專利名稱：修補(bǔ)運(yùn)載火箭貯箱攪拌摩擦焊焊縫缺陷的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于運(yùn)載火箭貯箱制造方法，具體涉及ー種修補(bǔ)大型、薄壁、密封結(jié)構(gòu)件攪拌摩擦焊焊縫“匙孔型”缺陷的補(bǔ)焊攪拌頭和補(bǔ)焊方法。
背景技術(shù)：
攪拌摩擦焊技術(shù)(Friction Stir Welding, FSff)是上世紀(jì)90年代初英國焊接研究所(TWI)發(fā)明的ー項(xiàng)新型固相焊接技木，該技術(shù)具有焊接接頭質(zhì)量高、焊接變形小、焊縫缺陷少，焊接過程綠色無污染等特點(diǎn)，非常適合于鋁合金、鎂合金等輕質(zhì)合金的焊接，并且在航空航天、高速列車以及船舶制造等領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用前景。目前我國的某些型號(hào)運(yùn)載火箭的貯箱筒段縱縫和(P3350mm貯箱橢球箱底主要承カ焊縫均已經(jīng)開始逐步采用攪拌摩擦焊技術(shù)，并且采用攪拌摩擦焊技術(shù)焊接的運(yùn)載火箭貯箱已經(jīng)多次通過了飛行試驗(yàn)考核。然而焊接缺陷對(duì)于任何ー種焊接技術(shù)在實(shí)際工程化應(yīng)用過程中均是不可避免的， 都必須考慮焊接缺陷產(chǎn)生后的缺陷修補(bǔ)措施。在進(jìn)行運(yùn)載火箭貯箱攪拌摩擦焊接過程中攪拌頭因壽命問題發(fā)生攪拌針折斷產(chǎn)生的匙孔型缺陷(如圖I所示)不可避免，并且“匙孔型”缺陷的存在會(huì)對(duì)焊縫帶來諸多問題例如影響焊縫強(qiáng)度、氣密性等。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供ー種修補(bǔ)運(yùn)載火箭貯箱攪拌摩擦焊焊縫缺陷的裝置及方法， 以保證運(yùn)載火箭貯箱產(chǎn)品質(zhì)量及減少匙孔型缺陷造成的運(yùn)載火箭貯箱產(chǎn)品報(bào)廢。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案ー種修補(bǔ)運(yùn)載火箭貯箱攪拌摩擦焊焊縫缺陷的補(bǔ)焊攪拌頭，該補(bǔ)焊攪拌頭包括攪拌針夾持結(jié)構(gòu)，以及與攪拌針夾持結(jié)構(gòu)端部通過螺紋連接的攪拌針；其所述的攪拌針夾持結(jié)構(gòu)的軸肩部分端面為內(nèi)凹的斜面，傾斜角度在5 15° ;在該斜面上開設(shè)兩個(gè)同心圓環(huán)形凹槽，凹槽的深度為I. 2 I. 5mm,寬度為I. 5 2. Omm ;所述的攪拌針的前部為圓錐螺紋結(jié)構(gòu)，在該圓錐螺紋的圓周間隔開設(shè)3個(gè)螺旋凹槽；該螺旋凹槽的母線方向與攪拌針軸線方向夾角為35 45°，螺旋凹槽的根部半徑為I 2mm，深度為I 2mm。如上所述的ー種修補(bǔ)運(yùn)載火箭貯箱攪拌摩擦焊焊縫缺陷的補(bǔ)焊攪拌頭，其所述的攪拌針夾持機(jī)構(gòu)的軸肩部分端面外緣結(jié)構(gòu)為倒圓角結(jié)構(gòu)，其半徑R為0. 5 I. 0mm。如上所述的ー種修補(bǔ)運(yùn)載火箭貯箱攪拌摩擦焊焊縫缺陷的補(bǔ)焊攪拌頭，其所述的攪拌針夾持機(jī)構(gòu)軸肩部分端面的兩個(gè)同心圓環(huán)形凹槽，它們的徑向間隔在I 2_。如上所述的ー種修補(bǔ)運(yùn)載火箭貯箱攪拌摩擦焊焊縫缺陷的補(bǔ)焊攪拌頭，其所述的攪拌針的前部圓錐螺紋結(jié)構(gòu)端面為平面結(jié)構(gòu)，圓錐角度在15 20°。