一种用搅拌摩擦焊修复金属构件体积型缺陷的方法技术

一种用搅拌摩擦焊修复金属构件体积型缺陷的方法，所用搅拌头的搅拌针底面有六螺旋线凹槽；静止轴肩由四个可拆分的轴肩分体组合而成；四个轴肩分体分别有与配合使用的超声振动装置，超声变幅杆与轴肩分体的上表面相接；采取连续填充焊的方法，先选取适应各级填充焊所需搅拌头和与之匹配的静止轴肩；制作尺寸规格分别与各级搅拌头的搅拌针直径对应、材质与金属构件相同的填充片；在超声振动辅助下逐级进行填充焊，最后一级填充焊后使搅拌头继续旋转1～100s、超声振动维持200s。本发明专利技术具有修复区晶粒尺寸细化、冶金结合和力学性能好、强度高、厚度不减薄、无材料溢出、应力集中现象少、修复不受缺陷深度限制、适用范围广等有益效果。

Method for repairing bulk defect of metal component by friction stir welding

A method of using friction stir welding repair of metal component volume defects, the stirring head pin bottom has six spiral grooves; shoulder stationary shoulder by four split split combinations; four shoulder split respectively with ultrasonic vibration device, super acoustic horn and shoulder split on the surface phase; by continuous filling welding, first select the levels required for filling welding and static mixing head matched with the shaft; the pin diameter, the corresponding material and production of metal components and dimensions are the same at all levels of the mixing head filler; step by step in the ultrasonic vibration assisted filling welding, filler welding after the last stage of the stirring head to rotate 1 ~ 100s, ultrasonic vibration to maintain 200s. The invention has the repair area grain size refinement, metallurgical bonding and good mechanical properties, high strength, thickness thinning, no spillage of materials, the stress concentration phenomenon, without limiting the depth of defect repair, applicable to a wide range of advantages.

【技术实现步骤摘要】
一种用搅拌摩擦焊修复金属构件体积型缺陷的方法
本专利技术涉及金属焊接，特别是一种用搅拌摩擦焊修复金属构件体积型缺陷的方法。
技术介绍
