電加熱裝置和冷卻介質通道，電加熱裝置在內，靠近攪拌頭，冷卻介質通道在電加熱裝置以外，靜止軸肩的高度與攪拌頭軸肩高度相同。

用上述攪拌摩擦焊工具修復匙孔缺陷的方法，包括以下步驟：

步驟1、用手鉆將待修復工件的匙孔加工成圓柱形；

步驟2、將匙孔加工成圓柱形的工件水平放置在工作臺上，并加以固定。

步驟3、采取連續填充修復方式，根據匙孔(指加工后的圓柱形的匙孔，下同)的尺寸設計填充修復的級數；

步驟4、然后按下述方法逐級進行填充修復：

一級填充修復：

選取直徑與圓柱形匙孔直徑相同、厚度為1～20mm的一級填充片填入匙孔的下部；攪拌摩擦焊工具選用攪拌針直徑小于一級填充片直徑1mm或1mm以下的攪拌頭和與之匹配的靜止軸肩；將靜止軸肩套在攪拌頭上；然后使攪拌頭以50～10000轉/分的轉速和0.1～10mm/分的速度向下扎入一級填充片中，扎入深度達到一級填充片厚度的10％—90％時，啟動靜止軸肩中的電加熱裝置，對靠近匙孔的工件材料進行加熱，加熱時間為1～20min；電加熱裝置開始加熱1～200秒后向靜止軸肩中的冷卻介質通道通入循環冷卻介質，以降低加熱區以外的工件材料的溫度；攪拌頭在此位置繼續旋轉并停留1～100秒，使一級填充片受到充分摩擦熱呈塑性流動狀態，其底部和側壁與匙孔周圍的材料形成冶金結合；攪拌頭達到設定的停留時間后，以3mm/分的回抽速度進行回抽，同時停止電加熱裝置加熱，冷卻介質繼續冷卻1～500秒，然后將攪拌頭以3mm/分的速度回抽，靜止軸肩與其一起撤回，完成一級填充修復；

二級填充修復：

完成一級填充修復后，選用與一級填充修復留下的缺孔直徑相同、厚度為1～20mm的二級填充片填入一級填充修復留下的缺孔下部；攪拌摩擦焊工具選用攪拌針直徑小于二級填充片直徑1mm或1mm以下的攪拌頭和與之匹配的靜止軸肩，以與一級填充修復相同的方法完成二級填充修復；

三級填充修復：

完成二級填充修復后，選用與二級填充修復留下的缺孔直徑相同、厚度為1～20mm的三級填充片填入二級填充修復留下的缺孔下部；攪拌摩擦焊工具選用攪拌針直徑小于三級填充片直徑1mm或1mm以下的攪拌頭和與之匹配的靜止軸肩，以與一級填充修復相同的方法完成三級填充修復；

以此類推，當進行到最后一級填充焊時，改用直徑大于匙孔直徑的無針攪拌頭，以與一級填充修復相同的方法進行最后一級填充焊，完成最后一級填充修復后撤回攪拌頭和靜止軸肩，匙孔的整個修復過程結束。

與現有技術相比，本發明的有益效果：

1、本發明采用級進式連續填充攪拌摩擦焊對工件體積型缺陷進行修復，與現有用整體式外填充材料一次性填充修復焊接相比，具有界面冶金結合效果好，強度高，易于控制界面位置材料流動且焊后無減薄等優點。

2、由靜止軸肩中的電加熱裝置在焊前和焊中加熱靠近匙孔的工件材料，可促進材料軟化并良好的塑性流動和原子擴散，使填充材料與母材良好焊合；由靜止軸肩中的冷卻介質通道(相當于熱沉)在焊中和焊后對加熱區外圍的工件材料進行冷卻，使熱影響區減小，實現窄軟化區、小軟化程度以及晶粒細化的效果，提高修復后結構件的性能。

3、與攪拌針底面為平面或帶有同心圓形狀凹槽的攪拌頭相比，本發明使用攪拌針底面為六螺旋線凹槽的攪拌頭可加強塑化材料的流動，促進界面原子擴散和機械咬合，增加界面的冶金結合，提高修復區的強度。

4、焊機通過軸肩固定塊和彈簧分別對靜止軸肩保持一定壓力，可起到阻材料溢出焊縫、使修復區表面光滑、降低待修復區溫度、促進材料流動、降低焊縫表面殘余應力、提高接頭質量的作用。

5、填充過程中，由于靜止軸肩不旋轉，可吸收大量的熱，減小熱影響區寬度和晶粒長大現象，有利于提高修復區強度。

6、本發明可通過調節熱輸入的方法控制單道次的組織演變和界面結合效果，有利于提高修復區性能。

7、本發明適用范圍廣，對于鑄鋁、鑄鎂以及其他變形鋁或鎂結構中的各種體積型缺陷，只需事先將各種形狀的體積型缺陷用鉆取工具加工成大小不同的匙孔，均可采用本發明加以修復，且不受缺陷深度限制。

