异种铝合金环形构件的搅拌摩擦焊接工艺

作者:马建波;周庆;刘西伟;马帅;王凯; 刊名:宇航材料工艺 上传者:柴亮[1]

【摘要】为实现异种铝合金环形构件的高精度装配与连接,文中设计一种卧式串联型轴向移动转径向伸缩的搅拌摩擦焊接工装。结果表明,采用此工装成功实现铝铜系/铝镁系异种铝合金环形构件的高精度装配与高质量焊接,接头内部质量达到了I级接头要求,接头的抗拉强度高于245 MPa,延伸率高于16%,且所有接头均断裂在铝镁系铝合金母材一侧,说明该接头的整体性能要优于铝镁系铝合金母材性能,解决了铝铜系/铝镁系异种铝合金熔焊易出现焊接裂纹的工程难题。

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0引言贮箱设计为实现贮箱内隧道管与贮箱箱底连接面的高密封性要求,将机械螺接方式改为焊接方式(图1)。贮箱本体材料为铝铜系铝合金,箱内隧道管为铝镁系铝合金,但是铝铜系与铝镁系异种铝合金采用传统熔化焊接时易产生热裂纹等焊接缺陷,因此文中拟制造一种异种材料过渡接头(图2),进而实现过渡接头与两侧结构件的同种材料连接。采用搅拌摩擦焊这种固相连接技术,得到可靠、致密的固相焊缝[1-4],可以实现铝、镁、铜、钛等多种合金材料的焊接,接头外观平整、性能优良,并且特别适合于异种材料的连接。但是搅拌摩擦焊接的焊前装配质量要求高,需要特定工装夹具来保证焊接前装配质量,以及支撑焊接过程中的轴向顶锻力[5-7]。过渡接头的结构见图2,其中法兰盘材料为铝铜系铝合金,圆筒材料为铝镁系铝合金,焊接区厚度为5 mm,基于过渡接头的小直径、强刚性特点,文中研制了一种基于卧式串联形式的“将轴向螺旋运动转换为轴向运动和径向运动”的内撑机构,进行了异种铝合金搅拌摩擦焊接工艺研究,实现了异种铝合金部件对接环缝的高精度装配及焊接,为贮箱箱内隧道管与箱体的连接方式改为焊接提供了坚实的技术基础。图1贮箱内部隧道管与贮箱连接示意图Fig.1 Diagram of rocket tank internal structure图2过渡接头简图Fig.2 A simplified transition joint1总体结构方案设计为达到异种材料圆筒型结构件的搅拌摩擦焊接装配要求,鉴于结构件装配操作空间的开场性要求,需将轴向移动转换为径向伸缩运动形式的内支撑机构,现采用一种基于卧式串联轴向平移转径向伸缩运动的机构构型,实现零件的搅拌摩擦焊接装配工装的机构传动要求[8-9]。基于卧式串联轴向平移转径向伸缩机构的构型,为能够较好的实现搅拌摩擦焊的焊前装配,该机构主要由伺服电机驱动机构,轴向压盘机构,盘式螺旋解耦机构、径向撑紧机构和轴向支撑机构组成,其主要工作目标为,将异种材料圆筒型结构件(图3中被焊工件1、2)实现对接面的对中对接,能够实现焊缝背部的径向撑紧和轴向压紧作用。其机构传动原理如图3所示,其中图中各符号如表1所示。原动机旋转带动整套机构的旋转运动,旋转副R1及P4实现与基体的连接支撑;手动旋转螺旋副H1,H1的旋转运动传递给旋转副R2的外层构件,H1的轴向运动传递给旋转副R2的内层构件,该内层构件通过移动副P1的导向作用实现楔盘机构平行移动,楔盘机构的平移带动P3在楔盘斜面上移动,由于P2将撑紧机构导向,因此撑紧机构将楔盘的斜面运动转化为了撑紧机构的径向伸缩运动,从而将被焊接工件径向撑紧,为更好的实现被焊工件的轴向夹紧,通过机架本体和螺旋副H2带动的轴向压紧机构的相对夹紧完成焊接件的对接夹紧。图3机构传动原理图Fig.3 Schematic diagram of mechanism transmission表1机构原理符号Tab.1 Mechanism symbol符号名称简图作用M原动机提供机构驱动动力R1转动副提供回转轴支撑固定H1、H2螺旋副提供螺旋运动,径向进给和周向旋转耦合R2转动副实现H1的径向进给与周向旋转运动解耦P1、P2、P3移动副实现平移P4移动副实现旋转和平移滑动该机构装置能够较好的保证两被焊接零件焊接区的间隙,并且能够撑紧零件保证焊缝不存在错缝,在撑紧状态下,能够抵抗焊接时搅拌头的顶/锻压力,焊接完毕后该装置能够收缩使被焊接工件取下,其工装的具体结构如图4所示。图4工装模型剖视示意图Fig.4 Cutaway view of the tool model2关键部件机构分析撑

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