CN114147341B - 空间多边形厚板铝合金壳体的焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种空间多边形厚板铝合金壳体的焊接方法，包括：加工搅拌摩擦焊接接头，搅拌摩擦焊接接头用于大型龙门搅拌摩擦焊接系统的动轴肩和静轴肩；清洁结构单元件，使用搅拌摩擦焊工装夹具将结构单元件固定；使用搅拌摩擦焊方式，对结构单元件之间的焊缝施焊，将多个结构单元件连接成空间多边形厚板铝合金壳体。本发明采用动轴肩摩擦焊和静轴肩摩擦焊相结合的方式来焊接空间多边形厚板铝合金壳体，解决了空间多边形厚板铝合金壳体的焊接技术难题，能够有效解决空间多边形装甲铝合金壳体采用传统弧焊工艺产生的接头软化、焊接缺陷等难题。

Description

空间多边形厚板铝合金壳体的焊接方法
技术领域
本发明属于铝合金焊接技术领域，具体涉及一种空间多边形厚板铝合金壳体的焊接方法。
背景技术
厚板铝合金结构件传统成型工艺为弧焊工艺，接头采用单边“V”形坡口及双边“V”形坡口的形式。但是，弧焊易产生热应力、裂纹、未焊合、气孔、夹渣等缺陷，导致接头整体综合性能较低；弧焊焊接时由于热应力作用，残余应力较大、焊接变形大。
搅拌摩擦焊是一种新型的焊接方法，其焊接过程中热输入低、材料不熔化，焊缝中不会产生气孔、裂纹、夹杂等焊接缺陷，焊缝为致密的锻造细晶组织，接头性能优越，得到广泛应用。
专利文献(CN201711197695.7)公开了一种超厚板铝合金型材搅拌摩擦焊焊接方法，针对厚度值达84mm的铝合金厚板提出了一种双面预焊、双面对称设置预制孔、双面对称二次搅拌针插入及双面对称焊的固相连接FSW焊接新方法。
专利文献(CN201510566855.5)公开了一种铝合金厚板搅拌摩擦焊方法，提出了一种提前预焊、侧位打孔启焊的FSW焊接新方法，解决了厚板铝合金焊接问题。
四轴联动或者五轴联动龙门搅拌摩擦焊接机床属于大型龙门式搅拌摩擦焊接设备。搅拌摩擦焊相比于传统弧焊方法，具有热输入量小的特点，当转速过低或焊速过时，搅拌针与工件产生的摩擦热严重不足，造成焊缝金属从搅拌针绕流以后不能全部回填，从而形成沟槽缺陷，因此应当在合适的工艺窗口中进行施焊。现有技术虽然均提出了厚板铝合金的搅拌摩擦焊焊接方法，但很难在空间多边形厚板铝合金壳体的焊接上实现。
发明内容
本发明的目的在于提供一种空间多边形厚板铝合金壳体的焊接方法，采用动轴肩摩擦焊和静轴肩摩擦焊相结合的方式来焊接空间多边形厚板铝合金壳体，解决了空间多边形厚板铝合金壳体的焊接技术难题，能够有效解决空间多边形装甲铝合金壳体采用传统弧焊工艺产生的接头软化、焊接缺陷等难题。
为达到上述目的，本发明使用的技术解决方案是：
空间多边形厚板铝合金壳体的焊接方法，包括：
加工搅拌摩擦焊接接头，搅拌摩擦焊接接头用于大型龙门搅拌摩擦焊接系统的动轴肩和静轴肩；
清洁结构单元件，使用搅拌摩擦焊工装夹具将结构单元件固定；
使用搅拌摩擦焊方式对结构单元件之间的焊缝施焊，对结构单元件外侧焊缝进行动轴肩搅拌摩擦焊，内侧焊缝进行静轴肩搅拌摩擦焊，将多个结构单元件连接成空间多边形厚板铝合金壳体。
进一步，搅拌摩擦焊接接头包括：静轴肩搅拌摩擦焊接接头、动轴肩搅拌摩擦焊接接头，对于两个相邻的结构单元件的焊缝施焊时，内角处采用静轴肩搅拌摩擦焊接接头，外侧采用动轴肩搅拌摩擦焊接接头。
进一步，两块结构单元件为嵌入式复合对接的装配形式，两块结构单元件按倒角形式嵌入对齐贴紧。