搅拌摩擦焊作为一种新型的固相焊接方法，具有焊接温度低、变形和残余应力小及焊接焊接接头质量高等优点，已被广泛应用于航空航天、高铁和船舶等领域。焊接过程中，一个由特殊设计的轴肩和搅拌头组成的搅拌摩擦焊焊具扎入金属构件内部，与金属构件摩擦产生摩擦热，使材料流动，实现待焊金属构件的连接。在搅拌摩擦焊接过程中，由于搅拌针的存在，在焊接接头的末端会出现匙孔缺陷，该匙孔缺陷会引起弱连接和应力集中效应，极大地降低焊接接头的力学性能，降低焊接质量，严重时甚至导致焊接金属构件报废。另外，对于现今大量应用于制造行业的铝合金和镁合金铸造件，在铸造过程中不可避免地会产生如气孔、疏松、裂纹等各种铸造缺陷，影响镁合金或铝合金铸造结构的质量，严重时也会导致铸件报废。此外，某些金属构件在使用过程中亦会产生各种缺陷，严重时同样得报废。针对上述产品因不同原因导致的缺陷而影响其质量和使用寿命的技术问题，为提高材料利用率、节省资源和能源，许多修复上述缺陷的方法和装置应运而生。目前修复上述体积型缺陷最好的方法就是将上述各种体积型缺陷先加工成为匙孔缺陷，然后采取搅拌摩擦焊修复匙孔缺陷。目前用搅拌摩擦焊修复匙孔缺陷，使用的搅拌摩擦焊焊具的搅拌头一般为传统搅拌头，搅拌头的轴肩的底面为平面、带有同心圆形状的凹槽或内凹形轴肩。用这种搅拌头进行搅拌摩擦焊修复匙孔，工件表面易出现弧纹和飞边等，且不利于材料的良好转移，造成焊缝缺陷和表面质量降低。用这类搅拌摩擦焊焊具修复匙孔缺陷的方法有搅拌摩擦塞焊法、T型填充块与无针搅拌头相结合焊接法等。CN101966621B专利文献公开的电弧预热搅拌摩擦塞补焊的方法和CN102500915A专利文献公开的采用T型填充块与无针搅拌头填充搅拌摩擦焊匙孔的方法，均是采用类似填充块的方式进行匙孔缺陷修复，受板材厚度限制，用这两种方法难以进行大厚板材深度大的匙孔缺陷的修复；此外，修复界面极易产生冶金结合不良现象，使焊接接头性能降低。CN102861985A专利文献公开的铝合金搅拌摩擦焊孔洞缺陷的修补方法和CN201410040662.1专利文献公开的铝合金搅拌摩擦焊接缺陷修复方法，是通过对缺陷挖排、再使用MIG焊填充，最后用搅拌摩擦焊修复缺陷。这两种方法的缺点是，搅拌摩擦焊后会出现新的匙孔缺陷，未从根本上消除体积型缺陷。CN103212778A专利文献公开的基于搅拌摩擦的裂纹修复方法，只是采用无针搅拌头修复金属材料近表面的缺陷，未能实现沿板材深度方向的修补，且金属构件修复区会出现厚度减薄现象，导致应力集中，接头抗疲劳寿命降低。
技术实现思路
为解决上述现有搅拌摩擦焊修复匙孔缺陷存在的问题，本专利技术提供一种可使修复区晶粒尺寸细化、冶金结合和力学性能好、强度高、厚度不减薄、无材料溢出、应力集中少、修复不受缺陷深度限制、适用范围广的用搅拌摩擦焊修复金属构件体积型缺陷的方法。本专利技术用搅拌摩擦焊修复金属构件体积型缺陷的方法，其特点是：该方法使用的搅拌摩擦焊焊具包括搅拌头和与搅拌头配合的静止轴肩；所述搅拌头的搅拌针的底面有六螺旋线凹槽；所述静止轴肩由四个套在搅拌头上、并可拆分的轴肩分体组合而成，静止轴肩的内径比搅拌头的搅拌头轴肩直径大0.1～0.3mm，静止轴肩的外径比内径大5～10mm；四个轴肩分体分别有与其配合使用的超声振动装置，超声振动装置由超声波发生器、超声换能器和超声变幅杆组成，超声变幅杆与轴肩分体的上表面相接；用该搅拌摩擦焊焊具修复金属构件体积型缺陷，按以下步骤进行：步骤1、用手钻将待修复金属构件上的各种体积型缺陷扩充成圆柱形匙孔；步骤2、将金属构件水平放置在工作台上，并加以固定。步骤3、采取连续填充焊的方法，先根据匙孔(指扩充后的圆柱形匙孔，下同)的尺寸为搅拌摩擦焊焊具选取适应各级填充焊所需的不同尺寸规格的搅拌头和与之匹配的静止轴肩；根据金属构件材质的不同和待修复匙孔的大小选取超声振动装置的超声技术参数，其选取范围是：功率为600～2000W，振幅为15～55μm，频率为20kHz～60kHz；按填充焊的级数制作一组尺寸规格分别与各级搅拌头的搅拌针直径相对应、材质与金属构件相同或不同的填充片。