CN113042875B - 一种嵌入式线性摩擦焊接头缺陷控制方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种嵌入式线性摩擦焊接头缺陷控制方法及其应用，本发明属于焊接制造和修复技术，涉及无余量构件的连接或修复，缺陷控制方法包括：在被焊零件的上部，楔形块进入方向固定工艺板，所述工艺板与所述被焊零件贴合，所述工艺板的焊接端角度不小于所述楔形块角度；将装在振动端的所述楔形块嵌入所述被焊零件内部的焊接部位，采用线性摩擦焊方法焊接，由楔形块带来的焊接缺陷留在了工艺板上，焊后去除所述工艺板。采用本发明的方法在使用线性摩擦焊进行长形构件的连接或修复时，能确保接头质量，使得焊缝内无缺陷。

Description

一种嵌入式线性摩擦焊接头缺陷控制方法及其应用

技术领域

本发明涉及焊接制造技术领域，具体涉及一种嵌入式线性摩擦焊接头缺陷控制方法及其应用。

背景技术

线性摩擦焊焊接过程由于焊接过程中一件工件必须在设备带动下做高频往复振动，工件两端垂直于摩擦面必须施加较大的压力，这在一定程度上决定了振动端的工件不能过大或过长，这在客观上限制了线性摩擦焊直接应用于长形构件的分段焊接组合。US2004011241A1公开了摩擦焊接合装置和焊接方法，先分段制造长形构件的几个部分，在两个分段的待连接处，加工成相对的斜坡，与楔块的角度相同，振动楔块体积重量小，可实现超长形构件的任意位置焊接。该焊接设备包括振动端和顶锻端，振动端上设有用于夹装楔形连接件的可振动加紧装置，顶锻端上设有用于同时待连接处两侧构件的夹紧装置。

采用现有技术进行试件的焊接，参见图1所示，1为被焊零件Ⅰ，2为为被焊零件Ⅱ，3为振动楔形块，a为楔形块进入方向边角区域，金相照片放大如图2所示，由于最后进入接头焊缝的楔块尚未参与焊接过程，温度低，因此边角区域容易产生未焊合缺陷，工艺优化难以消除。

长形航空构件的焊接制造一般采用挤压型材，为了降低挤压难度、提高构件质量，表面留有余量较小，采用现有技术进行长形结构的连接时接头内易留有焊接缺陷；另一方面，采用这种方法对损伤结构进行修复的时候，由于构件表面已没有加工余量，焊缝中也不可避免产生焊接缺陷。

因此，发明人提出一种嵌入式线性摩擦焊接头设计缺陷控制方法及其应用，通过改进，可以确保接头质量，使得焊缝内无缺陷。

发明内容

(1)要解决的技术问题

本发明实施例提供了一种嵌入式线性摩擦焊接头设计缺陷控制方法及其应用，解决了现有技术的无余量或小余量零件嵌入式线性摩擦焊接头存在焊接缺陷的技术问题。

(2)技术方案

本发明的实施例提供了一种嵌入式线性摩擦焊接头设计缺陷控制方法及其应用，第一方面，该缺陷控制方法包括以下步骤：

1)、在被焊零件的上部，楔形块进入方向固定工艺板，所述工艺板与所述被焊零件贴合，所述工艺板的焊接端角度不小于所述楔形块与水平面的夹角；

2)、将装在振动端的所述楔形块嵌入所述被焊零件内部的焊接部位，采用线性摩擦焊方法焊接，由楔形块带来的焊接缺陷留在了工艺板上，焊后去除所述工艺板。

进一步地，所述工艺板的材料与所述被焊零件的材料相同或相近。

进一步地，所述工艺板与所述被焊零件贴合固定，装配间隙不大于0.02mm，装配面粗糙度均小于Ra3.2μm。

进一步地，所述工艺板的厚度H＝f(σ，k，q，v)，其中，σ为材料强度，k为热传导系数，q为摩擦界面热流密度，v为所述楔形块嵌入所述被焊零件内部的速度。

进一步地，所述工艺板的材料为钛合金时，所述工艺板的厚度H≥2mm。

进一步地，所述工艺板的焊接端角度为β，所述楔形块与水平面的夹角为α，当焊接缩短量小于2H时，β＞α；当焊接缩短量大于2H时，β＝α。

本发明的实施例的第二方面提供了一种异型悬臂梁飞机构件损伤部位的修复方法，采用第一方面所述的嵌入式线性摩擦焊接头缺陷控制方法，该修复方法包括以下步骤：

1)、TC4钛合金加工而成的异型悬臂梁飞机构件，切除构件的损伤裂纹，将损伤部位加工成相对的斜坡，斜面角度为60°；

2)、采用楔形嵌入式线性摩擦焊方法修复，采用的楔形块的角度为60°，与斜面角度相配合，摩擦力与顶锻力的施加方向与楔块中心线重合，在构件损伤部位的待连接分段两侧上方分别预置工艺板，工艺板的厚度经过前期工艺试验确定为3mm，装配工艺板并通过夹具进行位置固定；