进一步，搅拌摩擦焊工装夹具，包括：定位底板、外部支撑盘、内部支撑盘、铜垫块、支臂、连接座、螺栓；铜垫块设置有垫块定位通孔，外部支撑盘设置有多个外部支撑盘螺纹孔，螺钉穿过垫块定位通孔连接在外部支撑盘螺纹孔；内部支撑盘设置有多个内部支撑盘螺纹孔，螺钉穿过垫块定位通孔连接在内部支撑盘螺纹孔上；外部支撑盘、内部支撑盘位于定位底板的上部，外部支撑盘、连接座之间以及内部支撑盘连接座之间通过支臂相连接，连接座连接在支臂的下部，连接座利用螺栓固定在定位底板的上部。
进一步，支臂根据各结构单元件的倾斜角度焊接在外部支撑盘、连接座之间以及内部支撑盘连接座之间。
进一步，外部支撑盘安装在结构单元件外侧，在结构单元件外侧形成支撑；内部支撑盘安装在结构单元件内侧，用于在结构单元件内侧形成支撑；内部支撑盘与外部支撑盘夹紧两个结构单元件，定位两个结构单元件的拼接位置，并根据结构单元件的倾斜角度装配。
进一步，铜垫块安装在外部支撑盘、结构单元件之间，以及内部支撑盘、结构单元件之间。
进一步，动轴肩搅拌摩擦焊的焊接速度200-350mm/min，搅拌头旋转速度650-850rpm，下压量0.15～0.25mm，焊接倾角1.5°～2.5°；静轴肩搅拌摩擦焊采用与动轴肩对称的焊接顺序及焊接方向，焊接速度300-400mm/min，搅拌头旋转速度1000-1100rpm。
进一步，当两个结构单元件的夹角在110°至160°之间，内部焊缝通过改变静轴肩搅拌摩擦焊施焊过程中轴肩形状，使轴肩与夹角相匹配。
进一步，焊接完成后，使用角磨机及直磨机清理焊缝飞边，使焊缝与板面齐平。
本发明技术效果包括：
本发明广泛地应用于厚板铝合金壳体的焊接，使用范围限制小，普遍适应于铝合金角接结构焊接，能够产生非常大的经济效益。
本发明采用动轴肩与静轴肩搅拌摩擦焊相结合的焊接方式，能够有效解决空间多边形装甲铝合金壳体采用传统弧焊工艺产生的接头软化、焊接缺陷等难题，大幅度提高焊接生产效率及质量稳定性，降低生产成本。
附图说明
图1是本发明中空间多边形结构1的结构示意图；
图2是本发明中空间多边形结构的拼接示意图；
图3是本发明中结构单元件之间形成锐角的连接示意图；
图4是本发明中结构单元件之间形成钝角的连接示意图；
图5是本发明中搅拌摩擦焊工装夹具的结构示意图；
图6是本发明中焊接结构单元件的示意图；
图7是本发明中焊接顺序和焊接方向示意图。
具体实施方式
以下描述充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践和再现。
如图1所示，是本发明中空间多边形结构1的结构示意图；如图2所示，是本发明中空间多边形结构的拼接示意图。
空间多边形结构1包括多个焊接在一起的结构单元件11。
空间多边形结构1如果采用铝合金材质，则为空间多边形厚板铝合金壳体，其焊接方法，具体步骤如下：
步骤1：加工搅拌摩擦焊接接头；
搅拌摩擦焊接接头用于大型龙门搅拌摩擦焊接系统的动轴肩和静轴肩。
如图3所示，是本发明中结构单元件11之间形成锐角的连接示意图。
两块结构单元件11之间形成锐角，两块结构单元件11为嵌入式复合对接的装配形式。将两块结构单元件11按倒角形式嵌入对齐贴紧，内角处采用静轴肩搅拌摩擦焊接接头(a为静轴肩焊缝接头)，外侧采用动轴肩搅拌摩擦焊接接头(b为动轴肩焊缝接头)。
如图4所示，是本发明中结构单元件11之间形成钝角的连接示意图。
两块结构单元件11之间形成钝角，两块结构单元件11为嵌入式复合对接的装配形式，夹角为110°至160°之间。将两块结构单元件11按倒角形式嵌入对齐贴紧，内角采用静轴肩搅拌摩擦焊接接头(a为内角位置接头处)，外侧采用动轴肩搅拌摩擦焊接接头(b为外侧位置接头处)。
