專利名稱：一種采用t型填充塊與無針攪拌頭填充攪拌摩擦焊匙孔的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于焊接領域，涉及一種攪拌摩擦加工填充消除匙孔的方法，也可用于鑄件及焊縫缺陷的修復。
背景技術：
攪拌摩擦焊(FSW)是英國焊接研究所(TWI)于1991年發(fā)明的一項新型的焊接技術。作為一種新型的固相連接技術，攪拌摩擦焊具有環(huán)保，無需氣體保護和填充金屬，焊縫不出現(xiàn)熱裂紋、氣孔等熔焊常見缺陷，變形小，殘余應力低及接頭機械性能優(yōu)異等優(yōu)點。目前，攪拌摩擦焊已成功應用于傳統(tǒng)熔焊難以焊接的鋁合金及某些異種金屬間的連接，在航空航天、汽車、造船和高速列車等諸多鋁合金結構制造領域等到了廣泛應用。但是，由于攪拌針的存在，傳統(tǒng)的攪拌摩擦焊在收焊處會留下一個與攪拌針尺寸形狀類似的匙孔。匙孔的存在降低了焊縫的相對有效寬度，并減小了搭接剪切強度(lap shear)和抗拉強度 (cross-tension strengths)，在機械性能以及材料的其他性能中扮演著‘最薄弱的環(huán)節(jié)’ 的角色。
目前，攪拌摩擦焊匙孔的消除或填補方法主要包括引出法、鉚接法、熔焊填補法、 摩擦塞焊法、采用可伸縮式攪拌頭以及采用半消耗性組合攪拌頭的填充式攪拌摩擦塞補焊。
(1)引出法在待焊工件的末端收焊處設置一個引出板，在引出板處停止焊接，這樣可將匙孔留在引出板上，最后將引出板連同匙孔一起去除，可使待焊工件得到無匙孔的焊縫。該方法要求引出板定位牢固，引出板與待焊工件之間的過渡間隙越小越好，否則間隙過大會將塑性金屬擠向間隙，導致焊縫金屬出現(xiàn)虧損而出現(xiàn)缺陷M。明顯的，該方案在切除匙孔的同時也造成了材料的浪費，其實質只是將匙孔的位置進行了轉移而并非進行了匙孔填充。
(2)鉚接法匙孔的鉚接是利用鉚槍將特配的鉚釘鉚入匙孔中。鉚接前，先將匙孔擴至成圓柱孔，圓柱孔的直徑一般比攪拌針的直徑大0. 2 0. 5mm，而鉚釘?shù)闹睆揭话惚葓A柱孔小，與攪拌針直徑基本等大。為了保證鉚接后鉚釘與工件平齊，鉚釘?shù)拈L度比工件的厚度大大約0.2mm。目前，該方法已成功地應用于型號艙體的鉚接中D]。但鉚接屬于機械連接，工件和工件之間很難密封，界面之間達不到原子級別的結合，填充效果不如補焊的效^ ο
(3)熔焊填補法對于某些可熔焊性比較好的鋁合金如hxx與6xxx系列來說，熔焊填補法是一種比較簡單的匙孔修復方法，為了使這一修復過程操作簡單，通?？赡芤m當擴大孔的大小。對于焊縫厚度小于12mm的收焊匙孔，一般采用鎢極氬弧焊的方式進行填充；而對于厚度大于12mm，且構件大、散熱快的鋁合金，匙孔的填補采用MIG焊的方法。熔焊填補法一般局限于可熔焊性能比較好的鋁合金，而且對工藝要求高，易出現(xiàn)氣孔、裂紋和由于熱輸入量大而引起的較大殘余應力和變形等缺陷。4
