王奎

摘? 要：隨著我國(guó)的航天事業(yè)飛速發(fā)展，各種航天設(shè)備與相關(guān)的零部件的質(zhì)量、性能與輕量化均被提升，更多的機(jī)械化先進(jìn)制造技術(shù)被使用到航天器制造中，以運(yùn)載火箭為例，運(yùn)載火箭可支持當(dāng)前的航天與太空探索事業(yè)，將各種新型飛行器推動(dòng)到太空中，使其穩(wěn)定地在預(yù)定軌道中運(yùn)行。加工制備運(yùn)載火箭時(shí)必須運(yùn)用精細(xì)化手段，除了每一個(gè)加工工件，貯箱是運(yùn)載火箭的關(guān)鍵裝置。加工箱底區(qū)域時(shí)，需注重處理鋁合金，該材料存在熔點(diǎn)低、熱傳導(dǎo)系數(shù)過(guò)大的問題，因此不少加工單位都在使用攪拌摩擦焊接技術(shù)，結(jié)合箱底加工工藝應(yīng)用要求，分析運(yùn)用攪拌摩擦焊接技術(shù)方法的情況。

關(guān)鍵詞：貯箱箱底;攪拌摩擦焊接工藝;應(yīng)用方法

中圖分類號(hào)：V261.34? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：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

火箭貯箱是火箭箭體關(guān)鍵構(gòu)成部件，影響火箭運(yùn)行的安全性與運(yùn)載能力，其中貯箱箱底是結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜，焊縫最為集中，受力狀況最為嚴(yán)苛的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件。根據(jù)貯箱箱底的焊接工藝需求，選擇合理的焊接工藝方法及參數(shù)，現(xiàn)分析如何將攪拌摩擦焊接工藝應(yīng)用到火箭貯箱箱底的制造環(huán)節(jié)中，探討橢球底的攪拌摩擦焊接工藝應(yīng)用方法。

1 箱底攪拌摩擦焊接特點(diǎn)

我國(guó)當(dāng)前的運(yùn)載火箭貯箱箱底生產(chǎn)中使用的焊接手段主要為TIG焊接技術(shù)，但是航天高強(qiáng)鋁合金融焊存在接頭強(qiáng)度低、焊后容易產(chǎn)生裂紋、焊接應(yīng)力大、一次性合格率低等問題，導(dǎo)致最終獲取的貯箱箱底的質(zhì)量水平比較低。為了保障貯箱的整體性能，箱底焊接改進(jìn)傳統(tǒng)焊接工藝技術(shù)，開發(fā)出攪拌摩擦焊接技術(shù)，技術(shù)人員可啟用自動(dòng)化的焊接處理模式，箱底結(jié)構(gòu)處可以保持良好的焊接性能，一次單面焊接后可焊透鋁合金材料，不容易出現(xiàn)變形的問題，最終可取得良好的箱底焊接效果。

鋁合金的攪拌摩擦焊的技術(shù)已應(yīng)用到很多行業(yè)，例如飛行器制造、船舶以及新能源汽車等，該焊接技術(shù)屬于固態(tài)連接技術(shù)，與傳統(tǒng)鋁合金融焊接技術(shù)相比，應(yīng)用相應(yīng)的焊接工具時(shí)，焊接現(xiàn)場(chǎng)并不會(huì)產(chǎn)生過(guò)于嚴(yán)重的煙塵飛濺情況，焊接人員不需要在焊接處理過(guò)程中運(yùn)用過(guò)多的保護(hù)氣體或者焊絲，在貯箱加工過(guò)程中使用該焊接技術(shù)方法時(shí)，接頭處并不會(huì)產(chǎn)生明顯的裂紋與氣孔缺陷，普通的焊接手段會(huì)受到箱底處安裝的軸類零件的影響，在焊接直焊縫時(shí)也可使用該技術(shù)。該種焊接方法還具有綠色節(jié)能的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于焊接人員的技術(shù)水平無(wú)過(guò)高的要求，焊接處理前不需消耗大量的時(shí)間來(lái)啟用焊接系統(tǒng)，處理有色金屬類材料的焊接工作時(shí)，可直接使用該種焊接系統(tǒng)，熔焊處理過(guò)程中容易出現(xiàn)的技術(shù)缺陷都可有效避免，焊接活動(dòng)結(jié)束后，接頭處的應(yīng)力偏小，無(wú)變形焊接板件的加工目的可達(dá)成。同時(shí)處理多種材料以及工件時(shí)也能夠使用這種高效的混合式焊接手段。

