本發(fā)明涉及金屬焊接，特別是一種用攪拌摩擦焊修復金屬構件體積型缺陷的方法。

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頭組成的攪拌摩擦焊焊具扎入金屬構件內(nèi)部，與金屬構件摩擦產(chǎn)生摩擦熱，使材料流動，實現(xiàn)待焊金屬構件的連接。

在攪拌摩擦焊接過程中，由于攪拌針的存在，在焊接接頭的末端會出現(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金屬構件報廢。

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構的質(zhì)量，嚴重時也會導致鑄件報廢。

此外，某些金屬構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，攪拌頭的軸肩的底面為平面、帶有同心圓形狀的凹槽或內(nèi)凹形軸肩。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)弧紋和飛邊等，且不利于材料的良好轉(zhuǎn)移，造成焊縫缺陷和表面質(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，且金屬構件修復區(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、修復不受缺陷深度限制、適用范圍廣的用攪拌摩擦焊修復金屬構件體積型缺陷的方法。

本發(fā)明用攪拌摩擦焊修復金屬構件體積型缺陷的方法，其特點是：

該方法使用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；所述攪拌頭的攪拌針的底面有六螺旋線凹槽；所述靜止軸肩由四個套在攪拌頭上、并可拆分的軸肩分體組合而成，靜止軸肩的內(nèi)徑比攪拌頭的攪拌頭軸肩直徑大0.1～0.3mm，靜止軸肩的外徑比內(nèi)徑大5～10mm；四個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，超聲變幅桿與軸肩分體的上表面相接；

用該攪拌摩擦焊焊具修復金屬構件體積型缺陷，按以下步驟進行：

步驟1、用手鉆將待修復金屬構件上的各種體積型缺陷擴充成圓柱形匙孔；

步驟2、將金屬構件水平放置在工作臺上，并加以固定。

步驟3、采取連續(xù)填充焊的方法，先根據(jù)匙孔(指擴充后的圓柱形匙孔，下同)的尺寸為攪拌摩擦焊焊具選取適應各級填充焊所需的不同尺寸規(guī)格的攪拌頭和與之匹配的靜止軸肩；根據(jù)金屬構件材質(zhì)的不同和待修復匙孔的大小選取超聲振動裝置的超聲技術參數(shù)，其選取范圍是：功率為600～2000W，振幅為15～55μm，頻率為20kHz～60kHz；按填充焊的級數(shù)制作一組尺寸規(guī)格分別與各級攪拌頭的攪拌針直徑相對應、材質(zhì)與金屬構件相同或不同的填充片。

步驟4、然后按下述方法對匙孔進行級進式填充焊：

一級填充焊：

選取直徑與匙孔直徑相同、厚度為0.1mm—10mm的一級填充片填入匙孔的下部；攪拌摩擦焊焊具選用攪拌針直徑小于一級填充片直徑1mm或1mm以下的攪拌頭和與之匹配的靜止軸肩；將靜止軸肩的四個軸肩分體套在攪拌頭上；將四個超聲振動裝置的超聲變幅桿分別與四個軸肩分體的上表面相接；啟動四個超聲振動裝置，調(diào)整超聲變幅桿與金屬構件表面的夾角，使超聲振動達到最佳效果；然后使攪拌頭和攪拌針以50～10000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動和0.1～10mm/分的速度向下扎入一級填充片中，扎入深度達到一級填充片厚度的10％—90％時，停留1～100秒，使一級填充片受到充分摩擦熱呈塑性流動狀態(tài)，其底部和側(cè)壁與匙孔周圍的材料形成冶金結合；然后撤回攪拌頭和與之配套的靜止軸肩，完成一級填充焊。

二級填充焊：

完成一級填充焊后，選用與一級填充焊攪拌針留下的缺孔直徑相同、厚度為0.1mm—10mm的二級填充片填入一級攪拌針留下的缺孔下部；攪拌摩擦焊焊具選用攪拌針直徑小于二級填充片直徑1mm或1mm以下的攪拌頭和與之匹配的靜止軸肩，以與一級填充焊相同的方法完成二級填充焊。