(4)摩擦塞焊法摩擦塞焊是一項新型的固相補焊連接技術，最初用于海洋結構通孔的修補，后來該技術用于攪拌摩擦焊尾孔的消除以及焊接缺陷的修復。該方法利用焊接時旋轉下降的塞棒與匙孔內壁處摩擦而產(chǎn)生強烈的塑性變形，并在外加壓力下實現(xiàn)母材與塞棒材料的結合，從而到達匙孔填補的目的。相對于常規(guī)的熔焊方法，在加工成本及時間等方面，摩擦塞焊不具有優(yōu)勢。但是在某些情況下，如惡劣條件下的焊接作業(yè)或者材料焊接性差，摩擦塞焊這種技術方法就顯現(xiàn)出明顯的技術優(yōu)勢，而且摩擦塞焊還具有補焊接頭質量高、不產(chǎn)生氣孔，殘余應力低、焊接變形小等熔焊不具備的優(yōu)點。該方法的不足之處在于需要專門的摩擦塞焊設備，因而成本較高，工藝較復雜。
(5)采用伸縮式攪拌頭對于平板的焊接，可采用加“引導板”和“導出板”的方式消除匙孔，然而在焊接諸如圓筒形容器時，環(huán)焊縫上留下的匙孔就無法消除，必然會引起焊縫強度、質量等很多問題，所以伸縮式攪拌頭廣泛應用于環(huán)焊縫匙孔的消除。該攪拌頭的肩和針是分離的，攪拌頭沿著環(huán)形焊縫完成預期的焊縫后，當攪拌頭再次經(jīng)過焊縫的初始區(qū)域時，攪拌針緩慢地縮回到攪拌頭之內直至最后收焊處，這樣經(jīng)過兩圈的焊接可以達到去除匙孔的目的[3’11]。美國國家航空航天局(NASA)首次開發(fā)研制并使用了可伸縮式攪拌頭， 隨后波音公司以及馬歇爾焊接工程中心等部門也研制出多種可伸縮式攪拌針，從而解決了管道和液氧儲箱等環(huán)縫焊件匙孔消除這一難點[12]。但是該種攪拌頭結構復雜，價格昂貴，而且要完成攪拌針和外圍攪拌頭之間復雜的相對運動，對設備的剛性和控制精度要求較高，傳統(tǒng)的攪拌摩擦焊機難以實現(xiàn)，需要額外的專用設備。此外由于二次焊接導致填充材料不足，焊完后還會在匙孔處留下一道淺的凹孔，使得原匙孔處還是一個性能薄弱環(huán)節(jié)。
(6)采用組合攪拌頭中的消耗性針填充匙孔這是最近國內的哈爾濱工業(yè)大學開發(fā)的一種基于傳統(tǒng)的攪拌摩擦焊技術的固相匙孔填補技術。在這項技術中采用了一種由鋁合金填充材料做成的消耗性的針(bit)和用合金鋼制成的非消耗性的肩而構成的半消耗性組合攪拌頭。填充時，針(bit)在攪拌頭的帶動下旋轉并慢慢向匙孔中下降填充，針 (bit)與匙孔內壁首先產(chǎn)生摩擦作用，待針(bit)被全部壓入匙孔后，攪拌肩與工件上表面接觸，隨后在針(bit)和匙孔的界面上產(chǎn)生大量的摩擦熱并使針(bit)和匙孔中的材料產(chǎn)生軟化和攪拌，最后，露出攪拌肩的針(bit)被剪斷留在匙孔中成為填充材料而達到匙孔填補的目的。值得注意的是，在該工藝后還使用非消耗性無針攪拌頭增加了一道攪拌摩擦處理工藝，以去除飛邊，使填充表面光滑。由于此工藝采用了半消耗性組合攪拌頭，批量填充時，需不斷更換攪拌頭中的消耗性針。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術存在的工具制備與操作復雜、適宜材質受限、界面非冶金結合等缺點，提供一種采用T型填充塊與無針攪拌頭填充攪拌摩擦焊匙孔的方法。該方法具有工具設計制作簡單(無針工具)，批量修補時不需更換工具，焊后匙孔處無減薄或減薄量極小，節(jié)省填充材料(填充塊無需插入攪拌工具內部的長柄部分)，同時在側壁與底部能獲得去膜良好的致密結合的優(yōu)點。該方法還可用于鑄件表面缺陷及其他焊縫缺陷的修復。
