CN105855693A - 组合型触发式搅拌摩擦塞钎焊补焊方法及其焊具 - Google Patents
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Abstract
组合型触发式搅拌摩擦塞钎焊补焊方法及其焊具，方法：一、搅拌体2的下端加工成具有锥形的搅拌针，搅拌针上部为金属材质，搅拌针下部为锌铝材质；二、确定搅拌针的尺寸；三、对所要修复匙孔进行定位；四、在搅拌摩擦塞钎焊补焊的过程中，搅拌针与待补焊的匙孔内壁材料发生摩擦，锌铝棒料在低温下率先与匙孔内壁发生摩擦从而产生塑化，金属棒继续向下搅拌摩擦，金属棒的搅拌针上部与匙孔内壁摩擦生热，促使已经填充匙孔内的锌铝棒料更加充分地填充满要补焊的匙孔。焊具：搅拌体设置在夹持体上的夹持孔中，上端搅拌针和下端搅拌针的圆周表面为锥面，上端搅拌针和下端搅拌针构成搅拌针，搅拌针外露在下圆柱体的下端面外。本发明用于搅拌摩擦焊匙孔补焊。
Description
技术领域
本发明涉及一种搅拌摩擦塞补焊的方法，具体涉及一种组合型触发式搅拌摩擦塞钎焊补焊方法及其焊具。
背景技术
自英国焊接研究所(TWI)于1991年发明搅拌摩擦焊技术(FSW)以来，该技术因其在轻合金连接领域与传统的熔化焊接方法相比具有诸多优点，如接头疲劳性能、拉伸性能良好，焊后残余应力及变形很小、裂纹、气孔等焊接缺陷可以避免，同时能够显著降低成本和节省材料等特点而受到广泛关注。但在工艺参数或条件不适当的情况下易出现填充不完全、未焊透和根部不连续等缺陷，从而降低焊缝性能。同样，焊接结束后遗留下来的匙孔产生“木桶效应”(即搅拌摩擦焊焊缝匙孔和焊缝缺陷)。工程上用来解决搅拌摩擦焊焊缝匙孔和焊缝缺陷的方法主要有：熔焊填充法、回抽式搅拌摩擦焊、摩擦塞焊以及填充式搅拌摩擦塞补焊等。
若用熔焊法进行补焊匙孔，焊件收缩变形导致精度达不到要求。同时，熔焊后会形成气孔的缺陷，掩盖了使用搅拌摩擦焊这种焊接方式的优点。回抽式搅拌摩擦焊设备复杂且昂贵，回填塑性金属不充裕，有效厚度变薄，仍然没有彻底的消除匙孔缺陷的影响。摩擦塞焊实际上是耗材摩擦焊接，补焊后难以实现优良的力学性能。填充式搅拌摩擦焊焊接过程中，补焊所采用的半消耗式搅拌针的长度和锥度大于匙孔直径，利用与被焊结构同质的铝合金搅拌针的塑性变形和流动，实现了对焊缝匙孔的固态补焊。但是这类方法背部需要支撑物，并不适用于背部无支撑物的结构件，例如中空挤压型材、筒形封闭结构。对于中空或密闭结构型材搅拌摩擦焊后尾部匙孔和缺陷的修复，目前还没有一种行之有效的方法。
发明内容
本发明为了解决现有搅拌摩擦焊补焊过程中，匙孔底部易出现填充不完全、裂纹等缺陷，导致补焊接头强度降低的问题，尤其是为中空或无支撑状态下缺陷的修复和匙孔的补焊提供一种组合型触发式搅拌摩擦塞钎焊补焊方法及其焊具。
本发明的组合型触发式搅拌摩擦塞钎焊补焊方法，所述方法是通过以下步骤实现的：
步骤一、制备搅拌体：搅拌体分为上、下两部分，上部分搅拌体采用金属棒，下部分搅拌体采用锌铝棒料，金属棒与被补焊的零件材质相同，将金属棒与锌铝棒料上下设置并连接在一起，机械加工去除搅拌体表面金属，同时将搅拌体的下端加工成圆台形，圆台形的底部为球形面，该圆台形即为搅拌针，搅拌针上部为金属材质，搅拌针下部为锌铝材质；
步骤二、确定搅拌针的尺寸：搅拌针的锥面与搅拌体轴线之间的夹角为10°～15°，夹角应大于所要修复匙孔的角度；
步骤三、定位：对所要修复匙孔进行定位，使匙孔中心与搅拌针的轴线重合；
步骤四、补焊：在实施组合型触发式搅拌摩擦塞钎焊补焊的过程中，搅拌针与待补焊的匙孔内壁材料发生摩擦，摩擦过程中，由于锌铝的低熔共晶点低，锌铝棒料在低温下率先与匙孔内壁发生摩擦从而产生塑化，同时受到巨大的剪切作用力，使搅拌针下部填充匙孔并与搅拌针上部分离，金属棒继续向下搅拌摩擦，金属棒的搅拌针上部与匙孔内壁摩擦生热，促使已经填充匙孔内的锌铝棒料更加充分地填充满要补焊的匙孔，至此，完成组合型触发式搅拌摩擦塞钎焊补焊。
