本發(fā)明涉及金屬焊接，特別是一種攪拌摩擦焊工具和用該工具修復(fù)匙孔缺陷的方法。

背景技術(shù)：

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(yīng)力小及焊接焊接接頭質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于航空航天、高鐵和船舶等領(lǐng)域。焊接過(guò)程中，一個(gè)由特殊設(shè)計(jì)的軸肩和攪拌頭組成的攪拌摩擦焊焊具扎入金屬構(gòu)件內(nèi)部，與金屬構(gòu)件摩擦產(chǎn)生摩擦熱，使材料流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)待焊金屬構(gòu)件的連接。

在攪拌摩擦焊接過(guò)程中，由于攪拌針的存在，在焊接接頭的末端會(huì)出現(xiàn)匙孔缺陷，該匙孔缺陷會(huì)引起弱連接和應(yīng)力集中效應(yīng)，極大地降低焊接接頭的力學(xué)性能，降低焊接質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致焊接金屬構(gòu)件報(bào)廢。

另外，對(duì)于現(xiàn)今大量應(yīng)用于制造行業(yè)的鋁合金和鎂合金鑄造件，在鑄造過(guò)程中不可避免地會(huì)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(jié)構(gòu)的質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)也會(huì)導(dǎo)致鑄件報(bào)廢。

此外，某些金屬構(gòu)件在使用過(guò)程中亦會(huì)產(chǎn)生各種缺陷，嚴(yán)重時(shí)同樣得報(bào)廢。

針對(duì)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(shù)問(wèn)題，為提高材料利用率、節(jié)省資源和能源，許多修復(fù)上述缺陷的方法和裝置應(yīng)運(yùn)而生。

目前修復(fù)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(fù)匙孔缺陷。

目前用攪拌摩擦焊修復(fù)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，其攪拌頭軸肩表面(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(jìn)行攪拌摩擦焊修復(fù)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(fù)匙孔缺陷的方法有攪拌摩擦塞焊法、T型填充塊與無(wú)針攪拌頭相結(jié)合焊接法等。

CN101966621B專利文獻(xiàn)公開(kāi)的電弧預(yù)熱攪拌摩擦塞補(bǔ)焊的方法和CN102500915A專利文獻(xiàn)公開(kāi)的采用T型填充塊與無(wú)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(jìn)行匙孔缺陷修復(fù)，受板材厚度限制，用這兩種方法難以進(jìn)行大厚板材深度大的匙孔缺陷修復(fù)；此外，修復(fù)界面極易產(chǎn)生冶金結(jié)合不良現(xiàn)象，使焊接接頭性能降低。

CN102861985A專利文獻(xiàn)公開(kāi)的鋁合金攪拌摩擦焊孔洞缺陷的修補(bǔ)方法和CN201410040662.1專利文獻(xiàn)公開(kāi)的鋁合金攪拌摩擦焊接缺陷修復(fù)方法，是通過(guò)對(duì)缺陷挖排、再使用MIG焊填充，最后用攪拌摩擦焊修復(fù)缺陷。這兩種方法的缺點(diǎn)是，攪拌摩擦焊后會(huì)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(xiàn)公開(kāi)的基于攪拌摩擦的裂紋修復(fù)方法，只是采用無(wú)針攪拌頭修復(fù)金屬材料近表面的缺陷，未能實(shí)現(xiàn)沿板材深度方向的修補(bǔ)，且金屬構(gòu)件修復(fù)區(qū)會(huì)出現(xiàn)厚度減薄現(xiàn)象，導(dǎo)致應(yīng)力集中，接頭抗疲勞壽命降低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述現(xiàn)有用攪拌摩擦焊修復(fù)匙孔缺陷存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種可使修復(fù)區(qū)晶粒尺寸細(xì)化、冶金結(jié)合和力學(xué)性能好、強(qiáng)度高、修復(fù)區(qū)厚度不減薄、無(wú)材料溢出、應(yīng)力集中現(xiàn)象少、不受缺陷深度限制和適用范圍廣的攪拌摩擦焊工具和用該工具修復(fù)匙孔缺陷的方法。

本發(fā)明提供的攪拌摩擦焊工具，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底面有六螺旋線凹槽；所述靜止軸肩通過(guò)彈簧與軸肩固定塊相接，軸肩固定塊固定安裝在焊機(jī)上，靜止軸肩中設(shè)有電加熱裝置和冷卻介質(zhì)通道，電加熱裝置在內(nèi)，靠近攪拌頭，冷卻介質(zhì)通道在電加熱裝置以外，靜止軸肩的高度與攪拌頭軸肩高度相同。