本發(fā)明公開了一種采用T型填充塊與無針攪拌頭填充攪拌摩擦焊匙孔的方法，其核心特征在于預先擴孔并制備緊配合的T型填充塊(頂部的蓋頭為圓形；下面的桿部為臺錐形)；采用無針式柱狀攪拌頭；將填充塊合理預置入匙孔后，控制下壓速度，使旋轉的無針攪拌頭以合適的下壓速度將填充塊旋壓入匙孔，至攪拌頭端面與待補焊試樣表面基本平齊；停止下壓后要繼續(xù)原位摩擦一段時間。這樣，通過上述多種途徑的相互配合，確保實現(xiàn)了填充塊順利預置、熱擠壓入匙孔、并使填充塊/匙孔界面致密化。本方法尤其適用于鋁 (鎂)的攪拌摩擦焊收焊匙孔的填補消除，也可用于鑄件及焊縫缺陷的修復。
一種采用T型填充塊與無針攪拌頭填充攪拌摩擦焊匙孔的方法，
(1)、先將攪拌摩擦焊匙孔上部進行擴孔處理，加工成上寬下窄的臺錐形并預清理其內壁，以便填充塊能順利置入，若攪拌摩擦焊后的匙孔本身為臺錐形，則免去擴孔工序；
(2)、以擴孔內徑為基準，按緊配合原則制備可接近或直接可達匙孔底面的臺錐形 T型填充塊，其材質與母材相同，其中，T型填充塊的T型圓蓋頭的直徑接近或等于攪拌頭直徑，T型圓蓋頭的厚度為1 3mm ；
(3)、將制備好的T型填充塊預置入臺錐形孔內，要求T型填充塊的T型蓋頭須露出一定高度(該高度由技術人員根據(jù)實際情況結合常識決定)；
(4)、啟動在填充塊上表面的無針攪拌頭旋轉、摩擦并下壓，利用肩與T型蓋頭之間的摩擦熱和無針攪拌頭的下壓力的聯(lián)合作用使填充塊一邊受熱一邊往匙孔中旋壓；
(5)、攪拌頭下壓到與待補焊工件上表面基本平齊時，原位摩擦一定的時間(該時間由技術人員根據(jù)實際情況結合常識決定)，利用肩的摩擦、攪拌和扭轉作用使填充塊與匙孔周圍的材料進一步受熱軟化、變形并破碎填充塊和匙孔接觸面的氧化膜，實現(xiàn)界面的致密結合；
(6)、去除飛邊，使填充表面光滑美觀。
所述無針攪拌頭為可反復使用、無需更換的的圓柱狀非消耗性工具，無針攪拌頭無需傾斜。
所述填充塊在未完全填補消除匙孔前，已經(jīng)受到無針攪拌頭的預摩擦加熱和下壓力作用，產(chǎn)生了一定的溫升、軟化和塑性變形。
所述無針攪拌頭將填充塊下壓至與待補焊工件的上表面時，原位摩擦一段時間， 使肩的摩擦、攪拌和扭轉作用充分作用于填充塊及匙孔周圍的材料，使它們受熱軟化并產(chǎn)生一定的塑性流動從而實現(xiàn)填充塊和匙孔間界面的致密結合，最終使匙孔得到填補修復。
所述填充塊是底部帶部分臺錐形斜壁的非標準T型填充塊、標準T型填充塊、雙T 型填充塊或底部為臺錐形的非標準T型填充塊。
所述填充塊的上半部分為蓋，用于和無針攪拌頭接觸摩擦并將熱量傳遞給整個填充塊及匙孔周圍的材料；下半部分為桿，是用于填充匙孔的主要部分，其高度要大于匙孔的深度，桿體積要大于匙孔的體積，以保證飽滿填充。
所述T型填充塊可選擇和待補焊工件一樣材質的材料，或者選擇和待補焊工件不同材質的材料，但其硬度和強度應低于攪拌頭，以防攪拌頭過度磨損。
所述填充塊換成圓柱形填充塊，但其高度和體積同樣均應大于匙孔，以保證飽滿填充。
所述T型蓋頭的厚度及直徑根據(jù)待補焊工件的板厚確定。
本發(fā)明的優(yōu)點工具設計制作簡單(無針工具)，批量修補時不需更換工具，焊后匙孔處無減薄或減薄量極小，節(jié)省填充材料(無需插入攪拌工具內部的長柄)，填充塊的預置操作方便，攪拌區(qū)表面成形光滑，同時在側壁與底部能獲得去膜良好的致密結合的優(yōu)點。 該方法還可用于鑄件表面缺陷或者其他的焊縫缺陷的修復，應用面廣。


