一种随焊摩擦碾轧焊缝整形及改性方法

技术领域

本发明属于材料加工学科中金属材料焊接和增材制造技术领域，具体涉及一种随焊摩擦碾轧焊缝整形及改性方法。

背景技术

焊缝表面不平整,尤其是不熟练的焊工或不合适的焊接参数会造成焊缝成形不良,因此有必要对焊缝表面整形。焊缝表面可能存在一些微小的裂纹、气孔等缺陷需要修复。焊缝中容易形成柱状晶，焊缝表面晶粒也比较粗大，性能常低于母材，有必要使焊缝表面晶粒细化、性能改善。金属堆焊增材制造中存在大量孔隙等缺陷需要消除以求致密。焊缝冷却收缩产生各种变形需要减小或消除。目前没有哪项技术能同时解决上述问题，本发明旨在一定程度上同时解决上述问题。

现有的对焊接接头焊缝进行随焊冲击碾压整形的专利有：哈尔滨工业大学的方洪渊、王涛、杨建国等老师发明的“高强钢低匹配等承载焊接接头随焊冲击碾压焊缝整形装置（公告号为CN101890603B）”、“电磁感应加热辅助随焊冲击碾压焊缝整形装置（公布号为CN101905402A）,浙江工业大学郑文健、冯道臣、刘国豪等发明的“一种焊接接头随焊冲击碾压焊缝整形装置（公布号为CN109834412A）”。上述专利都是将冲击载荷作用于前后碾压轮上，并通过碾压轮对焊缝整形，这对改善焊缝成形有一定效果。但由于碾压轮尺寸较大，与焊缝接触面积较大，在有限的冲击力作用下，焊缝产生的变形较小，整形效果有限，对焊缝表层组织性能的改善也甚微；且设备体积较大，占用空间较大，离熔池不能太近，否则对焊枪造成干扰；同时，冲击造成设备运行不平稳。

发明内容

本发明的方法原理是：当焊枪在前面进行焊接时，在焊枪后方设置一根摩擦棒，其下端面接触并压紧焊缝表面，其上端用电机驱动使其绕自身轴旋转，从而在摩擦棒下端面与焊缝表面之间产生摩擦力，对焊接熔池后方刚凝固且仍处于高温塑性状态的焊缝进行摩擦碾轧，使焊缝表层产生变形流动，从而对焊缝进行整形和改性。摩擦棒跟在焊枪后面并与焊枪保持同步，与焊件之间保持相对运动，以与焊接速度相同的速度对整条焊缝进行摩擦碾轧。

摩擦棒的形状、尺寸、性能要求及材料选择如下：摩擦棒与焊缝接触端为摩擦端，可为圆柱形、锥球形或锥台形，摩擦端面上从中心向四周可以加工出辐射条纹，以增加摩擦力。摩擦端的直径根据焊缝的宽度来设计，如圆柱形摩擦端的直径一般为焊缝宽度的1倍-2倍，摩擦棒的长度为其直径的5倍-15倍，以确保摩擦棒具有足够的刚度，受压时不容易弯曲变形。为防止摩擦棒长时间受热软化，可在不动的轴承处增设冷却水道，以通水冷却。摩擦棒要求耐磨且耐高温，摩擦棒的材料根据填充材料或被焊母材来选择，随填充材料或被焊母材硬度的提高而选择耐磨性能更好的摩擦棒材料，随填充材料或被焊母材熔点的提高而选择耐高温性能更好的摩擦棒材料。按照具体需要，摩擦棒材料可以从热作模具钢、高速钢、硬质合金、高温合金、钨合金、耐磨耐高温复合材料中选取。

