一种搅拌摩擦塞钎焊方法 【技术领域】
本发明涉及一种塞焊方法。
背景技术
利用搅拌摩擦焊接方法可以获得高质量的焊接接头，但是在工程实际操作中，焊缝尾部会出现匙孔。工程上用来解决搅拌摩擦焊缝匙孔的方法主要有：熔焊和摩擦塞焊。熔焊一般选用钨极氩弧焊填丝的方式来实现，摩擦塞焊是耗材摩擦焊接，使用的工具为旋转移动的塞棒，摩擦使具有缺陷的焊缝和塞棒处于塑性状态，塞棒急停并对其施加顶锻力，形成焊缝。然而经上述两种方法处理过的“匙孔”并不能实现优良的力学性能。若采用传统的熔焊方法进行补焊，其接头强度会有较大幅度的降低，直接影响焊接结构的承载能力和效率。
常规的搅拌摩擦点焊是在摩擦热和塑性变形能的作用下，形成连接的点接头。其过程为一个非消耗的搅拌头高速旋转，通过施加顶锻压力插入连接工件中，搅拌头与工件之间的摩擦，使金属软化并发生塑性流动，保持搅拌头压力并使轴肩接触工件表面，继续旋转一定时间，完成连接后搅拌头从工件中退出，在点焊缝中心留下匙孔。针对匙孔的问题，德国GKSS研究中心于1999年发明了无匙孔的搅拌摩擦点焊，采用特殊的搅拌头，该搅拌头由最内部的搅拌针、中间具有轴肩功能的套筒和最外侧的夹套组成，夹套在焊接时固定，不发生旋转，套筒和最内层的搅拌针在焊接时既发生旋转也发生沿轴向的相对运动，通过精确控制搅拌头各部件的相对运动，在搅拌头回抽的同时填充搅拌头在焊接过程中形成的匙孔。这种方法不但搅拌头复杂，而且要完成复杂的相对运动，对设备的刚性和控制精度要求严格，需要专门的焊接设备进行焊接，前期投入成本较大。专利（CN101053923A）提出了一种双面搅拌摩擦点焊技术，使焊接表面的压入坑（匙孔）减少一半，但仍未能解决遗留匙孔的问题。专利（CN1788911A）则采用了在焊接结束位置的焊接本体对接缝上贴合一填充块，搅拌头沿着填充块的外形面运动，直到搅拌头的搅拌针脱离本体，再用机械方法去掉填充块的残余部分的方法来有效的消除焊缝中的匙孔，但这种方法无法消除搅拌摩擦点焊焊缝表面的匙孔。
可见，无论是搅拌摩擦焊，还是搅拌摩擦点焊，焊后所遗留匙孔的问题都是难于解决的，也是因工程需要所必须解决的。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种搅拌摩擦塞钎焊方法，以消除搅拌摩擦焊和搅拌摩擦点焊后留有匙孔的问题。
本发明的方法是通过以下步骤实现的：步骤一、点焊：利用现有一体式焊具对被焊工件进行搅拌摩擦点焊，一体式焊具参数的选择：一体式焊具上的搅拌针的长度为3mm～9mm、一体式焊具的轴肩直径为10mm～28mm、一体式焊具的旋转速度为400转/分钟～1000转/分钟、一体式焊具的轴肩压入量为0.1mm～0.3mm，点焊时，焊具逐渐扎入被焊工件，焊具停止扎入后，继续旋转1秒～3秒，提起一体式焊具，在点焊缝中心形成匙孔；步骤二、放入钎料：将钎料放入匙孔内；步骤三、搅拌摩擦塞钎焊：利用组合式焊具对点焊缝中心形成匙孔进行搅拌摩擦塞钎焊，组合式焊具参数的选择：组合式焊具上的搅拌针的材质与被焊工件材质相同，搅拌针前端的锥体部分的形状与匙孔地形状吻合，组合式焊具上的轴肩的直径为10mm～28mm，组合式焊具的旋转速度为600转/分钟～1200转/分钟，组合式焊具上的轴肩的压入量为0.05mm～0.1mm，搅拌摩擦塞钎焊时，焊具逐渐扎入匙孔内，焊具停止扎入后，继续旋转3秒～5秒，钎料在摩擦热的作用下熔化，多余的液态钎料被挤出，搅拌针上的圆柱部分留在夹持体上的夹持孔中，搅拌针上的锥体部分在摩擦热的作用下塑性化，并填充在匙孔中，实现匙孔的搅拌摩擦塞钎焊。
本发明具有以下优点：一、本发明利用搅拌针的强化挤压作用，使多余液态钎料被挤出，在搅拌针和匙孔M周围形成薄而致密的钎缝，改善了被焊工件接头的致密性，实现了搅拌摩擦焊和搅拌摩擦点焊焊缝匙孔的搅拌摩擦塞钎焊，即实现了匙孔的补焊，从而消除了搅拌摩擦焊和搅拌摩擦点焊后的匙孔。二、搅拌摩擦塞钎焊时，焊具采用组合式焊具，由于轴肩为非消耗件，可循环使用，搅拌针为消耗件，因此，组合式焊具方便更换。三、本发明提出的无匙孔搅拌摩擦塞焊方法，操作简单，适应性强。四、本发明既可用于两个工件叠放在一起的搭接接头匙孔的补焊，也可用于单一工件匙孔的补焊。
【附图说明】
图1是步骤三中组合式焊具的结构主剖视图，图中标记1为夹持体、1-1为夹持体上的夹持孔、2为轴肩、3为搅拌针、3-1为搅拌针上的圆柱部分、3-2为搅拌针上的锥体部分、4为环形隔热槽；图2是步骤一完成后，形成点焊缝中心部位的形貌图，图中M为匙孔；图3是步骤三完成后，形成搅拌摩擦塞钎焊焊缝中心部位的形貌图。