3)、采用优化后工艺参数进行线性摩擦焊接，由于楔形块进入区域温度低带来的焊接缺陷留在了工艺板上，焊后机加工去除工艺板，保证了被焊零件接头质量。

(3)有益效果

综上，与现有技术相比，本发明改进了焊接工艺，通过增加工艺板，将焊缝中也不可避免产生的焊接缺陷留在了工艺板内，并且在焊后去除工艺板，保证了无余量或小余量零件嵌入式线性摩擦焊接头的焊接质量，使得焊缝内无缺陷，扩大了技术应用范围。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是采用现有技术的楔形嵌入式线性摩擦焊接的示意图。

图2是图1焊接的焊缝缺陷金相照片放大图。

图3是采用本发明的嵌入式线性摩擦焊接头缺陷控制方法中β＝α的场景示意图。

图4是采用本发明的嵌入式线性摩擦焊接头缺陷控制方法中β＞α的场景示意图。

图5是本发明实施例的待修复损伤部位的某异型悬臂梁飞机构件。

图6是将图5中构件的损伤部位加工成相对的斜坡的示意图。

图7是本发明的方法在异型悬臂梁飞机构件损伤部位修复方法的场景示意图。

图8是采用本发明嵌入式线性摩擦焊接头缺陷控制方法焊接示意图。

图9是图8焊接的焊缝缺陷金相照片放大图。

1-被焊零件Ⅰ；2-被焊零件Ⅱ；3-楔形块；11-工艺板Ⅰ；12-工艺板Ⅱ。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。

参照附图3～图4，本发明的一种嵌入式线性摩擦焊接头设计缺陷控制方法，包括：

1)、在被焊零件(包括被焊零件Ⅰ(1)、被焊零件Ⅱ(2))的上部，楔形块3进入方向固定工艺板(11、12)，工艺板与被焊零件贴合，工艺板的焊接端角度不小于楔形块3与水平面的夹角。

2)、将装在振动端的楔形块嵌入被焊零件内部的焊接部位，采用线性摩擦焊方法焊接，由楔形块带来的焊接缺陷留在了工艺板上，焊后去除所述工艺板。

通过在被焊零件(1、2)的上部，添加与楔形块3角度相同的工艺板(11、12)，要求工艺板与被焊试验件贴合，即在楔形块进入被焊零件内部的方向上增加了被焊零件的厚度，经过焊接后，由于楔形块进入区域温度低带来的焊接缺陷留在了工艺板上，焊后机加工去除工艺板，保证了被焊零件接头质量。

具体的，由于添加的工艺板材料成分会进入焊缝中，一般要求工艺板材料与被焊零件的材料相同或相近；要求被焊零件贴合固定，装配间隙不大于0.02mm；工艺板与被焊零件装配前应保持清洁，无杂物，去除氧化膜，装配面粗糙度均应小于Ra3.2μm。

工艺板的厚度与材料本身的物理性能(材料强度、热传导系数)以及工艺参数(摩擦界面热流密度、楔块进入速度)有关，材料强度(σ)和摩擦界面热流密度(q)越低、热传导系数(k)越高、楔块进入顶锻侧试件内部的速度(v)越快，工艺板的厚度(H)应当越厚，工艺板的厚度(H)定性关系为：H＝f(σ，k，q，v)。

对于工艺板的材料为钛合金时，在可以形成良好接头的工艺参数范围内，工艺板的厚度一般不应小于2mm，具体到其他结构和材料应进行工艺试验确定，工艺板厚度确定的准则有两条：一是确保焊接缺陷产生在工艺板厚度范围内，二是焊后工艺板在焊缝附近未发生翘曲变形。当试验结果不符合准则一时，应该增加工艺板厚度或优化焊接工艺参数(增加热流密度或降低楔形块挤入速度)；当试验结果不符合准则二时应当增加工艺板厚度或对工艺板结构形式进行优化；

