攪拌摩擦焊技術(shù)在彈箭體貯箱鎖底環(huán)縫上的應(yīng)用

郝云飛 厲曉笑 魏瑞剛 馬建波 王 凱

(首都航天機(jī)械公司,北京 100076)

攪拌摩擦焊技術(shù)在彈箭體貯箱鎖底環(huán)縫上的應(yīng)用

郝云飛 厲曉笑 魏瑞剛 馬建波 王 凱

(首都航天機(jī)械公司,北京 100076)

文 摘 明確了攪拌摩擦焊技術(shù)應(yīng)用于貯箱鎖底環(huán)縫需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。首先對(duì)熔焊鎖底接頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行了攪拌摩擦焊工藝適應(yīng)性設(shè)計(jì)，取消了背部焊漏槽和正面焊接坡口。結(jié)果表明：當(dāng)叉形環(huán)位于焊縫前進(jìn)側(cè)，攪拌針長(zhǎng)度與短殼板材厚度相當(dāng)時(shí)鎖底接頭力學(xué)性能最優(yōu)。鎖底接頭超聲相控陣分析結(jié)果表明：存在于裝配界面與焊核交界處的信號(hào)顯示可以不當(dāng)作缺陷信號(hào)判讀。提出了采用立式帽裝方式實(shí)現(xiàn)鎖底環(huán)縫的裝配焊接方案，并研制了可以保證鎖底環(huán)縫裝配間隙、錯(cuò)邊、環(huán)縫平面度、貼合度以及叉形環(huán)大端周長(zhǎng)的成套工裝。實(shí)現(xiàn)了攪拌摩擦焊技術(shù)在Φ3 350 mm貯箱鎖底環(huán)縫上的工程化應(yīng)用，無(wú)損檢測(cè)結(jié)果、形位尺寸符合設(shè)計(jì)要求。

攪拌摩擦焊技術(shù)，鎖底環(huán)縫，關(guān)鍵問(wèn)題，應(yīng)用

0 引言

我國(guó)現(xiàn)役系列運(yùn)載火箭貯箱主要采用臥式總裝(圖1)，其焊接順序?yàn)橄群附咏拥篆h(huán)縫，再焊接鎖底環(huán)縫。在實(shí)際生產(chǎn)中熔焊鎖底環(huán)縫遇到較多的問(wèn)題，主要有：焊接缺陷多、焊接變形大、熔焊電弧存在擊穿叉形環(huán)的可能性等[1]。本文提出了“將鎖底環(huán)縫從總裝型架功能中剝離出來(lái)，采用攪拌摩擦焊技術(shù)直接制造箱底組合件”的方法。要實(shí)現(xiàn)該制造思路需要解決4個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：(1)針對(duì)攪拌摩擦焊工藝需要進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)；(2)對(duì)焊透深度、叉形環(huán)/短殼的前進(jìn)側(cè)位置等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化；(3)“短殼與叉形環(huán)的裝配界面”與焊核存在的一個(gè)交叉點(diǎn)，在進(jìn)行超聲相控陣檢測(cè)時(shí)必然存在信號(hào)顯示。這個(gè)信號(hào)是否當(dāng)作缺陷信號(hào)判讀非常值得研究；(4)先焊接鎖底環(huán)縫，如何保證叉形環(huán)大端外周長(zhǎng)及型面不變化。本文以某型號(hào)二級(jí)氧箱后底組合件為研究對(duì)象開(kāi)展研究，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)攪拌摩擦焊技術(shù)在貯箱鎖底環(huán)縫上的應(yīng)用。

圖1 Φ3 350 mm貯箱箱底組合件與中間筒段的裝配示意圖(熔焊)