本发明组合型触发式搅拌摩擦塞钎焊补焊的焊具包括焊具夹持体、搅拌体和连接件，焊具夹持体由同轴的上圆柱体和下圆柱体组成，上圆柱体和下圆柱体一体制成，且下圆柱体的直径大于上圆柱体的直径，上圆柱体的表面上设有焊具夹持面，上圆柱体轴心处设有退料孔，下圆柱体的表面设有至少一个环形散热槽，下圆柱体的轴心处设有与退料孔相通的夹持孔，下圆柱体的侧壁上设有垂直于夹持孔的螺纹通孔，螺纹通孔与夹持孔相通，下圆柱体的下端面为外边缘高于中心1mm的凹形轴肩面，搅拌体由搅拌针座、上端搅拌针和下端搅拌针组成，搅拌针座、上端搅拌针和下端搅拌针由上至下设置，搅拌针座与上端搅拌针一体制成，上端搅拌针与下端搅拌针连接在一起，搅拌针座的表面设有搅拌针夹持面，搅拌体设置在夹持孔中，且搅拌针夹持面与螺纹通孔正对，上端搅拌针和下端搅拌针的圆周表面为锥面，下端搅拌针的下端直径小于上端搅拌针的上端直径，上端搅拌针和下端搅拌针构成搅拌针，搅拌针外露在下圆柱体的下端面外，连接件螺纹连接在螺纹通孔中，且将搅拌体与下圆柱体1-2紧固在一起。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
一、由于本发明的搅拌体是由金属棒和锌铝棒料组合而成，利用锌铝棒料熔点低的特点，在补焊过程中，锌铝棒料率先发生塑性变形，这时轴向压力小，先将匙孔底部补焊，在锌铝棒料填充匙孔后，这时匙孔刚度增强，依靠自身刚度，实现背部无支撑的中空挤压型材的焊接。这种焊接方式解决了匙孔底部易出现填充不完全、裂纹等缺陷，导致焊接接头强度降低和力学性能变差的问题，大幅提高了补焊焊缝的力学性能。
二、组合型触发式搅拌摩擦塞钎焊补焊属于固相连接，焊接过程中利用摩擦和变形产热，工件变形小、焊缝残余应力小、从而能有效提高补焊焊缝质量。
三、利用本发明的焊具进行补焊能够保证一次成型，不需要进行二次加工及表面处理，工艺稳定性和再现性高，适应性强。
四、由于锌基钎料与铝合金在塑化后相互混合，在混合界面，可能生成7系材料的锌铝合金，由于7系铝合金强度更高，从而使接头质量更好，拉伸性能更优异。
附图说明
图1是本发明方法的步骤一中金属棒21与锌铝棒料22的上下位置示意图；
图2是本发明方法的步骤一中金属棒21与锌铝棒料22连接在一起的示意图；
图3是本发明方法的步骤一中将搅拌体2的下端加工成圆台形A，圆台形A的底部为球形面的示意图；
图4是具体实施方式三中金属棒21与锌铝棒料22采用螺纹连接的示意图；
图5是本发明方法的步骤一中制备完成的搅拌体2的示意图；
图6是本发明的焊具的整体结构的示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1、图2、图3和图5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、制备搅拌体2：搅拌体2分为上、下两部分，上部分搅拌体采用金属棒21，下部分搅拌体采用锌铝棒料22，见图1，金属棒21与被补焊的零件材质相同，将金属棒21与锌铝棒料22上下设置并连接在一起，见图2，机械加工去除搅拌体2表面金属，同时将搅拌体2的下端加工成圆台形A，圆台形A的底部为球形面，该圆台形A即为搅拌针A，见图3，搅拌针上部h1为金属材质，搅拌针下部h2为锌铝材质；
步骤二、确定搅拌针A的尺寸：搅拌针A的锥面A1与搅拌体2轴线之间的夹角α为10°～15°，夹角α应大于所要修复匙孔的角度；
步骤三、定位：对所要修复匙孔进行定位，使匙孔中心与搅拌针A的轴线N-N重合；
步骤四、补焊：在实施组合型触发式搅拌摩擦塞钎焊补焊的过程中，搅拌针A与待补焊的匙孔内壁材料发生摩擦，摩擦过程中，由于锌铝的低熔共晶点低，锌铝棒料22在低温下率先与匙孔内壁发生摩擦从而产生塑化，同时受到巨大的剪切作用力，使搅拌针下部h2填充匙孔并与搅拌针上部h1分离，金属棒21继续向下搅拌摩擦，金属棒21的搅拌针上部h1与匙孔内壁摩擦生热，促使已经填充匙孔内的锌铝棒料22更加充分地填充满要补焊的匙孔，至此，完成组合型触发式搅拌摩擦塞钎焊补焊。从而消除底部缺陷，甚至实现无支撑的焊接。