圖1本發(fā)明“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”示意圖1 (a)填充塊2為底部帶部分臺錐形斜壁的非標準T型填充塊；
圖1 (b)填充塊2為雙T型填充塊；
圖1 (c)填充塊2為標準T型填充塊(下部的桿的直徑介于臺錐形匙孔最大和最小直徑之間)；
圖1 (d)填充塊2為標準T型填充塊(下部的桿的直徑略小于臺錐形匙孔最小直徑)；
圖1 (e)填充塊2為底部為臺錐形的非標準T型填充塊；
圖1 (f):填充塊2為圓柱形填充塊；
圖2本發(fā)明底部帶部分臺錐形斜壁的非標準T型填充塊實物圖和裝配實物圖3本發(fā)明不同的工藝步驟對應的接頭及其工具實物圖(a 帶針攪拌頭及其留下的匙孔；b 無針攪拌頭及其匙孔填充后的外觀)；
圖4本發(fā)明拉伸測試試樣的形狀及尺寸示意圖5本發(fā)明拉伸測試試樣實物圖(a、b 表面處理前；C、d 表面處理后)；
圖6本發(fā)明拉伸試樣在拉伸測試后斷口宏觀形貌與載荷-位移曲線；
圖7本發(fā)明軋制態(tài)母材a、未帶匙孔的正目的在于提供一種工藝簡單，成本低廉、 操作方便并且補焊接頭性能優(yōu)異的攪拌摩擦焊收焊匙孔填補方法，常致密攪拌摩擦焊縫b、 填充前匙孔處的接頭c以及填充匙孔后的接頭d的抗拉強度的比較(說明填充效果很明顯匙孔填充后的接頭強度不低于正常焊縫，遠高于填充前帶匙孔處接頭的強度)；
圖8本發(fā)明T型填充塊/匙孔界面致密化觀察結果。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發(fā)明做進一步詳細描述
本發(fā)明提出的“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”的工序為
(1)先將攪拌摩擦焊匙孔上部進行擴孔處理，加工成上寬下窄的臺錐形并預清理其內壁，以便填充塊能順利置入。若攪拌摩擦焊后的匙孔本身為臺錐形，則可免去擴孔工序。
(2)以擴孔內徑為基準，按緊配合原則制備可部分或直接可達臺錐形匙孔底面的 T型填充塊，其材質與母材相同。其中，T型填充塊的T型圓蓋頭的直徑接近攪拌頭直徑，T 型圓蓋頭的厚度為1 3mm左右。在此，需要強調指出的是，T型蓋頭的主要作用有提供面積較大的摩擦發(fā)熱面，使無針攪拌頭能直接先對較大的填充塊進行預熱，避免臺錐(柱) 狀部分因線速度小而發(fā)熱不足，從而確保整個填充塊的足夠發(fā)熱；帶動整個填充塊旋轉與壓入，以實現(xiàn)填充塊與匙孔內壁、底面間的摩擦去膜；利用T型蓋頭的導熱與及其與匙孔表面材料的摩擦實現(xiàn)對匙孔內壁周邊的間接加熱，為填充塊/匙孔內壁界面間的再結晶創(chuàng)造條件；在上述先對填充料塊、后對匙孔周邊的摩擦加熱過程中，能防止造成匙孔處工件的減薄。
(3)將制備好的T型填充塊預置入臺錐形孔內，要求T型填充塊的T型蓋頭須露出一定高度，桿體積要大于匙孔的體積，為致密填充較寬的匙孔上部創(chuàng)造條件；