1 適用于攪拌摩擦焊工藝的鎖底接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

現(xiàn)役系列運(yùn)載火箭貯箱鎖底接頭結(jié)構(gòu)是針對(duì)熔焊工藝而設(shè)計(jì)的[2]。為了適應(yīng)攪拌摩擦焊工藝，原有結(jié)構(gòu)的背部焊漏槽、正面坡口需要取消掉，在距離叉形環(huán)大端端面約130 mm的平面上依舊需要加工導(dǎo)向坡口(圖2)。與熔焊結(jié)構(gòu)相比，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，加工難度減小，縮短了生產(chǎn)周期。叉形環(huán)一側(cè)材料為2219MCS，短殼一側(cè)為2219C10S，槽深為6 mm。

圖2 適用于攪拌摩擦焊工藝的鎖底接頭結(jié)構(gòu)

2 鎖底接頭攪拌摩擦焊接工藝優(yōu)化

從圖3可以看出鎖底焊縫正面成型良好，光滑平整，兩側(cè)飛邊量均勻，表面魚(yú)鱗紋均勻明顯。從圖3(c)可看出叉形環(huán)內(nèi)型面未受較大熱影響。表1為試片的X光和超聲相控陣無(wú)損檢測(cè)結(jié)果。

圖3 采用攪拌摩擦焊技術(shù)焊接的鎖底試片成型

表1 試片的X光和超聲相控陣無(wú)損檢測(cè)結(jié)果

可以看出，X光檢測(cè)結(jié)果符合Q/ZB 824—2008的I級(jí)接頭要求。由于1#～2#試片的攪拌針長(zhǎng)度為5.5 mm，鎖底接頭的對(duì)接部分未完全焊透，因此在焊縫根部存在未焊透信號(hào)，且搭接界面也有信號(hào)顯示[圖4(a)]。3#～8#試片的攪拌針長(zhǎng)度≥6 mm，鎖底接頭的對(duì)接部分完全焊透，因此焊縫內(nèi)部質(zhì)量均符合技術(shù)條件要求，但是其搭接界面與焊核的交界處均存在信號(hào)顯示，尤其是超聲波聲束從短殼一側(cè)入射時(shí)的信號(hào)較為強(qiáng)烈[圖4(b)]。

從1#～8#試樣上各取8個(gè)子樣用于拉伸性能測(cè)試(表2)。可以看出：4#試片的綜合性能最優(yōu)，即當(dāng)攪拌針長(zhǎng)度與叉形環(huán)槽深度相當(dāng)，且叉形環(huán)位于焊縫前進(jìn)側(cè)時(shí)的接頭力學(xué)性能最優(yōu)[1,3]，接頭抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到300 MPa以上，延伸率超過(guò)3.5%。

圖4 不同攪拌針長(zhǎng)度焊接的鎖底焊縫的超聲相控陣檢測(cè)結(jié)果

表2 1#～8#試片的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

3 鎖底接頭裝配界面缺陷信號(hào)的判讀分析

與對(duì)接接頭的攪拌摩擦焊縫相比，鎖底接頭(3#～8#)焊核與原始裝配界面的交界處總會(huì)出現(xiàn)類(lèi)似缺陷信號(hào)顯示，并向焊縫寬度方向略有延伸，且整條焊縫一直存在(圖5)。

(a) 鎖底接頭超聲相控檢測(cè)結(jié)果

(b) 對(duì)接焊接頭檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)超聲檢測(cè)原理(圖6)，聲束斜入射到鎖底結(jié)構(gòu)縫隙，聲束將被反射，不被探頭接收，不會(huì)產(chǎn)生信號(hào)[4]。對(duì)所有鎖底焊試片進(jìn)行金相剖切，發(fā)現(xiàn)在焊接時(shí)受到高溫及擠壓后，原始裝配界面靠近焊核部位縫隙表面變粗糙，甚至變形，導(dǎo)致聲束返回被探頭接收，產(chǎn)生偽缺陷信號(hào)。由于粗糙、變形位置只是接近焊核部位，其他部位結(jié)構(gòu)縫隙不受影響，正可解釋超聲相控陣檢測(cè)圖像中，只有靠近焊核部位出現(xiàn)偽缺陷信號(hào)，向外延伸處無(wú)信號(hào)。為驗(yàn)證偽缺陷信號(hào)為結(jié)構(gòu)縫隙，通過(guò)超聲相控陣縱波探頭進(jìn)行了檢測(cè)分析(圖7、圖8)。根據(jù)縱波檢測(cè)原理，聲束垂直入射到結(jié)構(gòu)縫隙將沿原路經(jīng)被返回，探頭接收到信號(hào)，而無(wú)結(jié)構(gòu)縫隙處聲束將入射到底面，產(chǎn)生底波[5]。參考檢測(cè)圖中B掃描圖(剖面)和C掃描圖(俯視面)，以目前的研究看，可以確定檢測(cè)到的偽缺陷信號(hào)結(jié)構(gòu)為縫隙信號(hào)。

