箱底搅拌摩擦焊接工艺及其应用

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　　摘  要：随着我国的航天事业飞速发展，各种航天设备与相关的零部件的质量、性能与轻量化均被提升，更多的机械化先进制造技术被使用到航天器制造中，以运载火箭为例，运载火箭可支持当前的航天与太空探索事业，将各种新型飞行器推动到太空中，使其稳定地在预定轨道中运行。加工制备运载火箭时必须运用精细化手段，除了每一个加工工件，贮箱是运载火箭的关键装置。加工箱底区域时，需注重处理铝合金，该材料存在熔点低、热传导系数过大的问题，因此不少加工单位都在使用搅拌摩擦焊接技术，结合箱底加工工艺应用要求，分析运用搅拌摩擦焊接技术方法的情况。
　　关键词：贮箱箱底;搅拌摩擦焊接工艺;应用方法
　　中图分类号：V261.34       文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）10-0166-03
　　Abstract： With the rapid development of China's space industry， the quality， performance and lightweight of various space equipment and related parts have been improved， more mechanized advanced manufacturing technologies have been used in spacecraft manufacturing. Taking carrier vehicles as an example， it can support the current air and space exploration cause， launch a variety of new aircraft into space， so that it can operate stably in a predetermined orbit. Fine means must be used in the processing and preparation of launch vehicles. In addition to each machined workpiece， the tank is the key device of the carrier vehicle. When processing the bottom area of the box， attention should be paid to the treatment of aluminum alloy， which has the problems of low melting point and too large thermal conductivity， thus many processing units are using friction stir welding technology. Based on the application requirements of the box bottom processing technology， the application of friction stir welding （FSW） is analyzed.
　　Keywords： tank bottom; friction stir welding （FSW） technology; application method
　　火箭貯箱是火箭箭体关键构成部件，影响火箭运行的安全性与运载能力，其中贮箱箱底是结构最为复杂，焊缝最为集中，受力状况最为严苛的关键结构件。根据贮箱箱底的焊接工艺需求，选择合理的焊接工艺方法及参数，现分析如何将搅拌摩擦焊接工艺应用到火箭贮箱箱底的制造环节中，探讨椭球底的搅拌摩擦焊接工艺应用方法。
　　1 箱底搅拌摩擦焊接特点
　　我国当前的运载火箭贮箱箱底生产中使用的焊接手段主要为TIG焊接技术，但是航天高强铝合金融焊存在接头强度低、焊后容易产生裂纹、焊接应力大、一次性合格率低等问题，导致最终获取的贮箱箱底的质量水平比较低。为了保障贮箱的整体性能，箱底焊接改进传统焊接工艺技术，开发出搅拌摩擦焊接技术，技术人员可启用自动化的焊接处理模式，箱底结构处可以保持良好的焊接性能，一次单面焊接后可焊透铝合金材料，不容易出现变形的问题，最终可取得良好的箱底焊接效果。
