一種鋁合金攪拌摩擦焊接缺陷修復方法
【專利摘要】一種鋁合金攪拌摩擦焊接缺陷修復方法,采用彈簧秤下掛磁鐵塊方法，確定判斷出鋁合金攪拌摩擦焊縫中攪拌針的掩埋位置,并通過采用風動銑刀，并配合手電鉆、尖嘴鉗，將折斷的攪拌針從焊縫中取出。再采用非熔化極惰性氣體保護焊（MIG焊）對挖取處造成材料缺失進行填充。最后采用攪拌摩擦焊接方法對問題焊縫進行最終焊接修復。本發明操作簡單、易于實現，經濟性高，實用性強,實際工程應用意義顯著。
【專利說明】一種鋁合金攪拌摩擦焊接缺陷修復方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種攪拌摩擦焊接缺陷的修復方法，適用于鋁合金攪拌摩擦焊接過程中攪拌頭前端的攪拌針折斷，并遺留掩埋于焊縫內部，由此帶來的焊縫中遺留攪拌針的位置判定、摳取以及焊縫的最終修復。
【背景技術】
[0002]隨著軌道車輛加工制造行業的快速發展，特別是在全球能源危機的大背景下，輕量化設計已成為主流。由于鋁合金材料具有密度低、比強度高、易成型、耐腐蝕等優異的物理特性和力學性能，現已大范圍應用于軌道車輛的車體加工制造。在目前的鋁合金車體制造中，焊接方法主要以熔化極惰性氣體保護焊(Metal Inert-gas Welding, MIG)為主。但由于鋁合金在空氣中及焊接時極易氧化成熔點高、穩定性強、易吸潮且不易去除的氧化鋁，妨礙焊接的進行，而且鋁合金在焊接過程中焊接接頭內容易生成氣孔、夾雜、未熔合以及未焊透等缺陷。此外，鋁合金熔弧焊變形量大，特別是進行厚板焊接時問題更為突出。
[0003]攬拌摩擦技術(Friction Stir Welding, FSW)是英國焊接研究所(The WeldingInstitute, TH)在1991年發明的一種先進的材料固態連接方法。該技術具有熱輸入量低、焊接接頭質量高、焊接變形小、對溫濕度不敏感、綠色環保等優點，特別適合于鋁合金材料的焊接。因此，FSW技術一經問世，既得到了專家學者的廣泛關注，并由于這項技術所具備的顯著技術經濟效益，截止目前FSW技術已在航空、航天、造船、汽車制造，以及軌道車輛加工制造方面得到了廣泛應用。
[0004]盡管利用攪拌摩擦焊接方法進行鋁合金焊接可獲得高質量、高穩定性的焊接接頭，但在工程實際操作中，為降低成本，在最大程度發揮單支攪拌頭的使用壽命情況下，常出現因攪拌頭的過渡使用，導致其結構尺寸以及表面狀況受損而使問題焊縫發生。通常，攪拌頭主要由夾持區、軸肩和攪拌針三部分組成。在攪拌摩擦焊接過程中，攪拌頭軸肩在作為主要熱量來源的同時，還對塑性區金屬起到包攏、擠壓作用，進而保證焊縫金屬的成形。此部位的主要失效破壞形式以表面磨損為主。此問題可通過觀察攪拌頭軸肩表面狀況以及所焊焊縫表面成形進行判斷，因此，攪拌頭的此類破損形式較易掌握，并且由此導致的問題焊縫也較易避免。攪拌頭的另一嚴重破損形式，則為FSW焊接過程中，其前端扎入工件內部攪拌針的突然折斷。因攪拌頭的攪拌針部分在焊接過程除與焊縫內部金屬產生摩擦，在提供部分熱量來源的同時，還起到實現焊縫塑性材料的機械攪拌、使材料流動更為合理的作用，在整個過程中攪拌針的外型及尺寸在承受磨損變短的同時，還承受較大的扭矩。由分析可知，無論在扎入階段或穩定焊接階段，攪拌頭易發生脆性斷裂的薄弱部位均為攪拌針根部。并且隨著待焊材料厚度的增加，所承受的剪切力增大，相應地加大了攪拌針折斷的概率。此情況下，如繼續焊接，不僅折斷的攪拌針掩埋于焊縫內部，其后所形成的焊縫也將存在嚴重的質量問題。
