CN115673523A - 一种铝合金薄板近无减薄搅拌摩擦焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种铝合金薄板近无减薄搅拌摩擦焊接方法，包括以下步骤：采用近无减薄搅拌头控制焊缝正面减薄量；采用近无减薄搅拌头控制焊缝背面减薄量；采用近无减薄搅拌头焊接焊缝。本发明有益效果：本发明实现了薄板铝合金的近无减薄近无缺陷搅拌摩擦焊接，使薄板航天产品的高质量焊接成为可能，大幅提高了产品焊接质量，并减小了产品焊接变形，对航天型号产品的工程化应用具有重要的现实意义和巨大的经济价值。
Description
技术领域
本发明属于火箭设备技术领域，尤其是涉及一种铝合金薄板近无减薄搅拌摩擦焊接方法。
背景技术
搅拌摩擦焊接技术作为一种先进的固相连接技术，已经在造船、航空航天、轨道交通等领域获得了广泛的应用。在已实现工程化应用的搅拌摩擦焊接技术类型中，单轴肩搅拌摩擦焊接技术的应用规模最大，主要分为单轴肩常规搅拌摩擦焊接技术和单轴肩可回抽搅拌摩擦焊接技术两种。
在航天器制造领域，单轴肩常规搅拌摩擦焊接技术采用轴肩和搅拌针一体式搅拌头，用于开敞类焊缝的焊接，例如运载火箭贮箱的筒段纵缝、箱底瓜瓣纵缝等。单轴肩可回抽搅拌摩擦焊接技术采用轴肩和搅拌针分体式搅拌头，焊接过程中轴肩和搅拌针分别控制，焊接与回抽动作同步进行，从而填补搅拌针焊后的匙孔缺陷，实现封闭类环缝的焊接，例如运载火箭贮箱箱底环缝及箱体总装类环缝等。
现有技术的缺点：目前搅拌摩擦焊接过程中，受搅拌头轴肩锻压力影响，焊缝正面受挤压的塑态金属会形成飞边挤出焊缝区域，使得焊缝区会有一定程度的材料损失，造成焊缝的正面减薄，如图1中A1。搅拌摩擦焊接过程中，为防止搅拌针过长扎伤垫板，使垫板材料进入焊缝造成异种金属夹杂缺陷，搅拌针长会小于实际产品焊接区厚度0.15～0.25mm，但会在焊缝背面形成浅薄的弱结合缺陷，为保证焊缝质量，需对焊缝背面进行打磨去除弱结合缺陷，使得焊缝背面产生一定程度的厚度损失，如图1中A2。
A1与A2共同造成了焊缝的整体减薄，特别是在薄板铝合金的搅拌摩擦焊接中，产品对焊缝减薄极为敏感，减薄量大会严重影响焊缝拉锻力，同时，如果焊缝存在超标缺陷涉及补焊时，补焊焊接会进一步加剧焊缝的减薄，造成焊缝质量的恶性循环，因此，严格控制A1及A2的减薄量，可大幅降低焊缝整体减薄量，提高焊缝质量。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种铝合金薄板近无减薄搅拌摩擦焊接方法，以解决现有技术的不足。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种铝合金薄板近无减薄搅拌摩擦焊接方法，包括以下步骤：
S1、采用近无减薄搅拌头控制焊缝正面减薄量；
S2、采用近无减薄搅拌头控制焊缝背面减薄量；
S3、采用近无减薄搅拌头焊接焊缝；
所述近无减薄搅拌头包括轴肩和搅拌针，所述轴肩与搅拌针为一体成型结构。
进一步的，在步骤S2中的焊缝背面减薄量的控制方法包括以下步骤：
A1、产品焊缝背面打磨圆滑；
A2、在两对产品接边背面开C0.2～C0.5的倒角。
进一步的，在步骤S3中的近无减薄搅拌头在焊接焊缝过程中，产品塑态化的金属材料在搅拌针和轴肩旋转搅动作用下由前进侧向后退侧、再到前进侧环向流动，前进侧塑态金属流出后形成空腔，后退侧的金属在搅拌头的作用下填补前进侧空腔。
进一步的，在步骤S3中的近无减薄搅拌头的工艺参数为：搅拌头倾角1°～2°，搅拌头旋转速度300～600r/min，焊接行走速度100～250mm/min。
进一步的，所述轴肩的结构曲线为阿基米德双螺旋结构，所述阿基米德双螺旋结构的各螺旋线分布角度为180°。
