CN109483042A - 一种自锁式摩擦塞补焊方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于摩擦塞补焊技术领域，具体涉及一种自锁式摩擦塞补焊方法。包括以下步骤：排除内部夹杂、底部未融合缺陷，并在缺陷处加工合适的塞孔；将有塞孔的工件固定在工装上，操作焊机调整塞棒的位置，使塞孔轴向中心线与塞棒轴向中心重合；操作焊机夹持塞棒缓慢下降并接触塞孔内螺纹表面；有塞孔的工件静止，塞棒高速旋转，塞棒外螺纹表面与塞孔内螺纹表面接触并摩擦产热；塞棒旋转稳定后沿轴向向下运动，至塞棒下端面与塞孔下端面平齐，保持塞棒高速旋转，塞孔与塞棒螺纹完全接触；沿塞棒轴向向下施加顶锻力并保压；停机并清除突出塞孔的多余塞棒。本发明可以提高贮箱焊接效率和焊接质量。

Description

一种自锁式摩擦塞补焊方法
技术领域
本发明属于摩擦塞补焊技术领域，具体涉及一种自锁式摩擦塞补焊方法。
背景技术
新型的双轴肩搅拌摩擦焊技术采用上下两个轴肩焊接，其中下轴肩可以起到支撑垫板的作用，解决了常规搅拌摩擦焊背部工装复杂的问题，同时也从根本上解决了根部缺陷，因此在新一代大型运载火箭贮箱的环缝焊接中有广泛的应用前景。但是由于双轴肩搅拌摩擦焊的技术特点，环缝焊接尾部留有匙孔。为了实现双轴肩搅拌摩擦焊在贮箱环缝的工程化应用，必须对焊后匙孔进行高质量的修补。此外，目前贮箱焊接中经常使用的TIG熔化焊以及常规搅拌摩擦焊，受焊接工艺参数、焊前装配条件以及工人操作水平等因素的影响，也会出现一些点状缺陷。目前一般采用手工熔焊的方法进行贮箱焊缝的补焊，这种补焊工艺受到工人操作水平的限制，并且极易产生气孔、裂纹等熔焊缺陷，补焊形成凝固态组织导致焊缝强度显著降低，并不是一种理想的补焊措施。
摩擦塞补焊是一种新兴的固相补焊技术，其原理是采用与补焊工件同质的消耗式塞棒修补各种点状缺陷，补焊后接头性能不会显著降低。距报道，目前国外如美国NASA和日本JAXA均采用摩擦塞补焊技术进行贮箱产品的补焊，其中美国NASA的2195铝合金贮箱拉锻式摩擦塞补焊接头的平均抗拉强度达340MPa，为优质接头的75％左右，比传统手工TIG补焊接头强度能提高20％。
摩擦塞补焊工艺要求在待补焊区开塞孔，焊机夹持塞棒高速旋转并与塞孔界面摩擦产热，塞棒保持一定压力并停留一定时间，使塞棒表面与塞孔表面产生塑性变形，减速停机后焊具与塞孔实现固相连接。摩擦塞补焊工艺对设备要求较高，要求轴向锻压力达100KN，主轴最高转速达8000rpm，设备急停时间在1s以内，远高于目前国内搅拌摩擦焊机的水平，而专用的摩擦塞补焊设备无法在现有贮箱生产线上集成，设备成本也较高。
摩擦塞补焊工艺中塞孔与塞棒的结构设计是关键。塞孔与塞棒的尺寸结构以及加工精度等直接影响两者界面的摩擦产热与压力传导，最终影响塞补焊质量。塞孔与塞棒通常是具有不同尺寸光滑平面的圆锥台体结构，如图1所示。这种结构塞孔与塞棒的补焊时瞬时接触面积有限，因此焊接时往往需要较高的转速，而结束时要求的急停时间极短以免塞棒失稳补焊失败。