圖8 鎖底接頭的縱波探傷結(jié)果

4 Φ3 350 mm貯箱箱底組合件制造

4.1 立式帽裝方式制造箱底組合件

采用立式帽裝方式制造箱底組合件的思路，如圖9所示。

圖9 立式帽裝方式制造箱底組合件

該方案主要由橢球模胎、鎖緊螺母、中心立軸、軸向壓緊工裝、壓塊和調(diào)節(jié)螺桿、叉形環(huán)下端約束裝置、調(diào)節(jié)軸套等7部分組成。立式狀態(tài)下套裝好前(后)短殼與箱底后，焊接主機(jī)處于橫焊位置進(jìn)行鎖底環(huán)縫焊接。以下介紹各組成部分的功能。

(1)模胎的外型面與橢球箱底的內(nèi)型面一致，因此模胎可以作為鎖底環(huán)縫的一體化背部?jī)?nèi)撐工裝。由于鎖底環(huán)縫不焊透，帶鎖底結(jié)構(gòu)的叉形環(huán)本身可以起到一定的內(nèi)撐作用，因此當(dāng)箱底安裝到位后，鎖底環(huán)縫與背部?jī)?nèi)撐的貼合容易保證。

(2)中心立軸與模胎中心相連，在中心立軸上套裝軸向壓緊體，并通過(guò)鎖緊螺母將其與中心立軸緊固。在軸向壓緊體上安裝有60個(gè)壓塊和60個(gè)調(diào)節(jié)螺桿，通過(guò)調(diào)節(jié)螺桿調(diào)整壓塊的相對(duì)位置直至與短殼端框平面接觸，從而起到調(diào)節(jié)鎖底環(huán)縫間隙的作用及鎖底環(huán)縫的平面度。同時(shí)調(diào)節(jié)螺桿采用T型螺紋，具有自鎖功能，可以防止間隙擴(kuò)大。

(3)該工裝上通過(guò)安裝一定數(shù)量且不同高度的調(diào)節(jié)軸套，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不同高度的短殼與箱底的鎖底環(huán)縫的焊接。

(4)為了解決先焊接鎖底環(huán)縫容易導(dǎo)致叉形環(huán)大端周長(zhǎng)擴(kuò)大的問(wèn)題，采用分體式剛性緊固裝置(圖10)來(lái)安裝在叉形環(huán)大端外表面以及短殼一側(cè)的外表面，一方面保證焊接后叉形環(huán)大端周長(zhǎng)，另一方面保證鎖底環(huán)縫的裝配精度(主要是錯(cuò)邊)。分體式剛性緊固裝置由12個(gè)剛性緊固弧塊組成，其內(nèi)型面與叉形環(huán)及短殼的外表面相似，中間鏤空，彼此之間采用導(dǎo)向銷(xiāo)定位和螺栓連接(圖11)，同時(shí)在靠近焊縫的一邊加工出傾角，方便攪拌主軸加工及焊接觀察。值得說(shuō)明的是，這種剛性緊固裝置對(duì)叉形環(huán)大端原有周長(zhǎng)具有一定程度的適應(yīng)性，同時(shí)其緊固效果介于剛性緊固鏈與琴鍵壓緊機(jī)構(gòu)之間，便于拆裝，方便使用。

