專利名稱：一種電弧預熱攪拌摩擦塞補焊的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種攪拌摩擦塞補焊的方法。
背景技術：
攪拌摩擦焊是利用攪拌頭插入工件的待焊部位，高速旋轉攪拌頭使其與工件間進 行摩擦攪拌，摩擦熱使該部位金屬處于熱塑性狀態(tài)并在攪拌頭的壓力作用下從其前端向后 部塑性流動，從而使兩個待焊件連接為一個整體。焊接過程中待焊金屬不發(fā)生熔化，是一種 固相連接方法。這種方法可以避免出現(xiàn)與熔化焊相關的氣孔、裂紋等缺陷，實現(xiàn)材料的高質 量連接。盡管利用攪拌摩擦焊接方法可以獲得高質量的焊接接頭，但是在工程實際操作中， 難以完全避免焊縫缺陷，且由于攪拌摩擦焊焊具為非消耗結構致使焊縫尾部的匙孔必然會 存在。因此，有必要對焊縫中所存在的焊接缺陷和匙孔進行補焊。工程上用來解決攪拌摩 擦焊焊縫匙孔和焊縫缺陷的方法主要有熔焊、摩擦塞焊、回抽式焊具攪拌摩擦焊以及攪拌 摩擦塞補焊。熔焊一般選用鎢極氬弧焊(TIG)填絲的方式來實現(xiàn)，當前絕大部分焊接缺陷都采 用傳統(tǒng)的手工TIG焊進行修補。該方法操作簡便，但熱輸入量大，易引起焊縫局部區(qū)域晶粒 長大，韌性降低，同時會在補焊部位引起較大的殘余應力和變形。另外，手工TIG補焊往往 不能一次成功，而有些鋁合金恰恰不能進行多次補焊，過多的補焊會造成接頭合金元素燒 損，嚴重影響接頭質量，甚至造成產(chǎn)品報廢，從而造成產(chǎn)品成本的大幅提高以及生產(chǎn)周期的 延誤。TIG焊接補焊時，對人工要求嚴格，只有經(jīng)過嚴格訓練過的工人才有可能較好的修補 缺陷或匙孔，給修補帶來極大的不便。摩擦塞焊屬于固相連接，補焊過程中不會出現(xiàn)金屬熔化，連接可靠，大幅改進了補 焊焊縫的力學性能、疲勞強度、斷裂韌性和接頭塑性，焊接參數(shù)可以精確控制，工藝穩(wěn)定性 和再現(xiàn)性高，提高了補焊一次成功的機率，而且機械原理簡單、能量利用率高。此方法雖然 只需一次補焊便可對缺陷進行修補，但需要二次加工去除多余的塞棒，且焊縫區(qū)域應力集 中嚴重，影響了焊接接頭的力學性能?；爻槭胶妇邤嚢枘Σ梁覆捎玫幕爻槭胶妇咂浣Y構特點為軸肩和攪拌針是分體式 結構，在焊接過程中與常規(guī)攪拌摩擦焊相同，只是在焊接結尾處，攪拌針旋轉過程中逐漸回 抽，通過軸肩下部的塑性金屬回填，實現(xiàn)匙孔的消除，但是該技術的實現(xiàn)不僅需要復雜的控 制系統(tǒng)和動力系統(tǒng)以及相應的機械結構，而且由于沒有充裕的塑性金屬實現(xiàn)回填，匙孔雖 消除了，但造成焊縫尾部接頭有效厚度變薄，仍然沒有徹底消除匙孔的影響。不具備電弧預熱環(huán)節(jié)的攪拌摩擦塞補焊雖然能夠實現(xiàn)對匙孔和缺陷的固相補焊， 但補焊部位材料強烈的抵抗力會導致攪拌針未完全塑性變形和流動就已經(jīng)發(fā)生斷裂，導致 材料的連續(xù)流動性差，降低接頭的力學性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種電弧預熱攪拌摩擦塞補焊的方法，以解決攪拌摩擦塞補焊的部位材料強烈的抵抗力導致攪拌針未完全塑性變形和流動就已經(jīng)發(fā)生斷裂，造成材 料的連續(xù)流動性差，降低了接頭的力學性能的問題。