步骤4、然后按下述方法对匙孔进行级进式填充焊：一级填充焊：选取直径与匙孔直径相同、厚度为0.1mm—10mm的一级填充片填入匙孔的下部；搅拌摩擦焊焊具选用搅拌针直径小于一级填充片直径1mm或1mm以下的搅拌头和与之匹配的静止轴肩；将静止轴肩的四个轴肩分体套在搅拌头上；将四个超声振动装置的超声变幅杆分别与四个轴肩分体的上表面相接；启动四个超声振动装置，调整超声变幅杆与金属构件表面的夹角，使超声振动达到最佳效果；然后使搅拌头和搅拌针以50～10000转/分的转速转动和0.1～10mm/分的速度向下扎入一级填充片中，扎入深度达到一级填充片厚度的10％—90％时，停留1～100秒，使一级填充片受到充分摩擦热呈塑性流动状态，其底部和侧壁与匙孔周围的材料形成冶金结合；然后撤回搅拌头和与之配套的静止轴肩，完成一级填充焊。二级填充焊：完成一级填充焊后，选用与一级填充焊搅拌针留下的缺孔直径相同、厚度为0.1mm—10mm的二级填充片填入一级搅拌针留下的缺孔下部；搅拌摩擦焊焊具选用搅拌针直径小于二级填充片直径1mm或1mm以下的搅拌头和与之匹配的静止轴肩，以与一级填充焊相同的方法完成二级填充焊。三级填充焊：完成二级填焊充后，选用与二级填充焊搅拌针留下的缺孔直径相同、厚度为0.1mm-10mm的三级填充片填入二级搅拌针留下的缺孔下部；搅拌摩擦焊焊具选用搅拌针直径小于三级填充片直径1mm或1mm以下的搅拌头和与之匹配的静止轴肩，以与一级填充焊相同的方法完成三级填充焊；以此类推，当进行到最后一级填充焊时，改用直径大于匙孔直径的无针搅拌头进行最后一级填充焊；步骤5、完成最后一级填充焊后，搅拌头停止下扎，搅拌头继续旋转1～100s后停止旋转，然后以1～100mm/分的速度与静止轴肩一起沿金属构件的上表面向一侧移动，(此时超声振动不停止)，使搅拌头离开修复的匙孔5mm；超声振动维持200s后停止；最后将搅拌头和静止轴肩以5mm/分的速度同时撤回，完成匙孔的整个修复过程。与现有技术相比较，本专利技术的有益效果是：1、本专利技术采用连续填充搅拌摩擦焊对金属构件体积型缺陷进行修复，与现有用整体式外填充材料一次性填充修复焊相比，具有界面冶金结合效果好、强度高、易于控制界面位置材料流动且焊后无减薄等优点。2、在填充过程中，四个方向的超声波通过静止轴肩的四个分体对金属构件匙孔的周边同时施加高频机械振动，可增大超声波的振动效应，增加金属构件焊接部位的原子扩散程度，促进填充区层间及填充区与母材层间的扩散连接；增强填充过程中材料的流动，减少弱连接缺陷；细化填充区晶粒尺寸，进一步提高修复区性能。3、与使用搅拌针底面为平面或带有同心圆形状的凹槽的搅拌头相比，本专利技术使用的搅拌头的搅拌针底面具有六螺旋线凹槽，可使塑化材料更好地流动，促进界面原子扩散和机械咬合，有利于增加界面的冶金结合，提高修复区的强度。4、填充过程中，由于静止轴肩不旋转，可吸收大量的热，减小热影响区宽度和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用搅拌摩擦焊修复金属构件体积型缺陷的方法，其特征在于：该方法使用的搅拌摩擦焊焊具包括搅拌头(1)和与搅拌头配合的静止轴肩(4)；所述搅拌头的搅拌针(6)的底面有六螺旋线凹槽(8)；所述静止轴肩由四个套在搅拌头上、并可拆分的轴肩分体(7)组合而成，静止轴肩的内径比搅拌头的搅拌头轴肩(5)直径大0.1～0.3mm，静止轴肩的外径比内径大5～10mm；四个轴肩分体分别有与其配合使用的超声振动装置，超声振动装置由超声波发生器、超声换能器(2)和超声变幅杆(3)组成，超声变幅杆与轴肩分体的上表面相接；用该搅拌摩擦焊焊具修复金属构件体积型缺陷，按以下步骤进行：步骤1、用手钻将待修复金属构件(9)上的各种体积型缺陷扩充成圆柱形匙孔(10)；步骤2、将金属构件水平放置在工作台上，并加以固定；步骤3、采取连续填充焊的方法，先根据匙孔的尺寸为搅拌摩擦焊焊具选取适应各级填充焊所需的不同尺寸规格的搅拌头和与之匹配的静止轴肩；根据金属构件材质的不同和待修复匙孔的大小选取超声振动装置的超声技术参数，其选取范围是：功率为600～2000W，振幅为15～55μm，频率为20kHz～60kHz；按填充焊的级数制作