如上所述的ー種修補(bǔ)運(yùn)載火箭貯箱攪拌摩擦焊焊縫缺陷的補(bǔ)焊攪拌頭，其所述的攪拌針的前部圓錐螺紋方向和螺旋凹槽方向均為左旋。本發(fā)明所述的ー種修補(bǔ)運(yùn)載火箭貯箱攪拌摩擦焊焊縫缺陷的方法，其中貯箱焊接采用攪拌摩擦焊；設(shè)定焊縫的焊接起始點(diǎn)為A點(diǎn)，焊縫的焊接終點(diǎn)為C點(diǎn)；在實(shí)際攪拌摩擦焊接過程中，在A點(diǎn)至C點(diǎn)之間的某處B點(diǎn)攪拌針折斷，使得焊縫產(chǎn)生了“匙孔型”缺陷，需要修補(bǔ)焊縫；所述的修補(bǔ)焊縫方法包括如下步驟(a)首先對(duì)折斷在攪拌摩擦焊焊縫B點(diǎn)處的攪拌針進(jìn)行手工挖排；(b)然后對(duì)焊縫B點(diǎn)進(jìn)行固相填充，即采用與貯箱母材相同牌號(hào)、相同狀態(tài)的焊絲或填充材料填充到攪拌針折斷處B點(diǎn)留下的“匙孔型”缺陷，并將焊絲或填充材料壓實(shí)；(c)采用補(bǔ)焊攪拌頭，從攪拌針折斷處B點(diǎn)填充完焊絲或填充材料的區(qū)域中心開始攪拌摩擦焊接，直至焊接到設(shè)定的焊接終點(diǎn)C點(diǎn)；(d)然后繼續(xù)采用補(bǔ)焊攪拌頭，從焊接起始點(diǎn)A點(diǎn)重新攪拌摩擦焊接一遍焊縫，直至焊接到焊接終點(diǎn)C點(diǎn)。如上所述的ー種修補(bǔ)運(yùn)載火箭貯箱攪拌摩擦焊焊縫缺陷的方法，其步驟(a)所述的折斷在攪拌摩擦焊縫B點(diǎn)處的攪拌針進(jìn)行手工挖排，具體為首先對(duì)發(fā)生攪拌針折斷的攪拌摩擦焊焊縫進(jìn)行X射線探傷，找出攪拌針折斷的準(zhǔn)確位置；然后采用氣動(dòng)凸輪銑刀，以折斷攪拌針為中心沿?cái)嚢枘Σ梁负附臃较颍诤缚p正面挖去折斷攪拌針上層的焊縫金屬， 直至露出折斷的攪拌針；最后將折斷的攪拌針從焊縫中剔除。如上所述的ー種修補(bǔ)運(yùn)載火箭貯箱攪拌摩擦焊焊縫缺陷的方法，其所采用的補(bǔ)焊攪拌頭的攪拌針夾持結(jié)構(gòu)軸肩部分直徑和攪拌針根部直徑均大于發(fā)生折斷的攪拌頭的軸肩部分直徑和攪拌針直徑。如上所述的ー種修補(bǔ)運(yùn)載火箭貯箱攪拌摩擦焊焊縫缺陷的方法，其所述的補(bǔ)焊攪拌頭末端距離焊縫背部剛性墊板的距離増大到0. 30 0. 35mm。如上所述的ー種修補(bǔ)運(yùn)載火箭貯箱攪拌摩擦焊焊縫缺陷的方法，其所述的貯箱為 8 10_厚鋁合金。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明開發(fā)了ー種具備較強(qiáng)工程化應(yīng)用能力的攪拌摩擦焊 “匙孔型”缺陷修補(bǔ)方法及補(bǔ)焊攪拌頭，以保證運(yùn)載火箭貯箱產(chǎn)品質(zhì)量及減少匙孔型缺陷造成的運(yùn)載火箭貯箱產(chǎn)品報(bào)廢。本發(fā)明采用“固相填充+攪拌摩擦焊”修補(bǔ)技術(shù)及補(bǔ)焊攪拌頭進(jìn)行運(yùn)載火箭貯箱筒段、橢球箱底等部段上的攪拌摩擦焊焊縫的“匙孔型”缺陷的修補(bǔ)，補(bǔ)焊過程無弧光、無煙塵、無飛濺，是ー種綠色無污染的補(bǔ)焊技術(shù)方案。相對(duì)于熔焊修補(bǔ)匙孔型缺陷，采用本發(fā)明エ藝方法補(bǔ)焊的攪拌摩擦焊焊接接頭的力學(xué)性能可以提高20 30%。本發(fā)明的補(bǔ)焊攪拌頭結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了焊縫塑性金屬的攪拌能力和產(chǎn)熱能力，因此可以有效提高攪拌摩擦焊接成功率，減少孔洞、未焊透和扎穿墊板等部缺陷的產(chǎn)生，焊接過程穩(wěn)妥可控，補(bǔ)焊接頭質(zhì)量穩(wěn)定可靠。


