CN112658459A - 一种对铝合金拉拔式摩擦塞补焊接头及其加工方法 - Google Patents

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崔雷
王东坡
杨君
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Abstract

本发明公开了一种对铝合金拉拔式摩擦塞补焊接头，所述补焊机构包括塞棒、塞孔，所述塞棒上设置有焊接段；所述塞孔上设置有防止在补焊过程中塞棒变形进而在轴向力的作用下与塞棒充分发生相互作用的刚性成型环，其中：所述成型环为阶梯孔结构，其上部为圆锥形，上部锥孔部分的圆锥夹角A4为20‑30°，锥孔小端的直径d2大于等于焊接段小端直径D2，小于等于塞棒焊接段大端直径D3，深度h6为板厚的0.1‑0.15倍；中部为圆锥形，中部锥孔部分的圆锥夹角A5相比于上部圆锥孔减小3‑5°，深度h7与上部锥孔深度h6相等；下部为直孔，其直径d1为塞棒焊接段小端直径D2的1.1‑1.25倍，本发明解决了塞棒与母材结合界面上容易形成未焊合和弱结合缺陷。

Description

一种对铝合金拉拔式摩擦塞补焊接头及其加工方法
技术领域
本发明涉及焊接制造技术，特别涉及一种拉拔式摩擦塞补焊机构及其加工方法。
背景技术
目前，运载火箭贮箱已经大量使用了搅拌摩擦焊焊接技术。随着对火箭运载能力要求的不断提高，我国正在研制重型火箭，由于重型火箭贮箱的直径和壁厚增加，使其焊接工艺难度大幅提高。为了保证焊接接头性能、提高贮箱焊接质量、降低生产成本，需要将搅拌摩擦焊技术全面应用在贮箱焊接中，包括：筒段纵缝、筒段环缝和带有空间曲线的箱底焊缝等，进而实现贮箱“全位置搅拌摩擦焊”。但在搅拌摩擦焊的焊接过程中，起焊和收焊的位置容易产生缺陷，并会在焊缝的收焊处留下匙孔。此外，在搅拌摩擦焊过程中，不可避免还会产生其他焊接缺陷，如：孔洞、沟槽、未焊透等。
为实现运载火箭贮箱的全位置搅拌摩擦焊接，必须解决搅拌摩擦焊缝缺陷的补焊问题。拉拔式摩擦塞焊是一种固相连接技术，利用圆锥形或圆弧形金属棒(塞棒)穿过待焊工件上的预制通孔(塞孔)，通过高速旋转和轴向拉拔使塞棒与工件发生剧烈摩擦而产生大量的热，当塞棒停转时施加拉锻力使塞棒与工件形成冶金结合，进而实现孔洞的补焊。因为焊接过程不需要刚性支撑、补焊失强小，且具有焊接残余应力和变形小等优点，被认为是贮箱结构补焊的最优方案。
但在面对大厚度高强铝合金的焊接时，目前已有的拉拔式摩擦塞补焊工艺很难做到全厚度范围内的冶金结合，主要问题是塞棒与母材结合界面上容易形成未焊合和弱结合缺陷。
发明内容
本发明针对12-20mm厚航天铝合金拉拔式摩擦塞补焊，设计了一种可以获得良好焊接成形和消除界面焊接缺陷的塞棒形式，主要通过特殊设计的塞棒来控制材料的流动以及焊接过程中接头的受力状态，并采用合理的焊接工艺参数，消除摩擦塞焊的焊接缺陷。
为了解决现有技术存在问题，本发明采用如下技术方案实施：
一种对铝合金拉拔式摩擦塞补焊接头，所述补焊机构包括塞棒、塞孔，所述塞棒上设置有能够控制焊接材料状态实现补焊工具与塞孔紧密接触的焊接段；所述塞孔上设置有防止在补焊过程中塞棒变形进而在轴向力的作用下与塞棒充分发生相互作用的刚性成型环，其中：所述成型环为阶梯孔结构，其上部为圆锥形，上部锥孔部分的圆锥夹角A4为20-30°，锥孔小端的直径d2大于等于焊接段小端直径D2，小于等于塞棒焊接段大端直径D3，深度h6为板厚的0.1-0.15倍；中部为圆锥形，中部锥孔部分的圆锥夹角A5相比于上部圆锥孔减小3-5°，深度h7与上部锥孔深度h6相等；下部为直孔，其直径d1为塞棒焊接段小端直径D2的1.1-1.25倍。