附圖說明

圖1本發明攪拌摩擦焊工具的結構示意圖(剖視圖)；

圖2是圖1中攪拌頭的攪拌針的底面示意圖；

圖3是圖1中靜止軸肩的外形立體圖(不含電加熱裝置和冷卻介質通道)；

圖4是圖3靜止軸肩沿其電加熱裝置的橫向截面圖；

圖5是待修復工件的示意圖；

圖6是用圖1所示攪拌摩擦焊工具修復圖5所示工件匙孔的參考圖。

圖中：1.攪拌頭，2.軸肩固定塊，3.彈簧，4.靜止軸肩，5.電加熱裝置，6.冷卻介質通道，61.冷卻介質入口，62.冷卻介質出口，7.攪拌頭軸肩，8.攪拌針，9.六螺旋線凹槽，10.工件，11.匙孔，12.一級填充片，13.二級填充片，14.三級填充片。

具體實施方式

以下結合附圖和實施例對本發明做進一步說明。

結合圖1至圖4，本發明攪拌摩擦工具包括攪拌頭1和與攪拌頭配合的靜止軸肩4。攪拌頭的攪拌針8底面有六螺旋線凹槽9，六螺旋線凹槽的最大曲率半徑ρ、弧長L和寬度b分別為攪拌針直徑的0.7倍、0.5倍和0.1倍。靜止軸肩呈上大下小的圓臺形，其內徑比攪拌頭的攪拌頭軸肩7直徑大0.1～0.3mm，下端外徑比內徑大5～10mm，上端外徑比內徑大20～50mm，高度與攪拌頭細部(圖1中攪拌頭位于攪拌針以上、上下直徑相同的圓柱形部分)高度相同。靜止軸肩通過彈簧3與軸肩固定塊2相接，軸肩固定塊固定安裝在焊機(未圖示)上。靜止軸肩中設有環形電加熱裝置5和冷卻介質通道6，電加熱裝置在內，靠近攪拌頭，冷卻介質通道在電加熱裝置以外，在靜止軸肩的外壁上有冷卻介質入口61和冷卻介質出口62。

以下為利用上述結構的攪拌摩擦工具對圖5所示工件10(鑄鋁)上表面上的匙孔11進行修復的實施例。該匙孔上大下小，上端直徑d為5mm，匙孔的深度為4mm。

修復操作步驟如下。

步驟1、用手鉆將待修復工件的匙孔加工成直徑為5mm、深度為4mm的圓柱形；

步驟2、將匙孔加工成圓柱形的工件水平放置在工作臺(未圖示)上，并加以固定。

步驟3、根據匙孔(指圓柱形匙孔，下同)的尺寸，本實施例采取三級填充修復。

步驟4、按下述方法進行三級填充修復：

結合圖6(a),一級填充修復方法如下：

采用直徑為5mm、厚度為4mm、與工件同材質的一級填充片12填入匙孔的下部；攪拌摩擦焊工具選用攪拌頭軸肩、攪拌針直徑和長度分別為10mm、4mm和3mm的攪拌頭；選用靜止軸肩下端內經為10.2mm、下端外徑為22mm、上端外徑為50mm；將靜止軸肩套在攪拌頭上；然后使攪拌頭以1800轉/分的轉速和1mm/分的速度向下扎入一級填充片中，扎入深度達到3.1mm時，啟動靜止軸肩中的電加熱裝置，對靠近匙孔的工件材料進行加熱，加熱時間為5min；電加熱裝置開始加熱100秒后向靜止軸肩中的冷卻介質通道通入循環冷卻水，以降低加熱區以外的工件材料的溫度；攪拌頭在此位置繼續旋轉并停留100秒，使一級填充片受到充分摩擦熱呈塑性流動狀態，其底部和側壁與匙孔周圍的材料形成冶金結合；攪拌頭停留50秒后以3mm/分的回抽速度進行回抽，同時停止電加熱裝置加熱，冷卻水繼續冷卻100秒，然后將攪拌頭以3mm/分的速度回抽，與靜止軸肩同時撤回，完成一級填充修復，并留下直徑為3.1mm(與一級攪拌頭的攪拌針直徑相同)的缺孔。

結合圖6(b),完成一級填充修復后進行二級填充修復：采用直徑為4mm、厚度為3.2mm、與工件同材質的二級填充片13填入一級填充修復留下的缺孔下部；攪拌摩擦焊工具選用攪拌頭軸肩、攪拌針直徑和長度分別為10mm、3mm和2.2mm的攪拌頭；選用下端內經為10.2mm、下端外徑為22mm、上端外徑為50mm的靜止軸肩；以與一級填充修復相同的方法完成二級填充修復。二級填充修復留下直徑為2.2mm(與二級攪拌頭的攪拌針直徑相同)的缺孔。

結合圖6(c)和圖6(d),三級填充修復：

完成二級填充修復后，進行三級填充修復：采用直徑為3mm、厚度為2.2mm、與工件同材質的三級填充片14填入二級填充修復留下的缺孔下部；攪拌摩擦焊工具改用攪拌頭軸肩直徑為10mm的無針攪拌頭；選用下端內經為10.2mm、下端外徑為22mm、上端外徑為50mm的靜止軸肩；以與一級填充修復相同的方法進行三級填充修復；完成最后一級填充修復后撤回攪拌頭和靜止軸肩，匙孔的整個修復過程結束。

經過上述三級填充修復后的工件修復區，填充材料與工件母材冶金結合良好，表面光滑平整，無缺陷。