[0005]而且在FSW焊接過程中，即使攪拌頭的前端攪拌針突然折斷，攪拌摩擦焊接仍能繼續進行，并且待焊工件表面仍能有效成形。從而，增加了上述FSW過程中攪拌針折斷問題發生的發現難度，而且常在焊接結束后，觀測攪拌頭的狀況時才發現攪拌頭的攪拌針部分已經折斷。此時，需準確地判斷出攪拌針掩埋于焊縫中的位置，進而才能有效對問題焊縫進行修復。

【發明內容】

[0006]本發明的目的是針對鋁合金攪拌摩擦焊接過程中攪拌頭的前端攪拌針部分異常折斷，并因未能及時發現使得折斷的攪拌針掩埋于焊縫內部問題，提出一種能夠準確判定出掩埋于焊縫內的折斷攪拌針位置，并針對此問題制定出對應的解決辦法。
[0007]為實現上述目的，本發明提供一種鋁合金攪拌摩擦焊接缺陷修復方法，其特征在于包括下列步驟:
1、將下端吊有磁鐵塊的彈簧秤置于焊縫表面，使磁鐵下表面與鋁合金FSW焊縫表面距離控制在5mm至IOmm之間；
2、以每分鐘30-40mm的速度沿焊縫方向向前移動彈簧秤；
3、在行進過程中，發生彈簧秤讀數突然增大，則初步判斷此處為焊縫內部折斷攪拌針的掩埋位置；
4、重復I一 3步，對焊縫內部折斷攪拌針的掩埋位置進行往返測試，最終確定出攪拌針的具體掩埋位置；
5、在確定出攪拌針的具體掩埋位置后，用風動銑刀摳磨遺留在FSW焊縫中的折斷攪拌針，之后配合手電鉆、尖嘴鉗，將折斷的攪拌針從焊縫中取出；
6、用風動銑刀沿著焊縫方向將攪拌針挖取處剖磨，使該處形成逐步向焊縫表面均勻過渡的船形溝槽，再采用MIG焊進行材料填充，之后用風動角向砂輪將MIG焊焊縫磨平；
7、更換與破損攪拌頭相同型號工具后，對問題焊縫進行FSW修復。
[0008]本發明具有以下有益效果:
1.本發明開發提出了適合于鋁合金FSW焊接時，攪拌針折斷并掩埋于焊縫內部，并由此而帶來的遺留攪拌針搜尋、摳取以及問題焊縫修復的新方法；
2.本發明操作簡單，經濟性高，實用性強。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1是鋁合金FSW焊接攪拌頭扎入待焊工件前示意圖；
圖2是鋁合金FSW焊接過程示意圖；
圖3為鋁合金FSW焊接結束端攪拌頭上提離開工件表面示意圖；
圖4是鋁合金FSW焊縫中折斷攪拌針遺留搜尋示意圖。
【具體實施方式】