要求工艺板斜面角度β应大于或等于楔形块与水平面的夹角为α(楔形块与水平面的夹角和被焊零件焊接面角度均为α)。具体的，当焊接缩短量(焊接初始到结束，楔形块挤入顶锻侧试件内的位移量)小于2H时，可以通过增加β角度的方法提高焊接质量，即，β＞α(参见图4)；当焊接缩短量大于2H时，增加β角度对焊接质量影响不大，一般选为β＝α(参见图3)。

参见图5～图9所示，以下为异型悬臂梁飞机构件损伤部位的修复方法，采用了前述的嵌入式线性摩擦焊接头缺陷控制方法，该方法包括以下步骤：

1)、TC4钛合金加工而成的异型悬臂梁飞机构件，切除构件的损伤裂纹，将损伤部位加工成相对的斜坡，斜面角度为60°，参见图5和图6。

2)、采用楔形嵌入式线性摩擦焊方法修复，采用的楔形块的角度为60°，与斜面角度相配合，摩擦力与顶锻力的施加方向与楔块中心线重合，在构件损伤部位的待连接分段两侧上方分别预置工艺板，工艺板的厚度经过前期工艺试验确定为3mm，装配工艺板并通过夹具进行位置固定，参见图7。

3)、采用优化后工艺参数进行线性摩擦焊接，由于楔形块进入区域温度低带来的焊接缺陷留在了工艺板上，焊后机加工去除工艺板，保证了被焊零件接头质量。

在采用优化后工艺参数焊接后，对接头的金相进行观察分析，如图9所示。可见焊接缺陷产生在工艺板厚度范围内，在后期加工中可以完全去除，保证了被焊零件轮廓内的焊缝质量，无焊接缺陷。

需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。

以上仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims (7)

1.一种嵌入式线性摩擦焊接头缺陷控制方法，其特征在于，所述方法包括：

在被焊零件的上部，楔形块进入方向固定工艺板，所述工艺板与所述被焊零件贴合，所述工艺板的焊接端角度不小于所述楔形块与水平面的夹角；

将装在振动端的所述楔形块嵌入所述被焊零件内部的焊接部位，采用线性摩擦焊方法焊接，由楔形块带来的焊接缺陷留在了工艺板上，焊后去除所述工艺板。

2.根据权利要求1所述的嵌入式线性摩擦焊接头缺陷控制方法，其特征在于，所述工艺板的材料与所述被焊零件的材料相同或相近。

3.根据权利要求1所述的嵌入式线性摩擦焊接头缺陷控制方法，其特征在于，所述工艺板与所述被焊零件贴合固定，装配间隙不大于0.02mm，装配面粗糙度均小于Ra3.2μm。

4.根据权利要求1所述的嵌入式线性摩擦焊接头缺陷控制方法，其特征在于，所述工艺板的厚度H＝f(σ，k，q，v)，其中，σ为材料强度，k为热传导系数，q为摩擦界面热流密度，v为所述楔形块嵌入所述被焊零件内部的速度。

5.根据权利要求4所述的嵌入式线性摩擦焊接头缺陷控制方法，其特征在于，所述工艺板的材料为钛合金时，所述工艺板的厚度H≥2mm。

6.根据权利要求4所述的嵌入式线性摩擦焊接头缺陷控制方法，其特征在于，所述工艺板的焊接端角度为β，所述楔形块与水平面的夹角为α，当焊接缩短量小于2H时，β＞α；当焊接缩短量大于2H时，β＝α。

7.一种异型悬臂梁飞机构件损伤部位的修复方法，采用如权利要求1-6中任一项所述的嵌入式线性摩擦焊接头缺陷控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)、TC4钛合金加工而成的异型悬臂梁飞机构件，切除构件的损伤裂纹，将损伤部位加工成相对的斜坡，斜面角度为60°；

2)、采用楔形嵌入式线性摩擦焊方法修复，采用的楔形块的角度为60°，与斜面角度相配合，摩擦力与顶锻力的施加方向与楔块中心线重合，在构件损伤部位的待连接分段两侧上方分别预置工艺板，工艺板的厚度经过前期工艺试验确定为3mm，装配工艺板并通过夹具进行位置固定；

3)、采用优化后工艺参数进行线性摩擦焊接，由于楔形块进入区域温度低带来的焊接缺陷留在了工艺板上，焊后机加工去除工艺板，保证了被焊零件接头质量。

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