LD10鋁合金攪拌摩擦焊技術(shù)研究

郭瑞霖 張忠松 趙宏源 張 云

（吉林建筑大學，吉林 長春 130118）

隨著我國國防工業(yè)等快速發(fā)展,近年來以摩擦塞焊,線性摩擦焊等為代表的科學摩擦焊先進摩擦焊接技術(shù)日益得到國內(nèi)專家學者的青睞,焊機工藝日益先進化,實際焊接中,不可避免產(chǎn)生缺陷?傳統(tǒng)手工TIG焊無法保證產(chǎn)品質(zhì)量,迫切需要尋求一種先進的補焊工藝?摩擦塞修補焊技術(shù)有望成為解決焊接缺陷的良方,提高我國工業(yè)制造技術(shù)水平?FPW 是固相連接技術(shù),主要用于焊接缺陷修補,具有焊接速度快,可在惡劣環(huán)境中進行焊接等優(yōu)點,摩擦塞焊消除了熔焊修補堆焊的局部變形,摩擦塞焊結(jié)合處產(chǎn)生強烈的塑性形變,能大幅改進補焊焊縫的力學性能,斷裂韌性,補焊后工件變形小,焊縫冶金與力學性能提高?

1 摩擦焊接的簡介

1.1 摩擦焊接的原理

摩擦塞焊工作原理是在一定壓力條件下,利用驅(qū)動裝置帶動塞棒旋轉(zhuǎn),塞棒與賽孔接觸形成塑化金屬,最 后進行頂鍛完成焊接? 摩擦塞焊工藝首先在待焊工件上開錐形孔,摩擦加熱階段塞棒工進,高速旋轉(zhuǎn)使得摩擦面緊密接觸產(chǎn)生熱量,制動減速階段要求高速旋轉(zhuǎn)的塞棒迅速制動急停,保壓階段沒有能量輸入,保持軸向壓力獲得高質(zhì)量的接頭【1】?

依據(jù)塞棒焊接里方式不同,摩擦塞焊主要有頂鍛式摩擦塞焊與拉緞式摩擦塞焊兩種? 鍛式摩擦塞焊接力采用推的方式加載,頂鍛式塞焊工作中在工件有缺陷位置開錐形孔,在工件一側(cè)塞棒頂入錐形孔,憑借塞棒頭部螺紋連接,焊機帶動塞棒旋轉(zhuǎn),完成頂鍛式摩擦塞焊?

頂鍛式摩擦塞焊時,焊機與背部支撐墊板在被焊工件兩側(cè),摩擦塞焊需要施加力超50N,采用頂鍛式加載要求摩擦塞焊使用頂板與焊接工裝具有相當?shù)膭偠?拉鍛式摩擦塞焊可將所有設備放在修補共件的一側(cè),可自平衡加載,設備相對簡單,焊接可達性好,適用于復雜結(jié)構(gòu)的焊接缺陷的修補【2】?

1.2 摩擦塞焊的實際應用

實際焊接生產(chǎn)中,焊接缺陷不可避免,局部焊接缺陷可能引起致命的后果,焊接修補是質(zhì)量保證的關(guān)鍵技術(shù)必須實現(xiàn)高可靠的焊接缺陷補焊 ?中國航天科研院生產(chǎn)的航天貯箱,LD10是現(xiàn)偶型號火箭貯箱的結(jié)構(gòu)材料,LD10鋁合金熔焊焊接性差,液壓實驗易發(fā)生低壓爆破,缺 陷位置必須進行補焊?

如貯箱缺陷多次補焊后達不到制造驗收標準只得報廢處理,2219鋁合金為新一代運載火箭貯箱材料,如采用傳統(tǒng)的手工TIG補焊工藝,會 限制貯箱質(zhì)量的提高?新一代運載火箭貯箱制造中采用攪拌摩擦焊接技術(shù),焊接過程中母材不融化,具有接頭強度系數(shù)高,缺 陷少等優(yōu)點?

如采用傳統(tǒng)熔化焊進行修補,易產(chǎn)生裂紋,為 接頭設計帶來困難 ?必須采用固相補焊工藝保證高的接頭強度系數(shù) ?先進可靠低成本的焊接技術(shù)已成為補焊技術(shù)的新趨勢,中國航天科研院目前生產(chǎn)的貯箱主要采用TIG焊接方法,手工修補工作操作難度大,補后殘余應力大,急需一種自動化程度高的缺陷修補技術(shù),摩擦塞焊技術(shù)成為了經(jīng)濟可靠的解決途徑?

2 板材摩擦塞焊工藝研究

LD10鋁合金是先進運載火箭貯箱主要的制造材料,LD10鋁合金主要強化相為Mg2Si,具有強度高等優(yōu)點,焊 接時易產(chǎn)生延遲裂紋 ?實驗采用拉鍛式摩擦塞焊設備,基于PLC 控制的自動摩擦塞焊機 ? 滿足拉鍛式摩擦塞焊的實驗要求?