用上述攪拌摩擦焊工具修復(fù)匙孔缺陷的方法，包括以下步驟：

步驟1、用手鉆將待修復(fù)工件的匙孔加工成圓柱形；

步驟2、將匙孔加工成圓柱形的工件水平放置在工作臺(tái)上，并加以固定。

步驟3、采取連續(xù)填充修復(fù)方式，根據(jù)匙孔(指加工后的圓柱形的匙孔，下同)的尺寸設(shè)計(jì)填充修復(fù)的級(jí)數(shù)；

步驟4、然后按下述方法逐級(jí)進(jìn)行填充修復(fù)：

一級(jí)填充修復(fù)：

選取直徑與圓柱形匙孔直徑相同、厚度為1～20mm的一級(jí)填充片填入匙孔的下部；攪拌摩擦焊工具選用攪拌針直徑小于一級(jí)填充片直徑1mm或1mm以下的攪拌頭和與之匹配的靜止軸肩；將靜止軸肩套在攪拌頭上；然后使攪拌頭以50～10000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速和0.1～10mm/分的速度向下扎入一級(jí)填充片中，扎入深度達(dá)到一級(jí)填充片厚度的10％—90％時(shí)，啟動(dòng)靜止軸肩中的電加熱裝置，對(duì)靠近匙孔的工件材料進(jìn)行加熱，加熱時(shí)間為1～20min；電加熱裝置開(kāi)始加熱1～200秒后向靜止軸肩中的冷卻介質(zhì)通道通入循環(huán)冷卻介質(zhì)，以降低加熱區(qū)以外的工件材料的溫度；攪拌頭在此位置繼續(xù)旋轉(zhuǎn)并停留1～100秒，使一級(jí)填充片受到充分摩擦熱呈塑性流動(dòng)狀態(tài)，其底部和側(cè)壁與匙孔周圍的材料形成冶金結(jié)合；攪拌頭達(dá)到設(shè)定的停留時(shí)間后，以3mm/分的回抽速度進(jìn)行回抽，同時(shí)停止電加熱裝置加熱，冷卻介質(zhì)繼續(xù)冷卻1～500秒，然后將攪拌頭以3mm/分的速度回抽，靜止軸肩與其一起撤回，完成一級(jí)填充修復(fù)；

二級(jí)填充修復(fù)：

完成一級(jí)填充修復(fù)后，選用與一級(jí)填充修復(fù)留下的缺孔直徑相同、厚度為1～20mm的二級(jí)填充片填入一級(jí)填充修復(fù)留下的缺孔下部；攪拌摩擦焊工具選用攪拌針直徑小于二級(jí)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(jí)填充修復(fù)相同的方法完成二級(jí)填充修復(fù)；

三級(jí)填充修復(fù)：

完成二級(jí)填充修復(fù)后，選用與二級(jí)填充修復(fù)留下的缺孔直徑相同、厚度為1～20mm的三級(jí)填充片填入二級(jí)填充修復(fù)留下的缺孔下部；攪拌摩擦焊工具選用攪拌針直徑小于三級(jí)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(jí)填充修復(fù)相同的方法完成三級(jí)填充修復(fù)；

以此類推，當(dāng)進(jìn)行到最后一級(jí)填充焊時(shí)，改用直徑大于匙孔直徑的無(wú)針攪拌頭，以與一級(jí)填充修復(fù)相同的方法進(jìn)行最后一級(jí)填充焊，完成最后一級(jí)填充修復(fù)后撤回?cái)嚢桀^和靜止軸肩，匙孔的整個(gè)修復(fù)過(guò)程結(jié)束。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果：

1、本發(fā)明采用級(jí)進(jìn)式連續(xù)填充攪拌摩擦焊對(duì)工件體積型缺陷進(jìn)行修復(fù)，與現(xiàn)有用整體式外填充材料一次性填充修復(fù)焊接相比，具有界面冶金結(jié)合效果好，強(qiáng)度高，易于控制界面位置材料流動(dòng)且焊后無(wú)減薄等優(yōu)點(diǎn)。

