CN102581476A - 修补运载火箭贮箱搅拌摩擦焊焊缝缺陷的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种修补运载火箭贮箱搅拌摩擦焊焊缝缺陷的装置及方法。补焊搅拌头包括搅拌针夹持结构和搅拌针；搅拌针夹持结构的轴肩部分端面为内凹的斜面，在该斜面上开设两个同心圆环形凹槽；搅拌针的前部为圆锥螺纹结构，在该圆锥螺纹的圆周间隔开设3个螺旋凹槽。该方法首先对折断在搅拌摩擦焊焊缝处的搅拌针进行手工挖排；然后对焊缝进行固相填充；再采用补焊搅拌头，从搅拌针折断处填充完焊丝或填充材料的区域中心开始搅拌摩擦焊接，直至焊接到设定的焊接终点；然后继续采用补焊搅拌头，从焊接起始点重新搅拌摩擦焊接一遍焊缝，直至焊接到焊接终点。本发明装置及方法能够保证运载火箭贮箱产品质量及减少匙孔型缺陷造成的运载火箭贮箱产品报废。

Description

修补运载火箭贮箱搅拌摩擦焊焊缝缺陷的装置及方法

技术领域

本发明属于运载火箭贮箱制造方法，具体涉及一种修补大型、薄壁、密封结构件搅拌摩擦焊焊缝“匙孔型”缺陷的补焊搅拌头和补焊方法。

背景技术

搅拌摩擦焊技术(Friction Stir Welding，FSW)是上世纪90年代初英国焊接研究所(TWI)发明的一项新型固相焊接技术，该技术具有焊接接头质量高、焊接变形小、焊缝缺陷少，焊接过程绿色无污染等特点，非常适合于铝合金、镁合金等轻质合金的焊接，并且在航空航天、高速列车以及船舶制造等领域具有非常广泛的应用前景。目前我国的某些型号运载火箭的贮箱筒段纵缝和

贮箱椭球箱底主要承力焊缝均已经开始逐步采用搅拌摩擦焊技术，并且采用搅拌摩擦焊技术焊接的运载火箭贮箱已经多次通过了飞行试验考核。然而焊接缺陷对于任何一种焊接技术在实际工程化应用过程中均是不可避免的，都必须考虑焊接缺陷产生后的缺陷修补措施。

在进行运载火箭贮箱搅拌摩擦焊接过程中搅拌头因寿命问题发生搅拌针折断产生的匙孔型缺陷(如图1所示)不可避免，并且“匙孔型”缺陷的存在会对焊缝带来诸多问题例如：影响焊缝强度、气密性等。

发明内容

本发明的目的是提供一种修补运载火箭贮箱搅拌摩擦焊焊缝缺陷的装置及方法，以保证运载火箭贮箱产品质量及减少匙孔型缺陷造成的运载火箭贮箱产品报废。

实现本发明目的的技术方案：一种修补运载火箭贮箱搅拌摩擦焊焊缝缺陷的补焊搅拌头，该补焊搅拌头包括搅拌针夹持结构，以及与搅拌针夹持结构端部通过螺纹连接的搅拌针；其所述的搅拌针夹持结构的轴肩部分端面为内凹的斜面，倾斜角度在5～15°；在该斜面上开设两个同心圆环形凹槽，凹槽的深度为1.2～1.5mm，宽度为1.5～2.0mm；所述的搅拌针的前部为圆锥螺纹结构，在该圆锥螺纹的圆周间隔开设3个螺旋凹槽；该螺旋凹槽的母线方向与搅拌针轴线方向夹角为35～45°，螺旋凹槽的根部半径为1～2mm，深度为1～2mm。

