專利名稱：原位填充無(wú)匙孔攪拌摩擦焊方法
原位填充無(wú)匙孔攪拌摩擦焊方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于焊接領(lǐng)域，具體涉及一種具有原位無(wú)匙孔處理功能的攪拌摩擦焊方法。
背景技術(shù)：
在攪拌摩擦焊技術(shù)領(lǐng)域，通常在焊接結(jié)束時(shí)會(huì)在焊縫表面留下攪拌針的退出孔， 稱之為匙孔。在大多數(shù)情況下，通常不允許焊縫表面有匙孔的存在，特別是對(duì)密封性能有要求的構(gòu)件。因此，必須對(duì)攪拌摩擦焊的匙孔進(jìn)行處理。
目前，對(duì)于攪拌摩擦焊匙孔的處理手段大體有三種。第一種是最簡(jiǎn)單也最常用的手段，即通過(guò)在被焊工件外部設(shè)置引出板，將焊接結(jié)束點(diǎn)引出至工件外部，最后將引出板通過(guò)機(jī)械加工的手段去除。這種方法的缺陷是無(wú)法應(yīng)用于環(huán)縫焊接、斷續(xù)焊縫焊接，即對(duì)于因工件和焊縫所限無(wú)法將焊接結(jié)束點(diǎn)引出至工件外部的情況不能進(jìn)行處理。
第二種無(wú)匙孔處理手段是采用焊接結(jié)束后進(jìn)行匙孔補(bǔ)焊的方法。目前的補(bǔ)焊措施有手工電弧熔焊、摩擦點(diǎn)焊、摩擦塞焊三種。電弧熔焊因其組織為鑄造組織，與焊縫的鍛造組織不一致，并且匙孔較深時(shí)極易出現(xiàn)缺陷，該方法較少應(yīng)用；摩擦點(diǎn)焊與摩擦塞焊均是固相點(diǎn)連接技術(shù)，首先通過(guò)采用機(jī)械手段將材料預(yù)置于匙孔內(nèi)，再通過(guò)固相點(diǎn)焊技術(shù)將其組織變?yōu)殄懺旖M織。但這兩種方法均需要額外的焊接工具與焊接工序，提高了制造成本和生產(chǎn)周期。此外，摩擦點(diǎn)焊目前存在豎直界面易出現(xiàn)弱連接的缺陷，且對(duì)大尺寸構(gòu)件難以施焊；摩擦塞焊則需要構(gòu)件承受較大的沖擊力，這均限制了這兩種方法的使用。
第三種無(wú)匙孔處理手段是美國(guó)NASA開發(fā)的攪拌針回抽式無(wú)匙孔焊接方法。其基本原理是，攪拌針與軸肩是分離設(shè)計(jì)，在焊接結(jié)束時(shí)，攪拌工具繼續(xù)向前移動(dòng)，與此同時(shí)，攪拌針逐漸回抽，而軸肩適當(dāng)下壓，最后得到無(wú)匙孔的焊縫。該無(wú)匙孔處理手段僅針對(duì)封閉焊縫而言是有效的，因?yàn)樵跀嚢栳樀幕爻槎魏缚p必須是已經(jīng)完成焊接的焊縫。對(duì)于非封閉焊縫，該方法無(wú)法進(jìn)行匙孔處理。
在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中，有很多構(gòu)件的焊縫設(shè)計(jì)使得無(wú)法將焊接結(jié)束點(diǎn)引出至工件之外，同時(shí)也有很多需要在一條較長(zhǎng)焊縫上進(jìn)行斷續(xù)焊的情況。對(duì)于這類焊縫，因攪拌摩擦焊匙孔問(wèn)題的存在，限制了該方法的應(yīng)用。因此，目前生產(chǎn)實(shí)際亟需開發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)原位無(wú)匙孔焊接的攪拌摩擦焊新方法。發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有無(wú)匙孔處理技術(shù)的上述不足，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種新型的原位填充無(wú)匙孔攪拌摩擦焊方法，本發(fā)明方法解決了傳統(tǒng)攪拌摩擦焊技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)斷續(xù)焊縫、非封閉焊縫的無(wú)匙孔焊接難題。
本發(fā)明是通過(guò)如下方法實(shí)現(xiàn)無(wú)匙孔處理的一種原位填充無(wú)匙孔攪拌摩擦焊方法，其使用由攪拌針、內(nèi)套環(huán)和軸肩組成的焊接工具，包括如下步驟