2、由靜止軸肩中的電加熱裝置在焊前和焊中加熱靠近匙孔的工件材料，可促進(jìn)材料軟化并良好的塑性流動(dòng)和原子擴(kuò)散，使填充材料與母材良好焊合；由靜止軸肩中的冷卻介質(zhì)通道(相當(dāng)于熱沉)在焊中和焊后對(duì)加熱區(qū)外圍的工件材料進(jìn)行冷卻，使熱影響區(qū)減小，實(shí)現(xiàn)窄軟化區(qū)、小軟化程度以及晶粒細(xì)化的效果，提高修復(fù)后結(jié)構(gòu)件的性能。

3、與攪拌針底面為平面或帶有同心圓形狀凹槽的攪拌頭相比，本發(fā)明使用攪拌針底面為六螺旋線凹槽的攪拌頭可加強(qiáng)塑化材料的流動(dòng)，促進(jìn)界面原子擴(kuò)散和機(jī)械咬合，增加界面的冶金結(jié)合，提高修復(fù)區(qū)的強(qiáng)度。

4、焊機(jī)通過(guò)軸肩固定塊和彈簧分別對(duì)靜止軸肩保持一定壓力，可起到阻材料溢出焊縫、使修復(fù)區(qū)表面光滑、降低待修復(fù)區(qū)溫度、促進(jìn)材料流動(dòng)、降低焊縫表面殘余應(yīng)力、提高接頭質(zhì)量的作用。

5、填充過(guò)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(zhǎng)大現(xiàn)象，有利于提高修復(fù)區(qū)強(qiáng)度。

6、本發(fā)明可通過(guò)調(diào)節(jié)熱輸入的方法控制單道次的組織演變和界面結(jié)合效果，有利于提高修復(fù)區(qū)性能。

7、本發(fā)明適用范圍廣，對(duì)于鑄鋁、鑄鎂以及其他變形鋁或鎂結(jié)構(gòu)中的各種體積型缺陷，只需事先將各種形狀的體積型缺陷用鉆取工具加工成大小不同的匙孔，均可采用本發(fā)明加以修復(fù)，且不受缺陷深度限制。

附圖說(shuō)明

圖1本發(fā)明攪拌摩擦焊工具的結(jié)構(gòu)示意圖(剖視圖)；

圖2是圖1中攪拌頭的攪拌針的底面示意圖；

圖3是圖1中靜止軸肩的外形立體圖(不含電加熱裝置和冷卻介質(zhì)通道)；

圖4是圖3靜止軸肩沿其電加熱裝置的橫向截面圖；

圖5是待修復(fù)工件的示意圖；

圖6是用圖1所示攪拌摩擦焊工具修復(fù)圖5所示工件匙孔的參考圖。

圖中：1.攪拌頭，2.軸肩固定塊，3.彈簧，4.靜止軸肩，5.電加熱裝置，6.冷卻介質(zhì)通道，61.冷卻介質(zhì)入口，62.冷卻介質(zhì)出口，7.攪拌頭軸肩，8.攪拌針，9.六螺旋線凹槽，10.工件，11.匙孔，12.一級(jí)填充片，13.二級(jí)填充片，14.三級(jí)填充片。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。

結(jié)合圖1至圖4，本發(fā)明攪拌摩擦工具包括攪拌頭1和與攪拌頭配合的靜止軸肩4。攪拌頭的攪拌針8底面有六螺旋線凹槽9，六螺旋線凹槽的最大曲率半徑ρ、弧長(zhǎng)L和寬度b分別為攪拌針直徑的0.7倍、0.5倍和0.1倍。靜止軸肩呈上大下小的圓臺(tái)形，其內(nèi)徑比攪拌頭的攪拌頭軸肩7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20～50mm，高度與攪拌頭細(xì)部(圖1中攪拌頭位于攪拌針以上、上下直徑相同的圓柱形部分)高度相同。靜止軸肩通過(guò)彈簧3與軸肩固定塊2相接，軸肩固定塊固定安裝在焊機(jī)(未圖示)上。靜止軸肩中設(shè)有環(huán)形電加熱裝置5和冷卻介質(zhì)通道6，電加熱裝置在內(nèi)，靠近攪拌頭，冷卻介質(zhì)通道在電加熱裝置以外，在靜止軸肩的外壁上有冷卻介質(zhì)入口61和冷卻介質(zhì)出口62。

以下為利用上述結(jié)構(gòu)的攪拌摩擦工具對(duì)圖5所示工件10(鑄鋁)上表面上的匙孔11進(jìn)行修復(fù)的實(shí)施例。該匙孔上大下小，上端直徑d為5mm，匙孔的深度為4mm。