如上所述的一种修补运载火箭贮箱搅拌摩擦焊焊缝缺陷的补焊搅拌头，其所述的搅拌针夹持机构的轴肩部分端面外缘结构为倒圆角结构，其半径R为0.5～1.0mm。

如上所述的一种修补运载火箭贮箱搅拌摩擦焊焊缝缺陷的补焊搅拌头，其所述的搅拌针夹持机构轴肩部分端面的两个同心圆环形凹槽，它们的径向间隔在1～2mm。

如上所述的一种修补运载火箭贮箱搅拌摩擦焊焊缝缺陷的补焊搅拌头，其所述的搅拌针的前部圆锥螺纹结构端面为平面结构，圆锥角度在15～20°。

如上所述的一种修补运载火箭贮箱搅拌摩擦焊焊缝缺陷的补焊搅拌头，其所述的搅拌针的前部圆锥螺纹方向和螺旋凹槽方向均为左旋。

本发明所述的一种修补运载火箭贮箱搅拌摩擦焊焊缝缺陷的方法，其中贮箱焊接采用搅拌摩擦焊；设定焊缝的焊接起始点为A点，焊缝的焊接终点为C点；在实际搅拌摩擦焊接过程中，在A点至C点之间的某处B点搅拌针折断，使得焊缝产生了“匙孔型”缺陷，需要修补焊缝；所述的修补焊缝方法包括如下步骤：

(a)首先对折断在搅拌摩擦焊焊缝B点处的搅拌针进行手工挖排；

(b)然后对焊缝B点进行固相填充，即采用与贮箱母材相同牌号、相同状态的焊丝或填充材料填充到搅拌针折断处B点留下的“匙孔型”缺陷，并将焊丝或填充材料压实；

(c)采用补焊搅拌头，从搅拌针折断处B点填充完焊丝或填充材料的区域中心开始搅拌摩擦焊接，直至焊接到设定的焊接终点C点；

(d)然后继续采用补焊搅拌头，从焊接起始点A点重新搅拌摩擦焊接一遍焊缝，直至焊接到焊接终点C点。

如上所述的一种修补运载火箭贮箱搅拌摩擦焊焊缝缺陷的方法，其步骤(a)所述的折断在搅拌摩擦焊缝B点处的搅拌针进行手工挖排，具体为：首先对发生搅拌针折断的搅拌摩擦焊焊缝进行X射线探伤，找出搅拌针折断的准确位置；然后采用气动凸轮铣刀，以折断搅拌针为中心沿搅拌摩擦焊焊接方向，在焊缝正面挖去折断搅拌针上层的焊缝金属，直至露出折断的搅拌针；最后将折断的搅拌针从焊缝中剔除。

如上所述的一种修补运载火箭贮箱搅拌摩擦焊焊缝缺陷的方法，其所采用的补焊搅拌头的搅拌针夹持结构轴肩部分直径和搅拌针根部直径均大于发生折断的搅拌头的轴肩部分直径和搅拌针直径。

如上所述的一种修补运载火箭贮箱搅拌摩擦焊焊缝缺陷的方法，其所述的补焊搅拌头末端距离焊缝背部刚性垫板的距离增大到0.30～0.35mm。

如上所述的一种修补运载火箭贮箱搅拌摩擦焊焊缝缺陷的方法，其所述的贮箱为8～10mm厚铝合金。

本发明的有益效果：本发明开发了一种具备较强工程化应用能力的搅拌摩擦焊“匙孔型”缺陷修补方法及补焊搅拌头，以保证运载火箭贮箱产品质量及减少匙孔型缺陷造成的运载火箭贮箱产品报废。

本发明采用“固相填充+搅拌摩擦焊”修补技术及补焊搅拌头进行运载火箭贮箱筒段、椭球箱底等部段上的搅拌摩擦焊焊缝的“匙孔型”缺陷的修补，补焊过程无弧光、无烟尘、无飞溅，是一种绿色无污染的补焊技术方案。

相对于熔焊修补匙孔型缺陷，采用本发明工艺方法补焊的搅拌摩擦焊焊接接头的力学性能可以提高20～30％。

本发明的补焊搅拌头结构增强了焊缝塑性金属的搅拌能力和产热能力，因此可以有效提高搅拌摩擦焊接成功率，减少孔洞、未焊透和扎穿垫板等部缺陷的产生，焊接过程稳妥可控，补焊接头质量稳定可靠。