具体实施方式二：结合图2说明本实施方式，本实施方式是步骤一中金属棒21与锌铝棒料22采用摩擦焊焊接在一起。其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图4说明本实施方式，本实施方式是步骤一中金属棒21与锌铝棒料22采用螺纹连接的方式连接在一起，其中金属棒21的下端面为内螺纹，锌铝棒料22的上端面为外螺纹。其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：结合图5说明本实施方式，本实施方式是步骤一中搅拌针上部h1为1/5δ～2/3δ，搅拌针下部h2为1/3δ～4/5δ，δ为被补焊零件的板厚。其它步骤与具体实施方式一、二或三相同。
具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式是步骤二中的搅拌针A的锥面A1与搅拌头轴线的夹角α为12.5°。其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式六：结合图6说明本实施方式，本实施方式的焊具包括焊具夹持体1、搅拌体2和连接件3，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和下圆柱体1-2一体制成，且下圆柱体1-2的直径大于上圆柱体1-1的直径，上圆柱体1-1的表面上设有焊具夹持面1-1-1，上圆柱体1-1轴心处设有退料孔1-1-2，下圆柱体1-2的表面设有至少一个环形散热槽1-2-1，下圆柱体1-2的轴心处设有与退料孔1-1-2相通的夹持孔1-2-2，下圆柱体1-2的侧壁上设有垂直于夹持孔1-2-2的螺纹通孔1-2-3，螺纹通孔1-2-3与夹持孔1-2-2相通，下圆柱体1-2的下端面为外边缘高于中心1mm的凹形轴肩面1-2-4，搅拌体2由搅拌针座2-1、上端搅拌针2-2和下端搅拌针2-3组成，搅拌针座2-1、上端搅拌针2-2和下端搅拌针2-3由上至下设置，搅拌针座2-1与上端搅拌针2-2一体制成，上端搅拌针2-2与下端搅拌针2-3连接在一起，搅拌针座2-1的表面设有搅拌针夹持面2-1-1，搅拌体2设置在夹持孔1-2-2中，且搅拌针夹持面2-1-1与螺纹通孔1-2-3正对，上端搅拌针2-2和下端搅拌针2-3的圆周表面为锥面A1，下端搅拌针2-3的下端直径小于上端搅拌针2-2的上端直径，上端搅拌针2-2和下端搅拌针2-3构成搅拌针A，搅拌针A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。
具体实施方式七：结合图6说明本实施方式，本实施方式的凹形轴肩面1-2-4的内凹角为10°～17°。其它组成及联接关系与具体实施方式六相同。
具体实施方式八：结合图6说明本实施方式，本实施方式的凹形轴肩面1-2-4的内凹角为15°。其它组成及联接关系与具体实施方式七相同。
具体实施方式九：结合图6说明本实施方式，本实施方式的退料孔1-1-2的直径比夹持孔1-2-2的直径小1mm。其它组成及联接关系与具体实施方式七相同。
具体实施方式十：结合图6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。其它组成及联接关系与具体实施方式六相同。
Claims (10)
1.一种组合型触发式搅拌摩擦塞钎焊补焊方法，其特征在于：所述方法是通过以下步骤实现的：
步骤一、制备搅拌体(2)：搅拌体(2)分为上、下两部分，上部分搅拌体采用金属棒(21)，下部分搅拌体采用锌铝棒料(22)，金属棒(21)与被补焊的零件材质相同，将金属棒(21)与锌铝棒料(22)上下设置并连接在一起，机械加工去除搅拌体(2)表面金属，同时将搅拌体(2)的下端加工成圆台形(A)，圆台形(A)的底部为球形面，该圆台形(A)即为搅拌针(A)，搅拌针(A)上部(h1)为金属材质，搅拌针下部(h2)为锌铝材质；