實際試驗中,為減少工裝板對板材熱量的吸收,嵌入絕緣材料,熱量集中在塞棒與塞孔周圍,焊接時如參數(shù)選擇不當,易造成塞棒下部過熱,焊接下部易產(chǎn)生未焊投缺陷,采用分體式工裝板時,避免塞棒 縮頸現(xiàn)象? 采用4mm的LD10鋁合金平板與塞棒進行摩擦塞焊正交實驗,采用摩擦塞焊接頭塞棒與板材配合角度,二級焊接實踐作為影響因子,進行多次實驗【3】?通過接頭拉伸力學實驗對焊接接頭抗拉強度等力學性能進行分析,通 過金相組織等明確焊縫質(zhì)量?

拉鍛塞棒由固定端,塞棒與塞焊部分組成,固定端用以將塞棒固定到塞焊設備夾頭,塞焊關(guān)鍵是維持塞棒芯部的冷卻,防 止摩擦加熱與頂鍛階段將塞棒拉斷 ?為能通過塞棒施加摩擦壓力,塞棒必須具有一定的強度,必 須確定合適的塞棒直徑?設計為18mm?

摩擦塞焊是一種新興的非熔化焊接技術(shù),通過對實驗件進行金相剖切檢查發(fā)現(xiàn),拉鍛式摩擦焊接典型缺陷為焊合缺陷等,常用的無損檢測手段主要包括X射線無損檢查與表面著色檢測? X射線主要用于內(nèi)部缺陷檢查,表面著色著色包括塞棒頂部結(jié)合面未焊合及底部,超 聲相控陣檢測可檢測細微的缺陷?

為減少從頂部界面的散失,熱量通過塞棒傳導減少,塞棒頂部保持在較高溫度,會導致塞棒拉穿出賽空,塞 棒芯部沿晶界分離 ?塞棒錐角較小時,塞棒處于過熱狀態(tài),可 能被完全拉出塞孔 ?如塞棒錐角較大,所受鍛壓力被轉(zhuǎn)移到過熱區(qū)域,產(chǎn)生芯部分離缺陷,為解決此矛盾,保證頂部界面連接良好保持塞棒芯部的機械性能的穩(wěn)定性? 將塞棒頭過大熱沉去掉,保 持塞棒芯部的強度 ?在頭部平直段加工矩形凹槽,傳導芯部的熱量,保 持塞棒機械性能的穩(wěn)定?

3 焊縫的摩擦塞補焊研究

對3mm與4mm厚度的LD10板材進行變極性TIG焊接,焊接后對賽焊接頭進行拉伸實驗,實驗采用工藝參數(shù)為塞棒旋轉(zhuǎn)速度4000rpm,一級焊接速度120mm/min,二級焊接速度130mm/min,采用塞棒小徑18mm,錐臺高度8.5mm,采用塞孔底孔直徑20mm?

選用LD10鋁合金板材TIG焊接工件,進行摩擦補焊,板材部位晶粒相對熔焊細小,塞棒內(nèi)部主流線主要沿焊接工 件垂直方向 ?塞棒與焊接間組織過渡平滑,板材組織細小,塞棒與熔焊及板材間形成等軸晶區(qū),在焊接時經(jīng)歷強烈的熱力作用,塞焊接頭熱影響區(qū)較小,接 頭性能良好?

熔合線附近細密晶體組織范圍較窄,等軸晶經(jīng)過較寬過度區(qū)后變?yōu)榘宀牡睦熳冃谓M織,熔焊與塞棒間的細小等軸經(jīng)較窄的過渡區(qū)后變?yōu)榫Я＝M織? 塞焊熔合線附近晶粒細小,原理該區(qū)域硬度則逐步減低,塞棒的硬度較熔焊接頭略高,硬度分布與其微觀組織相對應,塞焊接頭熱影響區(qū)域硬度未顯著減低,因塞焊熱輸入量小,時間較短的原因?

采用3mm與4mm厚的LD10鋁合金板材進行攪拌摩擦焊,沿攪拌摩擦焊方向進行拉伸性能測試 ?摩擦塞不含縫接頭強度與延伸率較高,修補后拉伸斷裂位置部分斷裂在縱向攪拌摩擦焊縫上,摩擦塞焊接頭力學性能可達到橫向攪拌摩擦焊接接頭的拉伸強度?

4 結(jié)語

采用正交試驗法對 4mmLD10鋁合金板材進行摩擦焊接正交試驗,確定焊接參數(shù)焊接速度 130mm/min,摩擦壓力 39kn,拉鍛式摩擦塞焊主要焊接缺陷是頂部結(jié)合面未焊合,中 部結(jié)合面為焊合等 ?通過采取改善塞棒孔結(jié)構(gòu),降低摩擦壓力等可提高摩擦塞焊質(zhì)量? 采用優(yōu)化的焊接參數(shù)進行 LD10鋁合金板材摩擦塞焊,成功實現(xiàn)了鋁合金拉斷摩擦塞焊,焊縫區(qū)細小的等軸晶組成,顯 微硬度較高?