一种用于铝合金拉拔式摩擦塞焊的成型环及其焊接方法与流程

本发明涉及搅拌摩擦焊焊接技术，特别涉及一种用于铝合金拉拔式摩擦塞焊的焊接方法及配套设计的成型环。

背景技术：

搅拌摩擦焊于1991年由英国焊接研究所发明，其作为一项固相连接技术，具有热输入低、残余应力小、残余应变小等特点，被广泛的应用于航空航天、汽车和海洋工程等领域。而摩擦塞焊作为搅拌摩擦焊的进一步拓展，在修补焊接缺陷方面能发挥重要作用。随着我国航天事业的发展，我国对火箭的运力提出了更高的要求。推进剂贮箱是运载火箭的主要承载部分，由于其尺寸巨大、壁厚薄、刚性差，在焊接过程中难免出现焊接缺陷。而传统的tig焊修补方法，会导致焊接区域力学性能降低，进一步降低焊接结构的完整性。而摩擦塞焊具有残余变形小，残余应力小等特点，因此可以广泛的应用于焊接缺陷的修补工作中。

摩擦塞焊根据施加的载荷的方向不同可以分为顶锻式摩擦塞焊和拉锻式摩擦塞焊。拉锻式摩擦塞焊在焊接时无需背部支撑装置，且成本低、效率高，所以在诸如贮箱等的封闭焊接结构点状缺陷补焊和搅拌摩擦焊匙孔修补方面优势较突出。而拉锻式摩擦塞焊很容易在界面处形成未焊合的缺陷，这种缺陷很难通过调整焊接工艺参数来消除。

因此本发明根据以上问题提出了一种控制材料流动的焊接方法，主要通过特殊设计的成型环来控制材料的流动，将带有缺陷的部分挤出接头的有效厚度，从而消除摩擦塞焊的焊接缺陷。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术中的不足，根据拉锻式摩擦塞焊的焊接原理和过程，提供一种用于铝合金拉拔式摩擦塞焊的成型环及其焊接方法，采用本发明可以消除摩擦塞焊接头缺陷。

本发明所采用的技术方案是：一种用于铝合金拉拔式摩擦塞焊的成型环，所述成型环的中心通孔为两段式阶梯型孔，所述两段式阶梯型孔分为靠近待焊工件的第一阶梯部分和远离待焊工件的第二阶梯部分，所述第一阶梯部分的锥度大于所述第二阶梯部分的锥度，所述第一阶梯部分的长度小于所述第二阶梯部分的长度。

进一步地，所述第一阶梯部分的锥度为60°、长度为1.8mm。

进一步地，所述第二阶梯部分的锥度为30°、长度为8.2mm。

进一步地，所述成型环通过螺栓与支撑座进行定位与连接。

本发明所采用的另一技术方案是：一种铝合金拉拔式摩擦塞焊焊接方法，包括以下步骤：

选择塞棒直径；

将上述用于铝合金拉拔式摩擦塞焊的成型环安装在待焊工件的塞孔背面；

确定焊接总进给量。

进一步地，所述的塞棒直径的确定方法为：

塞棒在焊接时同时受到拉应力和扭矩的作用，根据公式(2)计算得到塞棒的带有安全系数的第四强度理论的理论强度[σ]：

式中，τ为最大切应力，其中，me为最大扭矩，wp为抗扭截面系数；σ为最大拉应力，其中f为最大拉力，a为塞棒截面积；n为安全系数；

在选定塞棒材料和焊接工艺参数以后，将塞棒材料的所能承受最大拉应力σ，最大扭矩me，最大拉力f以及安全系数n带入公式(2)，根据公式(2)得到塞棒直径。

进一步地，所述的焊接总进给量包括预加载进给量、焊接进给量和顶锻进给量；

所述预加载进给量由塞补焊机自身确定；

所述顶锻进给量的确定方法为：当顶锻力在20kn-50kn之间变化时，顶锻力所对应的顶锻进给量在2mm-7mm之间线性变化；

所述焊接总进给量的确定方法为：所述焊接进给量的最大值不能使塞棒接触到所述成型环、最小值需保证塞棒与成型环的交点和塞棒与塞孔的交点在同一直线上，在最大值和最小值之间调节所述焊接进给量。

本发明的有益效果是：

本发明可以提供一种摩擦塞焊的塞棒直径选择方法，以保证塞棒在焊接时不发生断裂或者变形；本发明通过设计成型环的结构可以有效的消除接头上部和下部的未焊合缺陷，从而提升生产效率以及质量；本发明提出的焊接进给量的确定方法可以帮助使用者确定焊接工艺参数，进而实现高质量的焊接。