本發(fā)明的方法是通過以下步驟實現(xiàn)的步驟一、對攪拌摩擦焊或二次攪拌摩擦焊 修復時遺留的匙孔進行電弧預熱將銅制的圓環(huán)水平置于攪拌摩擦焊遺留的匙孔部位上 面，且將圓環(huán)的中心與匙孔的中心重合，圓環(huán)的中心孔徑應大于匙孔的孔徑，利用電弧加熱 系統(tǒng)中的鎢極氬弧焊機對圓環(huán)進行電弧加熱，加熱溫度為180°C 220°C，圓環(huán)加熱后將熱 量傳至待補焊區(qū)域，使得待補焊區(qū)域匙孔預熱；步驟二、對匙孔進行補焊待匙孔預熱后對 其進行攪拌摩擦塞補焊，補焊時，焊具沿焊接方向移動Imm 5mm后，攪拌針發(fā)生塑性變形 和流動，實現(xiàn)對匙孔的填充。本發(fā)明具有以下優(yōu)點一、本發(fā)明通過電弧預熱可使補焊區(qū)域材料易發(fā)生塑性變 形，進而降低其對攪拌針的抵抗力，從而易使補焊區(qū)域材料發(fā)生充分的塑性流動，攪拌針不 易斷裂，使得工件接頭界面結合良好，形成力學性能良好的補焊接頭。同時，電弧間接預熱， 避免了電弧與待補焊工件的直接接觸，降低了電弧對待補焊工件的燒蝕和熔化。二、借助圓 環(huán)與工件接觸面上的熱電偶，對預熱區(qū)域進行實時溫度監(jiān)測，實現(xiàn)了對待補焊區(qū)域的預熱 溫度的控制。三、攪拌摩擦塞補焊屬于固相連接，焊接過程中不出現(xiàn)金屬熔化，焊縫殘余應 力低、工件變形小，大幅提高了補焊焊縫的力學性能，對于鋁合金而言，補焊接頭強度系數(shù) 達到了 0.75，補焊接頭伸長率> 5%。四、利用本發(fā)明的方法補焊后無需二次加工，能夠保 證一次性成形，工藝穩(wěn)定性和再現(xiàn)性高，適應性強。


圖1是具體具體實施方式
一的步驟示意圖(圖中1為工件、2為匙孔、3為TIG焊 槍、4為電弧、5為實心銅制圓環(huán)、6為熱電偶、7為八通道測溫儀)，圖2是具體實施方式
二的 預熱系統(tǒng)結構示意圖，圖3是圓環(huán)5下表面的八個熱電偶6均布設置的示意圖，圖4是具體 實施方式四組合焊具的結構示意圖。
具體實施例方式具體實施方式
一結合圖1說明本實施方式，本實施方式是通過以下步驟實現(xiàn)的 步驟一、對攪拌摩擦焊或二次攪拌摩擦焊修復時遺留的匙孔進行電弧預熱將銅制的圓環(huán) 5水平置于攪拌摩擦焊遺留的匙孔部位上面，且將圓環(huán)5的中心與匙孔的中心重合，圓環(huán)5 的中心孔徑應大于匙孔的孔徑，利用電弧加熱系統(tǒng)中的鎢極氬弧焊機對圓環(huán)5進行電弧加 熱，加熱溫度為180°C 220°C，圓環(huán)5加熱后將熱量傳至待補焊區(qū)域，使得待補焊區(qū)域匙孔 預熱，理想預熱溫度為180°C 220°C，如溫度高于理想預熱溫度，立即停止電弧加熱，如溫 度低于理想預熱溫度，立即開始電弧加熱；步驟二、對匙孔進行補焊待匙孔預熱后對其進 行攪拌摩擦塞補焊，補焊時，焊具沿焊接方向移動Imm 5mm后，攪拌針發(fā)生塑性變形和流 動，實現(xiàn)對匙孔的填充。電弧預熱的關鍵作用是使補焊區(qū)域材料易發(fā)生塑性變形，進而降低 其對攪拌針的抵抗力，從而易使補焊區(qū)域材料發(fā)生充分的塑性流動，形成力學性能良好的 補焊接頭。
具體實施方式
