镁、铝合金铸件缺陷修复方法
技术领域
本发明涉及铸造设备技术领域，特别涉及一种镁、铝合金铸件缺陷修复方法。
背景技术
镁、铝合金因其低密度、高强度、高刚性的特性被广泛应用于航空、航天工业等领
域，其中以铸造镁合金的应用更为广泛。镁、铝合金在铸造过程中极易出现各类铸造缺陷，
常见的有疏松、缩孔、气孔、裂纹、冷隔、浇不足、夹渣和偏析等。除了在铸造过程中采取工艺
措施和加强过程控制外，对于铸件缺陷的焊补就成了重要的补救措施。钨极氩弧焊是目前
广泛使用的铸件缺陷补焊方法，由于铸造镁、铝合金零件补焊过程复杂，熔池内金属凝固过
程中极易出现裂纹、气孔、夹渣及疏松等缺陷，该问题已经成为制约镁、铝合金广泛应用的
瓶颈。
1991年英国焊接研究所研究发明搅拌摩擦焊工艺。其原理是利用一个用耐高温、
耐磨损材料制成的搅拌头高速旋转插入两被焊工件接缝处，搅拌头与刚性固定的工件摩擦
产生热量使周围的金属达到塑性软化状态。随着搅拌头的旋转前进，塑性金属在搅拌针搅
拌力的作用下发生从前到后的流动，两被焊工件的塑性金属混合在一起重新结晶实现连
接。由于在整个过程中，工件只达到塑性软化状态而没有发生熔化，因此搅拌摩擦焊是一种
连续的固相连接技术。与传统熔焊方法相比，搅拌摩擦连接过程中不存在熔池，避免了合金
液快速凝固导致的裂缝、气孔等缺陷，同时由于固相连接温度较低，热影响区小，结合处力
学性能好。
美国密苏里大学于2000年基于TWI发明的搅拌摩擦焊工艺，提出搅拌摩擦加工
(friction stir processing缩写为FSP)工艺。目前还没有利用上述工艺应用于镁、铝合金
铸件缺陷中。
发明内容
本发明的目的在于提供一种镁、铝合金铸件缺陷修复方法 ，以解决镁合金、铝合
金等航空航天常用薄壁复杂铸件的补焊成功率低的问题。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：提供一种镁、铝合金铸件缺陷修复
方法，包括：根据镁、铝合金的材料特点，设计搅拌针的规格；在缺陷修复前利用X-光无损检
测设备定位铸件缺陷部位，根据铸件结构形式设计背面顶紧工装；根据铸件缺陷面积及分
布位置，利用可编程控制设备设定搅拌头行走路线，所述搅拌针随搅拌头在铸件表面下压
行走，进行固相修复，所述搅拌针道间距离小于等于φ/2，φ为搅拌针根部直径，所述搅拌
头转速与所述搅拌针行走速度比值大于等于10；固相修复完成后填补搅拌针留下的尾部匙
孔。
进一步地，所述搅拌针的长度与搅拌头的轴肩直径的比值为0.2~0.8。
进一步地，所述搅拌针的长度比铸件壁厚少1~3mm。
进一步地，所述背面顶紧工装与所述铸件的贴胎度小于等于0.05mm。
进一步地，在进行固相修复时，选择所述搅拌头转速为50~2500rpm，所述搅拌针行
走速度为10~500mm/min。
进一步地，在固相修复前，搅拌针压下速度0.5~1mm/s，压下量为铸件表面以下0.1
~0.5mm，搅拌头的顶锻力为（δ×1000）N，其中δ为板材厚度 。
进一步地，铸件面状缺陷修复完成后采用弧焊方式填补搅拌针留下的尾部匙孔，
弧焊过程采用惰性气体保护。
进一步地，填补尾部匙孔时弧焊电流为30~350A，弧焊送丝速度0.5~5m/min 。
进一步地，所述搅拌针固定在搅拌头末端。
本发明提供的镁、铝合金铸件缺陷修复方法，采用摩擦生热的原理，使铸件缺陷修
复位置金属处于塑形状态，组织在锻压的作用下进行重新结晶成形，消除零件局部融化引
起的应力突变，解决传统电弧缺陷修复中重新引入缺陷的问题；铸造组织较锻造板材密度
小，对设备顶锻力的要求减小，可降低补焊设备的刚性要求，提升设备紧凑性；经过搅拌作
用后，铸造缺陷部位晶粒细化，力学性能得到改善；匙孔部位在搅拌作用下组织细化，可采
用传统弧焊方法完成匙孔填补，降低了回抽式搅拌设备的设计难度，易于实现该工艺设备
的工程推广。
附图说明
下面结合附图对发明作进一步说明：
图1为本发明实施例提供的镁、铝合金铸件缺陷修复方法的步骤流程示意图；
