本發(fā)明涉及金屬焊接，特別是一種攪拌摩擦焊焊具和用該焊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(zhì)量高等優(yōu)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針組成的攪拌摩擦焊焊具扎入工件內(nèi)部，與工件摩擦產(chǎn)生摩擦熱，使材料流動，實現(xiàn)待焊工件的連接。

在攪拌摩擦焊接過程中，由于攪拌針的存在，在焊接接頭的末端極易出現(xiàn)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(zhì)量，嚴重時甚至導致焊接工件報廢。

另外，對于現(xiàn)今大量應用于制造行業(yè)的鋁合金和鎂合金鑄造件，在鑄造過程中不可避免地會產(chǎn)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(jié)構(gòu)的質(zhì)量，嚴重時也會導致鑄件報廢。

此外，某些金屬構(gòu)件在使用過程中亦會產(chǎn)生各種缺陷，嚴重時同樣得報廢。

針對上述產(chǎn)品因不同原因?qū)е碌娜毕荻绊懫滟|(zhì)量和使用壽命的技術問題，為提高材料的利用率、節(jié)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(tǒng)攪拌頭，其攪拌頭軸肩表面(底面)為平面、內(nèi)凹面，或帶有同心圓形狀的凹槽。用這種攪拌頭進行攪拌摩擦焊修復匙孔，工件表面易出現(xiàn)弧紋和飛邊，且不利于材料的良好轉(zhuǎn)移，易造成焊縫缺陷，導致表面質(zhì)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(jié)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的修復；此外，修復界面極易產(chǎn)生冶金結(jié)合不良現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)沿板材深度方向的修補，且工件修復區(qū)會出現(xiàn)厚度減薄現(xiàn)象，導致應力集中，接頭抗疲勞壽命降低。

技術實現(xiàn)要素：

為解決上述現(xiàn)有攪拌摩擦焊修復匙孔缺陷存在的問題，本發(fā)明提供一種可使修復區(qū)晶粒尺寸細化、冶金結(jié)合和力學性能好、強度高、厚度不減薄、無材料溢出、應力集中少和適用范圍廣的攪拌摩擦焊焊具和用該焊具修復匙孔缺陷的方法。

本發(fā)明提供的攪拌摩擦焊焊具，包括攪拌頭和與攪拌頭配合的靜止軸肩；所述攪拌頭的攪拌頭軸肩表面有六螺旋線凹槽；所述靜止軸肩由四個套在攪拌頭上、并可拆分的靜止軸肩分體組合而成，靜止軸肩的內(nèi)徑比攪拌頭軸肩的直徑大0.1～0.3mm，靜止軸肩的外徑比內(nèi)徑大5～10mm；四個靜止軸肩分體分別有與其配合使用的超聲振動裝置，超聲振動裝置由超聲波發(fā)生器、超聲換能器和超聲變幅桿組成，超聲變幅桿與靜止軸肩分體的上表面相接觸。

用上述攪拌摩擦焊焊具修復匙孔缺陷的方法，包括以下步驟：

步驟1、將帶有匙孔的待修復工件水平放置在工作臺上，并加以固定。

步驟2、采取級進式填充修復焊方式，先根據(jù)匙孔的尺寸確定填充修復焊的級數(shù)；根據(jù)工件材質(zhì)的不同和修復匙孔的大小選取超聲振動裝置的超聲技術參數(shù)，選取范圍是，功率為600～2000W，振幅為15～55μm，頻率為20kHz～60kHz。

步驟3、然后按下述方法利用匙孔周圍材質(zhì)對匙孔進行級進式填充焊

一級填充焊：

攪拌摩擦焊焊具采用攪拌頭軸肩直徑比匙孔上端直徑略大的攪拌頭和與之匹配的靜止軸肩；將靜止軸肩的四個靜止軸肩分體套在攪拌頭上；然后使攪拌頭以50～10000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速和0.1～10mm/分的下壓速度扎入匙孔一定深度，使匙孔周圍的塑化材料填充到匙孔底部和攪拌頭之間的空腔中；攪拌頭的下扎深度根據(jù)等體積原理確定，攪拌頭達到確定的下扎深度時停止下扎，此時使靜止軸肩與工件(板材)的表面相接觸，但不轉(zhuǎn)動；開啟四個超聲振動裝置，調(diào)節(jié)超聲變幅桿與靜止軸肩表面的夾角，使振動效果達到最佳；攪拌頭停止下扎后繼續(xù)旋轉(zhuǎn)1～100秒，使攪拌頭下部的填充材料塑性流動，與填充區(qū)的界面實現(xiàn)冶金結(jié)合；然后將攪拌頭和靜止軸肩一起撤回，完成匙孔的一級填充焊。