修復(fù)操作步驟如下。

步驟1、用手鉆將待修復(fù)工件的匙孔加工成直徑為5mm、深度為4mm的圓柱形；

步驟2、將匙孔加工成圓柱形的工件水平放置在工作臺(tái)(未圖示)上，并加以固定。

步驟3、根據(jù)匙孔(指圓柱形匙孔，下同)的尺寸，本實(shí)施例采取三級(jí)填充修復(fù)。

步驟4、按下述方法進(jìn)行三級(jí)填充修復(fù)：

結(jié)合圖6(a),一級(jí)填充修復(fù)方法如下：

采用直徑為5mm、厚度為4mm、與工件同材質(zhì)的一級(jí)填充片12填入匙孔的下部；攪拌摩擦焊工具選用攪拌頭軸肩、攪拌針直徑和長(zhǎng)度分別為10mm、4mm和3mm的攪拌頭；選用靜止軸肩下端內(nèi)經(jīng)為10.2mm、下端外徑為22mm、上端外徑為50mm；將靜止軸肩套在攪拌頭上；然后使攪拌頭以1800轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速和1mm/分的速度向下扎入一級(jí)填充片中，扎入深度達(dá)到3.1mm時(shí)，啟動(dòng)靜止軸肩中的電加熱裝置，對(duì)靠近匙孔的工件材料進(jìn)行加熱，加熱時(shí)間為5min；電加熱裝置開(kāi)始加熱100秒后向靜止軸肩中的冷卻介質(zhì)通道通入循環(huán)冷卻水，以降低加熱區(qū)以外的工件材料的溫度；攪拌頭在此位置繼續(xù)旋轉(zhuǎn)并停留100秒，使一級(jí)填充片受到充分摩擦熱呈塑性流動(dòng)狀態(tài)，其底部和側(cè)壁與匙孔周圍的材料形成冶金結(jié)合；攪拌頭停留50秒后以3mm/分的回抽速度進(jìn)行回抽，同時(shí)停止電加熱裝置加熱，冷卻水繼續(xù)冷卻100秒，然后將攪拌頭以3mm/分的速度回抽，與靜止軸肩同時(shí)撤回，完成一級(jí)填充修復(fù)，并留下直徑為3.1mm(與一級(jí)攪拌頭的攪拌針直徑相同)的缺孔。

結(jié)合圖6(b),完成一級(jí)填充修復(fù)后進(jìn)行二級(jí)填充修復(fù)：采用直徑為4mm、厚度為3.2mm、與工件同材質(zhì)的二級(jí)填充片13填入一級(jí)填充修復(fù)留下的缺孔下部；攪拌摩擦焊工具選用攪拌頭軸肩、攪拌針直徑和長(zhǎng)度分別為10mm、3mm和2.2mm的攪拌頭；選用下端內(nèi)經(jīng)為10.2mm、下端外徑為22mm、上端外徑為50mm的靜止軸肩；以與一級(jí)填充修復(fù)相同的方法完成二級(jí)填充修復(fù)。二級(jí)填充修復(fù)留下直徑為2.2mm(與二級(jí)攪拌頭的攪拌針直徑相同)的缺孔。

結(jié)合圖6(c)和圖6(d),三級(jí)填充修復(fù)：

完成二級(jí)填充修復(fù)后，進(jìn)行三級(jí)填充修復(fù)：采用直徑為3mm、厚度為2.2mm、與工件同材質(zhì)的三級(jí)填充片14填入二級(jí)填充修復(fù)留下的缺孔下部；攪拌摩擦焊工具改用攪拌頭軸肩直徑為10mm的無(wú)針攪拌頭；選用下端內(nèi)經(jīng)為10.2mm、下端外徑為22mm、上端外徑為50mm的靜止軸肩；以與一級(jí)填充修復(fù)相同的方法進(jìn)行三級(jí)填充修復(fù)；完成最后一級(jí)填充修復(fù)后撤回?cái)嚢桀^和靜止軸肩，匙孔的整個(gè)修復(fù)過(guò)程結(jié)束。

經(jīng)過(guò)上述三級(jí)填充修復(fù)后的工件修復(fù)區(qū)，填充材料與工件母材冶金結(jié)合良好，表面光滑平整，無(wú)缺陷。