步骤2：清洁结构单元件11；
将所有结构单元件11的油污、氧化膜等杂质清除，保证结构单元件11洁净、无异物。
步骤3：装卡、拼接结构单元件11；
使用专用的搅拌摩擦焊工装夹具将两个结构单元件11固定，将其中两个结构单元件11的侧边对正。
如图5所示，是本发明中搅拌摩擦焊工装夹具的结构示意图。
搅拌摩擦焊工装夹具2，包括：定位底板21、外部支撑盘22、内部支撑盘23、铜垫块24、支臂25、连接座26、螺栓27。
定位底板21用于装配定位结构单元件11，固定外部支撑盘22、内部支撑盘23。
外部支撑盘22安装在结构单元件11外侧，设置有多个外部支撑盘螺纹孔，在结构单元件11外侧形成支撑，根据各结构单元件11的倾斜角度装配。
内部支撑盘23安装在结构单元件11内侧，用于在结构单元件11内侧形成支撑，设置有多个内部支撑盘螺纹孔，内部支撑盘3与外部支撑盘2夹紧两个结构单元件11，定位拼接位置，根据结构单元件11的倾斜角度装配。
铜垫块24安装在外部支撑盘22、结构单元件11之间，以及内部支撑盘23、结构单元件11之间，铜垫块4设置有垫块定位通孔，螺钉穿过垫块定位通孔连接在外部支撑盘螺纹孔或者内部支撑盘螺纹孔上，将铜垫块4固定在外部支撑盘22、内部支撑盘23的内侧面，防止划伤结构单元件11。
支臂25连接在外部支撑盘22、连接座26以及内部支撑盘23与连接座26之间，使用焊接工艺连接，根据各结构单元件11的倾斜角度连接。
连接座26的上部焊接在支臂25的底部，下部利用螺栓7连接固定在定位底板21上。
步骤4：使用搅拌摩擦焊方式，对结构单元件11之间的焊缝施焊；
如图6所示，是本发明中焊接结构单元件11的示意图；如图7所示，是本发明中焊接顺序和焊接方向示意图。
采用大型龙门搅拌摩擦焊接系统将多个结构单元件11焊接成空间多边形结构1，大型龙门搅拌摩擦焊接系统，配有X、Y、Z、C轴四个数控坐标轴，可实现四个数控轴的四轴联动，设备配备高速主轴。主要分为机械部分及电气部分，机械部分包括主体床身(包括：底座、立柱、工作台、横梁、溜板、滑枕)、机头、各轴传动系统。电气部分包括数控系统(含电机及驱动)、悬臂操作台、控制机柜。
对外侧焊缝进行动轴肩搅拌摩擦焊，动轴肩搅拌摩擦焊的焊接按照图7所示焊接顺序和焊接方向进行焊接，焊接参数为焊接速度200-350mm/min，搅拌头旋转速度650-850rpm，下压量0.15～0.25mm，焊接倾角1.5°～2.5°。焊缝成形良好，表面无空洞、沟槽缺陷，熔合线飞边少，接头致密无疏松缺陷。解决了空间多边形厚板铝合金壳体动轴肩搅拌摩擦焊成形困难的问题，减小了结构件焊接变形。
对内部焊缝进行静轴肩搅拌摩擦焊，静轴肩搅拌摩擦焊的焊接按照图7所示焊接顺序和焊接方向进行焊接，采用与动轴肩对称的焊接顺序及焊接方向，焊接参数为焊接速度300-400mm/min，搅拌头旋转速度1000-1100rpm。焊缝成形良好，表面平整，无空洞、沟槽缺陷。结构单元件11的内外侧动轴肩与静轴肩复合接头形成了可靠的连接形式，解决了空间多边形厚板铝合金壳体变角度搅拌摩擦焊无法单面焊接一次成形的问题。
如果两个结构单元件11夹角在110°至160°之间，则内部焊缝通过改变静轴肩搅拌摩擦焊施焊过程中轴肩形状，使轴肩与夹角相匹配。
重复步骤3、步骤4，焊接其他结构单元件11，完成其他结构单元件11的焊接操作。
步骤5：焊后清理；
焊接完成后，使用角磨机及直磨机清理焊缝飞边，使焊缝与板面齐平。
步骤6：检验。
对空间多边形结构1的焊缝进行无损探伤，检验焊缝外观质量是否符合要求，检验结构单元件11的尺寸是否符合尺寸要求。