圖I為攪拌摩擦焊焊縫匙孔型缺陷示意圖；圖2為本發(fā)明所述的ー種補(bǔ)焊攪拌頭結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為攪拌針夾持機(jī)構(gòu)示意圖；圖4為攪拌針結(jié)構(gòu)示意圖5為圖4中A-A向示意圖；圖6為固相填充+攪拌摩擦焊修補(bǔ)匙孔型缺陷方案示意圖；圖7為將折斷攪拌針從焊縫中剔除后的焊縫外觀形貌圖；圖8為攪拌摩擦焊匙孔型缺陷的固相填充效果圖；圖中1.攪拌針夾持機(jī)構(gòu)；2.攪拌針；3.凹槽ー ；4.凹槽ニ ；5.斜面；6.平面結(jié)構(gòu)；7.螺旋凹槽；8.倒圓角結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)ー步描述。實(shí)施例I如圖2所示，采用的補(bǔ)焊攪拌頭包括攪拌針夾持結(jié)構(gòu)1，以及與攪拌針夾持結(jié)構(gòu)I 端部通過螺紋連接的攪拌針2。如圖3所示，攪拌針夾持結(jié)構(gòu)I的軸肩部分端面為內(nèi)凹的斜面5，傾斜角度為 10°。在該斜面5上開設(shè)兩個(gè)同心圓環(huán)形凹槽，凹槽一 3和凹槽ニ 4的深度為I. 3mm，寬度為I. 7mm。凹槽ー 3和凹槽ニ 4的徑向間隔在I. 5mm。攪拌針夾持機(jī)構(gòu)I的軸肩部分端面外緣結(jié)構(gòu)為倒圓角結(jié)構(gòu)8,半徑R為0. 8mm。如圖4和圖5所示，攪拌針2的前部為圓錐螺紋結(jié)構(gòu)，圓錐角度為18° ;在該圓錐螺紋的圓周間隔開設(shè)3個(gè)螺旋凹槽7 ;該螺旋凹槽7的母線方向與攪拌針軸線方向夾角為 40°，螺旋凹槽7的根部半徑為I. 5mm，深度為I. 7mm。攪拌針2的前部圓錐螺紋結(jié)構(gòu)端面為平面結(jié)構(gòu)6。攪拌針2的前部圓錐螺紋方向和螺旋凹槽方向均為左旋。本發(fā)明中補(bǔ)焊攪拌頭采用分體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，由攪拌針夾持結(jié)構(gòu)和攪拌針組成，兩者通過螺紋方式連接，從而實(shí)現(xiàn)攪拌針夾持機(jī)構(gòu)與攪拌針的同步旋轉(zhuǎn)。攪拌針夾持結(jié)構(gòu)與焊接試樣接觸處結(jié)構(gòu)為帶一定角度的內(nèi)凹斜面+2個(gè)閉合同心圓環(huán)，可以提高焊接過程中攪拌頭對(duì)接頭錯(cuò)邊量的適應(yīng)性。攪拌針結(jié)構(gòu)是在圓錐螺紋的基礎(chǔ)上增開3個(gè)螺旋凹槽，可以對(duì)焊縫中軟化的塑性金屬存在一個(gè)向下的旋壓作用，有利于獲得組織致密的攪拌摩擦焊縫。攪拌針末端面(即與焊縫底部相接觸處)采用平面結(jié)構(gòu)，并且其外緣部分不帶倒角。攪拌針末端面的平面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有利于加強(qiáng)焊縫根部塑性金屬的流動(dòng)，并且在很大程度上減少焊縫背部弱結(jié)合缺陷的深度。實(shí)施例2本發(fā)明所述的ー種修補(bǔ)運(yùn)載火箭貯箱攪拌摩擦焊焊縫缺陷的方法，其中貯箱焊接采用攪拌摩擦焊，貯箱為8mm厚鋁合金。如圖6所示，設(shè)定焊縫的焊接起始點(diǎn)為A點(diǎn)，焊縫的焊接終點(diǎn)為C點(diǎn)；在實(shí)際攪拌摩擦焊接過程中，在A點(diǎn)至C點(diǎn)之間的某處B點(diǎn)攪拌針折斷，使得焊縫產(chǎn)生了 “匙孔型”缺陷，需要修補(bǔ)焊縫。采用的正式焊接攪拌頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)如表I所示。其從A點(diǎn)焊接到B點(diǎn)攪拌針折斷。表I筒段縱縫正式焊接的攪拌頭結(jié)構(gòu)參數(shù)