完成一級填充焊后，將攪拌摩擦焊焊具改用攪拌頭軸肩直徑比一級填充焊所用攪拌頭的攪拌頭軸肩直徑大1～3mm的攪拌頭和與之匹配的靜止軸肩，按與一級填充焊相同的方法對匙孔進行二級填充焊；

完成二級填充焊后，將攪拌摩擦焊焊具改用攪拌頭軸肩直徑比二級填充焊所用攪拌頭的攪拌頭軸肩直徑大1～3mm的攪拌頭和預制匹配的靜止軸肩按與一級填充焊相同的方法對匙孔進行三級填充焊。

以此類推，完成利用匙孔周圍材質(zhì)對匙孔設定的多級填充焊；

步驟4、完成上述利用匙孔周圍材質(zhì)對匙孔確定的多級填充焊后，根據(jù)體積不變原理，在匙孔上部會出現(xiàn)一個深度較淺、直徑較大的圓形缺孔，此時先用尺寸與該缺孔相同、材質(zhì)與工件相同的圓形填充片填充該缺孔；然后將攪拌摩擦焊焊具改用攪拌頭軸肩直徑比該缺孔孔徑大1～5mm的攪拌頭和與之匹配的靜止軸肩，在超聲振動裝置輔助下對該缺孔進行填充焊：使攪拌頭以50～10000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)并下扎，下扎深度達到0.1mm時停止下扎，使靜止軸肩的端面與工件上表面接觸，攪拌頭繼續(xù)旋轉(zhuǎn)1～100s后停止旋轉(zhuǎn)，然后以1～100mm/分的速度與靜止軸肩一起沿工件的上表面向一側(cè)移動，(此時超聲振動不停止)，使攪拌頭離開修復的匙孔1～100mm；超聲振動維持100s后停止；最后將攪拌頭和靜止軸肩以1～5mm/分的速度同時撤回，完成匙孔的整個修復焊過程。

與現(xiàn)有技術相比較，本發(fā)明的有益效果是：

1、與用整體式外填充材料一次性填充修復焊相比，本發(fā)明利用匙孔周圍工件自身材質(zhì)對匙孔采取級進式填充修復焊，可提高修復界面冶金結(jié)合強度；減少弱連接缺陷。

2、在填充過程中，四個方向的超聲波通過四個靜止軸肩分體對工件匙孔的周邊同時施加高頻機械振動，可增大超聲波的振動效應，提高工件焊接部位的原子擴散程度，細化填充區(qū)晶粒尺寸，促進填充區(qū)層間及填充區(qū)與母材層間的擴散連接，增強填充過程中材料的流動，進一步減少弱連接缺陷，提高修復區(qū)強度。

3、與攪拌頭軸肩表面呈平面或帶有同心圓形狀凹槽的傳統(tǒng)攪拌頭相比，本發(fā)明使用軸肩表面具有六螺旋線凹槽的攪拌頭可使被摩擦的材料產(chǎn)生更好的流動，增強界面的冶金結(jié)合，提高修復區(qū)強度。

4、填充焊接過程中，由于靜止軸肩不旋轉(zhuǎn)，可吸收大量的熱，減小熱影響區(qū)的寬度和晶粒長大現(xiàn)象，有利于提高修復區(qū)強度；此外，靜止軸肩還可起到阻止材料溢出焊縫的作用，使修復區(qū)表面光滑。

5、焊接完成后，繼續(xù)施加一定時間的超聲振動有利于消除修復區(qū)內(nèi)應力，提高修復區(qū)的力學性能。

6、與現(xiàn)有不消耗攪拌頭的攪拌摩擦焊相比，本發(fā)明可實現(xiàn)對較大深度匙孔缺陷的修復，修復后的修復區(qū)厚度不減薄，且應力集中現(xiàn)象減少。

7、本發(fā)明適用范圍廣，修復不受匙孔缺陷深度限制，對于鑄鋁、鑄鎂以及其他變形鋁或鎂結(jié)構(gòu)件中的各種體積型缺陷，只要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(fā)明加以修復。

附圖說明

圖1是本發(fā)明攪拌摩擦焊焊具的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是圖1中攪拌頭的攪拌頭軸肩表面視圖；

圖3是圖1中靜止軸肩和超聲振動裝置組裝后的立體圖；

圖4是上表面帶有匙孔的工件示意圖；

圖5是用本發(fā)明攪拌摩擦焊焊具修復圖4工件匙孔的參考圖。

圖中：1.攪拌頭，2.超聲換能器，3.超聲變幅桿，4.靜止軸肩，5.攪拌頭軸肩，6靜止軸肩分體，7.六螺旋線凹槽，8.工件，9.(待修復)匙孔，10.填充片。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步說明。