自锁式摩擦塞补焊采用锥形螺纹结构的塞棒与塞孔，增大两者的摩擦接触面积，降低摩擦塞补焊时焊接转速和焊接顶锻力，同时螺纹结构咬合力大设备急停时间可适当增加，可以实现对焊接缺陷的固相补焊。自锁式摩擦塞补焊降低了摩擦塞补焊对焊接设备的要求，可利用现有搅拌摩擦焊设备进行高质量的补焊，有效降低了补焊成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种自锁式摩擦塞补焊方法，用于铝合金焊缝缺陷以及双轴肩搅拌摩擦焊后匙孔的补焊。
为达到上述目的，本发明所采取的技术方案为：
一种自锁式摩擦塞补焊方法，包括以下步骤：
步骤一：焊前补焊工件处理，清除表面余高；排除内部夹杂、底部未融合缺陷，并在缺陷处加工合适的塞孔；
步骤二：选择与塞孔匹配的塞棒；
步骤三：将有塞孔的工件固定在工装上，操作焊机调整塞棒的位置，使塞孔轴向中心线与塞棒轴向中心重合，完成塞棒与塞孔对中；
步骤四：操作焊机夹持塞棒缓慢下降并接触塞孔内螺纹表面；
步骤五：有塞孔的工件静止，塞棒高速旋转，塞棒外螺纹表面与塞孔内螺纹表面接触并摩擦产热；
步骤六：塞棒旋转稳定后沿轴向向下运动，至塞棒下端面与塞孔下端面平齐，保持塞棒高速旋转，塞孔与塞棒螺纹完全接触，两者螺纹表层金属在摩擦热作用下逐渐达到塑性软化状态；
步骤七：沿塞棒轴向向下施加顶锻力并保压，确保塞孔与塞棒螺纹表层塑性软化金属充分接触；
步骤八：停机并清除突出塞孔的多余塞棒。
所述的塞孔与塞棒是过盈配合，塞棒是一体式结构，包括圆柱形夹持段与圆锥形螺纹段，圆柱形夹持段直径与圆锥形螺纹段上端相同；塞棒下端直径比塞孔直径大0.5mm～1.5mm。
所述的塞孔与塞棒均为圆锥形结构且表面加工螺纹，塞棒螺纹段长度大于塞孔高度，高出10mm～30mm；圆锥上端直径大于下端，塞孔与塞棒锥角相同，为40～60°；塞孔2下端圆孔面积大于排除的缺陷面积。
所述的塞棒开始高速旋转前下端没有与塞孔下端平齐，焊前根据尺寸计算出两者间距，即为塞棒补焊时的下压量，塞棒下压量为0.5mm～10mm。
所述的塞棒的下压速度为匀速，为10～30mm/min，确保塞棒与塞孔产生足够的摩擦热以免塞棒中途断裂。
所述的塞棒的旋转速度为1000rpm～3000rpm，旋转保持时间5～30s。
所述的顶锻力不超过搅拌摩擦焊机的最大主轴压力，保压时间为1s～10s。
所述的塞棒与待补焊产品采用相同材料，适用板厚6～30mm的工件补焊，适用于现役运载火箭贮箱以及未来重型运载贮箱焊缝补焊。
所述的塞孔与塞棒的同轴度≤0.5，塞棒的螺纹旋紧方向与补焊时塞棒高速旋转方向相同。
所述的塞孔与塞棒的表面螺纹为普通螺纹、梯形螺纹和管螺纹，螺距0.9mm～2.5mm，牙型高度0.6mm～1.5mm。
本发明所取得的有益效果为：
采用自锁式摩擦塞补焊进行熔焊焊缝、搅拌摩擦焊缝缺陷的修补，其补焊接头具有强度高、性能好、缺陷少、变形小等优点，是一种理想的缺陷修补技术，可以广泛应用于运载火箭贮箱焊缝缺陷的修补以及环缝双轴肩搅拌摩擦焊接中，提高贮箱焊接效率和焊接质量。