步骤二、确定搅拌针(A)的尺寸：搅拌针(A)的锥面(A1)与搅拌体(2)轴线之间的夹角(α)为10°～15°，夹角(α)应大于所要修复匙孔的角度；
步骤三、定位：对所要修复匙孔进行定位，使匙孔中心与搅拌针(A)的轴线(N-N)重合；
步骤四、补焊：在实施组合型触发式搅拌摩擦塞钎焊补焊的过程中，搅拌针(A)与待补焊的匙孔内壁材料发生摩擦，摩擦过程中，由于锌铝的低熔共晶点低，锌铝棒料(22)在低温下率先与匙孔内壁发生摩擦从而产生塑化，同时受到巨大的剪切作用力，使搅拌针下部(h2)填充匙孔并与搅拌针上部(h1)分离，金属棒(21)继续向下搅拌摩擦，金属棒(21)的搅拌针上部(h1)与匙孔内壁摩擦生热，促使已经填充匙孔内的锌铝棒料(22)更加充分地填充满要补焊的匙孔，至此，完成组合型触发式搅拌摩擦塞钎焊补焊。
2.根据权利要求1所述的组合型触发式搅拌摩擦塞钎焊补焊的方法，其特征在于：所述步骤一中金属棒(21)与锌铝棒料(22)采用摩擦焊焊接在一起。
3.根据权利要求1所述的组合型触发式搅拌摩擦塞钎焊补焊的方法，其特征在于：所述步骤一中金属棒(21)与锌铝棒料(22)采用螺纹连接的方式连接在一起。
4.根据权利要求1、2或3所述的组合型触发式搅拌摩擦塞钎焊补焊的方法，其特征在于：所述步骤一中搅拌针上部(h1)为1/5δ～2/3δ，搅拌针下部(h2)为1/3δ～4/5δ，δ为被补焊零件的板厚。
5.根据权利要求1所述的组合型触发式搅拌摩擦塞钎焊补焊的方法，其特征在于：所述步骤二中的搅拌针(A)的锥面(A1)与搅拌头轴线的夹角(α)为12.5°。
6.一种实现权利要求1所述组合型触发式搅拌摩擦塞钎焊补焊方法的焊具，其特征在于：所述焊具包括焊具夹持体(1)、搅拌体(2)和连接件(3)，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)和下圆柱体(1-2)一体制成，且下圆柱体(1-2)的直径大于上圆柱体(1-1)的直径，上圆柱体(1-1)的表面上设有焊具夹持面(1-1-1)，上圆柱体(1-1)轴心处设有退料孔(1-1-2)，下圆柱体(1-2)的表面设有至少一个环形散热槽(1-2-1)，下圆柱体(1-2)的轴心处设有与退料孔(1-1-2)相通的夹持孔(1-2-2)，下圆柱体(1-2)的侧壁上设有垂直于夹持孔(1-2-2)的螺纹通孔(1-2-3)，螺纹通孔(1-2-3)与夹持孔(1-2-2)相通，下圆柱体(1-2)的下端面为外边缘高于中心1mm的凹形轴肩面(1-2-4)，搅拌体(2)由搅拌针座(2-1)、上端搅拌针(2-2)和下端搅拌针(2-3)组成，搅拌针座(2-1)、上端搅拌针(2-2)和下端搅拌针(2-3)由上至下设置，搅拌针座(2-1)与上端搅拌针(2-2)一体制成，上端搅拌针(2-2)与下端搅拌针(2-3)连接在一起，搅拌针座(2-1)的表面设有搅拌针夹持面(2-1-1)，搅拌体(2)设置在夹持孔(1-2-2)中，且搅拌针夹持面(2-1-1)与螺纹通孔(1-2-3)正对，上端搅拌针(2-2)和下端搅拌针(2-3)的圆周表面为锥面(A1)，下端搅拌针(2-3)的下端直径小于上端搅拌针(2-2)的上端直径，上端搅拌针(2-2)和下端搅拌针(2-3)构成搅拌针(A)，搅拌针(A)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。
7.根据权利要求6所述的组合型触发式搅拌摩擦塞钎焊补焊的焊具，其特征在于：所述凹形轴肩面(1-2-4)的内凹角为10°～17°。
8.根据权利要求7所述的组合型触发式搅拌摩擦塞钎焊补焊的焊具，其特征在于：所述凹形轴肩面(1-2-4)的内凹角为15°。
9.根据权利要求7所述的组合型触发式搅拌摩擦塞钎焊补焊的焊具，其特征在于：所述退料孔(1-1-2)的直径比夹持孔(1-2-2)的直径小1mm。
10.根据权利要求6所述的组合型触发式搅拌摩擦塞钎焊补焊的焊具，其特征在于：所述焊具夹持体(1)的材质为高速钢。
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