进一步，所述塞棒还包括：
螺纹段用于焊接过程中承受轴向拉力和扭矩；
定位段用于塞棒的轴心定位保证塞棒与补焊孔的同心度；
过渡段用于塞棒与工件接触时使塞孔周围材料发生均匀流动，保证焊接过程平稳；
圆弧段用于在拉锻时增加轴向阻力保证塞孔不被拉穿，同时改善接头上部界面的结合质量；
平行段用于增加塞棒圆弧部位的刚度使其在拉锻时不发生塑形变形；
夹持柄用于塞棒的安装和拆卸，方便螺纹的旋入和旋出；其中：所述焊接段采用圆锥形，其圆锥的夹角A2范围为15-25°，以保证在焊接过程中塞棒与塞孔始终保持紧密接触，并对材料实施充分的挤压效果，促进界面的冶金结合；所述焊接段的长度h2为铝合金厚的1.5-2.5倍，以保证焊接过程能够施加足够的进给量，从而使塞孔附近母材有足够的材料流动。
进一步，所述过渡段采用圆锥形设计，保证焊接过中塞棒与塞孔发生接触及焊接初始阶段塞孔附近材料的变形和流动稳定、均匀；所述过渡段的小端直径D1等于或略大于所述塞孔的直径D，圆锥的锥角A1的范围为30-45°，长度h1范围为5-10mm。
进一步，所述过渡段与定位段之间加工倒圆。
进一步，所述塞孔直径D4等于或略小于塞棒过渡段小端直径D1，而且塞孔直径D4设计为铝合金厚(h5)的2-3倍。塞孔上端加工倒角，角度范围为25-45°，倒角深度(h5-h4)为3-5mm。
本发明还可以通过一种对铝合金拉拔式摩擦塞补焊接头加工方法实施，包括如下步骤：
S1、塞棒受到驱动装置带动，在高速旋转的的同时进行轴向进给，并且在这一过程中塞棒受到一定轴向载荷。
S2、在塞棒与塞孔接触之后，由于摩擦产生大量摩擦热待焊工件变为热塑性状态，等到材料流动充分后塞棒停止转动，之后立即施加轴向力，使塞棒和工件完成冶金连接，其中：
焊接段的进给量是塞棒不要触碰到成形环，保证塞棒与塞孔的交点和塞棒与成形环的交点在同一条直线上，在最大值与最小值之间调整，焊接转速最好为7000-7500rpm；焊接拉力的值应在40-60kN范围。
进一步，所述连接段的受力通过塞棒的最小直径D确定，塞棒在焊接时同时受到拉应力和扭矩的作用，根据公式(1)第四强度理论进行计算，
Figure BDA0002815009830000021
其中，σr为理论强度，T为最大切应力，
Figure BDA0002815009830000031
Me为最大扭矩，WP为抗扭截面系数，
Figure BDA0002815009830000032
σ为最大拉应力，
Figure BDA0002815009830000033
其中F为最大拉力，A为塞棒截面积。
有益效果
本发明克服了对铝合金拉拔式摩擦塞补焊过程中塞孔附近材料在大量的摩擦热的作用下很容易发生软化，导致塞棒发生塑形变形，无法和塞棒之间产生足够的相互作用，形成焊接缺陷。同时在塞孔的背面放置一个成型环，通过刚性的成型环来限制流动的材料，使之在轴向力的作用下与塞棒充分发生相互作用，进而形成接头。同时，本发明采用合理的焊接工艺参数，消除摩擦塞焊的焊接缺陷。
附图说明
图1：塞棒结构示意图
图2：塞孔结构示意图
图3：成型环结构示意图
图4：初始焊接阶段塞棒与塞孔的接触