附图说明
图1为常规摩擦塞补焊塞孔与塞棒结构示意图；
图2为自锁式摩擦塞补焊原理示意图；
图中：1、塞棒；2、塞孔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明提供了一种运载火箭贮箱焊缝点状缺陷的补焊方法，包括塞棒1和塞孔2，塞孔2与塞棒1均为圆锥形结构且表面加工螺纹，塞棒1与待补焊产品采用相同材料，塞孔2与塞棒1尺寸不同，塞棒1螺纹区长度大于塞孔2高度；补焊前焊接缺陷处预开孔并按要求加工塞孔2，根据塞孔2尺寸选择合适塞棒1，补焊时首先进行塞棒1与塞孔2对中并且将塞棒1部分插入塞孔2，塞棒1高速旋转使塞棒1与塞孔2摩擦产热，塞棒1匀速向下运动至塞棒1完全填充塞孔2，沿塞棒1轴线方向向下施加一定压力并保持，塞孔2与塞棒1表面材料在摩擦热与压力作用下发生塑性变形，主轴停止运动后可实现塞孔2与塞棒1的固相连接。
一种自锁式摩擦塞补焊方法，其难点在于：特殊结构的塞孔2与塞棒1，如图2所示。
(1)塞孔2与塞棒1为圆锥型结构，圆锥上端直径大于下端；塞孔2与塞棒1锥角相同，塞孔2与塞棒1锥角40～60°，锥角与补焊区材料和厚度有关；塞孔2圆锥表面上下端直径依据缺陷尺寸确定，下端直径应大于缺陷排除后的直径，以匙孔型缺陷为例，塞孔2下端直径一般比匙孔直径多出1/5～1/2。
(2)塞棒1圆锥上下端直径依据塞孔尺寸确定，为保证塞孔2与塞棒1的有充分的摩擦热，塞孔2与塞棒1采用过盈配合模式，塞棒1下端为平面结构直径应大于塞孔2直径，根据不同的补焊材料与厚度，塞棒1下端直径比塞孔2直径大0.5mm～1.5mm；为了保证补焊中沿塞棒轴向向下施加顶锻力，塞棒1圆锥螺纹区高度大于塞孔2高度，高出10mm～30mm。
(3)塞孔2与塞棒1表面是螺纹结构，两者旋向一致；塞棒1的螺纹旋紧方向与补焊时塞棒高速旋转方向相同，有利于塞棒1与塞孔2自锁紧，例如补焊时塞棒1顺时针旋转，塞孔2与塞棒1表面螺纹结构为右旋，反之则左旋。
(4)塞孔2与塞棒1的表面螺纹可为普通螺纹、梯形螺纹和管螺纹，螺距0.9mm～2.5mm和牙型高度0.6mm～1.5mm，两者均取决于补焊区材料与厚度，一般材料强度硬度高且厚度大时宜采用螺距小牙型高度适中的螺纹结构。
(5)塞孔2为螺纹通孔，内表面有效螺纹长度与塞孔2高度一致；塞棒1圆锥部分是螺纹结构，外表面有效螺纹长度大于塞孔2高度。
(6)公差要求：为保证塞补焊过程的稳定性，塞孔2与塞棒1的同轴度要求较高，要求≤0.5。
(7)为保证补焊接头的强度，塞棒1材料采用与带塞孔工件同质的材料或者成分相近并且强度更高的材料。
(8)塞棒1是一体式结构，有两部分组成，分别是圆柱形夹持段与圆锥形螺纹段，其中圆柱形夹持段直径与圆锥形螺纹段上端相同；圆柱形夹持段与设备主轴相连，连接形式与搅拌摩擦焊设备主轴与焊具的接口形式有关。
(9)补焊过程塞棒1旋转方向与螺纹锁紧方向一致，促使材料向下运动；同时塞孔2与塞棒1的螺纹结构匹配，锁住流动金属，使塑性软化金属不会大量溢出，因此本发明塞补焊焊具上不需要除塞棒外的轴肩等其它结构。