權(quán)利要求
1.一種修補(bǔ)運(yùn)載火箭貯箱攪拌摩擦焊焊縫缺陷的補(bǔ)焊攪拌頭，該補(bǔ)焊攪拌頭包括攪拌針夾持結(jié)構(gòu)(I)，以及與攪拌針夾持結(jié)構(gòu)(I)端部通過螺紋連接的攪拌針(2);其特征在于所述的攪拌針夾持結(jié)構(gòu)(I)的軸肩部分端面為內(nèi)凹的斜面(5)，傾斜角度在5 15° ; 在該斜面(5)上開設(shè)兩個(gè)同心圓環(huán)形凹槽(3，4)，凹槽(3，4)的深度為I. 2 I. 5mm，寬度為 L 5 2. Omm ；所述的攪拌針(2)的前部為圓錐螺紋結(jié)構(gòu)，在該圓錐螺紋的圓周間隔開設(shè)3個(gè)螺旋凹槽⑵；該螺旋凹槽(7)的母線方向與攪拌針軸線方向夾角為35 45°，螺旋凹槽(7)的根部半徑為I 2mm,深度為I 2mm。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種修補(bǔ)運(yùn)載火箭貯箱攪拌摩擦焊焊縫缺陷的補(bǔ)焊攪拌頭， 其特征在于所述的攪拌針夾持機(jī)構(gòu)(I)的軸肩部分端面外緣結(jié)構(gòu)為倒圓角結(jié)構(gòu)(8)，其半徑 R 為 O. 5 I. 0mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種修補(bǔ)運(yùn)載火箭貯箱攪拌摩擦焊焊縫缺陷的補(bǔ)焊攪拌頭， 其特征在于所述的攪拌針夾持機(jī)構(gòu)(I)軸肩部分端面的兩個(gè)同心圓環(huán)形凹槽(3，4)，它們的徑向間隔在I 2mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種修補(bǔ)運(yùn)載火箭貯箱攪拌摩擦焊焊縫缺陷的補(bǔ)焊攪拌頭，其特征在于所述的攪拌針(2)的前部圓錐螺紋結(jié)構(gòu)端面為平面結(jié)構(gòu)(6)，圓錐角度在 15 20°。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種修補(bǔ)運(yùn)載火箭貯箱攪拌摩擦焊焊縫缺陷的補(bǔ)焊攪拌頭， 其特征在于所述的攪拌針(2)的前部圓錐螺紋方向和螺旋凹槽方向均為左旋。
6.一種采用權(quán)利要求I 5所述的任意一種補(bǔ)焊攪拌頭的修補(bǔ)運(yùn)載火箭貯箱攪拌摩擦焊焊縫缺陷的方法，其中貯箱焊接采用攪拌摩擦焊；設(shè)定焊縫的焊接起始點(diǎn)為A點(diǎn)，焊縫的焊接終點(diǎn)為C點(diǎn)；在實(shí)際攪拌摩擦焊接過程中，在A點(diǎn)至C點(diǎn)之間的某處B點(diǎn)攪拌針折斷， 使得焊縫產(chǎn)生了 “匙孔型”缺陷，需要修補(bǔ)焊縫；其特征在于該所述的修補(bǔ)焊縫方法包括如下步驟(a)首先對(duì)折斷在攪拌摩擦焊焊縫B點(diǎn)處的攪拌針進(jìn)行手工挖排；(b)然后對(duì)焊縫B點(diǎn)進(jìn)行固相填充，即采用與貯箱母材相同牌號(hào)、相同狀態(tài)的焊絲或填充材料填充到攪拌針折斷處B點(diǎn)留下的“匙孔型”缺陷，并將焊絲或填充材料壓實(shí)；(c)采用補(bǔ)焊攪拌頭，從攪拌針折斷處B點(diǎn)填充完焊絲或填充材料的區(qū)域中心開始攪拌摩擦焊接，直至焊接到設(shè)定的焊接終點(diǎn)C點(diǎn)；補(bǔ)焊攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為600 850r/min，焊接速度為120 250mm/min。