图5：持续摩擦焊接过程中塞棒焊接段与工件的相对位置
图6：拉锻阶段塞棒焊接段及圆弧段所处位置
具体实施方式：
以下结合实施案例和附图，对本发明的技术和方法进行详细描述，以下案例和附图用于说明本发明的构成，但不是用来限定本发明的范围。
本发明给出了塞棒几何尺寸的设计，如图1所示。塞棒主要包括：连接螺纹(1)、定位段(2)、过渡段(3)、焊接段(4)、圆弧段(5)、平行段(6)、夹持柄(7)等部分。塞棒螺纹段(1)用于塞棒与刀柄的连接，焊接过程中承受轴向拉力和扭矩；塞棒定位段(2)用于塞棒的轴心定位，保证塞棒与补焊孔的同心度；塞棒过渡段(3)用于塞棒与工件接触时，使塞孔周围材料发生均匀流动，保证焊接过程平稳；塞棒焊接段(4)是塞棒与工件连接的部分，通过塞棒焊接段与工件的摩擦产生足够热量和材料流动，并在停转后使该部分与工件实现连接；塞棒圆弧段(5)的主要作用是在拉锻时增加轴向阻力，保证塞孔不被拉穿，同时改善接头上部界面的结合质量；塞棒平行段(6)的主要作用是增加塞棒圆弧部位的刚度，使其在拉锻时不发生塑形变形；塞棒夹持柄(7)主要用于塞棒的安装和拆卸，方便螺纹的旋入和旋出。
首先对塞棒尺寸进行初步设计和校核。由于连接段的直径小于焊接段，因此可以根据塞棒连接段的受力来确定塞棒的最小直径D。塞棒在焊接时同时受到拉应力和扭矩的作用，根据公式(1)第四强度理论进行计算，
Figure BDA0002815009830000041
其中，σr为理论强度，T为最大切应力，
Figure BDA0002815009830000042
Me为最大扭矩，WP为抗扭截面系数，
Figure BDA0002815009830000043
σ为最大拉应力，
Figure BDA0002815009830000044
其中F为最大拉力，A为塞棒截面积。同时给予该理论强度一个安全系数n，那么带有安全系数计算公式如式2所示
Figure BDA0002815009830000045
在确定塞棒材料和焊接工艺参数以后，将材料的所能承受最大拉应力σ，最大扭矩Me，最大拉力F以及安全系数n带入上述公式就可以根据该公式预估塞棒的最小直径。
对于塞棒的具体尺寸，首先根据计算校核结果确定塞棒连接螺纹(1)尺寸满足强度设计要求，螺纹的旋合长度应不低于40mm，确定塞棒定位段(2)的直径D在安全范围内，满足塞棒定位段(2)直径D小于塞孔直径D4，以保证塞棒的定位段(2)可以穿过塞孔固定在驱动装置上，定位段的长度根据实际焊接条件进行确定。
塞棒的过渡段(3)采用圆锥形设计，其主要作用是保证焊接过中塞棒与塞孔发生接触及焊接初始阶段塞孔附近材料的变形和流动稳定、均匀。塞棒过渡段的小端直径D1等于或略大于塞孔的直径D，圆锥的锥角A1的范围为30-45°，长度h1范围为5-10mm。在塞棒过渡段与定位段之间加工倒圆，以降低应力集中系数，防止塞棒在焊接过程中发生断裂。
塞棒的焊接段(4)采用圆锥形，其小端直径等于过渡段大端直径D2，塞棒焊接段圆锥的夹角A2范围为15-25°，以保证在焊接过程中塞棒与塞孔始终保持紧密接触，并对材料实施充分的挤压效果，促进界面的冶金结合。塞棒焊接段(4)的长度h2为母材板厚的1.5-2.5倍，以保证焊接过程能够施加足够的进给量，从而使塞孔附近母材有足够的材料流动。
塞棒的圆弧段(5)的圆弧半径r为25-35mm，主要作用是塞棒停转并施加拉锻力时，提高轴向阻力，防止塞孔被拉穿。另外，焊接进给量设定保证圆弧段与母材所形成的飞边焊合，以消除近上表面的焊接缺陷。