附图说明

图1为搅拌摩擦焊焊缝匙孔型缺陷示意图；

图2为本发明所述的一种补焊搅拌头结构示意图；

图3为搅拌针夹持机构示意图；

图4为搅拌针结构示意图；

图5为图4中A-A向示意图；

图6为固相填充+搅拌摩擦焊修补匙孔型缺陷方案示意图；

图7为将折断搅拌针从焊缝中剔除后的焊缝外观形貌图；

图8为搅拌摩擦焊匙孔型缺陷的固相填充效果图；

图中：1.搅拌针夹持机构；2.搅拌针；3.凹槽一；4.凹槽二；5.斜面；6.平面结构；7.螺旋凹槽；8.倒圆角结构。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

实施例1

如图2所示，采用的补焊搅拌头包括搅拌针夹持结构1，以及与搅拌针夹持结构1端部通过螺纹连接的搅拌针2。

如图3所示，搅拌针夹持结构1的轴肩部分端面为内凹的斜面5，倾斜角度为10°。在该斜面5上开设两个同心圆环形凹槽，凹槽一3和凹槽二4的深度为1.3mm，宽度为1.7mm。凹槽一3和凹槽二4的径向间隔在1.5mm。搅拌针夹持机构1的轴肩部分端面外缘结构为倒圆角结构8，半径R为0.8mm。

如图4和图5所示，搅拌针2的前部为圆锥螺纹结构，圆锥角度为18°；在该圆锥螺纹的圆周间隔开设3个螺旋凹槽7；该螺旋凹槽7的母线方向与搅拌针轴线方向夹角为40°，螺旋凹槽7的根部半径为1.5mm，深度为1.7mm。搅拌针2的前部圆锥螺纹结构端面为平面结构6。搅拌针2的前部圆锥螺纹方向和螺旋凹槽方向均为左旋。

本发明中补焊搅拌头采用分体式结构设计，由搅拌针夹持结构和搅拌针组成，两者通过螺纹方式连接，从而实现搅拌针夹持机构与搅拌针的同步旋转。搅拌针夹持结构与焊接试样接触处结构为带一定角度的内凹斜面+2个闭合同心圆环，可以提高焊接过程中搅拌头对接头错边量的适应性。搅拌针结构是在圆锥螺纹的基础上增开3个螺旋凹槽，可以对焊缝中软化的塑性金属存在一个向下的旋压作用，有利于获得组织致密的搅拌摩擦焊缝。搅拌针末端面(即与焊缝底部相接触处)采用平面结构，并且其外缘部分不带倒角。搅拌针末端面的平面结构设计有利于加强焊缝根部塑性金属的流动，并且在很大程度上减少焊缝背部弱结合缺陷的深度。

实施例2

本发明所述的一种修补运载火箭贮箱搅拌摩擦焊焊缝缺陷的方法，其中贮箱焊接采用搅拌摩擦焊，贮箱为8mm厚铝合金。

如图6所示，设定焊缝的焊接起始点为A点，焊缝的焊接终点为C点；在实际搅拌摩擦焊接过程中，在A点至C点之间的某处B点搅拌针折断，使得焊缝产生了“匙孔型”缺陷，需要修补焊缝。

采用的正式焊接搅拌头结构设计参数如表1所示。其从A点焊接到B点搅拌针折断。

表1筒段纵缝正式焊接的搅拌头结构参数

修补焊缝方法包括如下步骤：

(a)首先对折断在搅拌摩擦焊焊缝B点处的搅拌针进行手工挖排；

首先对发生搅拌针折断的搅拌摩擦焊焊缝进行X射线探伤(搅拌针为钢质物质，贮箱为铝质物质)，找出搅拌针折断的准确位置；

然后采用气动凸轮铣刀，以折断搅拌针为中心沿搅拌摩擦焊焊接方向，在焊缝正面挖去折断搅拌针上层的焊缝金属，直至露出折断的搅拌针(铣出的表面凹坑在垂直于焊缝方向上的宽度务必≤搅拌针根部直径)；