【具体实施方式】
具体实施方式一：结合图1～3说明本实施方式，本实施方式是通过以下步骤实现的：步骤一、点焊：利用现有一体式焊具对被焊工件进行搅拌摩擦点焊，一体式焊具参数的选择：一体式焊具上的搅拌针的长度为3mm～9mm、一体式焊具的轴肩直径为10mm～28mm、一体式焊具的旋转速度为400转/分钟～1000转/分钟、一体式焊具的轴肩压入量为0.1mm～0.3mm，点焊时，焊具逐渐扎入被焊工件，焊具停止扎入后，继续旋转1秒～3秒，提起一体式焊具，在点焊缝中心形成匙孔M；如图2所示；步骤二、放入钎料：将钎料放入匙孔M内；步骤三、搅拌摩擦塞钎焊：利用组合式焊具对点焊缝中心形成匙孔M进行搅拌摩擦塞钎焊，组合式焊具参数的选择：组合式焊具上的搅拌针3的材质与被焊工件材质相同，搅拌针3前端的锥体部分3-2的形状与匙孔M的形状吻合，由于搅拌针3为消耗件，搅拌针3的材质与被焊工件的材质相同，便于搅拌摩擦塞焊过程中，搅拌针3与匙孔周围的金属发生塑性化后填充于匙孔内；组合式焊具上的轴肩2的直径为10mm～28mm，组合式焊具的旋转速度为600转/分钟～1200转/分钟，组合式焊具上的轴肩2的压入量为0.05mm～0.1mm，搅拌摩擦塞钎焊时，焊具逐渐扎入匙孔M内，焊具停止扎入后，继续旋转3秒～5秒，钎料在摩擦热的作用下熔化，多余的液态钎料被挤出，搅拌针3上的圆柱部分3-1留在夹持体1上的夹持孔1-1中，搅拌针3上的锥体部分3-2在摩擦热的作用下塑性化，并填充在匙孔M中，如图3所示，实现匙孔M的搅拌摩擦塞钎焊。匙孔M填充的同时，有被挤出多余液态钎料遗留在匙孔M表面，使匙孔表面成形良好，无宏观缺陷。经对搅拌摩擦塞钎焊接头剖面微观分析表明，在搅拌针和匙孔周围形成薄而致密的钎缝，无孔洞和未焊合等缺陷，且在搅拌针3与匙孔M界面处存在材料塑性流动。搅拌摩擦塞钎焊过程中既包括搅拌针和轴肩与待焊工件间的搅拌摩擦过程，又包括钎料在搅拌针与匙孔内壁间的润湿和铺展过程，利于形成无缺陷、性能良好的接头。
具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式的步骤一中一体式焊具的材质为淬火热处理高速钢。上述材质可以重复使用。其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式的骤二中的钎料为铝硅钎料（Al-Si）、铝锌钎料（Al-Zn）或锡锌钎料（Sn-Zn）。由于上述三种钎料的熔点为200℃~600℃，熔点较低，因此，搅拌摩擦塞钎焊过程中，在摩擦热的作用下，上述三种钎料能够熔化，进而润湿和铺展，达到钎焊的效果。其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式的步骤三中组合式焊具上的轴肩2的材质为淬火热处理高速钢。上述材质可以重复使用。其它步骤与具体实施方式一、二或三相同。
具体实施方式五：以被焊接工件7.5mm厚的铝合金为例来说明本实施方式的实现步骤：步骤一、点焊：利用现有一体式焊具对7.5mm厚的铝合金进行搅拌摩擦点焊，一体式焊具参数的选择：一体式焊具上的搅拌针的长度为7.4mm、一体式焊具的轴肩直径为22mm、一体式焊具的旋转速度为600转/分钟、一体式焊具的轴肩压入量为0.1mm，点焊时，焊具逐渐扎入被焊工件，焊具停止扎入后，继续旋转2秒，提起一体式焊具，在点焊缝中心形成匙孔M；如图2所示；步骤二、放入钎料：将铝硅钎料放入匙孔M内；步骤三、搅拌摩擦塞钎焊：利用组合式焊具对点焊缝中心形成匙孔M进行搅拌摩擦塞钎焊，组合式焊具参数的选择：组合式焊具上的搅拌针3的材质为2219铝合金，搅拌针3前端的锥体部分3-2的形状与匙孔M的形状吻合，搅拌针3的材质与被焊工件的材质相同，便于搅拌摩擦塞焊过程中，搅拌针3与匙孔周围的金属发生塑性化后填充于匙孔内；组合式焊具上的轴肩2的直径为22mm，组合式焊具的旋转速度为800转/分钟，组合式焊具上的轴肩2的压入量为0.05mm，搅拌摩擦塞钎焊时，焊具逐渐扎入匙孔M内，焊具停止扎入后，继续旋转5秒，铝硅钎料在摩擦热的作用下熔化，多余的液态钎料被挤出，搅拌针3上的圆柱部分3-1留在夹持体1上的夹持孔1-1中，搅拌针3上的锥体部分3-2在摩擦热的作用下塑性化，并填充在匙孔M中，如图3所示，实现匙孔M的搅拌摩擦塞钎焊。匙孔M填充的同时，有被挤出多余液态钎料遗留在匙孔M表面，使匙孔表面成形良好，无宏观缺陷。经对搅拌摩擦塞钎焊接头剖面微观分析表明，在搅拌针和匙孔周围形成薄而致密的钎缝，无孔洞和未焊合等缺陷，且在搅拌针3与匙孔M界面处存在材料塑性流动。