进一步的，如图2所示，本发明给出了塞孔和背部成形环的几何形状和尺寸设计方法。塞孔直径D4等于或略小于塞棒过渡段小端直径D1，而且塞孔直径D4设计为母材板厚(h5)的2-3倍。塞孔上端加工倒角，角度范围为25-45°，倒角深度(h5-h4)为3-5mm。所述成型环为阶梯孔结构，其上部为圆锥形，上部锥孔部分的圆锥夹角A4为20-30°，锥孔小端的直径d2大于等于焊接段小端直径D2，小于等于塞棒焊接段大端直径D3，深度h6为板厚的0.1-0.15倍；中部为圆锥形，中部锥孔部分的圆锥夹角A5相比于上部圆锥孔减小3-5°，深度h7与上部锥孔深度h6相等；下部为直孔，其直径d1为塞棒焊接段小端直径D2的1.1-1.25倍。
进一步的，如图3所示，根据本发明所给出的塞棒几何尺寸和成形环结构，给出了推荐的焊接工艺参数范围。焊接进给量最大不能使得塞棒触碰到成形环，最小需要保证塞棒与塞孔的交点和塞棒与成形环的交点在同一条直线上，在最大值与最小值之间调整焊接进给量。焊接转速应该保证在焊接过程中提供足够的焊接热输入，是摩擦界面温度满足结合条件，在本发明推荐为7000-7500rpm。轴向拉力对焊缝的成形有着重要的影响，拉力过大将使得塞棒拉穿，拉力过小则无法使材料充分的进行相互作用，在本发明中焊接拉力的值应在40-60kN范围。
在焊接起始阶段，塞棒在主轴驱动下实现高速旋转，并且在一定的进给速度下向塞孔运动。如图4所示，圆锥形过渡段(3)的小径作为初始与塞孔接触位置，与塞孔接触，这样可以有效的减少塞棒在与塞孔相接触时所产上的振动，使塞孔周围材料流动更加充分
焊接过程中，主要利用持续旋转和进给的塞棒的圆锥形焊接段(4)与工件发生摩擦和挤压。如图5所示，焊接段(4)是塞棒的主体部分，在满足热输入和轴向拉力条件下，可针对不同材料、不同厚度的塞孔，通过调整焊接段(4)的圆锥形角度A2的大小来获得质量较好的焊缝成形和界面结合质量。
圆弧段(5)的作用是通过向外圆弧结构来有效的填补焊缝上部未焊合的缺陷，如图6所示。圆弧的尺寸设计应在合理范围，过大的圆弧半径将无法有效的填补未焊合缺陷，过小的圆弧半径则会导致焊缝上部产生较大的应力集中，导致焊缝整体受力不均，塞棒未被拉进塞孔部分(6)、(7)的作用是在焊接结束后便于使用拆卸接头。采用这种设计，可以扩大塑性材料的流动范围，使得材料更好的接触；也可以扩大成形环刚性支撑的范围，使得焊缝整体都可以均匀的受力。同时，使结合界面质量得到提升。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种对铝合金拉拔式摩擦塞补焊接头，其特征在于：所述补焊接头包括塞棒、塞孔，所述塞棒上设置有能够控制焊接材料状态实现补焊工具与塞孔紧密接触的焊接段；所述塞孔上设置有防止在补焊过程中塞棒变形进而在轴向力的作用下与塞棒发生相互作用的刚性成型环，其中：所述成型环为阶梯孔结构，其上部为圆锥形，上部锥孔部分的圆锥夹角A4为20-30°，锥孔小端的直径d2大于等于焊接段小端直径D2，小于等于塞棒焊接段大端直径D3，深度h6为板厚的0.1-0.15倍；中部为圆锥形，中部锥孔部分的圆锥夹角A5相比于上部圆锥孔减小3-5°，深度h7与上部锥孔深度h6相等；下部为直孔，其直径d1为塞棒焊接段小端直径D2的1.1-1.25倍。