一组尺寸规格分别与各级搅拌头的搅拌针直径相对应、材质与金属构件相同或不同的填充片；步骤4、然后按下述方法对匙孔进行级进式填充焊：一级填充焊：选取直径与匙孔直径相同、厚度为0.1mm—10mm的一级填充片(11)填入匙孔的下部；搅拌摩擦焊焊具选用搅拌针直径小于一级填充片直径1mm或1mm以下的搅拌头和与之匹配的静止轴肩；将静止轴肩的四个轴肩分体套在搅拌头上；将四个超声振动装置的超声变幅杆分别与四个轴肩分体的上表面相接；启动四个超声振动装置，调整超声变幅杆与金属构件表面的夹角，使超声振动达到最佳效果；然后使搅拌头和搅拌针以50～10000转/分的转速转动和0.1～10mm/分的速度向下扎入一级填充片中，扎入深度达到一级填充片厚度的10％—90％时，停留1～100秒，使一级填充片受到充分摩擦热呈塑性流动状态，其底部和侧壁与匙孔周围的材料形成冶金结合；然后撤回搅拌头和与之配套的静止轴肩，完成一级填充焊；二级填充焊：完成一级填充焊后，选用与一级填充焊搅拌针留下的缺孔直径相同、厚度为0.1mm—10mm的二级填充片(12)填入一级搅拌针留下的缺孔下部；搅拌摩擦焊焊具选用搅拌针直径小于二级填充片直径1mm或1mm以下的搅拌头和与之匹配的静止轴肩，以与一级填充焊相同的方法完成二级填充焊；三级填充焊：完成二级填焊充后，选用与二级填充焊搅拌针留下的缺孔直径相同、厚度为0.1mm‑10mm的三级填充片(13)填入二级搅拌针留下的缺孔下部；搅拌摩擦焊焊具选用搅拌针直径小于三级填充片直径1mm或1mm以下的搅拌头和与之匹配的静止轴肩，以与一级填充焊相同的方法完成三级填充焊；以此类推，当进行到最后一级填充焊时，改用直径大于匙孔直径的无针搅拌头进行最后一级填充焊；步骤5、完成最后一级填充焊后，搅拌头停止下扎，搅拌头继续旋转1～100s后停止旋转，然后以1～100mm/分的速度与静止轴肩一起沿金属构件的上表面向一侧移动，使搅拌头离开修复的匙孔5mm；超声振动维持200s后停止；最后将搅拌头和静止轴肩以5mm/分的速度同时撤回，完成匙孔的整个修复过程。...

【技术特征摘要】
1.一种用搅拌摩擦焊修复金属构件体积型缺陷的方法，其特征在于：该方法使用的搅拌摩擦焊焊具包括搅拌头(1)和与搅拌头配合的静止轴肩(4)；所述搅拌头的搅拌针(6)的底面有六螺旋线凹槽(8)；所述静止轴肩由四个套在搅拌头上、并可拆分的轴肩分体(7)组合而成，静止轴肩的内径比搅拌头的搅拌头轴肩(5)直径大0.1～0.3mm，静止轴肩的外径比内径大5～10mm；四个轴肩分体分别有与其配合使用的超声振动装置，超声振动装置由超声波发生器、超声换能器(2)和超声变幅杆(3)组成，超声变幅杆与轴肩分体的上表面相接；用该搅拌摩擦焊焊具修复金属构件体积型缺陷，按以下步骤进行：步骤1、用手钻将待修复金属构件(9)上的各种体积型缺陷扩充成圆柱形匙孔(10)；步骤2、将金属构件水平放置在工作台上，并加以固定；步骤3、采取连续填充焊的方法，先根据匙孔的尺寸为搅拌摩擦焊焊具选取适应各级填充焊所需的不同尺寸规格的搅拌头和与之匹配的静止轴肩；根据金属构件材质的不同和待修复匙孔的大小选取超声振动装置的超声技术参数，其选取范围是：功率为600～2000W，振幅为15～55μm，频率为20kHz～60kHz；按填充焊的级数制作一组尺寸规格分别与各级搅拌头的搅拌针直径相对应、材质与金属构件相同或不同的填充片；步骤4、然后按下述方法对匙孔进行级进式填充焊：一级填充焊：选取直径与匙孔直径相同、厚度为0.1mm—10mm的一级填充片(11)填入匙孔的下部；搅拌摩擦焊焊具选用搅拌针直径小于一级填充片直径1mm或1mm以下的搅拌头和与之匹配的静止轴肩；将静止轴肩的四个轴肩分体套在搅拌头上；将四个超声振动...

【专利技术属性】
技术研发人员：姬书得，孟祥晨，岳玉梅，马琳，黄若飞，吕赞，
申请(专利权)人：沈阳航空航天大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21