进一步的，所述轴肩的结构曲线为阿基米德三螺旋结构，阿基米德三螺旋结构的各螺旋线分布角度为120°。
进一步的，针对焊接区厚度2～4mm的产品，所述轴肩的结构参数为：
凸球面半径为R50～R65mm，轴肩直径为Φ13～Φ16mm，轴肩侧搅拌头主体夹角90°，轴肩与搅拌头主体过渡区圆角R0.5～R1mm，阿基米德螺旋线圆弧凹槽半径R0.25～R0.4mm，螺旋线收尾点半径小于轴肩半径0.8～1mm。
进一步的，针对焊接区厚度2～4mm的产品，所述搅拌针的结构参数为：
搅拌针锥角18～20°，搅拌针根部直径Φ4～Φ6mm，根部圆角R0.8～R1，搅拌针上设有三个斜面，三个斜面呈120°分布，斜面高度2.5～3.5mm，螺纹为梯形结构，梯形螺纹高度0.25～0.35mm，螺纹根部宽度0.2～0.25mm，锥角60°，收尾点高于斜面0～0.3mm。
相对于现有技术，本发明所述的一种铝合金薄板近无减薄搅拌摩擦焊接方法具有以下优势：
本发明所述的一种铝合金薄板近无减薄搅拌摩擦焊接方法，本发明实现了薄板铝合金的近无减薄近无缺陷搅拌摩擦焊接，使薄板航天产品的高质量焊接成为可能，大幅提高了产品焊接质量，并减小了产品焊接变形，对航天型号产品的工程化应用具有重要的现实意义和巨大的经济价值。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的现有技术中的搅拌摩擦焊缝减薄状态示意图；
图2为本发明实施例所述的近无减薄搅拌头结构双螺旋示意图；
图3为本发明实施例所述的近无减薄搅拌头结构三螺旋示意图；
图4为本发明实施例所述的近无减薄搅拌头轴肩剖面示意图；
图5为本发明实施例所述的近无减薄搅拌头轴肩结构双螺旋示意图；
图6为本发明实施例所述的近无减薄搅拌头轴肩结构三螺旋示意图；
图7为本发明实施例所述的搅拌针结构示意图；
图8为本发明实施例所述的搅拌针剖面结构示意图；
图9为本发明实施例所述的搅拌摩擦焊接过程中前进侧空腔填补示意图；
图10为本发明实施例所述的搅拌摩擦焊接过程中截面方向塑态金属流动状态示意图；
图11为本发明实施例所述的焊前对接边背面倒角示意图；
图12为本发明实施例所述的整体方法流程示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1至图12所示，一种铝合金薄板近无减薄搅拌摩擦焊接方法，包括以下步骤：
S1、采用近无减薄搅拌头控制焊缝正面减薄量；
S2、采用近无减薄搅拌头控制焊缝背面减薄量；
S3、采用近无减薄搅拌头焊接焊缝；
所述近无减薄搅拌头包括轴肩结构和搅拌针结构，所述轴肩结构与搅拌针结构为一体成型结构，所述轴肩结构与搅拌针结构均用于焊接焊缝。
本发明大幅减少了目前单轴肩搅拌摩擦焊接中的减薄量，通过搅拌头结构的优化设计和焊前对工件背面待焊区的倒角处理，将焊缝整体减薄量由0.25～0.4mm减小到了0.1～0.15mm，并将焊缝合格率提升至95％以上，实现了近无减薄近无缺陷搅拌摩擦焊接，提高了焊缝的质量，实现了一次焊接即合格的目标。
实施例1
本发明思路为：
1、减小甚至消除焊缝正面飞边，使焊缝正面存在较少的或不存在母材材料的损失，从而控制焊缝正面减薄量；
2、在减小焊缝正面减薄量的前提下，保证焊接过程中有足够的锻压力，保证焊缝的致密度，从而保证焊缝接头具有良好的力学性能；
3、在减小焊缝正面减薄量及保证焊缝力学性能的前提下，提高焊接过程中塑态金属的流动性，加强搅拌头后退侧对前进侧空腔的回填作用，从机理上控制焊缝缺陷的产生，保证焊缝的一次焊接合格率；
4、充分利用塑态金属在竖直截面方向的流动性，控制背面弱结合缺陷的产生，从而减小焊缝背面的打磨量，控制焊缝背面的减薄量。
