专利名称：N段曲母线铝合金回转体部件的焊接工装及焊接方法
技术领域：
本发明涉及搅拌摩擦焊领域，特别是一种用于N段曲母线铝合金回转体部件的焊接工装及焊接方法。
背景技术：
曲母线形回转体是航天产品上重要舱段，随着型号产品的发展，此类零件需求量越来越大，精度要求也越来越高。对多段铝合金回转体常规的焊接方法是熔焊，该方法焊接成形时具有变形大、焊缝质量难以保证、生产效率低等缺点，很难满足航天产品焊缝质量及生产效率的要求。搅拌摩擦焊接是由英国焊接研究所(TWI)于1991年发明，它是一种绿色的固相连接技术，与传统的熔焊相比，具有焊接变形小，无污染，且焊缝不会出现裂纹、咬边等熔焊常见的缺陷，特别适合铝合金的焊接。虽然搅拌摩擦焊技术相对熔焊具有一定的优势，但搅拌摩擦焊对铝合金回转体部件的装配、工装与部件的定位、搅拌摩擦焊接过程控制等要求十分严格，若以上因素控制不到位，则会出现焊接变形过大且无法获得良好的焊缝接头。
搅拌摩擦焊方法与常规摩擦焊原理相同，搅拌摩擦焊也是利用摩擦热作为焊接热源。不同之处在于，搅拌摩擦焊焊接过程是由一个圆柱体形状的焊头(welding pin)伸入工件的接缝处，通过焊头的高速旋转，使其与焊接工件材料摩擦，从而使连接部位的材料温度升高软化。同时对材料进行搅拌摩擦来完成焊接的。在焊接过程中，焊头在旋转的同时伸入工件的接缝中，旋转焊头与工件之问的摩擦热，使焊头前面的材料发生强烈塑性变形， 然后随着焊头的移动，高度塑性变形的材料流向焊头的背后，从而形成搅拌摩擦焊焊缝。搅拌摩擦焊对设备的要求并不高，最基本的要求是焊头的旋转运动和工件的相对运动，即使一台铣床也可简单地达到小型平板对接焊的要求。但对于夹具的刚性要求极高。焊头一般采用工具钢制成，焊头的长度一般比要求焊接的深度稍短应该指出，搅拌摩擦焊缝结束时在终端留下个匙孔。通常这个匙孔可以切除掉，也可以用其它焊接方法封焊住。
中国专利200910172144. 4公开了 “一种搅拌摩擦焊接圆形环缝的方法”，可以提高回转体焊缝强度，且无匙孔，外形美观，但是回转体的装夹特别是薄壁回转体的装夹焊接仍较为困难。发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供N段曲母线铝合金回转体部件的焊接工装及焊接方法，可以解决铝合金回转体部件焊接应用上存在的不足，以提高产品的焊缝质量和生产效率。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是一种N段曲母线铝合金回转体部件的焊接工装，包括驱动定位盘，驱动定位盘上设有回转体尾端固定装置，驱动定位盘与用于支撑工件的筒身连接，筒身与端头轴连接；
所述的端头轴与中心架活动连接，中心架下方设有支架。
所述的筒身上与工件焊缝相对应位置设有焊缝支撑环。
所述的回转体尾端固定装置中，多个“L”形架成圆周分布在驱动定位盘的端面上， “L”形架上设有螺钉。
所述的端头轴上设有轴向锁紧螺母。
所述的中心架上设有通孔，端头轴位于该通孔内，通孔壁上按圆周均布多个定中螺栓。
中心架与支架之间或者还设有用于调整工件轴线倾角的可拆卸支架。
一种应用上述工装的焊接方法，包括以下步骤
一、以过盈配合装配各段工件的步骤；
二、定位整体工件的步骤工件的尾端以回转体尾端固定装置紧固，工件的首端以轴向锁紧螺母锁定；
三、搅拌摩擦焊接步骤先用定位焊搅拌焊头在每条焊缝处断续定位焊；然后采用正式焊接用搅拌焊头在每条焊缝处焊接成形；
通过上述步骤实现N段曲母线铝合金回转体部件的焊接。