二 結合圖2和圖3說明本實施方式，本實施方式的步驟一中的電弧 加熱系統(tǒng)由鎢極氬弧焊機、圓環(huán)5、八個熱電偶6和八通道測溫儀7組成，鎢極氬弧焊機上的焊槍頭3對準圓環(huán)5的上表面，八個熱電偶6的一端均與八通道測溫儀7連接，八個熱電偶 6的另一端均布放置在圓環(huán)5與工件的接觸面上，放置位置如圖3所示，電弧熱量通過圓環(huán) 5傳導至待補焊區(qū)域，實現(xiàn)電弧間接預熱。熱電偶6對預熱區(qū)域進行實時溫度監(jiān)測，實現(xiàn)預 熱溫度的控制。其它步驟與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三結合圖1說明本實施方式，本實施方式的步驟一中對圓環(huán)5的加 熱可采用單電弧加熱或多電弧加熱。單電弧加熱是采用一個焊槍在圓環(huán)5的上表面做圓周 運動，形成單電弧均勻加熱；多電弧加熱是采用二 八個焊槍在圓環(huán)5的上表面均勻分布， 并同步在圓環(huán)5的上表面上做圓周運動，形成多電弧，實現(xiàn)對待補焊區(qū)域的充分、均勻的預 熱。其它步驟與具體實施方式
一相同具體實施方式
四結合圖4說明本實施方式，本實施方式的步驟二中的攪拌摩擦 塞補焊采用的焊具為組合式焊具8，組合式焊具8由鋼制的軸肩8-1和攪拌針8-2組成，攪 拌針8-2的材質與待補焊區(qū)域的金屬相同。其它組成及連接關系與具體實施方式
一相同。本發(fā)明的應用實例(1)、以7. 5mm厚的2219-T6鋁合金板為例，對其攪拌摩擦焊縫尾部的匙孔進行補 焊，參見圖1，將圓環(huán)5水平放置于攪拌摩擦焊遺留的匙孔部位上面，且將圓環(huán)5的中心與匙 孔2的中心重合，電弧加熱圓環(huán)5，通過圓環(huán)5將熱量傳至待補焊區(qū)域，使得待補焊區(qū)域匙孔 預熱，采用單電弧在圓環(huán)5的上表面做圓周運動，或三電弧在圓環(huán)5的上表面均勻分布并同 步在圓環(huán)表面上做圓周運動，同時通過均勻放置在圓環(huán)與工件接觸面上的八個熱電偶6對 預熱區(qū)域進行實時溫度監(jiān)測，預熱溫度為180°C 220°C，如溫度高于220°C，立即停止電弧 加熱，如溫度低于180°C，立即開始電弧加熱；預熱后對匙孔進行攪拌摩擦塞補焊，焊具采 用組合式焊具，攪拌針的材質為2219鋁合金，補焊時，焊具沿焊接方向移動Imm 5mm，攪拌 針發(fā)生塑性變形和流動，并對匙孔實現(xiàn)填充。通過對匙孔補焊界面的顯微分析，發(fā)現(xiàn)補焊區(qū) 域材料發(fā)生了連續(xù)、充分的塑性流動。(2)、以7. 5mm厚的2219-T6鋁合金板為例，對其攪拌摩擦焊焊縫中溝槽缺陷進行 補焊，首先采用常規(guī)攪拌摩擦焊方法對溝槽進行二次攪拌摩擦焊，實現(xiàn)溝槽的補焊；參見圖 1，然后將圓環(huán)5水平放置于攪拌摩擦焊遺留的溝槽缺陷部位上面，且將圓環(huán)5的中心與二 次攪拌摩擦焊遺留的匙孔的中心重合，電弧加熱圓環(huán)5，通過圓環(huán)5將熱量傳至待補焊區(qū) 域，使得待補焊區(qū)域匙孔預熱，采用單電弧在圓環(huán)5的上表面做圓周運動，或三電弧在圓環(huán) 5的上表面均勻分布并同步在圓環(huán)表面上做圓周運動，同時通過均勻放置在圓環(huán)與工件接 觸面上的八個熱電偶6對預熱區(qū)域進行實時溫度監(jiān)測，預熱溫度為180°C 220°C，如溫度 高于220°C，立即停止電弧加熱，如溫度低于180°C，立即開始電弧加熱；預熱后對匙孔進行 攪拌摩擦塞補焊，焊具采用組合式焊具，攪拌針的材質為2219鋁合金，補焊時，焊具沿焊接 方向移動Imm 5mm，攪拌針發(fā)生塑性變形和流動，并對匙孔實現(xiàn)填充。通過對匙孔補焊界 面的顯微分析，發(fā)現(xiàn)補焊區(qū)域材料發(fā)生了連續(xù)、充分的塑性流動。