三級填充焊：

完成二級填焊充后，選用與二級填充焊攪拌針留下的缺孔直徑相同、厚度為0.1mm-10mm的三級填充片填入二級攪拌針留下的缺孔下部；攪拌摩擦焊焊具選用攪拌針直徑小于三級填充片直徑1mm或1mm以下的攪拌頭和與之匹配的靜止軸肩，以與一級填充焊相同的方法完成三級填充焊；

以此類推，當進行到最后一級填充焊時，改用直徑大于匙孔直徑的無針攪拌頭進行最后一級填充焊；

步驟5、完成最后一級填充焊后，攪拌頭停止下扎，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金屬構件的上表面向一側(cè)移動，(此時超聲振動不停止)，使攪拌頭離開修復的匙孔5mm；超聲振動維持200s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過程。

與現(xiàn)有技術相比較，本發(fā)明的有益效果是：

1、本發(fā)明采用連續(xù)填充攪拌摩擦焊對金屬構件體積型缺陷進行修復，與現(xiàn)有用整體式外填充材料一次性填充修復焊相比，具有界面冶金結合效果好、強度高、易于控制界面位置材料流動且焊后無減薄等優(yōu)點。

2、在填充過程中，四個方向的超聲波通過靜止軸肩的四個分體對金屬構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，增加金屬構件焊接部位的原子擴散程度，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，減少弱連接缺陷；細化填充區(qū)晶粒尺寸，進一步提高修復區(qū)性能。

3、與使用攪拌針底面為平面或帶有同心圓形狀的凹槽的攪拌頭相比，本發(fā)明使用的攪拌頭的攪拌針底面具有六螺旋線凹槽，可使塑化材料更好地流動，促進界面原子擴散和機械咬合，有利于增加界面的冶金結合，提高修復區(qū)的強度。

4、填充過程中，由于靜止軸肩不旋轉(zhuǎn)，可吸收大量的熱，減小熱影響區(qū)寬度和晶粒長大現(xiàn)象，有利于提高修復區(qū)強度；靜止軸肩采取分體式，不僅可有效地將多級超聲導入到焊縫內(nèi)部，增強超聲作用效果，促進修復界面原子擴散以實現(xiàn)良好冶金結合，還可起到阻止材料溢出焊縫的作用，使修復區(qū)表面光滑。

6、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。

7、本發(fā)明可以通過調(diào)節(jié)熱輸入的方法控制單道次的組織演變和界面結合效果，有利于提高修復區(qū)性能。

8、本發(fā)明適用范圍廣，修復不受缺陷深度限制，對于攪拌摩擦焊產(chǎn)生的體積型缺陷、鋁合金和鎂合金鑄造結構件中的隧道、孔洞、溝槽和匙孔等體積型缺陷、以及金屬結構件在生產(chǎn)或服役過程出現(xiàn)的各種缺陷，均可采用本發(fā)明方法進行修復。

附圖說明

圖1是本發(fā)明使用的攪拌摩擦焊焊具的結構示意圖；

圖2是圖1中攪拌針的底面視圖；

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金屬構件示意圖；

圖5是用本發(fā)明修復圖4金屬構件匙孔的參考圖。

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.攪拌針，7.軸肩分體，8.六螺旋線凹槽，9.金屬構件，10.(待修復)匙孔，11.一級填充片，12.二級填充片，13.三級填充片，14.四級填充片。

具體實施方式

以下結合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步說明。

如圖1至圖3所示，本發(fā)明使用的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。攪拌頭的攪拌針6的底面有六螺旋線凹槽8，六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。所述靜止軸肩由四個套在攪拌頭上、并可拆分的軸肩分體7組合而成。靜止軸肩呈上大下小的圓臺形，其內(nèi)徑比攪拌頭的攪拌頭軸肩5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。四個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，超聲變幅桿與軸肩分體的上表面相接。