2.根据权利要1所述的一种对铝合金拉拔式摩擦塞补焊接头，其特征在于：所述塞棒还包括：
螺纹段用于焊接过程中承受轴向拉力和扭矩；
定位段用于塞棒的轴心定位保证塞棒与补焊孔的同心度；
过渡段用于塞棒与工件接触时使塞孔周围材料发生均匀流动，保证焊接过程平稳；
圆弧段用于在拉锻时增加轴向阻力保证塞孔不被拉穿，同时改善接头上部界面的结合质量；
平行段用于增加塞棒圆弧部位的刚度使其在拉锻时不发生塑形变形；
夹持柄用于塞棒的安装和拆卸，方便螺纹的旋入和旋出；其中：所述焊接段采用圆锥形，其圆锥的夹角A2范围为15-25°，以保证在焊接过程中塞棒与塞孔始终保持紧密接触，并对材料实施充分的挤压效果，促进界面的冶金结合；所述焊接段的长度h2为铝合金厚的1.5-2.5倍，以保证焊接过程能够施加足够的进给量，从而使塞孔附近母材有足够的材料流动。
3.根据权利要求2所述的一种对铝合金拉拔式摩擦塞补焊接头，其特征在于：所述过渡段采用圆锥形设计，保证焊接过中塞棒与塞孔发生接触及焊接初始阶段塞孔附近材料的变形和流动稳定、均匀；所述过渡段的小端直径D1等于或略大于所述塞孔的直径D，圆锥的锥角A1的范围为30-45°，长度h1范围为5-10mm。
4.根据权利要求2所述的一种对铝合金拉拔式摩擦塞补焊接头，其特征在于：所述过渡段与定位段之间加工倒圆。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种对铝合金拉拔式摩擦塞补焊接头，其特征在于：所述塞孔直径D4等于或略小于塞棒过渡段小端直径D1，而且塞孔直径D4设计为铝合金厚h5的2-3倍。塞孔上端加工倒角，角度范围为25-45°，倒角深度(h5-h4)为3-5mm。
6.采用如权利要求1所述的一种对铝合金拉拔式摩擦塞补焊接头加工方法，包括如下步骤：
S1、塞棒受到驱动装置带动，在高速旋转的的同时进行轴向进给，并且在这一过程中塞棒受到一定轴向载荷。
S2、在塞棒与塞孔接触之后，由于摩擦产生大量摩擦热待焊工件变为热塑性状态，等到材料流动充分后塞棒停止转动，之后立即施加轴向力，使塞棒和工件完成冶金连接，其中：
焊接段的进给量是塞棒不要触碰到成形环，保证塞棒与塞孔的交点和塞棒与成形环的交点在同一条直线上，焊接转速最好为7000-7500rpm；焊接拉力的值应在40-60kN范围。
7.根据权利要求1所述的一种对铝合金拉拔式摩擦塞补焊接头加工方法，包括如下步骤：
所述连接段的受力是通过塞棒的最小直径D确定，塞棒在焊接时同时受到拉应力和扭矩的作用，根据公式(1)第四强度理论进行计算，
Figure FDA0002815009820000021
其中，σr为理论强度，τ为最大切应力，
Figure FDA0002815009820000022
Me为最大扭矩，WP为抗扭截面系数，
Figure FDA0002815009820000023
σ为最大拉应力，
Figure FDA0002815009820000024
其中F为最大拉力，A为塞棒截面积。
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PB01 Publication
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20210416

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