附图说明

图1：现有摩擦塞焊中上下部分缺陷的示意图；

图2：使用传统成型环的受力情况；

图3：使用传统成型环的材料流动情况；

图4：本发明中成型环结构主视示意图；

图5：图4的a-a剖视图；

图6：本发明中成型环与支撑座的装配示意图；

图7：使用本发明成型环的受力情况；

图8：本发明焊接过程中焊接总进给量的确定。

附图标注：1、成型环；11、第一阶梯部分；12、第二阶梯部分；2、待焊工件；3、支撑座；4、塞棒；5、传统成型环。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

本发明根据拉拔式摩擦塞焊的焊接原理和过程，设计了一种可以消除摩擦塞焊接头缺陷的接头形式。拉拔式摩擦塞焊的具体焊接原理为首先塞棒4受到驱动装置带动，在高速旋转的的同时进行轴向进给，并且在这一过程中塞棒4受到一定轴向载荷。然后在塞棒4与待焊工件2的塞孔接触之后，由于摩擦产生大量焊接热输入，待焊工件2变为热塑性状态，等到材料流动充分后塞棒4停止转动，之后立即施加轴向力，使塞棒4和待焊工件2完成冶金连接。在这一焊接过程中，施加的轴向力主要作用在塞棒4和塞孔之间。而塞孔的材料绝大部分为铝合金，在大量的摩擦热的作用下很容易发生软化，进而进入塑性状态，无法和塞棒4之间产生足够的刚性接触。因此需要在塞孔的背面放置一个成型环1，通过刚性的成型环1来顶住流动的材料，使之在轴向力的作用下与塞棒4充分发生相互作用，进而形成接头。

图1为传统的摩擦塞焊的缺陷示意图，可以看出在接头的上下部分均存在未焊合的焊接缺陷，这种缺陷很难通过单一的调整工艺参数来消除。

图2为没有阶梯型孔的传统成型环5。在塞棒4旋转同时轴向进给的过程中，由于塞孔很快收到大量的摩擦热而软化，所以塞孔无法对塞棒4起到一个刚性支撑的作用。这时塞孔底部的传统成型环5由于其材料的特性(45钢)，在焊接温度下仍然可以保持刚性，所以在焊接时现有成型环1对塞棒4的支撑作用是实现焊接轴向力的最重要的途径。图2中的a点是实际上起到刚性支撑的位置，在该点的作用下，原本随着塞棒4向下运动的材料由于受到挤压，会产生流动方向的变化，即一部分向上流动，一部分向下流动。向上流动的材料会有效的填补上部接头未焊合的位置，同时将残留的焊接缺陷挤出塞孔的有效厚度。图3中箭头即表示了材料不同的流动方向。此外通过图2中a点的延长线(虚线)，可以发现塞棒4真正受到焊接轴向力f的面积只有图中的bc段。在这种情况下，真正受力的部分占塞棒4整体的比例较小，这就导致了塞棒4的受力不均匀，很容易在接头的下部出现未焊合的缺陷。此外，传统成型环5在下部没有阶梯型孔，导致了材料在向下流动时空间不足，很难流动充分，也容易在下部形成未焊合的缺陷。

图4和图5为本发明一种用于铝合金拉拔式摩擦塞焊的成型环1，所述成型环1的中心通孔为两段式阶梯型孔，所述两段式阶梯型孔分为靠近待焊工件2的第一阶梯部分11和远离待焊工件2的第二阶梯部分12，所述第一阶梯部分11的锥度大于所述第二阶梯部分12的锥度，所述第一阶梯部分11的长度小于所述第二阶梯部分12的长度。本实施例中，所述第一阶梯部分11的锥度为60°、长度为1.8mm；所述第二阶梯部分12的锥度为30°、长度为8.2mm。可通过调节所述成型环1中心通孔的锥度和深度来适应不同的材料和焊接工艺参数。

图6为所述成型环1的安装位置，所述成型环1通过四颗螺栓与支撑座3进行定位与连接。

图7为本发明的带有阶梯型孔的成型环1。首先由于阶梯型孔的存在，成型环1对塞孔的支撑点a相对于原来的支撑点更加的靠中心，这样就致使塞棒4的受力部分bc段延长，很明显在本发明成型环1的作用下塞棒4的受力面积变得更加大，塞棒4整体受力更均匀，能够有效的消除上部未焊合的缺陷。此外，由于阶梯型孔的存在，当塞棒4在轴向力的作用下向下移动时，可供塑性材料的流动的空间也加大，能大幅提升材料的流动性，保证下部的焊接质量。