以下為利用上述結構的攪拌摩擦焊焊具對圖4所示金屬構件9(鑄鋁)上表面上的匙孔10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5mm。

修復采取四級填充焊，與四級填充焊相對應，攪拌摩擦焊焊具使用四種尺寸規(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、攪拌針的直徑和針長分別為15mm、5mm和4mm,靜止軸肩的內(nèi)經(jīng)為15.2mm，靜止軸肩的下端外徑24mm,靜止軸肩的上端外徑34mm；二級填充焊使用的攪拌頭的攪拌頭軸肩、攪拌針的直徑和針長分別為15mm、4mm和3mm,靜止軸肩的內(nèi)經(jīng)為15.2mm，靜止軸肩的下端外徑24mm,靜止軸肩的上端外徑為34mm；三級填充焊使用的攪拌頭的攪拌頭軸肩、攪拌針的直徑和針長分別為15mm、3mm和2mm,靜止軸肩的內(nèi)經(jīng)為15.2mm，靜止軸肩的下端外徑24mm,靜止軸肩的上；四級填充焊使用的攪拌頭為無針攪拌頭，直徑為15mm,靜止軸肩的內(nèi)經(jīng)為15.2mm，靜止軸肩的下端外徑24mm,靜止軸肩的上端外徑為34mm。

與靜止軸肩的四個軸肩分體配套使用的四個超聲振動裝置分別由超聲波發(fā)生器(未圖示)、超聲換能器2和超聲變幅桿3組成，其技術參數(shù)為：功率2000W，振幅37μm，頻率20kHz。

修復過程如下：

1、用手鉆將待修復金屬構件上大下小的匙孔擴成直徑為6mm、深度為5mm圓柱形匙孔。

2、將上述擴孔后的金屬構件水平放置在工作臺上，并加以固定。

3、然后按下述方法對匙孔進行級進式填充焊

結合圖5(a)，一級填充焊方法如下：

選用直徑為6mm、厚度為5mm、與金屬構件材質(zhì)相同的一級填充片11填入匙孔下部；攪拌摩擦焊焊具采用上述一級填充焊使用的攪拌頭和與之匹配的靜止軸肩；將靜止軸肩的四個軸肩分體套在攪拌頭上，使攪拌頭以1500轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速和1mm/分的下壓速度扎入匙孔4mm，攪拌頭達到4mm下扎深度時停止下扎，此時使靜止軸肩與金屬構件表面相接觸，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)60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)冶金結合；攪拌頭停止下扎后繼續(xù)旋轉(zhuǎn)120s，然后將攪拌頭與靜止軸肩一起以5mm/分的速度撤回，完成匙孔的一級填充焊。

結合圖5(b)，完成一級填充焊后，選用直徑為5mm、厚度4mm、與金屬構件材質(zhì)相同的二級填充片12填入一級填充焊留下的缺孔下部；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3mm。

結合圖5(c)，完成二級填充焊后，選用直徑為4mm、厚度為3mm、與金屬構件材質(zhì)相同的三級填充片13填入二級填充焊留下的缺孔下部；攪拌摩擦焊焊具采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對缺孔進行三級填充焊，三級填充焊攪拌頭的下扎量為2mm。

結合圖5(d)，完成三級填充焊后，選用直徑為2mm、厚度為1mm、與金屬構件材質(zhì)相同的四級填充片14填入三級填充留下的缺孔下部；攪拌摩擦焊焊具采用上述四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缺孔進行四級填充焊，四級填充攪拌頭的下扎量為0.1mm。

4、結合圖5(e)，完成四級填充焊后，攪拌頭停止下扎，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)100s，對材料進行軟化、攪拌和混合，然后以1mm/分的速度與靜止軸肩一起沿金屬構件的上表面向一側(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200s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過程。

經(jīng)過四級填充焊修復后的金屬構件，修復區(qū)填充材料與金屬構件母材冶金結合良好，表面光滑平整，無缺陷。