1)內(nèi)套環(huán)下部預(yù)置與母材同質(zhì)的圓環(huán)預(yù)置金屬，并利用與軸肩的緊配合摩擦力進(jìn)行位置固定；攪拌針、軸肩和內(nèi)套環(huán)以相同的旋轉(zhuǎn)速度和軸向下壓速度同時(shí)旋轉(zhuǎn)和軸向下壓，被焊材料在攪拌針的旋轉(zhuǎn)和軸向下壓下形成匙孔，匙孔周圍的材料在摩擦熱的作用下進(jìn)入塑性狀態(tài)；
2)當(dāng)攪拌針完全插入母材時(shí)，攪拌軸肩與圓環(huán)預(yù)置金屬緊貼母材表面，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)摩擦，產(chǎn)生的熱量使得攪拌針周圍的材料進(jìn)入塑性狀態(tài)；
3)當(dāng)攪拌針周圍形成適量的塑性材料之后，焊接工具向前移動(dòng)，形成焊縫；
4)在焊縫末端，焊接工具停止移動(dòng)，同時(shí)保持相同的旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)摩擦，軸肩在原位進(jìn)行摩擦，攪拌針在保持旋轉(zhuǎn)摩擦的同時(shí)向上回抽，與此同時(shí)內(nèi)套環(huán)軸向下壓，將下部的塑性金屬回填至攪拌針回抽留下的空間，獲得表面無(wú)匙孔的焊縫，將焊縫末端打磨平整，完成整條焊縫的焊接。
優(yōu)選地，本發(fā)明上述原位填充無(wú)匙孔攪拌摩擦焊方法中，攪拌針、內(nèi)套環(huán)和軸肩的旋轉(zhuǎn)速度為1000 5000rpm。
優(yōu)選地，本發(fā)明上述原位填充無(wú)匙孔攪拌摩擦焊方法中，步驟4)中，攪拌針的回抽速度與內(nèi)套環(huán)的下壓速度基于材料不可壓縮原理進(jìn)行匹配，即攪拌針回抽留下的匙孔空腔體積應(yīng)等于內(nèi)套環(huán)下壓的塑性材料體積。
優(yōu)選地，本發(fā)明上述原位填充無(wú)匙孔攪拌摩擦焊方法中，內(nèi)套環(huán)軸向下壓的下壓量不大于0. 2mmO
本發(fā)明的焊接工具由軸肩、攪拌針和內(nèi)套環(huán)組成，三者具有相同的旋轉(zhuǎn)速度，三者組合起來(lái)在正常的焊接階段，與傳統(tǒng)的攪拌摩擦焊工具具有相同的功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的連接。其不同之處在于起焊階段與停焊階段，焊接之前，內(nèi)套環(huán)向上回抽一段距離，留下一個(gè)圓環(huán)狀空間，回抽距離大小與攪拌針?biāo)粝碌某卓状笮∮嘘P(guān)。此圓環(huán)空間需要鑲套一個(gè)相同尺寸、與母材同質(zhì)的預(yù)置金屬圓環(huán)。之后，按攪拌摩擦焊的正常焊接過(guò)程進(jìn)行攪拌針下壓、停留和焊接。在此過(guò)程中，預(yù)置金屬圓環(huán)在高溫下已進(jìn)入塑性狀態(tài)。當(dāng)攪拌工具行走至焊縫末端時(shí)，攪拌工具停止移動(dòng)但保持旋轉(zhuǎn)，此時(shí)通過(guò)控制攪拌針進(jìn)行回抽，與此同時(shí)，內(nèi)套環(huán)下壓，將預(yù)置金屬圓環(huán)下壓至攪拌針回抽留下的匙孔空間，當(dāng)攪拌針完全抽離材料上表面時(shí)，焊接工具停止旋轉(zhuǎn)，結(jié)束焊接過(guò)程。對(duì)焊縫末端表面進(jìn)行打磨后可得到表面平整無(wú)匙孔的焊縫。
相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明在傳統(tǒng)的回抽式無(wú)匙孔焊接方法的基礎(chǔ)上，設(shè)置了可軸向移動(dòng)的內(nèi)套環(huán)，并在內(nèi)套環(huán)下部預(yù)置同質(zhì)金屬圓環(huán)，在焊縫末端攪拌工具停止移動(dòng)的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)攪拌匙孔的填充處理。這種創(chuàng)新設(shè)計(jì)使得攪拌摩擦焊能夠像其它焊接方法那樣，可以在任意位置實(shí)現(xiàn)無(wú)匙孔焊接，大大增加了該焊接方法的靈活性，特別對(duì)于需要斷續(xù)焊、定位焊的領(lǐng)域，使得無(wú)匙孔焊接成為可能，該焊接方法具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。