圖10 用于保證鎖底環(huán)縫裝配精度及保障叉形環(huán)大端周長(zhǎng)的分體式剛性緊固裝置

圖11 剛性緊固弧塊及連接方式

4.2 鎖底環(huán)縫攪拌摩擦焊接驗(yàn)證

4.2.1 鎖底環(huán)縫試驗(yàn)件準(zhǔn)備

以某型號(hào)二級(jí)氧箱后底組合件為研究對(duì)象，橢球箱底液壓、氣密試驗(yàn)合格后，機(jī)加工鎖底結(jié)構(gòu)，如圖14所示。短殼高度為750 mm，短殼鎖底環(huán)縫內(nèi)型面周長(zhǎng)比箱底鎖底外型面周長(zhǎng)小2～2.5 mm，以達(dá)到緊配合的裝配效果。

(a) FSW焊接箱底

(b) 機(jī)加鎖底(不帶焊漏槽)

(c) 機(jī)加鎖底(不帶焊漏槽)

(d) 短殼

4.2.2 鎖底環(huán)縫試驗(yàn)件裝配

將攪拌摩擦焊橢球箱底套裝在模胎上，通過(guò)整體壓環(huán)將箱底初步安裝到位。將短殼吊裝并套裝在箱底上，人工使得短殼套裝在箱底的鎖底槽內(nèi)。將調(diào)節(jié)軸套、軸向壓緊、鎖緊螺母安裝到位，通過(guò)調(diào)節(jié)360°方向上的60套壓塊和調(diào)節(jié)螺桿，保證裝配間隙、環(huán)縫平面度，并使得鎖底環(huán)縫達(dá)到理論裝配高度，保證叉形環(huán)內(nèi)型面與模胎緊密貼合。之后在叉形環(huán)大端處和短殼鎖底一側(cè)安裝分體式剛性緊固裝置，保證裝配錯(cuò)邊以及防止焊接時(shí)叉形環(huán)大端外擴(kuò)。從實(shí)際裝配效果看，裝配錯(cuò)邊和間隙均可以控制在0.5 mm左右。裝配流程及效果見(jiàn)圖13。

(a)、(b) 套裝箱底至模胎

(c)、(d) 安裝短殼及裝配精度保障工裝

(e) 裝配錯(cuò)邊

(f) 裝配間隙

4.2.3 鎖底環(huán)縫焊接

采用“分段交叉定位焊+360°定位焊+正式焊接”的工藝方法進(jìn)行鎖底環(huán)縫的焊接。正式焊接時(shí)，攪拌針長(zhǎng)度為6.0 mm，叉形環(huán)位于焊縫前進(jìn)側(cè)，ω=800 r/min，υ=150 mm/min。圖14為鎖底環(huán)縫焊接過(guò)程、焊縫外觀及回抽結(jié)束位置的成型情況。

(b) 360°連續(xù)定位焊

(c) 正式攪拌摩擦接鎖底焊縫

(d) 回抽結(jié)束位置

4.2.4 鎖底環(huán)縫檢測(cè)

超聲相控陣檢測(cè)結(jié)果顯示，近11 m長(zhǎng)的鎖底環(huán)縫內(nèi)部質(zhì)量符合QJ 20044—2011技術(shù)條件的I級(jí)接頭質(zhì)量要求，環(huán)縫檢測(cè)時(shí)裝配界面與焊核的交界處始終存在信號(hào)顯示，這是鎖底接頭固有的。鎖底試驗(yàn)件吊離工位后，X射線探傷結(jié)果也是一次合格，符合QJ 20043—2011技術(shù)條件的質(zhì)量要求。同時(shí)鎖底環(huán)縫焊接前、后的叉形環(huán)大端周長(zhǎng)沒(méi)有發(fā)生變化。這也說(shuō)明叉形環(huán)大端在分體式剛性緊固裝置的約束下，采用攪拌摩擦焊技術(shù)進(jìn)行鎖底環(huán)縫焊接，既可以保證焊縫內(nèi)部質(zhì)量，也可以保證叉形環(huán)大端型面不發(fā)生顯著變化。