[0010]結合圖1、圖2、圖3和圖4，待焊鋁合金工件2和鋁合金工件3同為12mm板厚的6082鋁合金板(熱處理狀態為T6)，首先用酒精擦除待焊工件2和工件3的表面油污，再用鋼絲刷去除工件2和工件3上表面、側邊的氧化膜，之后實現工件2和工件3間的良好組配。所用攪拌頭I由夾持區1-1、軸肩1-2和攪拌針1-3組成。設定攪拌頭I軸向與待焊鋁合金工件2和工件3表面法線方向成2.5°前傾角。啟動攪拌摩擦焊接設備，使得攪拌頭I達到設定轉速450rpm。攪拌頭I以0.3mm/s速度扎入待焊鋁合金工件2和工件3之間的待焊焊縫4，直至攪拌頭I的軸肩1-2壓入工件2和工件3表面0.1mm至0.2mm之間，之后停留5s后，沿待焊焊縫4以150mm/min焊速進行焊接。在FSW焊接過程中，攪拌頭I的軸肩1-2部分與待焊鋁合金工件2和工件3密切接觸，攪拌頭I的攪拌針1-3扎入埋藏于待焊鋁合金工件2和工件3內部，最終在攪拌頭I后方形成FSW焊縫5。FSff焊接結束時，攪拌頭I向上提升，離開待焊鋁合金工件2和工件3表面，此時觀察攪拌頭I的攪拌針1-3部分，發生攪拌針已破損折斷。將圖4中所示的檢測支架6放置于FSW焊縫5上端，并通過檢測支架的支桿6-2的角度調整，使彈簧秤7前端吊掛的磁鐵塊8下表面與FSW焊縫5表面間距離控制在5-10mm范圍內。手動以每分鐘30_40mm的速度沿FSW焊縫5中心線向前推移檢測支架6的光杠6-1上吊掛的彈簧秤7 ;在彈簧秤7移動過程中，發現磁鐵塊8被向下吸引，彈簧秤7讀數突然增大，則判斷此處FSW焊縫5的位置為攪拌針折斷掩埋位置。
[0011]在確定出FSW焊縫5中折斷攪拌針1-3的掩埋位置后，在挖取折斷的攪拌針1-3時，為減少剖磨尺寸，用風動銑刀摳磨確定的攪拌針1-3掩埋位置，待露出遺留在FSW焊縫5中的折斷攪拌針1-3后，再配合手動鉆、尖嘴鉗，將折斷的攪拌針1-3從FSW焊縫5取出。為了保證MIG焊填補質量，在焊接填料前，用風動銑刀沿著焊縫方向將攪拌針挖取處剖磨，使該處形成逐步向焊縫表面均勻過渡的船形溝槽，之后再采用MIG焊進行材料填充，最后采用風動角向砂輪將MIG焊余高焊縫磨平。在此之后，用更新后的攪拌頭I對FSW焊縫5進行再次FSW焊接。
【權利要求】
1.一種鋁合金攪拌摩擦焊接缺陷修復方法，其特征在于包括下列步驟: (1)將下端吊有磁鐵塊的彈簧秤置于焊縫表面，使磁鐵下表面與鋁合金FSW焊縫表面距離控制在5mm至IOmm之間； (2)以每分鐘30-40mm的速度沿焊縫方向向前移動彈簧秤； (3)在行進過程中，發生彈簧秤讀數突然增大，則初步判斷此處為焊縫內部折斷攪拌針的掩埋位置； (4)重復I一 3步，對焊縫內部折斷攪拌針的掩埋位置進行往返測試，最終確定出攪拌針的具體掩埋位置； (5)在確定出攪拌針的具體掩埋位置后，用風動銑刀摳磨遺留在FSW焊縫中的折斷攪拌針，之后配合手電鉆、尖嘴鉗，將折斷的攪拌針從焊縫中取出； (6)用風動銑刀沿著焊縫方向將攪拌針挖取處剖磨，使該處形成逐步向焊縫表面均勻過渡的船形溝槽，再采用MIG焊進行材料填充，之后用風動角向砂輪將MIG焊焊縫磨平； (7)更換與破損攪拌頭相同型號工具后，對問題焊縫進行FSW修復。
【文檔編號】B23K20/26GK103785942SQ201410040662
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年1月28日 優先權日:2014年1月28日
【發明者】楊景宏, 張欣盟, 閆占奇, 夏常青 申請人:長春軌道客車股份有限公司