近无减薄搅拌头轴肩结构设计：
本发明中近无减薄搅拌头轴肩采用阿基米德螺旋线作为基本结构曲线，为提高轴肩结构对塑态金属的汇聚作用和焊接过程稳定性，采用阿基米德双螺旋或三螺旋结构，阿基米德双螺旋各螺旋线分布角度为180°，阿基米德三螺旋各螺旋线分布角度为120°，如图2和图3所示。
近无减薄搅拌头轴肩端面采用凸球面结构，可提高焊接过程中搅拌头锻压力，保证焊缝在较小减薄量的同时具有足够的焊缝致密度，从而提高焊缝力学性能。针对焊接区厚度2～4mm薄板铝合金，轴肩结构遵循以下设计：
凸球面半径为R50～R65mm，轴肩直径为Φ13～Φ16mm，轴肩侧搅拌头主体夹角90°，轴肩与搅拌头主体过渡区圆角R0.5～R1mm，阿基米德螺旋线圆弧凹槽半径R0.25～R0.4mm，如图4所示。受阿基米德螺旋结构强聚料特点的影响，螺旋线收尾点半径小于轴肩半径0.8～1mm，可改善焊缝两侧边缘形貌，使焊缝与母材过渡圆滑，如图5和图6所示。
近无减薄搅拌头搅拌针结构设计：
针对焊接区厚度2～4mm薄板铝合金，搅拌针结构遵循以下设计：
搅拌针锥角18～20°，搅拌针根部直径Φ4～Φ6mm，根部圆角R0.8～R1，搅拌针上加工三个斜面，呈120°分布，斜面高度2.5～3.5mm，螺纹采用梯形结构，相对于目前的三角螺纹可有效加强搅拌针的结构强度，梯形螺纹高度0.25～0.35mm，螺纹根部宽度0.2～0.25mm，锥角60°，螺纹加工结束时刀具在1/4圈内逐渐退出，收尾点高于斜面0～0.3mm，如图7和图8所示。该结构可大幅提高搅拌头结构强度和可靠性，能满足至少16m长环焊缝的连续不间断焊接。
近无减薄搅拌摩擦焊工艺范畴：
如图9所示，搅拌摩擦焊接过程中，塑态化的金属材料在搅拌针和轴肩旋转搅动作用下由前进侧向后退侧、再到前进侧环向流动，前进侧塑态金属流出后形成空腔，后退侧的金属在搅拌头的作用下填补前进侧空腔，保持焊缝内组织密度的一致性，整个焊接过程是一个组织流动的动态平衡过程。搅拌头结构以及工艺参数的不合理均会打破焊接过程的动态平衡，导致焊缝内部缺陷的产生。
通过大量的工艺试验验证，针对铝锂合金材料，采用近无减薄搅拌头焊接，工艺范畴为：搅拌头倾角1°～2°，搅拌头旋转速度300～600r/min，焊接行走速度100～250mm/min，可获得成形美观、组织致密、力学性能优良、焊缝正面减薄量小于0.1mm的焊缝接头。
近无减薄搅拌摩擦焊背面减薄量的控制：
焊缝背面的减薄主要是对弱结合缺陷的打磨清理造成的，控制弱结合缺陷就能控制焊缝背面打磨量，控制了打磨量就能控制焊缝背面的减薄量。搅拌摩擦焊接过程中塑性金属在焊缝截面上的流动方向如图10所示，在搅拌针螺纹作用下，塑性金属有向焊缝背面流动的趋势，因此提高搅拌针端面与背部垫板间0.15～0.25mm间隙范围内塑性金属的混合度，可有效控制弱结合缺陷的产生。
控制方法为：产品焊接前，在两对接边背面开C0.2～C0.5的倒角，如图11所示，焊接过程中，焊缝内的塑性金属会在倒角内充分的填充混合，可有效控制弱结合缺陷的产生。通过试验验证，焊缝背面弱结合缺陷数量减少至优化前的10～20％，焊缝背面只需打磨圆滑，减薄量可控制在0.05mm内。
本发明的目的：(1)本发明中研发了薄板铝合金近无减薄搅拌头，对搅拌头轴肩和搅拌针结构进行了设计，采用该搅拌头可有效控制焊缝正面减薄量；
(2)本发明中采用了对产品待焊端背面开倒角的方法，有效控制了焊缝弱结合缺陷的产生，进而控制了焊缝背部打磨量和焊缝减薄量。