优化的方案中，各条相邻焊缝处的匙孔在圆周上相对布置。
优化的方案中，在步骤三中，通过可拆卸支架使搅拌焊头主轴与焊缝所在铝合金回转体曲母线的切线垂直。
优化的方案中，还包括以下步骤
四、退火步骤；
五、热校形步骤在在每条焊缝的收焊匙孔对侧处采用钨极氩弧焊TIG堆焊，以校正铝合金回转体的挠曲变形；
六、外形加工步骤机械加工去除铝合金回转体表面各处堆焊余量以及首端的工艺凸台；
通过上述步骤确保N段曲母线铝合金回转体部件的外形精度。
本发明提供的一种N段曲母线铝合金回转体部件的焊接工装及焊接方法，明确了铝合金回转体部件的装配、工装与铝合金回转体的定位、搅拌摩擦焊以及焊后变形控制的工艺要求，并通过特制的工装夹持铝合金回转体，为铝合金回转体提供可靠支撑，确保在焊接时不会产生形变，特别是可拆卸支架的设置，确保了曲母线铝合金回转体曲线部位的焊缝质量，从而保证了整体的搅拌摩擦焊缝质量。本发明简单实用、实施方便，特别适用于多段曲母线铝合金回转体部件的焊接成形，同时也提高了生产效率。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明
图1为本发明中工装的主视图。
图2为本发明中工装的右视图。
图3为铝合金回转体部件的装配示意图。
图4为回转体中段与尾端搭接环缝焊接示意图。
图5为回转体首端与中段搭接环缝焊接示意图。
图6为图1中A处的局部放大图。
图7为图1中B处的局部放大图。
图8为回转体中段与尾端搭接焊缝宏观组织形貌。
图9为搭接焊缝焊核显微组织形貌。
图10为搭接焊缝焊核与母材过渡区的显微组织形貌。
图中驱动定位盘1，筒身2，焊缝支撑环3，端头轴4，“L”形架5，螺钉6，轴向锁紧螺母7，中心架8，支架9，紧固件10，可拆卸支架11，回转体首端12，回转体中段13，回转体尾端14，圆环凸台15，工艺凸台16，搅拌摩擦焊头17。
具体实施方式
如图1、图2和图5所示，一种N段曲母线铝合金回转体部件的焊接工装，包括驱动定位盘1，驱动定位盘1上设有回转体尾端固定装置，驱动定位盘1与用于支撑工件的筒身 2连接，筒身2与端头轴4连接；
如图1中，所述的端头轴4与中心架8活动连接，中心架8下方设有支架9，中心架 8与支架9之间通过紧固件10连接。如图2中，所述的中心架8上设有通孔，端头轴4位于该通孔内，通孔壁上按圆周均布多个定中螺栓。通过调节定中螺栓使端头轴4与驱动定位盘1的轴线重合。
如图1中，所述的筒身2上与工件焊缝相对应位置设有焊缝支撑环3。
如图1、图2、图6中，所述的回转体尾端固定装置中，多个“L”形架5成圆周分布在驱动定位盘1的端面上，“L”形架5上设有螺钉6。装夹时回转体尾端14插入到“L”形架5与筒身2之间的缝隙中，然后紧固螺钉6，即可定位回转体尾端14。
如图1、图4和图5中，所述的端头轴4上设有轴向锁紧螺母7。调节轴向锁紧螺母7用于锁紧整个工件，此处的工件即指曲母线铝合金回转体。
如图5、图7中，中心架8与支架9之间或者还设有用于调整工件轴线倾角的可拆卸支架11。从而使搅拌焊头主轴与焊缝所在铝合金回转体曲母线的切线垂直。
一种应用上述工装的焊接方法，包括以下步骤
一、以过盈配合装配各段工件的步骤；