最后将折断的搅拌针从焊缝中剔除。将折断搅拌针从焊缝中剔除后的焊缝外观形貌如图7所示。

(b)然后对焊缝B点进行固相填充，即采用与贮箱母材相同牌号、相同状态的φ2.4mm焊丝，利用榔头将焊丝一端从圆柱状轧制成扁平状。将焊丝扁平状一段插入到图7中的匙孔处，并利用榔头将焊丝逐渐压实到匙孔处。匙孔处的固相填充效果如图8所示。

(c)采用补焊搅拌头，从搅拌针折断处B点填充完焊丝的区域中心开始搅拌摩擦焊接，直至焊接到设定的焊接终点C点。所采用的补焊搅拌头的搅拌针夹持结构轴肩部分直径和搅拌针根部直径均大于发生折断的搅拌头的轴肩部分直径和搅拌针直径。补焊搅拌头末端距离焊缝背部刚性垫板的距离增大到0.30mm，以防止扎伤垫板，造成产品报废。补焊搅拌头旋转速度为600r/min，焊接速度为120mm/min。

补焊搅拌头结构参数如表2所示，形状如图2所示。

表28.0mm厚筒段纵缝匙孔型缺陷补焊搅拌头结构参数

(d)然后继续采用补焊搅拌头，从焊接起始点A点重新搅拌摩擦焊接一遍焊缝，直至焊接到焊接终点C点。补焊搅拌头旋转速度为600r/min，焊接速度为120mm/min。

本发明通过“固相填充+搅拌摩擦焊”补焊工艺方法及其相应的补焊搅拌头实现运载火箭贮箱搅拌摩擦焊焊缝匙孔型缺陷的修补。在步骤(c)，之所以选择焊缝起始于B点，而不起始于A点，这主要是由于如果从A点开始搅拌摩擦焊焊接，当搅拌头运行到B点时，B点的固相填充金属很大一部分从“匙孔”型缺陷处外溢，从而造成此处出现大尺寸的“孔洞”型缺陷，甚至出现延伸到焊缝表面的“犁沟”型缺陷。而从B点开始焊接，外溢金属相对较少。

实施例3

本发明所述的一种修补运载火箭贮箱搅拌摩擦焊焊缝缺陷的方法，其中贮箱焊接采用搅拌摩擦焊，贮箱为10mm厚铝合金。

如图6所示，设定焊缝的焊接起始点为A点，焊缝的焊接终点为C点；在实际搅拌摩擦焊接过程中，在A点至C点之间的某处B点搅拌针折断，使得焊缝产生了“匙孔型”缺陷，需要修补焊缝。

采用的正式焊接搅拌头结构设计参数如表3所示。其从A点焊接到B点搅拌针折断。

表3筒段纵缝正式焊接的搅拌头结构参数

修补焊缝方法包括如下步骤：

(a)首先对折断在搅拌摩擦焊焊缝B点处的搅拌针进行手工挖排；

首先对发生搅拌针折断的搅拌摩擦焊焊缝进行X射线探伤(搅拌针为钢质物质，贮箱为铝质物质)，找出搅拌针折断的准确位置；

然后采用气动凸轮铣刀，以折断搅拌针为中心沿搅拌摩擦焊焊接方向，在焊缝正面挖去折断搅拌针上层的焊缝金属，直至露出折断的搅拌针(铣出的表面凹坑在垂直于焊缝方向上的宽度务必≤搅拌针根部直径)；

最后将折断的搅拌针从焊缝中剔除。将折断搅拌针从焊缝中剔除后的焊缝外观形貌如图7所示。

(b)然后对焊缝B点进行固相填充，即采用与贮箱母材相同牌号、相同状态的φ4mm焊丝，利用榔头将焊丝一端从圆柱状轧制成扁平状。将焊丝扁平状一段插入到图7中的匙孔处，并利用榔头将焊丝逐渐压实到匙孔处。匙孔处的固相填充效果如图8所示。