本发明的优势：本发明实现了薄板铝合金的近无减薄近无缺陷搅拌摩擦焊接，使薄板航天产品的高质量焊接成为可能，大幅提高了产品焊接质量，并减小了产品焊接变形，对航天型号产品的工程化应用具有重要的现实意义和巨大的经济价值。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种铝合金薄板近无减薄搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、采用近无减薄搅拌头控制焊缝正面减薄量；
S2、采用近无减薄搅拌头控制焊缝背面减薄量；
S3、采用近无减薄搅拌头焊接焊缝；
所述近无减薄搅拌头包括轴肩和搅拌针，所述轴肩与搅拌针为一体成型结构。
2.根据权利要求1所述的一种铝合金薄板近无减薄搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：在步骤S2中的焊缝背面减薄量的控制方法包括以下步骤：
A1、产品焊缝背面打磨圆滑；
A2、在两对产品接边背面开C0.2～C0.5的倒角。
3.根据权利要求1所述的一种铝合金薄板近无减薄搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：在步骤S3中的近无减薄搅拌头在焊接焊缝过程中，产品塑态化的金属材料在搅拌针和轴肩旋转搅动作用下由前进侧向后退侧、再到前进侧环向流动，前进侧塑态金属流出后形成空腔，后退侧的金属在搅拌头的作用下填补前进侧空腔。
4.根据权利要求1所述的一种铝合金薄板近无减薄搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：在步骤S3中的近无减薄搅拌头的工艺参数为：搅拌头倾角1°～2°，搅拌头旋转速度300～600r/min，焊接行走速度100～250mm/min。
5.根据权利要求1所述的一种铝合金薄板近无减薄搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：所述轴肩的结构曲线为阿基米德双螺旋结构，所述阿基米德双螺旋结构的各螺旋线分布角度为180°。
6.根据权利要求1所述的一种铝合金薄板近无减薄搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：所述轴肩的结构曲线为阿基米德三螺旋结构，阿基米德三螺旋结构的各螺旋线分布角度为120°。
7.根据权利要求5或6所述的一种铝合金薄板近无减薄搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：所述轴肩的结构参数为：
凸球面半径为R50～R65mm，轴肩直径为Φ13～Φ16mm，轴肩侧搅拌头主体夹角90°，轴肩与搅拌头主体过渡区圆角R0.5～R1mm，阿基米德螺旋线圆弧凹槽半径R0.25～R0.4mm，螺旋线收尾点半径小于轴肩半径0.8～1mm。
8.根据权利要求7所述的一种铝合金薄板近无减薄搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：所述搅拌针的结构参数为：
搅拌针锥角18～20°，搅拌针根部直径Φ4～Φ6mm，根部圆角R0.8～R1，搅拌针上设有三个斜面，三个斜面呈120°分布，斜面高度2.5～3.5mm，螺纹为梯形结构，梯形螺纹高度0.25～0.35mm，螺纹根部宽度0.2～0.25mm，锥角60°，收尾点高于斜面0～0.3mm。
9.根据权利要求8所述的一种铝合金薄板近无减薄搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：所述轴肩的结构参数与所述搅拌针的结构参数设置均针对焊接区厚度2～4mm的产品。
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