權利要求
一種電弧預熱攪拌摩擦塞補焊的方法，其特征在于所述方法是通過以下步驟實現(xiàn)的步驟一、對攪拌摩擦焊或二次攪拌摩擦焊修復時遺留的匙孔進行電弧預熱將銅制的圓環(huán)(5)水平置于攪拌摩擦焊遺留的匙孔部位上面，且將圓環(huán)(5)的中心與匙孔的中心重合，圓環(huán)(5)的中心孔徑應大于匙孔的孔徑，利用電弧加熱系統(tǒng)中的鎢極氬弧焊機對圓環(huán)(5)進行電弧加熱，加熱溫度為180℃～220℃，圓環(huán)(5)加熱后將熱量傳至待補焊區(qū)域，使得待補焊區(qū)域匙孔預熱；步驟二、對匙孔進行補焊待匙孔預熱后對其進行攪拌摩擦塞補焊，補焊時，焊具沿焊接方向移動1mm～5mm后，攪拌針發(fā)生塑性變形和流動，實現(xiàn)對匙孔的填充。
2.根據(jù)權利要求1所述一種電弧預熱攪拌摩擦塞補焊的方法，其特征在于所述步驟 一中的電弧加熱系統(tǒng)由鎢極氬弧焊機、圓環(huán)(5)、八個熱電偶(6)和八通道測溫儀(7)組成， 鎢極氬弧焊機上的焊槍頭(3)對準圓環(huán)(5)的上表面，八個熱電偶(6)的一端均與八通道 測溫儀(7)連接，八個熱電偶(6)的另一端均布放置在圓環(huán)(5)與工件的接觸面上。
3.根據(jù)權利要求1或2所述一種電弧預熱攪拌摩擦塞補焊的方法，其特征在于所述 步驟一中對圓環(huán)(5)的加熱可采用單電弧加熱或多電弧加熱。
4.根據(jù)權利要求3所述一種電弧預熱攪拌摩擦塞補焊的方法，其特征在于所述步驟 二中的攪拌摩擦塞補焊采用的焊具為組合式焊具(8)，組合式焊具(8)由鋼制的軸肩(8-1) 和攪拌針(8-2)組成，攪拌針(8-2)的材質與待補焊區(qū)域的金屬相同。
全文摘要
一種電弧預熱攪拌摩擦塞補焊的方法，它涉及一種攪拌摩擦塞補焊的方法，以解決攪拌摩擦塞補焊的部位材料強烈的抵抗力導致攪拌針未完全塑性變形和流動就發(fā)生斷裂，造成材料的連續(xù)流動性差的問題。方法一、對攪拌摩擦焊或二次攪拌摩擦焊修復時遺留的匙孔進行電弧預熱圓環(huán)置于匙孔部位上面，圓環(huán)的中心與匙孔的中心重合，圓環(huán)的中心孔徑應大于匙孔的孔徑，利用鎢極氬弧焊機對圓環(huán)進行電弧加熱，加熱溫度為180～200℃，通過圓環(huán)加熱后將熱量傳至待補焊區(qū)域，使得待補焊區(qū)域匙孔預熱；二、對匙孔進行補焊補焊時，焊具沿焊接方向移動1～5mm后，攪拌針發(fā)生塑性變形和流動，實現(xiàn)對匙孔的填充。本發(fā)明用于攪拌摩擦焊焊縫缺陷和匙孔的補焊。
文檔編號B23K20/24GK101966621SQ20101053187
公開日2011年2月9日 申請日期2010年11月4日 優(yōu)先權日2010年11月4日
發(fā)明者馮吉才, 冷勁松, 劉會杰, 呂世雄, 李垚, 鄭祖金, 韓冰, 黃永憲 申請人:哈爾濱工業(yè)大學