(c)采用补焊搅拌头，从搅拌针折断处B点填充完焊丝的区域中心开始搅拌摩擦焊接，直至焊接到设定的焊接终点C点。所采用的补焊搅拌头的搅拌针夹持结构轴肩部分直径和搅拌针根部直径均大于发生折断的搅拌头的轴肩部分直径和搅拌针直径。补焊搅拌头末端距离焊缝背部刚性垫板的距离增大到0.35mm，以防止扎伤垫板，造成产品报废。补焊搅拌头旋转速度为850r/min，焊接速度为250mm/min。

补焊搅拌头结构参数如表4所示，形状如图2所示。

表4 10.0mm厚筒段纵缝匙孔型缺陷补焊搅拌头结构参数

(d)然后继续采用补焊搅拌头，从焊接起始点A点重新搅拌摩擦焊接一遍焊缝，直至焊接到焊接终点C点。补焊搅拌头旋转速度为850r/min，焊接速度为250mm/min。

实施例4

本发明所述的一种修补运载火箭贮箱搅拌摩擦焊焊缝缺陷的方法，其中贮箱焊接采用搅拌摩擦焊，贮箱为8mm厚铝合金。

如图6所示，设定焊缝的焊接起始点为A点，焊缝的焊接终点为C点；在实际搅拌摩擦焊接过程中，在A点至C点之间的某处B点搅拌针折断，使得焊缝产生了“匙孔型”缺陷，需要修补焊缝。

采用的正式焊接搅拌头结构设计参数如表5所示。其从A点焊接到B点搅拌针折断。

表5筒段纵缝正式焊接的搅拌头结构参数

修补焊缝方法包括如下步骤：

(a)首先对折断在搅拌摩擦焊焊缝B点处的搅拌针进行手工挖排；

(b)然后对焊缝B点进行固相填充，即采用与贮箱母材相同牌号、相同状态填充材料填充到搅拌针折断处B点留下的“匙孔型”缺陷，并将焊丝或填充材料压实；

(c)采用实施例1所述的补焊搅拌头，从搅拌针折断处B点填充材料的区域中心开始搅拌摩擦焊接，直至焊接到设定的焊接终点C点。所采用的补焊搅拌头的搅拌针夹持结构轴肩部分直径和搅拌针根部直径均大于发生折断的搅拌头的轴肩部分直径和搅拌针直径。补焊搅拌头末端距离焊缝背部刚性垫板的距离增大到0.32mm，以防止扎伤垫板，造成产品报废。补焊搅拌头旋转速度为700r/min，焊接速度为200mm/min。

补焊搅拌头结构参数如表6所示，形状如图2所示。

表2 8.0mm厚筒段纵缝匙孔型缺陷补焊搅拌头结构参数

(d)然后继续采用补焊搅拌头，从焊接起始点A点重新搅拌摩擦焊接一遍焊缝，直至焊接到焊接终点C点。补焊搅拌头旋转速度为700r/min，焊接速度为200mm/min。

Claims (10)

1.一种修补运载火箭贮箱搅拌摩擦焊焊缝缺陷的补焊搅拌头，该补焊搅拌头包括搅拌针夹持结构(1)，以及与搅拌针夹持结构(1)端部通过螺纹连接的搅拌针(2)；其特征在于：

所述的搅拌针夹持结构(1)的轴肩部分端面为内凹的斜面(5)，倾斜角度在5～15°；在该斜面(5)上开设两个同心圆环形凹槽(3，4)，凹槽(3，4)的深度为1.2～1.5mm，宽度为1.5～2.0mm；

所述的搅拌针(2)的前部为圆锥螺纹结构，在该圆锥螺纹的圆周间隔开设3个螺旋凹槽(7)；该螺旋凹槽(7)的母线方向与搅拌针轴线方向夹角为35～45°，螺旋凹槽(7)的根部半径为1～2mm，深度为1～2mm。