(4)啟動無針攪拌頭在填充塊上表面旋轉、摩擦并下壓，利用軸肩與T型蓋頭之間的摩擦熱和攪拌頭的下壓力的聯(lián)合作用使填充塊一邊受熱一邊往匙孔中旋壓；
(5)攪拌頭下壓到與待補焊工件上表面基本平齊時，原位摩擦一定時間，利用肩的摩擦、攪拌和扭轉作用使填充塊與匙孔周圍的材料進一步受熱軟化、變形并破碎填充塊和匙孔接觸面的氧化膜，實現(xiàn)界面的致密結合；該階段主要是對匙孔周邊進行加熱，為快速實現(xiàn)填充塊/匙孔界面間的再結晶創(chuàng)造條件。
(6)去除飛邊，使填充表面光滑美觀。
關于T型(或柱形)填充塊的材質、形狀及尺寸的選擇與設計
根據(jù)待補焊工件的焊接性、加工性、應用背景和價格等因素，T型填充塊可以選擇和待補焊工件一樣材質的材料，也可以選擇不同材質的材料，但其硬度和強度應低于攪拌頭，以防攪拌頭過度磨損。
所述填充塊是底部帶部分臺錐形斜壁的非標準T型填充塊、標準T型填充塊、雙T 型填充塊或底部為臺錐形的非標準T型填充塊；要求不高時，也可選用無T型蓋頭的簡單柱狀填充塊。
所述填充塊的上半部分為蓋，用于和無針攪拌頭接觸摩擦并將熱量傳遞給整個填充塊及匙孔周圍的材料；下半部分為桿，是用于填充匙孔的主要部分，其高度和體積均要大于匙孔，以保證飽滿填充。
T型蓋頭的厚度及直徑根據(jù)待補焊工件的板厚確定，即板較厚時應適當增加T型蓋頭的厚度及直徑。
以下介紹一具體實施案例說明如何實施本方法，并介紹所補焊接頭性能的測試結果及T型填充塊/匙孔界面致密化觀察結果，以證明本發(fā)明的實用性和創(chuàng)新性。
選用厚度為5mm(實測厚度為4. 7mm)市售純鋁板L2作為待補焊工件4，將鋁板剪成80 X 70 X 4. 7mm的試樣。為盡量真實準確驗證本方法的填充補焊效果，補焊前預先在板上用帶針攪拌頭進行一次攪拌摩擦縫焊，以獲取匙孔3。T型填充塊2采用與待補焊工件4 一樣的材質。帶針攪拌頭和無針攪拌針均為45鋼制攪拌頭。攪拌摩擦縫焊和無針攪拌頭填充匙孔工藝的工具形狀及尺寸和工藝參數(shù)分別如表1、表2所示
表1攪拌摩擦縫焊和攪拌摩擦加工填充消除匙孔工藝的工具形狀及尺寸和工藝參數(shù)
權利要求
1.一種采用T型填充塊與無針攪拌頭填充攪拌摩擦焊匙孔的方法，其特征在于(1)先將攪拌摩擦焊匙孔上部進行擴孔處理，加工成上寬下窄的臺錐形，并預清理其內壁；(2)制備T型填充塊；(3)將T型填充塊預置入臺錐形孔內，并使T型蓋頭露出臺錐形孔；(4)啟動無針攪拌頭旋轉并下壓，使T型填充塊向攪拌摩擦焊匙孔中旋壓；(5)待攪拌頭下壓到與待補焊工件上表面基本平齊時，原位摩擦一定時間；(6)去除飛邊，使填充表面光滑美觀。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于(1)、先將攪拌摩擦焊匙孔上部進行擴孔處理，加工成上寬下窄的臺錐形并預清理其內壁，以便填充塊能順利置入，若攪拌摩擦焊后的匙孔本身為臺錐形，則免去擴孔工序；(2)、以擴孔內徑為基準，按緊配合原則制備可接近或直接可達臺錐形匙孔底面的T型填充塊，其材質與母材相同，其中，T型填充塊的T型圓蓋頭的直徑接近攪拌頭直徑，T型圓蓋頭的厚度為1 3mm ；(3)、將制備好的T型填充塊預置入臺錐形孔內，要求T型填充塊的T型蓋頭須露出一定高度；(4)、啟動在填充塊上表面的無針攪拌頭旋轉、摩擦并下壓，利用肩與T型蓋頭之間的摩擦熱和無針攪拌頭的下壓力的聯(lián)合作用使填充塊一邊受熱一邊往匙孔中旋壓；(5)、攪拌頭下壓到與待補焊工件上表面基本平齊時，原位摩擦一定的時間，利用肩的摩擦、攪拌和扭轉作用使填充塊與匙孔周圍的材料進一步受熱軟化、變形并破碎填充塊和匙孔接觸面的氧化膜，實現(xiàn)界面的致密結合；(6)、去除飛邊，使填充表面光滑美觀。