图2为本发明实施例提供的搅拌头、搅拌针以及具有缺陷的铸件的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的镁、铝合金铸件缺陷修复时设备整体示意结构图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的镁、铝合金铸件缺陷修复方法作进一
步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附
图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实
施例的目的。
本发明的核心思想在于，本发明提供的镁、铝合金铸件缺陷修复方法，采用摩擦生
热的原理，使铸件缺陷修复位置金属处于塑形状态，组织在锻压的作用下进行重新结晶成
形，消除零件局部融化引起的应力突变，解决传统电弧缺陷修复中重新引入缺陷的问题；铸
造组织较锻造板材密度小，对设备顶锻力的要求减小，可降低补焊设备的刚性要求，提升设
备紧凑性；经过搅拌作用后，铸造缺陷部位晶粒细化，力学性能得到改善；匙孔部位在搅拌
作用下组织细化，可采用传统弧焊方法完成匙孔填补，降低了回抽式搅拌设备的设计难度，
易于实现该工艺设备的工程推广。
图1为本发明实施例提供的镁、铝合金铸件缺陷修复方法的步骤流程示意图。参照
图1， 提供一种镁、铝合金铸件缺陷修复方法，包括：
S11、根据镁、铝合金的材料特点，设计搅拌针的规格；
S12、在缺陷修复前利用X-光无损检测设备定位铸件缺陷部位，根据铸件结构形式设计
背面顶紧工装；
S13、根据铸件缺陷面积及分布位置，利用可编程控制设备设定搅拌头行走路线，所述
搅拌针随搅拌头在铸件表面下压行走，进行固相修复，所述搅拌针道间距离小于等于φ/2，
φ为搅拌针根部直径，所述搅拌头转速与所述搅拌针行走速度比值大于等于10；
S14、固相修复完成后填补搅拌针留下的尾部匙孔。
图2为本发明实施例提供的搅拌头、搅拌针以及具有缺陷的铸件的结构示意图；图
3为本发明实施例提供的镁、铝合金铸件缺陷修复时设备整体示意结构图。参照图2以及图
3，根据镁、铝合金的材料特点，利用数值仿真等方法，设计专用于铸件补焊的搅拌工具，所
述搅拌针21固定在搅拌头22的末端，所用搅拌针21的长度与搅拌头22的轴肩直径的比值为
0.2~0.8；所述搅拌针21的长度比铸件25壁厚少1~3mm。在缺陷修复前利用X-光无损检测设
备定位铸件缺陷部位23，根据铸件25结构形式设计背面顶紧工装24，在本发明实施例中，背
面顶紧工装24包括背面支撑241、顶紧装置242以及承力支撑块243，装配过程保证贴胎度≤
0.05mm。起始阶段，考虑镁合金和铝合金的变形能力差异，一般选择较慢的下压速率，搅拌
针压下速度0.5~1mm/s，压下量为铸件表面以下0.1~0.5mm，搅拌头的顶锻力为（δ×1000）N，
其中δ为板材厚度；在进行固相修复时，根据缺陷面积及分布位置，利用可编程控制设备设
定搅拌头22行走路线，在面状缺陷修复时，选择所述搅拌针21行走道间距离小于等于φ/2，
φ为搅拌针21根部直径，搅拌头22转速为50~2500rpm，在本发明实施例中，图2中箭头1为搅
拌头22的旋转方向，搅拌针21行走速度为10~300cm/min，图2中箭头2为搅拌针21的行走方
向，搅拌头22的转速与所述搅拌针21行走速度比值大于等于10；固相修复完成后采用弧焊
方式填补搅拌针21留下的尾部匙孔，填补尾部匙孔时弧焊电流为30~350A，弧焊送丝速度
0.5~5m/min，弧焊过程采用惰性气体保护。
本发明实施例提供的镁、铝合金铸件缺陷修复方法主要应用于Mg-Al系、Mg-RE系
等镁合金合金铸件的修复，对于铝合金等其他镁合金铸件的缺陷修复同样适用。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的精
神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围
之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。