(10)塞孔2下端圆孔面积大于排除的缺陷面积，下端孔的直径与板厚有关，一般不超过板厚的2倍。
一种自锁式摩擦塞补焊方法，包括以下步骤：
步骤一：焊前补焊工件处理，清除表面余高；排除内部夹杂、底部未融合等缺陷，并在缺陷处加工合适的塞孔2；
步骤二：选择与塞孔2匹配的塞棒1；
步骤三：有塞孔2的工件固定在工装上，操作焊机调整塞棒1位置，使塞孔2轴向中心线与塞棒1轴向中心重合，完成塞棒1塞孔2对中；
步骤四：操作焊机夹持塞棒1缓慢下降并接触塞孔2内螺纹表面；
步骤五：有塞孔2的工件静止，塞棒1高速旋转，塞棒1外螺纹表面与塞孔2内螺纹表面接触并摩擦产热；
步骤六：塞棒1旋转稳定后沿轴向向下运动，至塞棒1下端面与塞孔2下端面平齐，保持塞棒1高速旋转，塞孔2与塞棒1螺纹完全接触，两者螺纹表层金属在摩擦热作用下逐渐达到塑性软化状态；
步骤七：沿塞棒1轴向向下施加顶锻力并保压，确保塞孔2与塞棒1螺纹表层塑性软化金属充分接触；
步骤八：停机并清除突出塞孔2的多余塞棒1。
受螺纹加工等因素的限制，本发明自锁式摩擦塞补焊适用板厚6～30mm的工件补焊，适用于现役运载火箭贮箱以及未来重型运载贮箱焊缝补焊。
塞孔2与塞棒1是过盈配合，塞棒1开始高速旋转前下端没有与塞孔2下端平齐，焊前根据尺寸计算出两者间距，这个值即为塞棒1补焊时的下压量。
塞孔2与塞棒1表面是螺纹结构，内外螺纹间的接触面积远大于一般光滑的圆柱表面接触或圆锥表面接触，因此本发明具有螺纹结构的塞孔2塞棒1在同样的焊接参数下摩擦产热更多。
由于上述原因，本发明中塞棒1旋转速度低于一般塞补焊，塞棒1旋转速度在1000rpm～3000rpm，大约高出相同板材常规搅拌摩擦焊转速的5％～20％。
本发明自锁式摩擦塞补焊方法中的自锁功能从两点体现，首先补焊过程中塞棒1与塞孔2的螺纹结构对塑性软化金属有自锁作用，可减少材料溢出工件表面；其次螺纹结构配合的咬合力远大于光面结构，在焊机停止对塞棒的旋转驱动后，有利于塞棒1与塞孔2的快速结合。
基于上述原因，本发明中实施塞补焊的搅拌摩擦焊机不需要额外增加快速急停装置，主轴停止旋转驱动后塞棒1虽然会惯性旋转，但是由于螺纹表面的相互咬合，塞棒1的静止时间极大缩短且满足补焊要求。
本发明自锁式摩擦塞补焊方法焊接参数包括：塞棒1转速、塞棒1下压量与下压速度、塞棒1旋转保持时间、顶锻力与保压时间。塞棒1下压量一般为0.5mm～10mm；塞棒1下压速度为匀速，一般10～30mm/min，与待补焊工件强度有关，高强度材料要求较低的下压速度，确保塞棒1与塞孔2产生足够的摩擦热以免塞棒1中途断裂；塞棒1转速与旋转保持时间与待补焊工件强度与厚度有关，工件强度和/或厚度大时补焊需要的摩擦热多，塞棒1转速与旋转保持时间也较大，一般塞棒1转速1000rpm～3000rpm，旋转保持时间5～30s；由于塞棒1与塞孔2表面螺纹有自锁功能，顶锻力与保压时间较普通塞补焊小，顶锻力一般不超过搅拌摩擦焊机的最大主轴压力，保压时间一般1s～10s，数值大小与待补焊工件强度与厚度有关，工件强度和/或厚度大时塞补焊所需顶锻力与保压时间相应地更长。