2 項(xiàng)目研究背景概述

該項(xiàng)目的創(chuàng)設(shè)時(shí)間為2014年1月至2015年11月，中國(guó)航天科技集團(tuán)公司長(zhǎng)征機(jī)械廠的公司為完成國(guó)家某戰(zhàn)略號(hào)發(fā)射設(shè)備的貯箱加工生產(chǎn)任務(wù)，啟用長(zhǎng)征機(jī)械廠提供的攪拌摩擦焊接系統(tǒng)，加工制造核心設(shè)備。主管設(shè)計(jì)師需負(fù)責(zé)選用加工項(xiàng)目中所使用的焊接技術(shù)，同時(shí)還要規(guī)劃加工項(xiàng)目，針對(duì)設(shè)備加工要求，落實(shí)前期調(diào)研活動(dòng)，優(yōu)化后期加工方案，完成關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)與加工，確定焊接工具設(shè)備，項(xiàng)目產(chǎn)值為1950萬(wàn)元，預(yù)設(shè)加工周期為22個(gè)月。

3 箱底攪拌摩擦焊接技術(shù)

3.1 技術(shù)運(yùn)用原理

我們常說(shuō)的攪拌摩擦焊接工藝，實(shí)際上也是一種固相連接的手段，但是卻和一般的摩擦焊接有所區(qū)別，特別之處在于它的焊接熱源主要來(lái)自于攪拌工具以及工件之間的摩擦。當(dāng)我們實(shí)際運(yùn)用攪拌摩擦焊接技術(shù)的時(shí)候，首先，需要讓工件可以緊緊地放置在焊接平臺(tái)上，隨后，攪拌焊頭會(huì)以極快的速度進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)把攪拌焊針插進(jìn)工件的接縫處，周而復(fù)始，以攪拌焊頭的肩部和工件的外表完全貼合為止。攪拌焊針快速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)和其周圍母材摩擦，由此生成的熱量，此外，攪拌焊頭的肩部以及工件外表摩擦也會(huì)生成熱量，在此兩種熱量共同作用之下，會(huì)導(dǎo)致接縫處材料產(chǎn)生改變，也就是塑性流變，另當(dāng)攪拌焊頭在不斷旋轉(zhuǎn)時(shí)，它還會(huì)繞著焊縫和工件作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而之前受到塑性流變而生成的材料會(huì)被迫向后移動(dòng)，直至擠壓到攪拌焊頭前進(jìn)方向的最后部分，由此一來(lái)，受到擠壓的塑性金屬流會(huì)再一次結(jié)合生成固相焊縫[1]。

3.2 焊接技術(shù)應(yīng)用難點(diǎn)