2.根据权利要求1所述的一种修补运载火箭贮箱搅拌摩擦焊焊缝缺陷的补焊搅拌头，其特征在于：所述的搅拌针夹持机构(1)的轴肩部分端面外缘结构为倒圆角结构(8)，其半径R为0.5～1.0mm。

3.根据权利要求1所述的一种修补运载火箭贮箱搅拌摩擦焊焊缝缺陷的补焊搅拌头，其特征在于：所述的搅拌针夹持机构(1)轴肩部分端面的两个同心圆环形凹槽(3，4)，它们的径向间隔在1～2mm。

4.根据权利要求1所述的一种修补运载火箭贮箱搅拌摩擦焊焊缝缺陷的补焊搅拌头，其特征在于：所述的搅拌针(2)的前部圆锥螺纹结构端面为平面结构(6)，圆锥角度在15～20°。

5.根据权利要求1所述的一种修补运载火箭贮箱搅拌摩擦焊焊缝缺陷的补焊搅拌头，其特征在于：所述的搅拌针(2)的前部圆锥螺纹方向和螺旋凹槽方向均为左旋。

6.一种采用权利要求1～5所述的任意一种补焊搅拌头的修补运载火箭贮箱搅拌摩擦焊焊缝缺陷的方法，其中贮箱焊接采用搅拌摩擦焊；设定焊缝的焊接起始点为A点，焊缝的焊接终点为C点；在实际搅拌摩擦焊接过程中，在A点至C点之间的某处B点搅拌针折断，使得焊缝产生了“匙孔型”缺陷，需要修补焊缝；其特征在于：该所述的修补焊缝方法包括如下步骤：

(a)首先对折断在搅拌摩擦焊焊缝B点处的搅拌针进行手工挖排；

(b)然后对焊缝B点进行固相填充，即采用与贮箱母材相同牌号、相同状态的焊丝或填充材料填充到搅拌针折断处B点留下的“匙孔型”缺陷，并将焊丝或填充材料压实；

(c)采用补焊搅拌头，从搅拌针折断处B点填充完焊丝或填充材料的区域中心开始搅拌摩擦焊接，直至焊接到设定的焊接终点C点；补焊搅拌头旋转速度为600～850r/min，焊接速度为120～250mm/min。

(d)然后继续采用补焊搅拌头，从焊接起始点A点重新搅拌摩擦焊接一遍焊缝，直至焊接到焊接终点C点；补焊搅拌头旋转速度为600～850r/min，焊接速度为120～250mm/min。

7.根据权利要求6所述的一种修补运载火箭贮箱搅拌摩擦焊焊缝缺陷的方法，其特征在于：步骤(a)所述的折断在搅拌摩擦焊缝B点处的搅拌针进行手工挖排，具体为：

首先对发生搅拌针折断的搅拌摩擦焊焊缝进行X射线探伤，找出搅拌针折断的准确位置；

然后采用气动凸轮铣刀，以折断搅拌针为中心沿搅拌摩擦焊焊接方向，在焊缝正面挖去折断搅拌针上层的焊缝金属，直至露出折断的搅拌针；

最后将折断的搅拌针从焊缝中剔除。

8.根据权利要求6所述的一种修补运载火箭贮箱搅拌摩擦焊焊缝缺陷的方法，其特征在于：所采用的补焊搅拌头的搅拌针夹持结构(1)轴肩部分直径和搅拌针(2)根部直径均大于发生折断的搅拌头的轴肩部分直径和搅拌针直径。

9.根据权利要求6所述的一种修补运载火箭贮箱搅拌摩擦焊焊缝缺陷的方法，其特征在于：所述的补焊搅拌头末端距离焊缝背部刚性垫板的距离增大到0.30～0.35mm。

10.根据权利要求6所述的一种修补运载火箭贮箱搅拌摩擦焊焊缝缺陷的方法，其特征在于：所述的贮箱为8～10mm厚铝合金。

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