Claims (10)

1.一种自锁式摩擦塞补焊方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：焊前补焊工件处理，清除表面余高；排除内部夹杂、底部未融合缺陷，并在缺陷处加工合适的塞孔；
步骤二：选择与塞孔匹配的塞棒；
步骤三：将有塞孔的工件固定在工装上，操作焊机调整塞棒的位置，使塞孔轴向中心线与塞棒轴向中心重合，完成塞棒与塞孔对中；
步骤四：操作焊机夹持塞棒缓慢下降并接触塞孔内螺纹表面；
步骤五：有塞孔的工件静止，塞棒高速旋转，塞棒外螺纹表面与塞孔内螺纹表面接触并摩擦产热；
步骤六：塞棒旋转稳定后沿轴向向下运动，至塞棒下端面与塞孔下端面平齐，保持塞棒高速旋转，塞孔与塞棒螺纹完全接触，两者螺纹表层金属在摩擦热作用下逐渐达到塑性软化状态；
步骤七：沿塞棒轴向向下施加顶锻力并保压，确保塞孔与塞棒螺纹表层塑性软化金属充分接触；
步骤八：停机并清除突出塞孔的多余塞棒。
2.根据权利要求1所述的自锁式摩擦塞补焊方法，其特征在于：所述的塞孔与塞棒是过盈配合，塞棒是一体式结构，包括圆柱形夹持段与圆锥形螺纹段，圆柱形夹持段直径与圆锥形螺纹段上端相同；塞棒下端直径比塞孔直径大0.5mm～1.5mm。
3.根据权利要求1所述的自锁式摩擦塞补焊方法，其特征在于：所述的塞孔与塞棒均为圆锥形结构且表面加工螺纹，塞棒螺纹段长度大于塞孔高度，高出10mm～30mm；圆锥上端直径大于下端，塞孔与塞棒锥角相同，为40～60°；塞孔2下端圆孔面积大于排除的缺陷面积。
4.根据权利要求1所述的自锁式摩擦塞补焊方法，其特征在于：所述的塞棒开始高速旋转前下端没有与塞孔下端平齐，焊前根据尺寸计算出两者间距，即为塞棒补焊时的下压量，塞棒下压量为0.5mm～10mm。
5.根据权利要求1所述的自锁式摩擦塞补焊方法，其特征在于：所述的塞棒的下压速度为匀速，为10～30mm/min，确保塞棒与塞孔产生足够的摩擦热以免塞棒中途断裂。
6.根据权利要求1所述的自锁式摩擦塞补焊方法，其特征在于：所述的塞棒的旋转速度为1000rpm～3000rpm，旋转保持时间5～30s。
7.根据权利要求1所述的自锁式摩擦塞补焊方法，其特征在于：所述的顶锻力不超过搅拌摩擦焊机的最大主轴压力，保压时间为1s～10s。
8.根据权利要求1所述的自锁式摩擦塞补焊方法，其特征在于：所述的塞棒与待补焊产品采用相同材料，适用板厚6～30mm的工件补焊，适用于现役运载火箭贮箱以及未来重型运载贮箱焊缝补焊。
9.根据权利要求1所述的自锁式摩擦塞补焊方法，其特征在于：所述的塞孔与塞棒的同轴度≤0.5，塞棒的螺纹旋紧方向与补焊时塞棒高速旋转方向相同。
10.根据权利要求1所述的自锁式摩擦塞补焊方法，其特征在于：所述的塞孔与塞棒的表面螺纹为普通螺纹、梯形螺纹和管螺纹，螺距0.9mm～2.5mm，牙型高度0.6mm～1.5mm。
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