填充式搅拌摩擦塞补焊方法及其焊具.pdf

填充式搅拌摩擦塞补焊方法及其焊具，它涉及一种搅拌摩擦焊的方法及其焊具。本发明为解决搅拌摩擦焊中出现焊缝缺陷以及焊缝匙孔，采用熔焊或摩擦塞焊进行补焊，导致焊接接头强度降低和力学性能差的问题。方法：一、搅拌针的材质与被补焊的零件材质相同；二、开锥形预置孔；三、确定搅拌针的尺寸；四、定位；五、搅拌摩擦塞补焊。焊具：下圆柱体的夹持孔的侧壁上设有螺纹通孔，搅拌体由搅拌针和搅拌针座组成，搅拌针座和搅拌针由上至下制成一体，搅拌针座的外表面上设有搅拌针夹持面，搅拌针为锥体，搅拌体设置在下圆柱体上的夹持孔中，且

1.  一种填充式搅拌摩擦塞补焊方法，其特征在于：所述方法是通过以下步骤实现的：一、搅拌针材质的选取：搅拌针的材质与被补焊的零件材质相同；二、开锥形预置孔：在被补焊的焊缝缺陷或焊缝匙孔处打一定位孔，将定位孔扩为锥孔，即为欲补焊的缺陷修复预置孔；三、确定搅拌针的尺寸：搅拌针的外部轮廓尺寸应大于锥形缺陷修复预置孔的内部轮廓尺寸；四、定位：对缺陷修复预置孔定位，使缺陷修复预置孔与搅拌针的轴线重合；五、补焊：焊具沿焊接方向移动长度为焊具轴肩直径的0.5～1.0倍，在实施搅拌摩擦塞补焊过程中，搅拌针与欲补焊的缺陷修复预置孔内壁材料均发生金属塑化，将经金属塑化后的搅拌针填充满欲补焊的缺陷修复预置孔，实现搅拌摩擦焊焊缝缺陷和匙孔的补焊。

2.  一种实现权利要求1所述填充式搅拌摩擦塞补焊方法的焊具，所述焊具包括焊具夹持体(1)，所述焊具夹持体(1)由同轴的上圆柱体(1-1)和下圆柱体(1-2)组成，上圆柱体(1-1)的直径小于下圆柱体(1-2)的直径，上圆柱体(1-1)与下圆柱体(1-2)制成一体，上圆柱体(1-1)的外表面上设有焊具夹持面(1-1-1)，下圆柱体(1-2)的外表面上设有至少一个环形隔热槽(1-2-1)，其特征在于：所述焊具还包括搅拌体(2)，所述下圆柱体(1-2)的下端轴心处设有放置搅拌体(2)的夹持孔(1-2-2)，下圆柱体(1-2)的夹持孔(1-2-2)的侧壁上设有垂直于下圆柱体(1-2)轴线的螺纹通孔(1-2-3)，搅拌体(2)由搅拌针(2-1)和搅拌针座(2-2)组成，搅拌针座(2-2)和搅拌针(2-1)由上至下制成一体，搅拌针座(2-2)的外表面上设有搅拌针夹持面(2-2-1)，搅拌针(2-1)为锥体，搅拌体(2)设置在下圆柱体(1-2)上的夹持孔(1-2-2)中，且搅拌针夹持面(2-2-1)与螺纹通孔(1-2-3)正对，搅拌针(2-1)外露在下圆柱体(1-2)的下端面外。

3.  根据权利要求2所述实现权利要求1所述填充式搅拌摩擦塞补焊方法的焊具，其特征在于：所述下圆柱体(1-2)的下端面为外边缘高于中心的凹形轴肩面(1-2-4)。

4.  根据权利要求2或3所述实现权利要求1所述填充式搅拌摩擦塞补焊方法的焊具，其特征在于：焊具夹持体(1)上端面的轴心处设有与下圆柱体(1-2)上的夹持孔(1-2-2)相通的退料孔(1-3)，且退料孔(1-3)的直径小于夹持孔(1-2-2)的直径。

