一种2219/3A21异种铝合金套接结构焊接方法与流程

本发明涉及一种2219/3a21异种铝合金套接结构焊接方法，属于金属材料及工艺技术领域，用于上面级贮箱口盖与表面张力管理装置(pmd)及其类似结构的可靠连接，该方法是指将两个管状结构套接在一起后进行端部封焊，两个管状结构中的一个的外径与另一个的内径相匹配。

背景技术：

上面级贮箱位于火箭顶端，用于深空探测、高轨道卫星发射，应用在长征三号系列火箭上。上面级贮箱由前底、筒段、后底和口盖等部件焊接组成。其中，液体推进剂管理装置(pmd)出液口与箱体口盖焊缝为2219(外)+3a21(内)异种铝合金套接形式，焊缝最小直径28mm。

该焊接结构形式如图1，外部为2219铝合金，内部为3a21铝合金，目前工艺为电子束(不填丝)焊接。焊缝焊接裂纹一般出现在靠近收弧部分的焊缝中心位置，沿焊缝走向，长度一般为20-40mm，有时会更长，甚至达到一圈，。这种结构是化学成分、熔点相差较大的异种铝合金(2219+3a21)焊接，非常容易在焊缝中心附近出现裂纹，而且裂纹长度一般较长。

试验分析结果表明：2219/3a21异种铝合金焊接后，由于元素成分差异导致焊缝成分cu含量显著减少，al-cu合金中cu元素含量落入了裂纹敏感区间，焊接裂纹敏感性会大大增加。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种2219/3a21异种铝合金套接结构焊接方法，该方法采用高能束焊接方法，解决了2219铝合金与3a21铝合金套接结构容易出现焊接裂纹的问题。

本发明的技术解决方案是：

一种2219/3a21异种铝合金套接结构焊接方法，该方法的步骤包括：

(1)在2219铝合金管的焊接面上且位于焊口位置处加工一环形凸台；

(2)清洗2219铝合金管和3a21铝合金管，并烘干；

(3)将加工有凸台的2219铝合金管套在3a21铝合金管外部，2219铝合金管和3a21铝合金管之间形成焊缝；

(4)用高能电子束焊的方法或激光焊的方法进行焊接，焊接时，高能电子束的束流位于焊缝中心或光束位于焊缝中心，完成2219/3a21铝合金管的焊接。

所述的步骤(2)中，2219铝合金管的内径与3a21铝合金管的外径相匹配。

所述的步骤(2)中，2219铝合金管的焊接面与3a21铝合金管的焊接面齐平。

所述的步骤(1)中，2219铝合金管的内径d2为10-50mm，外径d3为20-60mm，所述的步骤(2)中，3a21铝合金管内径d1为1-10mm，外径d2为10-50mm。

所述的步骤(3)中，2219铝合金管和3a21铝合金管之间成形的焊缝的直径为d2为10-50mm。

所述的步骤(1)中，环形凸台为一空心圆柱，设该空心圆柱的内半径为r1，外半径为r2，即该空心圆柱的内径为2r1，外径为2r2，且焊缝的直径为d2与环形凸台的外径2r2一致，该空心圆柱的高a为0.5-3mm。

2219铝合金管的焊接面上的环形凸台的径向厚度b＝r2-r1，b为0.5-3mm。

所述的步骤(1)中，环形凸台的材料为2219铝合金。

所述的步骤(4)中，采用激光焊的方法进行焊接时，参数如下：光斑直径0.3～0.5mm，离焦量-5mm～5mm，激光功率1800～2500w，焊接速度15～25mm/s。

所述的步骤(4)中，采用高能电子束焊的方法进行焊接时，参数如下：加速电压60～80kv，焊接束流12～18ma，离焦量0～-2mm，焊接速度15～25mm/s。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)通过特殊的焊接结构设计配合高能束焊接工艺，改变了采用一般焊接结构和焊接工艺得到的焊缝的组织成分，很好抑制了焊接裂纹倾向，提高了焊接质量。高能束中心位于焊缝中心，这样两侧基材金属熔化形成焊缝，但因为2219一侧有凸台结构，而3a21一侧没有，所以由2219铝合金凸台熔化可以使焊缝中的cu含量显著提高，以达到抑制焊接裂纹的目的。