　　铝合金的搅拌摩擦焊的技术已应用到很多行业，例如飞行器制造、船舶以及新能源汽车等，该焊接技术属于固态连接技术，与传统铝合金融焊接技术相比，应用相应的焊接工具时，焊接现场并不会产生过于严重的烟尘飞溅情况，焊接人员不需要在焊接处理过程中运用过多的保护气体或者焊丝，在贮箱加工过程中使用该焊接技术方法时，接头处并不会产生明显的裂纹与气孔缺陷，普通的焊接手段会受到箱底处安装的轴类零件的影响，在焊接直焊缝时也可使用该技术。该种焊接方法还具有绿色节能的优势，对于焊接人员的技术水平无过高的要求，焊接处理前不需消耗大量的时间来启用焊接系统，处理有色金属类材料的焊接工作时，可直接使用该种焊接系统，熔焊处理过程中容易出现的技术缺陷都可有效避免，焊接活动结束后，接头处的应力偏小，无变形焊接板件的加工目的可达成。同时处理多种材料以及工件时也能够使用这种高效的混合式焊接手段。
　　2 项目研究背景概述
　　该项目的创设时间为2014年1月至2015年11月，中国航天科技集团公司长征机械厂的公司为完成国家某战略号发射设备的贮箱加工生产任务，启用长征机械厂提供的搅拌摩擦焊接系统，加工制造核心设备。主管设计师需负责选用加工项目中所使用的焊接技术，同时还要规划加工项目，针对设备加工要求，落实前期调研活动，优化后期加工方案，完成关键零部件的设计与加工，确定焊接工具设备，项目产值为1950万元，预设加工周期为22个月。 　　3 箱底搅拌摩擦焊接技术
　　3.1 技术运用原理
　　我们常说的搅拌摩擦焊接工艺，实际上也是一种固相连接的手段，但是却和一般的摩擦焊接有所区别，特别之处在于它的焊接热源主要来自于搅拌工具以及工件之间的摩擦。当我们实际运用搅拌摩擦焊接技术的时候，首先，需要让工件可以紧紧地放置在焊接平台上，随后，搅拌焊头会以极快的速度进行转动，同时把搅拌焊针插进工件的接缝处，周而复始，以搅拌焊头的肩部和工件的外表完全贴合为止。搅拌焊针快速运转时会和其周围母材摩擦，由此生成的热量，此外，搅拌焊头的肩部以及工件外表摩擦也会生成热量，在此两种热量共同作用之下，会导致接缝处材料产生改变，也就是塑性流变，另当搅拌焊头在不断旋转时，它还会绕着焊缝和工件作相对运动，而之前受到塑性流变而生成的材料会被迫向后移动，直至挤压到搅拌焊头前进方向的最后部分，由此一来，受到挤压的塑性金属流会再一次结合生成固相焊缝[1]。
　　3.2 焊接技术应用难点
　　克服箱底部位搅拌摩擦焊接技术应用难点，以本次需要加工的薄壁型箱底为例，首先需要保障装配精度，使用搅拌摩擦焊接技术时，不需额外应用填充材料，焊接参数对于装配精度的条件比较严格。箱底部位的直径通常情况下不会超过3350mm，然而其焊接厚度却只能是8mm左右，无法达到一般成型的钣金零件的装配精度要求，装配箱底的特殊零部件时，应当使用特殊的控制方法。针对圆环纵缝的焊接处理任务时，需重视轨迹控制工作，使用数控系统代替人力控制，保障焊缝的焊接质量，调整焊缝工具的位置时，必须注意保持切向相对角度与被焊接工件的相对位置的一致性。叉形环与圆环的过程中，环焊缝应当呈现出完整的闭合环焊缝，焊接至起点时搅拌针开始回程，在大约越过起点300mm左右，搅拌针完全缩回轴肩内部，焊接机头在进给轴的带动下抬起，焊缝表面搅拌针留下凹点最低点高于正常焊缝表面，后续采用磨光机打磨平整，进行相控阵、X光等检测。
　　3.3 技术应用建议
　　箱底的主要材料包括2219-T87/2A14铝合金，厚度在4到12mm之间，主体焊缝包括瓜瓣纵缝、叉形环环缝、顶盖环缝、叉形与短壳环锁底焊缝。零件状态下顶盖法兰盘环缝，瓜瓣法兰环缝。焊接直径为3350mm的贮箱需开发搅拌摩擦焊接技术系统，箱底形状为椭圆形，焊接人员需对主要承力的箱底焊缝展开精准焊接，使用的焊接工具设备应满足搅拌摩擦焊的技术应用要求，需要开发具有空间焊接能力的设备、同时其单轴肩需具备可回抽搅拌摩擦焊的能力的主轴，主轴系统应持有双轴肩摩擦焊接的能力。
　　开发具有原位铣切能力工装，开发普通搅拌摩擦焊接工具、环缝焊接用回抽式搅拌摩擦焊接搅拌针，开发搅拌摩擦焊接工艺、搅拌摩擦焊接自动控制系统。
　　焊接箱底时需注意保持加工流程的标准化特点。首先应当完成瓜瓣拉伸成型任务，形成圆环与顶盖的瓜瓣形状时，应拉伸板材，利用整体机设备加工变截面部位的型材框，采用搅拌摩擦焊接手段将各种零件拼焊在箱底处，结合贮箱的结构特点调整加工过程。拼焊4个瓜瓣部件，形成完整的圆环，而后按照顺序焊接其他的部件拼焊处理工作，通过无匙孔处理技术焊接环焊缝。
　　控制箱底各处焊缝的质量时，需找出并控制影响焊缝质量的因素。搅拌式焊头的形状必须保持合化，对于焊接区域的摩擦产热功率来说，焊头能够有效提高其水平标准，而热塑性原料能够维持流动的状态，焊接处理处也能够完成更强的工艺性。可选用的焊头主要包括螺旋形、圆锥形与圆柱形，针对不同类型的焊缝时，可分别选择相对应的焊头。螺旋形的焊头处于旋转的运行状态时，可带去更多向下的锻造力，焊合金属材料的效果比较突出。本次加工中使用频次最高的焊头为圆形焊头，其由搅拌焊针、肩部与夹持部分共同构成，肩部的尺寸与搅拌焊针均会给最后的焊缝质量带去影响。先对这两种重要影响因素的控制工作展开研究。