5.  根据权利要求4所述实现权利要求1所述填充式搅拌摩擦塞补焊方法的焊具，其特征在于：所述焊具夹持体(1)的材质为高速钢。

填充式搅拌摩擦塞补焊方法及其焊具
技术领域
本发明涉及一种搅拌摩擦焊的方法及其焊具，用于搅拌摩擦焊焊缝缺陷和匙孔的补焊。
背景技术
自英国焊接研究所(TWI)于1991年发明了搅拌摩擦焊接方法以来，这项技术因其焊接变形小、残余应力小，无需保护气体和填充材料，可消除气孔、夹杂、裂纹等焊接缺陷，以及不产生弧光、烟尘、噪音污染等，同时能显著降低成本、节省材料、优化结构、减轻飞行器的结构重量等特点受到各国科研机构的关注。由于这项技术具有很多其他方法所不具备的显著特点，它很快就被用于航天领域，新一代运载火箭芯级贮箱筒段纵缝的焊接就是选用这种方法。尽管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，经常会有焊缝缺陷以及焊缝尾部出现“匙孔”。工程上用来解决搅拌摩擦焊缝“匙孔”和焊缝缺陷的方法主要有：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，摩擦塞焊实际上是耗材摩擦焊接，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焊接缺陷和“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；若采用搅拌摩擦焊接方法进行补焊，那么会使接头有效厚度变薄并出现“匙孔”问题，从而影响其力学性能。
发明内容
本发明的目的是为解决搅拌摩擦焊中出现焊缝缺陷以及焊缝匙孔，采用熔焊或摩擦塞焊进行补焊，导致焊接接头强度降低和力学性能差的问题，提供一种填充式搅拌摩擦塞补焊方法及其焊具。
本发明的方法是通过以下步骤实现的：一、搅拌针材质的选取：搅拌针的材质与被补焊的零件材质相同；二、开锥形预置孔：在被补焊的焊缝缺陷或焊缝匙孔处打一定位孔，将定位孔扩为锥孔，即为欲补焊的缺陷修复预置孔；三、确定搅拌针的尺寸：搅拌针的外部轮廓尺寸应大于锥形缺陷修复预置孔的内部轮廓尺寸；四、定位：对缺陷修复预置孔定位，使缺陷修复预置孔与搅拌针的轴线重合；五、补焊：焊具沿焊接方向移动长度为焊具轴肩直径的0.5～1.0倍，在实施搅拌摩擦塞补焊过程中，搅拌针与欲补焊的缺陷修复预置孔内壁材料均发生金属塑化，将经金属塑化后的搅拌针填充满欲补焊的缺陷修复预置孔，实现搅拌摩擦焊焊缝缺陷和匙孔的补焊。
本发明的焊具包括焊具夹持体和搅拌体，所述焊具夹持体由同轴的上圆柱体和下圆柱体组成，上圆柱体的直径小于下圆柱体的直径，上圆柱体与下圆柱体制成一体，上圆柱体的外表面上设有焊具夹持面，下圆柱体的外表面上设有至少一个环形隔热槽，所述下圆柱体的下端轴心处设有放置搅拌体的夹持孔，下圆柱体的夹持孔的侧壁上设有垂直于下圆柱体轴线的螺纹通孔，搅拌体由搅拌针和搅拌针座组成，搅拌针座和搅拌针由上至下制成一体，搅拌针座的外表面上设有搅拌针夹持面，搅拌针为锥体，搅拌体设置在下圆柱体上的夹持孔中，且搅拌针夹持面与螺纹通孔正对，搅拌针外露在下圆柱体的下端面外。
本发明具有以下优点：一、填充式搅拌摩擦塞补焊与搅拌摩擦焊和摩擦塞焊一样，同属于固相连接，焊接过程中不出现金属熔化，焊缝残余应力低、工件变形小，避免了采用熔焊或摩擦塞焊对焊缝缺陷以及焊缝匙孔进行补焊而导致焊接接头强度降低和力学性能差的问题，大幅提高了补焊焊缝的力学性能，对于铝合金而言，补焊接头强度系数达到了0.75，补焊接头伸长率＝5％。二、利用本发明的焊具补焊后无需二次加工，能够保证一次性成形，工艺稳定性和再现性高，适应性强。