如图3所示，铝合金回转体由首端12、中段13和尾端14三个部件组成，材料牌号为5A06铝合金，部件壁厚为8mm，回转体首端12和回转体中段13焊缝搭接位置装配的直径分别为370=:^^37011，回转体中段13和回转体尾端14焊缝搭接位置装配的直径分别为52411和524=，各段曲母线铝合金回转体部件的装配过盈量为0. Imm 0. 3mm，然后利用冲床压装各段曲母线铝合金回转体部件的配合部位，构成铝合金回转体，在本例中长度为 1650mm，压装速度为3mm/s ；各段曲母线铝合金回转体部件的凹配合面具有圆环凸台15，如图3、图7中所示，首端曲母线铝合金回转体部件端部具有工艺凸台16。
二、定位整体工件的步骤工件的尾端以回转体尾端固定装置紧固，工件的首端以轴向锁紧螺母7锁定；
先将工装的驱动定位盘1通过螺钉连接在搅拌摩擦焊机的环缝驱动设备上，再将组装好的铝合金回转体套装在工装上，铝合金回转体内各段圆环凸台与工装的焊缝支撑环 3间隙为0. 4mm 0. 6mm，利用工装驱动定位盘1端面上“L”形架5的螺钉6压紧铝合金回转体尾端14，防止铝合金回转体与工装的相对滑动，然后通过图1中的轴向锁紧螺母7锁紧铝合金回转体首端12的工艺凸台16，将铝合金回转体与工装牢固的连在一起，从而实现铝合金回转体与工装的整体运动。
三、搅拌摩擦焊接步骤先用定位焊搅拌焊头在每条焊缝处断续定位焊；然后采用正式焊接用搅拌焊头在每条焊缝处焊接成形；
本例中的铝合金回转体有二条焊缝，先用定位焊搅拌焊头在每条焊缝处断续定位焊，每段焊缝长度在本例中为60mm 80mm，通常每段定位焊缝长度为整条焊缝长度的 3%-5%。然后采用定位焊搅拌焊头在每条焊缝处连续焊接，最后采用正式焊接用搅拌焊头在每条焊缝处焊接成形，正式焊接用搅拌焊头的搅拌针长度比搭接深度长0. 1-0. 3mm ；优化的方案中，各条相邻焊缝处的匙孔在圆周上相对布置。在本例中，即两条焊缝处收焊处匙孔在圆周上均勻分布，在圆周上投影的夹角为180°。
通过上述步骤实现N段曲母线铝合金回转体部件的焊接。
优化的方案中，在步骤三中，通过可拆卸支架11使搅拌焊头主轴与焊缝所在铝合金回转体曲母线的切线垂直。
焊接时要求搅拌摩擦焊机的搅拌焊头主轴与焊缝所在铝合金回转体曲母线的切线垂直。回转体中段13和回转体尾端14搭接焊缝处外形曲母线的切线角度为0°，其焊接状态如图4所示；当焊缝位于铝合金回转体曲母线位置时，由于回转体首端12和回转体中段13搭接焊缝处外形曲母线的切线角度为14°，通过工装上的可拆卸支架11调整铝合金回转体轴向倾斜角度为14°，使得焊缝所在铝合金回转体曲母线的切线与搅拌头主轴垂直，如图5所示；本例中的可拆卸支架11的倾斜角度为14°，但是这不应视为对于本专利的限制，根据铝合金回转体搭接焊缝处外形曲母线曲率的不同，可拆卸支架11的倾斜角度亦随之变化，可拆卸支架11可以是固定一个角度的，也可以是采用铰链装置而可调的。
优化的方案中，还包括以下步骤
四、退火步骤；
焊接完毕后，将工装与铝合金回转体整体从搅拌摩擦焊机环缝设备上拆下，将图1 中螺钉6拧松，利用三抓拉马勾住铝合金回转体首端的工艺凸台16，将铝合金回转体与工装一起进行退火处理，温度为190-210°C，在退火过程中，由于工装(钢件)与铝合金回转体的热膨胀系数不同以及铝合金回转体的自重，铝合金回转体在热处理过程中在三抓拉马预顶力的作用下脱离工装；
五、热校形步骤在每条焊缝的收焊匙孔对侧处采用钨极氩弧焊TIG堆焊，以校正铝合金回转体的挠曲变形；保证铝合金回转体的同轴度不大于1. 5mm ；
六、外形加工步骤机械加工去除铝合金回转体表面各处堆焊余量以及首端的工艺凸台16；
通过上述步骤确保N段曲母线铝合金回转体部件的外形精度。