圖1-5為本發(fā)明原位填充無(wú)匙孔攪拌摩擦焊過(guò)程示意圖。
其中1為攪拌針；2為內(nèi)套環(huán)；3為攪拌軸肩；4為攪拌摩擦焊焊縫；5為待焊母材；6為預(yù)置金屬圓環(huán)；7為進(jìn)入塑性狀態(tài)的預(yù)置金屬。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。這些實(shí)施例應(yīng)理解為僅用于說(shuō)明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。在閱讀了本發(fā)明記載的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等效變化和修飾同樣落入本發(fā)明權(quán)利要求所限定的范圍。
如圖1-5所示，本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例提供的原位填充無(wú)匙孔焊接方法，包括如下步驟
1)攪拌針插入階段在此階段，將內(nèi)套環(huán)2下部預(yù)置與母材5同質(zhì)的金屬圓環(huán)6， 并利用與軸肩3的緊配合摩擦力進(jìn)行位置固定；攪拌針1伸出長(zhǎng)度由焊接工件壁厚確定，此時(shí)攪拌針1、軸肩3、內(nèi)套環(huán)2具有相同的旋轉(zhuǎn)速度與軸向下壓速度，這與傳統(tǒng)攪拌摩擦焊過(guò)程類似，被焊材料在攪拌針1的旋轉(zhuǎn)下壓下形成匙孔，匙孔周圍的材料在摩擦熱的作用下進(jìn)入塑性狀態(tài)。如圖1所示。
2)材料塑性化階段當(dāng)攪拌針1完全插入母材時(shí)，攪拌軸肩3與預(yù)置金屬圓環(huán)6緊貼母材表面，此時(shí)保持一段時(shí)間的旋轉(zhuǎn)摩擦，產(chǎn)生足夠的熱量使得攪拌針周圍的材料進(jìn)入塑性狀態(tài)，如附圖標(biāo)記7所示。如圖2所示。
3)正常焊接階段當(dāng)攪拌針1周圍形成一定量的塑性材料之后，整個(gè)焊接工具一起向前移動(dòng)，形成焊縫，此階段與傳統(tǒng)攪拌摩擦焊過(guò)程一致。如圖3所示。
4)無(wú)匙孔處理階段在焊縫末端，即完成所需要的焊縫長(zhǎng)度時(shí)，攪拌工具停止行走，但保持相同的旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)摩擦，軸肩3在原位進(jìn)行摩擦，攪拌針1在保持旋轉(zhuǎn)摩擦的同時(shí)以一定的速度向上回抽，與此同時(shí)內(nèi)套環(huán)2以一定的速度軸向下壓，將下部的塑性金屬回填至攪拌針回抽留下的空間，如圖4所示。最后獲得表面無(wú)匙孔的焊縫，如圖5所示，將焊縫末端打磨平整后即完成整條焊縫的焊接。
本實(shí)施例中，典型的攪拌針1、內(nèi)套環(huán)2、軸肩3的旋轉(zhuǎn)速度范圍為1000 5000rpm，攪拌針的回抽速度與內(nèi)套環(huán)的下壓速度基于材料不可壓縮原理進(jìn)行匹配，即攪拌針回抽留下的匙孔空腔體積應(yīng)等于內(nèi)套環(huán)下壓的塑性材料體積。焊縫表面允許存在局部下壓量，典型地，下壓量不大于0. 2mm。
本實(shí)施例中，焊接工具的軸肩3、內(nèi)套環(huán)2和攪拌針1為分離設(shè)計(jì)，但由同一電機(jī)驅(qū)動(dòng)，具有相同的旋轉(zhuǎn)速度，正常焊接時(shí)與一體化攪拌工具功能一致，無(wú)匙孔處理時(shí)，攪拌針具有回抽功能，內(nèi)套環(huán)具有軸向下壓功能。
本實(shí)施例中，攪拌針1的回抽運(yùn)動(dòng)，內(nèi)套環(huán)2的下壓運(yùn)動(dòng)，以及兩者復(fù)位運(yùn)動(dòng)，分別由兩個(gè)液壓或伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置控制，并可設(shè)定速度與位移。
權(quán)利要求