克服箱底部位攪拌摩擦焊接技術(shù)應(yīng)用難點(diǎn)，以本次需要加工的薄壁型箱底為例，首先需要保障裝配精度，使用攪拌摩擦焊接技術(shù)時(shí)，不需額外應(yīng)用填充材料，焊接參數(shù)對(duì)于裝配精度的條件比較嚴(yán)格。箱底部位的直徑通常情況下不會(huì)超過(guò)3350mm，然而其焊接厚度卻只能是8mm左右，無(wú)法達(dá)到一般成型的鈑金零件的裝配精度要求，裝配箱底的特殊零部件時(shí)，應(yīng)當(dāng)使用特殊的控制方法。針對(duì)圓環(huán)縱縫的焊接處理任務(wù)時(shí)，需重視軌跡控制工作，使用數(shù)控系統(tǒng)代替人力控制，保障焊縫的焊接質(zhì)量，調(diào)整焊縫工具的位置時(shí)，必須注意保持切向相對(duì)角度與被焊接工件的相對(duì)位置的一致性。叉形環(huán)與圓環(huán)的過(guò)程中，環(huán)焊縫應(yīng)當(dāng)呈現(xiàn)出完整的閉合環(huán)焊縫，焊接至起點(diǎn)時(shí)攪拌針開始回程，在大約越過(guò)起點(diǎn)300mm左右，攪拌針完全縮回軸肩內(nèi)部，焊接機(jī)頭在進(jìn)給軸的帶動(dòng)下抬起，焊縫表面攪拌針留下凹點(diǎn)最低點(diǎn)高于正常焊縫表面，后續(xù)采用磨光機(jī)打磨平整，進(jìn)行相控陣、X光等檢測(cè)。

3.3 技術(shù)應(yīng)用建議

箱底的主要材料包括2219-T87/2A14鋁合金，厚度在4到12mm之間，主體焊縫包括瓜瓣縱縫、叉形環(huán)環(huán)縫、頂蓋環(huán)縫、叉形與短殼環(huán)鎖底焊縫。零件狀態(tài)下頂蓋法蘭盤環(huán)縫，瓜瓣法蘭環(huán)縫。焊接直徑為3350mm的貯箱需開發(fā)攪拌摩擦焊接技術(shù)系統(tǒng)，箱底形狀為橢圓形，焊接人員需對(duì)主要承力的箱底焊縫展開精準(zhǔn)焊接，使用的焊接工具設(shè)備應(yīng)滿足攪拌摩擦焊的技術(shù)應(yīng)用要求，需要開發(fā)具有空間焊接能力的設(shè)備、同時(shí)其單軸肩需具備可回抽攪拌摩擦焊的能力的主軸，主軸系統(tǒng)應(yīng)持有雙軸肩摩擦焊接的能力。

開發(fā)具有原位銑切能力工裝，開發(fā)普通攪拌摩擦焊接工具、環(huán)縫焊接用回抽式攪拌摩擦焊接攪拌針，開發(fā)攪拌摩擦焊接工藝、攪拌摩擦焊接自動(dòng)控制系統(tǒng)。

焊接箱底時(shí)需注意保持加工流程的標(biāo)準(zhǔn)化特點(diǎn)。首先應(yīng)當(dāng)完成瓜瓣拉伸成型任務(wù)，形成圓環(huán)與頂蓋的瓜瓣形狀時(shí)，應(yīng)拉伸板材，利用整體機(jī)設(shè)備加工變截面部位的型材框，采用攪拌摩擦焊接手段將各種零件拼焊在箱底處，結(jié)合貯箱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)調(diào)整加工過(guò)程。拼焊4個(gè)瓜瓣部件，形成完整的圓環(huán)，而后按照順序焊接其他的部件拼焊處理工作，通過(guò)無(wú)匙孔處理技術(shù)焊接環(huán)焊縫。

控制箱底各處焊縫的質(zhì)量時(shí)，需找出并控制影響焊縫質(zhì)量的因素。攪拌式焊頭的形狀必須保持合化，對(duì)于焊接區(qū)域的摩擦產(chǎn)熱功率來(lái)說(shuō)，焊頭能夠有效提高其水平標(biāo)準(zhǔn)，而熱塑性原料能夠維持流動(dòng)的狀態(tài)，焊接處理處也能夠完成更強(qiáng)的工藝性?？蛇x用的焊頭主要包括螺旋形、圓錐形與圓柱形，針對(duì)不同類型的焊縫時(shí)，可分別選擇相對(duì)應(yīng)的焊頭。螺旋形的焊頭處于旋轉(zhuǎn)的運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，可帶去更多向下的鍛造力，焊合金屬材料的效果比較突出。本次加工中使用頻次最高的焊頭為圓形焊頭，其由攪拌焊針、肩部與夾持部分共同構(gòu)成，肩部的尺寸與攪拌焊針均會(huì)給最后的焊縫質(zhì)量帶去影響。先對(duì)這兩種重要影響因素的控制工作展開研究。