附图说明
图1是填充式搅拌摩擦塞补焊的焊具结构主剖视图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式是通过以下步骤实现的：一、搅拌针材质的选取：搅拌针的材质与被补焊的零件材质相同；二、开锥形预置孔：在被补焊的焊缝缺陷或焊缝匙孔处打一定位孔，用型钻依据补焊需求将定位孔扩为锥孔，即为欲补焊的缺陷修复预置孔；三、确定搅拌针的尺寸：搅拌针的外部轮廓尺寸应大于锥形缺陷修复预置孔的内部轮廓尺寸，用以保证搅拌针与缺陷修复预置孔有充分摩擦和足够的填充量；四、定位：对缺陷修复预置孔定位，使缺陷修复预置孔与搅拌针的轴线重合；五、补焊：焊具沿焊接方向移动长度为焊具轴肩直径的0.5～1.0倍，在实施搅拌摩擦塞补焊过程中，搅拌针与欲补焊的缺陷修复预置孔内壁材料均发生金属塑化，将经金属塑化后的搅拌针填充满欲补焊的缺陷修复预置孔，实现搅拌摩擦焊焊缝缺陷和匙孔的补焊。在步骤五中实施的搅拌摩擦塞补焊过程中，焊具夹持体的旋转速度与原始焊缝成形时的旋转速度相同或略大，焊接速度与原始焊缝成形时的焊接速度相同或略小，搅拌针的插入速度与原始焊缝成形的插入速度相同或略小，焊接方向与原始焊缝成形的焊接方向一致，焊接倾角与原始焊缝成形的倾角相同，压入量与原始焊缝成形的压入量相同或略小。
具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式包括焊具夹持体1和搅拌体2，所述焊具夹持体1由同轴的上圆柱体1-1和下圆柱体1-2组成，上圆柱体1-1的直径小于下圆柱体1-2的直径，上圆柱体1-1与下圆柱体1-2制成一体，上圆柱体1-1的外表面上设有焊具夹持面1-1-1，下圆柱体1-2的外表面上设有至少一个环形隔热槽1-2-1，所述下圆柱体1-2的下端轴心处设有放置搅拌体2的夹持孔1-2-2，下圆柱体1-2的夹持孔1-2-2的侧壁上设有垂直于下圆柱体1-2轴线的螺纹通孔1-2-3，搅拌体2由搅拌针2-1和搅拌针座2-2组成，搅拌针座2-2和搅拌针2-1由上至下制成一体，搅拌针座2-2的外表面上设有搅拌针夹持面2-2-1，搅拌针2-1为锥体，搅拌体2设置在下圆柱体1-2上的夹持孔1-2-2中，且搅拌针夹持面2-2-1与螺纹通孔1-2-3正对，搅拌针2-1外露在下圆柱体1-2的下端面外。连接件3螺纹连接在螺纹通孔1-2-3中，且将搅拌体2与下圆柱体1-2紧固在一起。
具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式的所述下圆柱体1-2的下端面为外边缘高于中心的凹形轴肩面1-2-4。凹形轴肩面1-2-4有效防止了搅拌针2-1塑化材料的流出。其它组成及连接关系与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式的焊具夹持体1上端面的轴心处设有与下圆柱体1-2上的夹持孔1-2-2相通的退料孔1-3，且退料孔1-3的直径小于夹持孔1-2-2的直径。补焊完成后，可从退料孔1-3将搅拌针座2-2推出，便于更换搅拌体2。其它组成及连接关系与具体实施方式二相同。
具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式的焊具夹持体1的材质为高速钢。焊具夹持体1可采用W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2、W9Mo3Cr4V牌号的高速钢，上述材质的高速钢可以重复使用。其它组成及连接关系与具体实施方式二相同。