圖15 鎖底環(huán)縫試驗(yàn)件整體形貌

5 結(jié)論

(1)對(duì)熔焊鎖底接頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行了攪拌摩擦焊工藝適應(yīng)性設(shè)計(jì)，取消了背部焊漏槽和正面焊接坡口；

(2)當(dāng)叉形環(huán)位于焊縫前進(jìn)側(cè)，攪拌針長(zhǎng)度與短殼板材厚度相當(dāng)時(shí)鎖底接頭力學(xué)性能最優(yōu)，拉伸性能可以達(dá)到300 MPa以上，延伸率均超過(guò)3.5%；

(3)鎖底接頭焊核與原始裝配界面交界處出現(xiàn)的類(lèi)似缺陷信號(hào)是由于焊接時(shí)受到高溫及鍛壓力作用，原始裝配界面靠近焊核部位縫隙表面變粗糙，甚至變形，導(dǎo)致聲束返回被探頭接收而產(chǎn)生的。因此該信號(hào)可以不當(dāng)作缺陷信號(hào)判讀。

(4)確立了立式帽裝方式實(shí)現(xiàn)鎖底環(huán)縫的裝配焊接方案，研制了可以有效保證鎖底環(huán)縫裝配間隙、錯(cuò)邊、環(huán)縫平面度、貼合度以及叉形環(huán)大端周長(zhǎng)的工裝；

(5)研制了首個(gè)鎖底環(huán)縫攪拌摩擦焊試驗(yàn)件，鎖底環(huán)縫的X射線探傷、超聲相控陣檢測(cè)結(jié)果一次合格。焊接前后叉形環(huán)大端周長(zhǎng)沒(méi)有發(fā)生顯著性地變化。

[1] 郝云飛,王國(guó)慶,厲曉笑,等.焊透深度和前進(jìn)側(cè)位置對(duì)FSW貯箱鎖底接頭性能的影響[J].宇航材料工藝,2014,44(6):31-35.

[2] 姚君山,周萬(wàn)盛,王國(guó)慶,等.航天貯箱結(jié)構(gòu)材料及其焊接技術(shù)的發(fā)展[J].航天制造技術(shù),2002(5):17-22.

[3] 郝云飛,王國(guó)慶,周慶,等.運(yùn)載火箭鋁合金貯箱全攪拌摩擦焊接工藝及應(yīng)用[J].宇航材料工藝,2016,46(6):11-20.

[4] 李健,郭薇,楊曉霞,等.超聲相控陣檢測(cè)CFRP缺陷識(shí)別方法[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào),2015(8):750-755.

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Application of Friction Stir Welding Technology to Lock Circumferential Weld of Launch Vehicle Tank

HAO Yunfei LI Xiaoxiao WEI Ruigang MA Jianbo WANG Kai

(Capital Aerospace Machinery Company, Beijing 100076)

This paper clarified the key problems in the application of the friction stir welding technology to the lock circumferential weld of the tank. Firstly, the conventional structure of the lock joint used to fusion welding must be redesigned, and the back welding groove and the front welding groove were eliminated. The results showed that the mechanical properties of the lock joint presented the best performance when the length of the pin was equal to the thickness of the short shell, and the fork ring was located on the advancing side of the weld. The results of ultrasonic phased array analysis showed that the signal display existing at the interface of assembly interface and welding nugget can not be interpreted as the defect signal. The vertical assembly welding scheme is used to assemble and weld the lock circumferential weld, and a set of tooling is developed to assure the assembly clearance, the wrong side, the flatness of the weld, and so on. The friction stir welding technology has been applied to the lock joint of theΦ3350 mm tank has been realised, and its nondestructive test results and geometrical dimension met the design requirements.

Friction stir welding，Lock circumferential weld，Key technics，Application

2016-12-22；

2017-01-19

郝云飛，1984年出生，碩士，高級(jí)工程師，主要從事攪拌摩擦焊、摩擦塞補(bǔ)焊等研究工作。E-mail:haoyunfei1234@163.com

TG4

10.12044/j.issn.1007-2330.2017.03.011