在本发明中，接头的设计主要分为四部分，分别为塞棒4的直径选择、接头上部未焊合缺陷的消除、接头下部未焊合缺陷的消除以及焊接时焊接总进给量的计算。

第一部分，选择塞棒4直径，给出理论计算塞棒4直径的方法。

根据塞棒4在焊接时的受力分析，塞棒4在焊接时同时受到拉应力和扭矩的作用，因此应该用第四强度理论来进行计算。

式中，σr4为第四强度理论的理论强度，τ为最大切应力，其中，me为最大扭矩，wp为抗扭截面系数，对于实心圆柱体来说，σ为最大拉应力，其中f为最大拉力，a为塞棒4截面积。

在实际应用中，应该给予第四强度理论的理论强度一个安全系数n，那么带有安全系数的第四强度理论的理论强度[σ]应该为

在选定塞棒4材料和焊接工艺参数以后，将塞棒4材料的所能承受最大拉应力σ，最大扭矩me，最大拉力f以及安全系数n带入公式(2)，根据公式(2)预估塞棒4直径。

第二部分和第三部分，通过在待焊工件2的塞孔背面安装本上述本发明成型环1实现。

第二部分中，为消除接头上部分的未焊合缺陷，在塞孔的背面加上一个本发明成型环1。因为在焊接过程中，塞孔材料由于受到摩擦热的作用迅速软化，在没有刚性支撑的情况下无法与塞棒4进行充分的相互作用，并且在塞棒4进给时材料绝大部分都有随着塞棒4的运动向下流动，无法有效的填充接头上部，因此导致了接头上部未焊合的情况发生。而通过成型环1的刚性支撑，一方面加强了塞孔与塞棒4的相互作用，另一方面由于成型环1刚性支撑点的作用，在材料随塞棒4向下运动时，会产生材料分流的现象，即一部分材料向上流动，一部分材料向下流动，这样就能有效的填补接头上部分未焊合的缺陷。

第三部分中，为消除接头下部分的未焊合的缺陷，本发明在成型环1上设计了阶梯型孔。传统成型环5大部分为锥形孔(靠近塞棒4的一侧孔直径较大)，这样的传统成型环5在焊接过程中无法有效的支撑塞孔，同时材料塑性流动的范围也不大，很容易出现未焊合的缺陷。而本发明中的成型环1在原有的基础之上做了更优化的改进，在靠近塞棒4的一侧添加了一个锥度更大、但深度较小的阶梯型孔(如图2所示)，使得新成型环1具有阶梯型的形状。这样一来由于阶梯型孔的存在，使得刚性支撑的面积大大增加，有效的使轴向力均匀的作用在塞棒4和塞孔的接触面上。其次，阶梯孔型的成型环1加大了材料塑性流动的范围，使得塞棒4和塞孔的材料更加充分接触，也有利于将缺陷挤出有效厚度之外。这样可以有效的消除接头下部分缺陷。针对于不同材料和不同几何形状的塞棒4和塞孔，可以改变成型环1阶梯孔的深度，从而调整成型效果。

第四部分中，本发明综合塞孔以及塞棒4的几何尺寸以及焊接时的焊接参数，给出了一种焊接总进给量确定方法。

图8为焊接过程中焊接总进给量的示意图。图8的左半部分为焊接前塞棒4与塞孔的相对位置，在该位置下塞棒4与塞孔的边缘刚刚接触。图8的右半部分为焊接后位置，因此两图中塞棒4位置之差即为焊接过程中的焊接总进给量h。

焊接总进给量h包括预加载进给量、焊接进给量和顶锻进给量。在一般情况下，预加载进给量给为一个常数，这是由塞补焊机自身性质决定的，由塞补焊机自身的位移传感器给出。顶锻进给量与顶锻力之间也有一个正比关系，当顶锻力在20kn-50kn之间变化时，对应的顶锻进给量在2mm-7mm之间线性变化。在因此一旦确定了焊接材料和焊接参数，就可以大致估算出焊接进给量。而焊接总进给量的最大值不能使塞棒4接触到成型环1，这样的话塞棒4在成型环1的作用下将发生颈缩，进而断裂；最小应保证塞棒4与成型环1的交点和塞棒4与塞孔的交点在同一直线上(见图8的右半部分的虚线)，这样的话能保证塞棒4最后的停留位置能受到成型环1足够的支撑作用。因此在这个范围内调节焊接进给量，可以获得质量较高的塞焊接头。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。