随焊摩擦碾轧焊缝整形及改性效果取决于以下因素及其调节方式：一是摩擦碾轧时焊缝所处的温度，可通过调节摩擦棒与焊枪之间距离来选择，即调节摩擦棒的摩擦端到焊接熔池的距离，通常为10mm-100mm。二是摩擦棒转速，摩擦棒上端安装在类似电钻的夹头中，通过电机驱动摩擦棒绕自身轴旋转，转速可根据需要进行调节，通常为几百到几千转每分钟。三是摩擦棒压力，摩擦棒可沿轴向进给并施加压力，且压力可根据需要进行调节，通常为几十到几百牛顿。四是摩擦棒倾斜角度，摩擦棒通常垂直焊缝表面，但为了使待摩擦碾轧焊缝顺利进入摩擦端面下方，也可使摩擦棒稍微向焊缝后方倾斜一定角度，通常为0°-15°。五是摩擦棒平移速度，摩擦棒及其旋转驱动电机、轴向进给与加压机构、两侧成形挡板，都与焊枪可动连接在一起，并一同与焊枪安装在伸缩臂式焊接操作机、龙门式焊接操作机或焊接机器人上，从而实现同步平移和升降，即摩擦棒以与焊枪相同的速度平移。

由于焊缝摩擦碾轧部位刚冷却凝固，仍处于高温塑性状态，容易变形流动，摩擦棒旋转并对焊缝表面施加一定压力，产生足够的摩擦力，将对焊缝表面产生强烈摩擦，使焊缝表层产生剧烈的塑性变形。这种剧烈的塑性变形不仅可以碾平焊缝表面的不平整甚至余高，起到显著的焊缝整形作用，获得类似搅拌摩擦焊的平整焊缝；而且能弥合焊缝表面缺陷，细化和致密化焊缝表层组织，获得动态再结晶组织，有显著改善焊缝表层性能的作用；并使焊缝在板平面内伸展，减小焊件的收缩变形。

本发明与现有的随焊冲击碾压技术最大区别的技术特征是：本发明是通过摩擦棒下端面与焊缝表面之间剧烈的摩擦、使焊缝表层产生剧烈的变形流动、来实现对焊缝表层的整形和改性；摩擦棒不需要太高的转速，也不需要对摩擦棒施加太大的轴向压力，却能产生十分显著的塑性变形；而且设备条件简单，容易实现。而随焊冲击碾压技术是将冲击载荷作用于碾压轮上，并通过碾压轮对焊缝进行整形，产生的塑性变形小，整形效果有限，而且设备条件复杂。

本发明与焊后冷却状态下焊缝的各种整形及改性技术的区别更明显：本发明利用了刚凝固且仍处于高温塑性状态的焊缝易于塑性变形的特点进行整形，所产生的塑性变形大，可以显著改变焊缝的形貌，属于热成形，获得动态再结晶组织，能耗低；而焊后冷却状态下焊缝的各种整形及改性技术所产生的塑性变形小，难以显著改变焊缝的形貌，属于冷成形，获得加工硬化组织，能耗高。

本发明与搅拌摩擦焊存在本质区别：本发明是对熔化焊的高温焊缝进行整形和改性，而搅拌摩擦焊是对室温下的材料进行焊接；本发明所用摩擦棒与搅拌摩擦焊所用搅拌头的结构及形状不同，本发明所用摩擦棒结构简单，而搅拌摩擦焊所用搅拌头结构较复杂，带有轴肩和搅拌针；本发明所用摩擦棒只与焊缝表面接触，只对焊缝表面进行摩擦，而搅拌摩擦焊时搅拌针插入材料内部进行搅拌。

附图说明

图1为平板对接电弧焊焊缝随焊摩擦碾轧整形改性方法示意图。图中显示了摩擦棒1、焊枪2、焊件3，电弧4、熔池5、整形改性前的焊缝6、整形改性后的焊缝7。图中ω为摩擦棒1的旋转速度，P为施加在摩擦棒1上的轴向压力，v为摩擦棒1和焊枪2的同步移动速度。

图2为T形角接接头电弧焊焊缝随焊摩擦碾轧整形改性方法示意图。与图1不同的是，焊件3是由两块相互垂直的板组成的T形角接接头，摩擦棒1的摩擦端为90°圆锥角且顶端为球冠形，焊接时摩擦棒1和焊枪2与立板之间需要倾斜一定角度。