(d)然后繼續(xù)采用補(bǔ)焊攪拌頭，從焊接起始點(diǎn)A點(diǎn)重新攪拌摩擦焊接一遍焊縫，直至焊接到焊接終點(diǎn)C點(diǎn)；補(bǔ)焊攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為600 850r/min，焊接速度為120 250mm/min。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種修補(bǔ)運(yùn)載火箭貯箱攪拌摩擦焊焊縫缺陷的方法，其特征在于步驟(a)所述的折斷在攪拌摩擦焊縫B點(diǎn)處的攪拌針進(jìn)行手工挖排，具體為首先對(duì)發(fā)生攪拌針折斷的攪拌摩擦焊焊縫進(jìn)行X射線探傷，找出攪拌針折斷的準(zhǔn)確位置；然后采用氣動(dòng)凸輪銑刀，以折斷攪拌針為中心沿?cái)嚢枘Σ梁负附臃较颍诤缚p正面挖去折斷攪拌針上層的焊縫金屬，直至露出折斷的攪拌針； 2最后將折斷的攪拌針從焊縫中剔除。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種修補(bǔ)運(yùn)載火箭貯箱攪拌摩擦焊焊縫缺陷的方法，其特征在于所采用的補(bǔ)焊攪拌頭的攪拌針夾持結(jié)構(gòu)(I)軸肩部分直徑和攪拌針(2)根部直徑均大于發(fā)生折斷的攪拌頭的軸肩部分直徑和攪拌針直徑。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種修補(bǔ)運(yùn)載火箭貯箱攪拌摩擦焊焊縫缺陷的方法，其特征在于所述的補(bǔ)焊攪拌頭末端距離焊縫背部剛性墊板的距離增大到O. 30 O. 35mm。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種修補(bǔ)運(yùn)載火箭貯箱攪拌摩擦焊焊縫缺陷的方法，其特征在于所述的貯箱為8 IOmm厚鋁合金。
全文摘要
本發(fā)明提供一種修補(bǔ)運(yùn)載火箭貯箱攪拌摩擦焊焊縫缺陷的裝置及方法。補(bǔ)焊攪拌頭包括攪拌針夾持結(jié)構(gòu)和攪拌針；攪拌針夾持結(jié)構(gòu)的軸肩部分端面為內(nèi)凹的斜面，在該斜面上開設(shè)兩個(gè)同心圓環(huán)形凹槽；攪拌針的前部為圓錐螺紋結(jié)構(gòu)，在該圓錐螺紋的圓周間隔開設(shè)3個(gè)螺旋凹槽。該方法首先對(duì)折斷在攪拌摩擦焊焊縫處的攪拌針進(jìn)行手工挖排；然后對(duì)焊縫進(jìn)行固相填充；再采用補(bǔ)焊攪拌頭，從攪拌針折斷處填充完焊絲或填充材料的區(qū)域中心開始攪拌摩擦焊接，直至焊接到設(shè)定的焊接終點(diǎn)；然后繼續(xù)采用補(bǔ)焊攪拌頭，從焊接起始點(diǎn)重新攪拌摩擦焊接一遍焊縫，直至焊接到焊接終點(diǎn)。本發(fā)明裝置及方法能夠保證運(yùn)載火箭貯箱產(chǎn)品質(zhì)量及減少匙孔型缺陷造成的運(yùn)載火箭貯箱產(chǎn)品報(bào)廢。
文檔編號(hào)B23K20/24GK102581476SQ20121008490
公開日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月28日
發(fā)明者朱平萍, 杜憲策, 白景彬, 羅軍, 趙衍華, 郝云飛, 郭剛 申請(qǐng)人:中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院, 首都航天機(jī)械公司