結(jié)合圖1至圖3，本發(fā)明攪拌摩擦焊焊具包括攪拌頭1和與攪拌頭配合的靜止軸肩4；攪拌頭的攪拌頭軸肩5表面(底面)有六螺旋線凹槽7，六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。所述靜止軸肩整體呈上大下小的圓臺形，其內(nèi)徑比攪拌頭軸肩的直徑大0.1～0.3mm，下端外徑比內(nèi)徑大5～10mm，上端外徑比內(nèi)徑大10～100mm。靜止軸肩由四個套在攪拌頭上、并可拆分的靜止軸肩分體6組合而成。四個靜止軸肩分體分別有與其配合使用的超聲振動裝置，超聲振動裝置由超聲波發(fā)生器(未圖示)、超聲換能器2和超聲變幅桿3組成，超聲變幅桿與靜止軸肩分體的上表面相接。

以下為利用上述結(jié)構(gòu)的攪拌摩擦焊焊具對圖4所示工件(鑄鋁)8上表面上的匙孔9進行修復的實施例。該匙孔上大下小，上端直徑d為6mm，匙孔的深度為4mm。

本實施例采取三級填充焊，其中一級和二級填充焊利用匙孔周圍的工件材質(zhì)進行，三級填充焊利用外加的圓形填充片進行。

與三級填充焊相對應，攪拌摩擦焊焊具使用三種尺寸規(guī)格的攪拌頭和靜止軸肩：一級填充焊使用的攪拌頭的攪拌頭軸肩直徑為8mm,靜止軸肩的內(nèi)經(jīng)為8.1mm，靜止軸肩的下端外徑為14mm,靜止軸肩的上端外徑為24mm；二級填充焊使用的攪拌頭的攪拌頭軸肩直徑為10mm,靜止軸肩的內(nèi)經(jīng)為10.1mm，靜止軸肩下端外徑為16mm,靜止軸肩上端外徑為26mm；三級填充焊使用的攪拌頭的攪拌頭軸肩直徑為12mm,靜止軸肩的內(nèi)經(jīng)為12.1mm，靜止軸肩下端外徑為18mm,靜止軸肩上端外徑為28mm。

與靜止軸肩的四個靜止軸肩分體配套使用的四個超聲振動裝置的技術參數(shù)為：功率為1800W，振幅為35μm，超聲波頻率位22kHz。

修復過程如下：

1、將待修復工件水平放置在工作臺(未圖示)上，并加以固定。

2、利用匙孔周圍材質(zhì)對匙孔進行兩級填充焊

結(jié)合圖5(a)，一級填充焊方法如下：

攪拌摩擦焊焊具采用上述一級填充使用的攪拌頭和與之匹配的靜止軸肩；將靜止軸肩的四個靜止軸肩分體套在攪拌頭上，使攪拌頭以2000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速和0.5mm/分的下壓速度扎入匙孔3mm，使匙孔周圍的塑化材料填充到匙孔底部和攪拌頭之間的空腔中；攪拌頭達到3mm下扎深度時停止下扎，此時使靜止軸肩與工件表面相接觸，但不轉(zhuǎn)動；將四個超聲振動裝置的超聲變幅桿分別與四個靜止軸肩分體的上表面呈60°夾角接觸，使超聲振動達到最佳效果；攪拌頭停止下扎后繼續(xù)旋轉(zhuǎn)50秒，使攪拌頭下部的填充材料塑性流動，與填充區(qū)的界面實現(xiàn)冶金結(jié)合；然后將攪拌頭與靜止軸肩一起撤回，完成匙孔的一級填充焊。

結(jié)合圖5(b)，完成一級填充焊后，攪拌摩擦焊焊具采用上述二級填充焊使用的攪拌頭和與之匹配的靜止軸肩；按與一級填充焊相同的方法對匙孔進行二級填充焊，二級填充焊攪拌頭的下扎量為1.5mm；

步驟4、結(jié)合圖5(c)和圖5(d)，完成上述兩級填充焊后，根據(jù)體積不變原理，在匙孔上部會出現(xiàn)一個深度為1.5mm、直徑為10mm的圓形缺孔，此時用直徑為10mmmm、厚度為1.5mm、與工件同材質(zhì)圓形填充片10填充該缺孔；然后將攪拌摩擦焊焊具改用上述三級填充焊使用的攪拌頭和與之匹配的靜止軸肩，按與一級填充焊相同的方法進行填充焊接；當攪拌頭的下扎量達到0.1mm時使靜止軸肩的端面與工件的上表面接觸，同時攪拌頭停止下扎，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)100s后停止旋轉(zhuǎn)，然后以5mm/分的速度V與靜止軸肩一起沿工件的上表面向一側(cè)移動，(此時超聲振動不停止)，使攪拌頭離開修復的匙孔5mm，維持超聲振動100s后停止，最后將攪拌頭和靜止軸肩以5mm/分的速度同時撤回，完成匙孔的整個修復焊接過程。

修復后的工件，填充材料與工件母材冶金結(jié)合良好，修復區(qū)表面光滑平整，無缺陷。