为了进一步验证本发明的有益效果，对两条环形焊缝进行了 X射线和超声检测， 检测结果均未发现超标缺陷；此外还截取中段和尾端的搭接焊缝进行金相检测，焊缝的金相组织见图8 图10。图8为焊缝宏观组织形貌，焊缝组织致密；图9为图8中焊核的显微组织形貌，焊核晶粒细小；图10为图8中焊核与母材过渡区的显微组织形貌，过渡区较窄。
权利要求
1.一种N段曲母线铝合金回转体部件的焊接工装，包括驱动定位盘(1)，其特征在于 驱动定位盘(1)上设有回转体尾端固定装置，驱动定位盘(1)与用于支撑工件的筒身(2)连接，筒身(2)与端头轴(4)连接；所述的端头轴(4)与中心架(8)活动连接，中心架(8)下方设有支架(9)。
2.根据权利要求1所述的一种N段曲母线铝合金回转体部件的焊接工装，其特征在于 所述的筒身(2)上与工件焊缝相对应位置设有焊缝支撑环(3)。
3.根据权利要求1所述的一种N段曲母线铝合金回转体部件的焊接工装，其特征在于 所述的回转体尾端固定装置中，多个“L”形架(5)成圆周分布在驱动定位盘(1)的端面上， “L”形架(5)上设有螺钉(6)。
4.根据权利要求1所述的一种N段曲母线铝合金回转体部件的焊接工装，其特征在于 所述的端头轴(4)上设有轴向锁紧螺母(J)。
5.根据权利要求1所述的一种N段曲母线铝合金回转体部件的焊接工装，其特征在于 所述的中心架(8)上设有通孔，端头轴(4)位于该通孔内，通孔壁上按圆周均布多个定中螺栓。
6.根据权利要求1所述的一种N段曲母线铝合金回转体部件的焊接工装，其特征在于 中心架(8)与支架(9)之间或者还设有用于调整工件轴线倾角的可拆卸支架(11)。
7.一种应用权利要求1-6任一项所述的工装的焊接方法，其特征在于包括以下步骤一、以过盈配合装配各段工件的步骤；二、定位整体工件的步骤工件的尾端以回转体尾端固定装置紧固，工件的首端以轴向锁紧螺母(7)锁定；三、搅拌摩擦焊接步骤先用定位焊搅拌焊头在每条焊缝处断续定位焊；然后采用正式焊接用搅拌焊头在每条焊缝处焊接成形；通过上述步骤实现N段曲母线铝合金回转体部件的焊接。
8.根据权利要求7所述的焊接方法，其特征在于各条相邻焊缝处的匙孔在圆周上相对布置。
9.根据权利要求7所述的焊接方法，其特征在于在步骤三中，通过可拆卸支架(11)使搅拌焊头主轴与焊缝所在铝合金回转体曲母线的切线垂直。
10.根据权利要求7所述的焊接方法，其特征在于还包括以下步骤四、退火步骤；五、热校形步骤在在每条焊缝的收焊匙孔对侧处采用钨极氩弧焊TIG堆焊，以校正铝合金回转体的挠曲变形；六、外形加工步骤机械加工去除铝合金回转体表面各处堆焊余量以及首端的工艺凸台(16);通过上述步骤确保N段曲母线铝合金回转体部件的外形精度。
全文摘要
一种N段曲母线铝合金回转体部件的焊接工装，包括驱动定位盘，驱动定位盘上设有回转体尾端固定装置，驱动定位盘与用于支撑工件的筒身连接，筒身与端头轴连接；所述的端头轴与中心架活动连接，中心架下方设有支架。一种应用所述的工装的焊接方法，包括以下步骤一、以过盈配合装配各段工件的步骤；二、定位整体工件的步骤三、搅拌摩擦焊接步骤先用定位焊搅拌焊头在每条焊缝处断续定位焊；然后采用正式焊接用搅拌焊头在每条焊缝处焊接成形；通过上述步骤实现N段曲母线铝合金回转体部件的焊接。本发明简单实用、实施方便，特别适用于多段曲母线铝合金回转体部件的焊接成形，同时也提高了生产效率。
文档编号B23K20/12GK102500916SQ20111033524
公开日2012年6月20日 申请日期2011年10月30日 优先权日2011年10月30日
发明者乔凤林, 吕建刚, 唐众民, 李宝华, 鄢江武 申请人:国营红阳机械厂