眾所周知，攪拌摩擦焊是一種非填充固相焊，因此對(duì)于焊接質(zhì)量來(lái)說(shuō)，焊接裝配質(zhì)量的高低會(huì)產(chǎn)生直接影響。出于確保裝配精度的目的，針對(duì)箱底所有零件焊接邊全都運(yùn)用機(jī)械加工[1]。當(dāng)處于壓緊狀態(tài)的時(shí)候，會(huì)運(yùn)用專門的銑邊機(jī)對(duì)于頂蓋以及瓜瓣進(jìn)行加工，至于型材框，會(huì)選擇在校圓狀態(tài)之下開展加工工序，而對(duì)于圓環(huán)上以及下端邊，則是會(huì)選擇當(dāng)模胎上出于壓緊狀態(tài)之時(shí)進(jìn)行加工。對(duì)于4條焊接裝配而言，會(huì)運(yùn)用壓條把兩邊的瓜瓣壓緊實(shí)，出于把控圓環(huán)上下端邊周長(zhǎng)的目的，會(huì)把每一瓜瓣上、下端邊壓緊，直到緊貼模胎為止。首先進(jìn)行圓環(huán)拼焊，焊接過(guò)程由設(shè)備主機(jī)通過(guò)三軸聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，對(duì)箱底來(lái)說(shuō)，4條焊縫通過(guò)強(qiáng)度的測(cè)試也是其可不可以滿足使用要求的審核，把內(nèi)壓承受能力測(cè)驗(yàn)設(shè)置在專用設(shè)備以及工藝設(shè)備上，而且運(yùn)用的方式是加水壓。以產(chǎn)品技術(shù)條件作為基礎(chǔ)，測(cè)試箱底的液壓強(qiáng)度，控制在0.255MPa，當(dāng)處于保壓狀態(tài)時(shí)開展檢查工作，沒有發(fā)覺滲漏情況，說(shuō)明箱底符合使用要求。

攪拌摩擦焊接加工活動(dòng)展開后，加工的工件與焊針之間保持持續(xù)的摩擦，生成大量的熱量，如果焊針的直徑尺寸比較大，焊接處的斷面面積也會(huì)隨之增加，熱影響的范圍被擴(kuò)寬，向前移動(dòng)焊針時(shí)，焊頭受到的阻力也隨之增加。如果使用的焊針尺寸不夠大，那么因?yàn)槟Σ炼a(chǎn)的熱量也跟著變少，由此會(huì)降低熱塑性加工材料的總體流動(dòng)性，向前移動(dòng)焊針時(shí)，側(cè)向擠壓力也因此而縮減，焊縫組織的原有致密性將會(huì)被破壞，結(jié)合焊頭應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，使用的焊針的直徑尺寸應(yīng)當(dāng)為加工工件的厚度1倍左右，各類箱底焊縫的質(zhì)量可被提升。

肩部尺寸同樣會(huì)給最終設(shè)置的焊縫產(chǎn)生質(zhì)量層面的影響。焊頭肩部主要可以對(duì)焊接部位溢出的塑變金屬產(chǎn)生溢出作用，增加輸入的熱量。工件與焊頭摩擦之后也會(huì)形成一定的熱量。一旦肩部尺寸數(shù)值超出預(yù)計(jì)，那么會(huì)導(dǎo)致總體熱輸入量也跟著變多，從而擴(kuò)大熱影響區(qū)范圍，甚至?xí)?dǎo)致箱底處的工件變形;然而若是肩部尺寸太小，如果想要保障獲取足夠的熱輸入量，必須增加攪拌焊頭的旋轉(zhuǎn)速度，降低焊接處理效率。測(cè)定具有不同直徑的焊頭進(jìn)行焊接之后，對(duì)施焊信息加以采集，對(duì)比焊縫的質(zhì)量與處理情況，焊針直徑與肩部直徑呈現(xiàn)出1：3的比例時(shí)，可獲取最佳施焊效果。