3.如權利要求2所述的方法，其特征在于所述無針攪拌頭為可反復使用、無需更換的圓柱狀非消耗性工具，無針攪拌頭無需傾斜。
4.如權利要求2所述的方法，其特征在于所述填充塊的上半部分為圓蓋，用于和無針攪拌頭接觸摩擦并將熱量傳遞給整個填充塊及匙孔周圍的材料；下半部分為臺錐狀桿，是用于填充匙孔的主要部分，其高度要大于匙孔的深度，桿體積要大于匙孔的體積，以保證飽滿填充。
5.如權利要求2所述的方法，其特征在于所述填充塊是僅在桿底部帶部分臺錐形斜壁的非標準T型填充塊、桿部整體為臺錐形的非標準T型填充塊、標準T型填充塊、或雙T 型填充塊。
6.如權利要求2所述的方法，其特征在于所述填充塊在未完全壓入匙孔前，已被無針攪拌頭驅動而使圓形蓋頭以下的桿部能與匙孔內壁產(chǎn)生相對摩擦而破膜，同時受到無針攪拌頭的預摩擦加熱和下壓力作用，桿部產(chǎn)生了一定的溫升、軟化，從而易于向未填滿處塑性流動。
7.如權利要求2所述的方法，其特征在于所述無針攪拌頭將填充塊下壓至與待補焊工件的上表面時，原位摩擦一段時間，使肩的摩擦、攪拌和扭轉作用充分作用于填充塊及匙孔周圍的材料，使它們一并受熱軟化并產(chǎn)生一定的塑性流動從而實現(xiàn)填充塊和匙孔間界面的致密結合，最終使匙孔得到填補修復。
8.如權利要求2所述的方法，其特征在于所述T型填充塊選擇和待補焊工件一樣材質的材料，或者選擇和待補焊工件不同材質的材料。
9.如權利要求2所述的方法，其特征在于所述填充塊換成圓柱形填充塊，但其高度和體積同樣均應大于匙孔，以保證飽滿填充。
10.如權利要求2所述的方法，其特征在于所述T型蓋頭的厚度及直徑根據(jù)待補焊工件的板厚確定。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種采用T型填充塊與無針攪拌頭填充攪拌摩擦焊匙孔的方法，(1)先將攪拌摩擦焊匙孔上部進行擴孔處理，加工成上寬下窄的臺錐形，并預清理其內壁；(2)制備T型填充塊；(3)將T型填充塊預置入臺錐形孔內，并使T型蓋頭露出一定高度；(4)啟動無針攪拌頭旋轉并下壓，使T型填充塊向匙孔中旋壓；(5)待攪拌頭下壓到與待補焊工件上表面基本平齊時，原位摩擦一定時間；(6)去除飛邊，使填充表面光滑美觀。該方法具有工具設計制作簡單(無針工具)，批量修補時不需更換工具，節(jié)省填充材料，焊后匙孔處無減薄或減薄量極小，同時在側壁與底部能獲得去膜良好的致密結合的優(yōu)點。該方法還可用于鑄件表面缺陷及焊縫缺陷的修復。
文檔編號B23K35/02GK102500915SQ20111035064
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月8日 優(yōu)先權日2011年11月8日
發(fā)明者張建勛, 張貴鋒, 焦偉民 申請人:西安交通大學