图3为厚板对接多层电弧焊打底层及填充层随焊摩擦碾轧整形改性方法示意图。与图1不同的是，要求摩擦棒1伸入两厚板的间隙中对每层焊缝进行摩擦碾轧，因此摩擦棒1的直径较小或摩擦端设计成细长的锥形。

图4为电弧堆焊增材制造各堆焊层随焊摩擦碾轧整形改性方法示意图。与图1不同的是，增材体8一般高出基板平面较多，其刚度较小，容易变形，为减小其变形，摩擦棒1所施加的轴向压力较小，且摩擦棒1的直径与增材体8的宽度相当。

图5为摩擦棒两侧加成形挡板的平板对接电弧焊焊缝随焊摩擦碾轧整形改性方法示意图。与图1不同的是，在摩擦棒1两侧加了一对成形挡板9，成形挡板9可与摩擦棒1同步移动，用于解决焊缝余高较高的情况下、摩擦碾轧时焊缝边缘的整形问题，使焊缝边缘与母材之间实现平滑过渡。成形挡板的宽度与摩擦棒的直径相当，厚度需满足一定的刚度要求而使其不易变形，伸出长度通常比摩擦棒的伸出长度要长一些。成形挡板也要求具有较好的耐磨及耐高温性能，也根据填充材料或被焊母材来选择，其上部固定端也可增设冷却水道，以通水冷却。

图6为摩擦棒两侧加成形挡板的电弧堆焊增材制造各堆焊层随焊摩擦碾轧整形改性方法示意图。与图4不同的是，在摩擦棒1两侧加了一对成形挡板9，成形挡板9可与摩擦棒1同步移动，用于解决增材体8侧面的成形问题，使增材体8侧面平整，成形美观。此处成形挡板的要求与上述图5中的基本一样，只是伸出长度通常比图5中的更长一些。

图7为几种不同形状的摩擦棒示意图。11为常用的圆柱形摩擦棒，主要用于图1中平板对接电弧焊焊缝的随焊摩擦碾轧、图4中电弧堆焊增材制造堆焊层的随焊摩擦碾轧、图6中摩擦棒两侧加成形挡板的电弧堆焊增材制造堆焊层的随焊摩擦碾轧；12是摩擦端为90°圆锥角且顶端为球冠形的摩擦棒，主要用于图2中T形角接接头电弧焊焊缝的随焊摩擦碾轧；13是摩擦端为细长圆锥且顶端为平面的摩擦棒，14是摩擦端为细长圆锥且顶端为球冠形的摩擦棒，13和14主要用于图3中厚板对接多层电弧焊焊缝打底层及填充层的随焊摩擦碾轧。

具体实施方式

平板对接电弧焊焊缝随焊摩擦碾轧整形改性实施方式如图1所示。平板对接焊时，采用直径大于焊缝宽度且摩擦端面为平面或带辐射条纹的圆柱形摩擦棒（如图7中11），摩擦棒对焊接熔池后方刚凝固且仍处于高温塑性状态的焊缝进行摩擦碾轧，此时摩擦棒旋转，其转速ω可调，一般为几百到几千转每分钟，其下端面接触焊缝表面并施加一定轴向压力P，轴向压力P可调，一般为几十到几百牛顿；摩擦棒与焊枪保持同步，即都以焊接速度v同步移动（当焊件固定不动时）或同时静止（当焊件以焊接速度v移动时），以完成对整条焊缝的摩擦碾轧。

T形角接接头电弧焊焊缝随焊摩擦碾轧整形改性实施方式如图2所示。与平板对接焊不同的是，T形角接焊件是由两块相互垂直的板组成的，焊接时摩擦棒和焊枪与立板之间需要倾斜一定角度。为了获得一定焊脚尺寸且平滑过渡的角焊缝，摩擦棒采用图7中摩擦端为90°圆锥角且顶端为球冠的锥球形摩擦棒12。T形角焊缝随焊摩擦碾轧整形改性实施过程及效果与平板对接焊缝相同。