本发明能够有效解决采用传统弧焊工艺焊接厚板铝合金形成空间多边形结构所产生的接头软化、焊接缺陷等难题。空间多边形厚板铝合金壳体高强铝合金材料，搅拌摩擦焊为固相连接，母材自身搅拌挤压成形，无熔焊过程中的低强材料填充、材料熔化、再结晶过程，大幅度提高接头强度，焊接过程稳定，金属不熔化，无电弧干扰，无氢元素及低熔点共晶，不会形成气孔、裂纹、夹杂等缺陷，有效解决空间多边形厚板铝合金壳体采用传统弧焊工艺产生的接头软化、焊接缺陷等难题。能够大幅度提高焊接生产效率及质量稳定性，降低生产成本。
本发明所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离技术方案的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (5)

1.一种空间多边形厚板铝合金壳体的焊接方法，其特征在于，包括：
加工搅拌摩擦焊接接头，搅拌摩擦焊接接头用于大型龙门搅拌摩擦焊接系统的动轴肩和静轴肩，搅拌摩擦焊接接头包括：静轴肩搅拌摩擦焊接接头、动轴肩搅拌摩擦焊接接头；对于两个相邻的结构单元件的焊缝施焊时，内角处采用静轴肩搅拌摩擦焊接接头，外侧采用动轴肩搅拌摩擦焊接接头；
清洁结构单元件，使用搅拌摩擦焊工装夹具将结构单元件固定，两块结构单元件为嵌入式复合对接的装配形式，两块结构单元件按倒角形式嵌入对齐贴紧；搅拌摩擦焊工装夹具包括：定位底板、外部支撑盘、内部支撑盘、铜垫块、支臂、连接座、螺栓；铜垫块设置有垫块定位通孔，外部支撑盘设置有多个外部支撑盘螺纹孔，螺钉穿过垫块定位通孔连接在外部支撑盘螺纹孔；内部支撑盘设置有多个内部支撑盘螺纹孔，螺钉穿过垫块定位通孔连接在内部支撑盘螺纹孔上；外部支撑盘、内部支撑盘位于定位底板的上部，外部支撑盘、连接座之间以及内部支撑盘连接座之间通过支臂相连接，连接座连接在支臂的下部，连接座利用螺栓固定在定位底板的上部；
使用搅拌摩擦焊方式对结构单元件之间的焊缝施焊，对结构单元件外侧焊缝进行动轴肩搅拌摩擦焊，动轴肩搅拌摩擦焊的焊接速度200-350mm/min，搅拌头旋转速度650-850rpm，下压量0.15～0.25mm，焊接倾角1.5°～2.5°；内侧焊缝进行静轴肩搅拌摩擦焊，静轴肩搅拌摩擦焊采用与动轴肩对称的焊接顺序及焊接方向，焊接速度300-400mm/min，搅拌头旋转速度1000-1100rpm，当两个结构单元件的夹角在110°至160°之间，内部焊缝通过改变静轴肩搅拌摩擦焊施焊过程中轴肩形状，使轴肩与夹角相匹配，将多个结构单元件连接成空间多边形厚板铝合金壳体。
2.如权利要求1所述的空间多边形厚板铝合金壳体的焊接方法，其特征在于，支臂根据各结构单元件的倾斜角度焊接在外部支撑盘、连接座之间以及内部支撑盘连接座之间。
3.如权利要求1所述的空间多边形厚板铝合金壳体的焊接方法，其特征在于，外部支撑盘安装在结构单元件外侧，在结构单元件外侧形成支撑；内部支撑盘安装在结构单元件内侧，用于在结构单元件内侧形成支撑；内部支撑盘与外部支撑盘夹紧两个结构单元件，定位两个结构单元件的拼接位置，并根据结构单元件的倾斜角度装配。
4.如权利要求3所述的空间多边形厚板铝合金壳体的焊接方法，其特征在于，铜垫块安装在外部支撑盘、结构单元件之间，以及内部支撑盘、结构单元件之间。
5.如权利要求1所述的空间多边形厚板铝合金壳体的焊接方法，其特征在于，焊接完成后，使用角磨机及直磨机清理焊缝飞边，使焊缝与板面齐平。
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