保障箱底焊縫質(zhì)量時(shí)，還必須考察焊接速度與旋轉(zhuǎn)速度給焊縫質(zhì)量的影響，如果旋轉(zhuǎn)焊頭的速度過(guò)快或者焊接加工的速度過(guò)慢，焊縫處的熱輸入量也就變得更高，焊接部位容易出現(xiàn)金屬過(guò)熱的問題，焊縫成形需要更長(zhǎng)的時(shí)間，質(zhì)量也比較差，焊縫表面還會(huì)生成溝槽。通過(guò)拉伸試驗(yàn)可確定焊接材料的金相組織與力學(xué)性能之間的聯(lián)系，運(yùn)用正確的焊接處理方法，焊接接頭的可保持更強(qiáng)的抗拉強(qiáng)度。

因?yàn)楹缚p區(qū)出現(xiàn)晶粒細(xì)化情況，導(dǎo)致出現(xiàn)組織致密，由此使得熱影響區(qū)跟熔化焊相比時(shí)窄，不僅如此，焊接全程沒有出現(xiàn)合金元素?zé)龘p的情況，而且雜質(zhì)偏析，焊縫內(nèi)部不可能出現(xiàn)裂紋以及氣孔等不足，因此在綜合性能方面攪拌摩擦焊焊接接頭是不錯(cuò)的[2]。相比于氫弧焊，它接頭的抗拉強(qiáng)度能夠遠(yuǎn)超出15%-20%，不僅延伸率能夠增加1倍，斷裂韌性還可以提升30%。而且當(dāng)接頭處于焊態(tài)的時(shí)候，它焊縫處的硬度值會(huì)比母材低很多;不僅如此，對(duì)于焊后受到低溫退火處理過(guò)的試樣而言，焊縫處的硬度會(huì)比母材稍微高一點(diǎn);這是因?yàn)榻?jīng)過(guò)冷軋后生成的純鋁板材，在經(jīng)過(guò)軋制以后會(huì)產(chǎn)生冷作硬化作用，此外，攪拌摩擦焊會(huì)導(dǎo)致焊縫處不再出現(xiàn)硬化作用。通過(guò)焊接接頭的金相組織來(lái)看，可以得知相比于母材組織，焊縫處的晶粒會(huì)顯得細(xì)小勻稱。焊縫以及母材組織之間不存在顯著的過(guò)渡，只剩下比較窄的熱影響區(qū)[3]。

4 結(jié)論

本文以某工程為研究背景，在加工貯箱箱底時(shí)使用了新型攪拌摩擦焊接技術(shù)，該種焊接手段于上世紀(jì)90年代被英國(guó)焊接研究所開發(fā)與應(yīng)用，主要焊接熔點(diǎn)低的合金材料，能夠滿足貯箱箱底的綠色化加工要求，航空高強(qiáng)鋁合金材料能夠被高效焊接，焊接箱底部件時(shí)不會(huì)受到軸零件的干擾。經(jīng)過(guò)相控陣、X光無(wú)損檢測(cè)，箱底焊縫處并無(wú)質(zhì)量缺陷，滿足相應(yīng)的焊接工藝技術(shù)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)由強(qiáng)度試驗(yàn)可確定其強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。該項(xiàng)目在22個(gè)月內(nèi)完成，不存在逾期問題，創(chuàng)收了極高的項(xiàng)目產(chǎn)值，因此可知攪拌工藝在火箭貯箱加工活動(dòng)中的可用性，該技術(shù)值得在航天機(jī)械加工產(chǎn)業(yè)中被推廣。

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