1.一種原位填充無(wú)匙孔攪拌摩擦焊方法，其特征是，使用由攪拌針、內(nèi)套環(huán)和軸肩組成的焊接工具，包括如下步驟1)內(nèi)套環(huán)下部預(yù)置與母材同質(zhì)的圓環(huán)預(yù)置金屬，并利用與軸肩的緊配合摩擦力進(jìn)行位置固定；攪拌針、軸肩和內(nèi)套環(huán)以相同的旋轉(zhuǎn)速度和軸向下壓速度同時(shí)旋轉(zhuǎn)和軸向下壓，被焊材料在攪拌針的旋轉(zhuǎn)和軸向下壓下形成匙孔，匙孔周圍的材料在摩擦熱的作用下進(jìn)入塑性狀態(tài)；2)當(dāng)攪拌針完全插入母材時(shí)，攪拌軸肩與圓環(huán)預(yù)置金屬緊貼母材表面，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)摩擦， 產(chǎn)生的熱量使得攪拌針周圍的材料進(jìn)入塑性狀態(tài)；3)當(dāng)攪拌針周圍形成適量的塑性材料之后，焊接工具向前移動(dòng)，形成焊縫；4)在焊縫末端，焊接工具停止移動(dòng)，同時(shí)保持相同的旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)摩擦，軸肩在原位進(jìn)行摩擦，攪拌針在保持旋轉(zhuǎn)摩擦的同時(shí)向上回抽，與此同時(shí)內(nèi)套環(huán)軸向下壓，將下部的塑性金屬回填至攪拌針回抽留下的空間，獲得表面無(wú)匙孔的焊縫，將焊縫末端打磨平整，完成整條焊縫的焊接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原位填充無(wú)匙孔攪拌摩擦焊方法，其特征是，攪拌針、內(nèi)套環(huán)和軸肩的旋轉(zhuǎn)速度為1000 5000rpm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的原位填充無(wú)匙孔攪拌摩擦焊方法，其特征是，步驟4)中， 攪拌針的回抽速度與內(nèi)套環(huán)的下壓速度基于材料不可壓縮原理進(jìn)行匹配，即攪拌針回抽留下的匙孔空腔體積應(yīng)等于內(nèi)套環(huán)下壓的塑性材料體積。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的原位填充無(wú)匙孔攪拌摩擦焊方法，其特征是，內(nèi)套環(huán)軸向下壓的下壓量不大于0. 2mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的原位填充無(wú)匙孔攪拌摩擦焊方法，其特征是，攪拌針的回抽運(yùn)動(dòng)，內(nèi)套環(huán)的軸向下壓運(yùn)動(dòng)，以及兩者的復(fù)位運(yùn)動(dòng)，分別由兩個(gè)液壓或伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置控制，并可設(shè)定速度與位移。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種原位填充無(wú)匙孔攪拌摩擦焊方法，在攪拌工具不移動(dòng)的情況下實(shí)現(xiàn)無(wú)匙孔處理的攪拌摩擦焊，屬于焊接技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明采用分離式的攪拌工具，即攪拌針與軸肩分離設(shè)計(jì)，同時(shí)增加了一個(gè)可軸向運(yùn)動(dòng)的同速旋轉(zhuǎn)內(nèi)套環(huán)。焊接時(shí)，在內(nèi)套環(huán)下方預(yù)置與母材同質(zhì)的圓環(huán)預(yù)置金屬，完成焊縫焊接時(shí)，攪拌工具停止前進(jìn)，攪拌針開始回抽，與此同時(shí)內(nèi)套環(huán)保持旋轉(zhuǎn)下壓，將其下部材料填充至攪拌針留下的匙孔，最后得到無(wú)匙孔焊縫。本發(fā)明方法能夠在原位實(shí)現(xiàn)無(wú)匙孔焊接，解決了非封閉焊縫的無(wú)匙孔處理難題。
文檔編號(hào)B23K20/12GK102513689SQ20111041281
公開日2012年6月27日 申請(qǐng)日期2011年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月12日
發(fā)明者姚君山, 封小松, 康志明, 易翔, 沈小麗, 賈洪德 申請(qǐng)人:上海航天設(shè)備制造總廠