厚板对接多层电弧焊焊缝打底层和填充层随焊摩擦碾轧整形改性实施方式如图3所示。与普通平板对接焊不同的是，厚板对接多层焊在打底和填充焊时，要求摩擦棒伸入两厚板的间隙中对打底层和填充层焊缝进行摩擦碾轧，摩擦棒的直径需小于两厚板的间隙，或将摩擦端设计成图7中细长圆锥且顶端为平面的摩擦棒13，或将摩擦端设计成图7中细长圆锥且顶端为球冠的摩擦棒14。每焊完一层，摩擦棒与焊枪都提升一层的高度，以对后一层进行随焊摩擦碾轧，这样厚板对接多层焊的打底层和填充层都可实现整形与改性。最后的盖面层则与图1所示的普通平板对接焊焊缝表层随焊摩擦碾轧整形改性实施过程一样，需更换为直径大于焊缝宽度的圆柱形摩擦棒11。

电弧堆焊增材制造各堆焊层随焊摩擦碾轧整形改性实施方式如图4所示。与普通平板对接焊不同的是，增材体高而窄，其刚度较小，容易变形，为减小其变形，摩擦棒所施加的轴向压力较小，且摩擦棒的直径受增材体宽度的限制，通常采用直径等于增材体宽度的圆柱形摩擦棒。每堆焊完一层，摩擦棒与焊枪都提升一层的高度，以对后一层进行随焊摩擦碾轧，这样增材体的每一层都得到整形与改性。

摩擦棒两侧加成形挡板的平板对接电弧焊焊缝随焊摩擦碾轧整形改性实施方式如图5所示。与图1中平板对接焊不同的是，在摩擦棒两侧加了一对成形挡板，成形挡板与摩擦棒之间留一点间隙，使成形挡板不影响摩擦棒的旋转，并与摩擦棒同步移动，且成形挡板可单独上下调节高度。成形挡板的下端面比摩擦棒的下端面稍低一点，两者的高度差随焊缝余高的增大而增加；摩擦棒下端面与焊缝表面紧密接触，而成形挡板下端面与母材表面轻微接触；成形挡板靠焊缝一侧的下端边缘被加工成平滑过渡。当焊缝余高较高以致难以通过摩擦碾轧消除的情况下，在摩擦碾轧时采用成形挡板来限制焊缝的宽度，并对焊缝边缘进行整形，使焊缝边缘与母材之间实现平滑过渡。

摩擦棒两侧加成形挡板的电弧堆焊增材制造各堆焊层随焊摩擦碾轧整形改性实施方式如图6所示。与图4中电弧堆焊增材制造不同的是，在摩擦棒两侧加了一对成形挡板，成形挡板与摩擦棒之间留一点间隙，使成形挡板不影响摩擦棒的旋转，并与摩擦棒同步平移和提升，且成形挡板可单独上下调节高度。当进行第一层堆焊增材时，使成形挡板的下端面比摩擦棒的下端面低一层的高度，随着堆焊层数增加，使两者高度差逐渐增大，当达到10mm-30mm后可保持不变。摩擦棒下端面与堆焊层表面紧密接触，成形挡板下端不必与基板表面接触，而成形挡板靠增材体一侧需与增材体轻微接触；在摩擦碾轧时成形挡板用来限制增材体的宽度，对增材体两侧进行整形，使增材体侧面平整，成形美观。

上述列举的实施方式只是本发明的部分具体应用，并不限制本发明在其他方面的广泛应用和权利保护。本发明还可应用于其它的熔化焊及熔化堆焊增材制造，具体包括但不限于：激光焊、气体火焰焊、激光与电弧复合焊、激光熔覆增材制造、等离子喷焊增材制造、喷射沉积增材制造等；除此以外，本发明还可用于对喷涂层的随喷表面整形及改性，具体包括但不限于：电弧喷涂、等离子喷涂、火焰喷涂等涂层的随喷表面整形及改性。