　　众所周知，搅拌摩擦焊是一种非填充固相焊，因此对于焊接质量来说，焊接装配质量的高低会产生直接影响。出于确保装配精度的目的，针对箱底所有零件焊接边全都运用机械加工[1]。当处于压紧状态的时候，会运用专门的铣边机对于顶盖以及瓜瓣进行加工，至于型材框，会选择在校圆状态之下开展加工工序，而对于圆环上以及下端边，则是会选择当模胎上出于压紧状态之时进行加工。对于4条焊接装配而言，会运用压条把两边的瓜瓣压紧实，出于把控圆环上下端边周长的目的，会把每一瓜瓣上、下端边压紧，直到紧贴模胎为止。首先进行圆环拼焊，焊接过程由设备主机通过三轴联动实现，对箱底来说，4条焊缝通过强度的测试也是其可不可以满足使用要求的审核，把内压承受能力测验设置在专用设备以及工艺设备上，而且运用的方式是加水压。以产品技术条件作为基础，测试箱底的液压强度，控制在0.255MPa，当处于保压状态时开展检查工作，没有发觉渗漏情况，说明箱底符合使用要求。
　　搅拌摩擦焊接加工活动展开后，加工的工件与焊针之间保持持续的摩擦，生成大量的热量，如果焊针的直径尺寸比较大，焊接处的断面面积也会随之增加，热影响的范围被扩宽，向前移动焊针时，焊头受到的阻力也随之增加。如果使用的焊针尺寸不够大，那么因为摩擦而生产的热量也跟着变少，由此会降低热塑性加工材料的总体流动性，向前移动焊针时，侧向挤压力也因此而缩减，焊缝组织的原有致密性将会被破坏，结合焊头应用实验，使用的焊针的直径尺寸应当为加工工件的厚度1倍左右，各类箱底焊缝的质量可被提升。
　　肩部尺寸同样会给最终设置的焊缝产生质量层面的影响。焊头肩部主要可以对焊接部位溢出的塑变金属产生溢出作用，增加输入的热量。工件与焊头摩擦之后也会形成一定的热量。一旦肩部尺寸数值超出预计，那么会导致总体热输入量也跟着变多，从而扩大热影响区范围，甚至会導致箱底处的工件变形;然而若是肩部尺寸太小，如果想要保障获取足够的热输入量，必须增加搅拌焊头的旋转速度，降低焊接处理效率。测定具有不同直径的焊头进行焊接之后，对施焊信息加以采集，对比焊缝的质量与处理情况，焊针直径与肩部直径呈现出1：3的比例时，可获取最佳施焊效果。 　　保障箱底焊缝质量时，还必须考察焊接速度与旋转速度给焊缝质量的影响，如果旋转焊头的速度过快或者焊接加工的速度过慢，焊缝处的热输入量也就变得更高，焊接部位容易出现金属过热的问题，焊缝成形需要更长的时间，质量也比较差，焊缝表面还会生成沟槽。通过拉伸试验可确定焊接材料的金相组织与力学性能之间的联系，运用正确的焊接处理方法，焊接接头的可保持更强的抗拉强度。
　　因为焊缝区出现晶粒细化情况，导致出现组织致密，由此使得热影响区跟熔化焊相比时窄，不仅如此，焊接全程没有出现合金元素烧损的情况，而且杂质偏析，焊缝内部不可能出现裂纹以及气孔等不足，因此在综合性能方面搅拌摩擦焊焊接接头是不错的[2]。相比于氢弧焊，它接头的抗拉强度能够远超出15%-20%，不仅延伸率能够增加1倍，断裂韧性还可以提升30%。而且当接头处于焊态的时候，它焊缝处的硬度值会比母材低很多;不仅如此，对于焊后受到低温退火处理过的试样而言，焊缝处的硬度会比母材稍微高一点;这是因为经过冷轧后生成的纯铝板材，在经过轧制以后会产生冷作硬化作用，此外，搅拌摩擦焊会导致焊缝处不再出现硬化作用。通过焊接接头的金相组织来看，可以得知相比于母材组织，焊缝处的晶粒会显得细小匀称。焊缝以及母材组织之间不存在显著的过渡，只剩下比较窄的热影响区[3]。
　　4 结论
　　本文以某工程为研究背景，在加工贮箱箱底时使用了新型搅拌摩擦焊接技术，该种焊接手段于上世纪90年代被英国焊接研究所开发与应用，主要焊接熔点低的合金材料，能够满足贮箱箱底的绿色化加工要求，航空高强铝合金材料能够被高效焊接，焊接箱底部件时不会受到轴零件的干扰。经过相控阵、X光无损检测，箱底焊缝处并无质量缺陷，满足相应的焊接工艺技术应用标准，经由强度试验可确定其强度满足设计要求。该项目在22个月内完成，不存在逾期问题，创收了极高的项目产值，因此可知搅拌工艺在火箭贮箱加工活动中的可用性，该技术值得在航天机械加工产业中被推广。
　　参考文献：
　　[1]郝云飞，厉晓笑，魏瑞刚，等.搅拌摩擦焊技术在弹箭体贮箱锁底环缝上的应用[J].宇航材料工艺，2017（3）.
　　[2]汤化伟，张聃，封小松，等.搅拌摩擦焊工艺参数对锁底接头性能的影响[J].电焊机，2017（11）：107-109.
　　[3]劉昊含.搅拌摩擦焊接技术的应用及存在的问题[J].科学家，2017（5）：46.
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