(2)本发明属于金属连接领域，一种将2219/3a21异种铝合金套接接头进行可靠连接的方法。该方法通过合理的焊接结构形式设计及特定的焊接工艺，有效避免了常规方法焊接导致的焊接裂纹问题，用本方法能完全实现该异种铝合金结构的可靠焊接。

附图说明

图1为2219/3a21异种铝合金套接结构(端部无环形凸台)；

图2为2219/3a21异种铝合金套接结构(端部有环形凸台)。

具体实施方式

一种2219/3a21异种铝合金套接结构焊接方法，该方法是将2219铝合金管套在3a21铝合金管外部，且2219铝合金管的内径与3a21铝合金管的外径相匹配；该方法的步骤包括：

(1)在2219铝合金管的焊接面上且位于焊口位置处加工一环形凸台；

(2)清洗2219铝合金管和3a21铝合金管，并烘干；

(3)将加工有凸台的2219铝合金管套在3a21铝合金管外部，2219铝合金管和3a21铝合金管之间形成焊缝，且2219铝合金管的焊接面与3a21铝合金管的焊接面齐平，即2219铝合金管上的凸台高于3a21铝合金管的焊接面；

(4)用高能电子束焊的方法或激光焊的方法进行焊接，焊接时，高能电子束的束流位于焊缝中心或光束位于焊缝中心；

所述的步骤(1)中，2219铝合金管的内径d2(10-50mm)，外径d3(20-60mm)；

所述的步骤(2)中，3a21铝合金管内径d1(1-10mm)，外径d2(10-50mm)；

所述的步骤(3)中，2219铝合金管和3a21铝合金管之间成形的焊缝的直径为d2(10-50mm)；

所述的步骤(1)中，2219铝合金管的焊接面上的环形凸台的高度a(0.5-3mm)，径向厚度b(0.5-3mm)；环形凸台的材料为2219铝合金；

所述的步骤(4)中，采用激光焊的方法进行焊接时，参数如下：光斑直径0.3～0.5mm，离焦量-5mm～5mm，激光功率1800～2500w，焊接速度15～25mm/s；

所述的步骤(4)中，采用高能电子束焊的方法进行焊接时，参数如下：加速电压60～80kv，焊接束流12～18ma，离焦量0～-2mm，焊接速度15～25mm/s。

对上述焊接后的焊缝进行焊缝漏率检测，结果为焊缝具有良好的气密性能，氦质谱漏率≤6.7×10^-7pa.m³.s^-1。

一种2219/3a21异种铝合金焊接结构形式及高能束焊接方法，用于2219铝合金材料的贮箱法兰与3a21铝合金材料的pmd管理装置进行可靠连接，套接结构的外层材料为2219铝合金，内层材料为3a21铝合金，在环形焊缝外侧设置一圈环形凸台，内外层结构套接一起后形成环形焊缝。通过高能束焊接将二者焊接起来，形成可靠焊缝。包括焊接结构形式设计和焊接工艺方法。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

1、加工2219和3a21零件焊接接口，前者环形凸台截面尺寸a＝b＝0.5mm，如图2所示，后者保持无环形凸台状态；

2、对2219和3a21零件进行除油、清洗、烘干处理；

3、进行装配；

4、采用激光焊接，参数如下：光斑直径0.3～0.5mm，离焦量-5mm～5mm，激光功率1800～2500w，焊接速度15～25mm/s；

5、检查焊缝质量并检测焊缝漏率，漏率≤6.7×10^-7pa.m³.s^-1。

实施例2

1、加工2219和3a21零件焊接接口，前者环形凸台截面尺寸a＝b＝1.0mm，后者保持无环形凸台状态；

2、对2219和3a21零件进行除油、清洗、烘干处理；

3、进行装配；

4、采用电子束焊接，参数如下：加速电压60～80kv，焊接束流12～18ma，离焦量0～-2mm，焊接速度15～25mm/s；

5、检查焊缝质量并检测焊缝漏率，漏率≤6.7×10^-7pa.m³.s^-1。