[發明專利]一種用于鋁合金拉拔式摩擦塞焊的成型環及其焊接方法

在審

• 申請號: 201910984812.7
• 申請日: 2019-10-16
• 公開（公告）號: CN110773860A
• 公開（公告）日: 2020-02-11
• 發明（設計）人: 邵震;崔雷;盧鵬;楊君;高彥軍
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: B23K20/12
• 分類號: B23K20/12
• 代理公司: 12201 天津市北洋有限責任專利代理事務所
• 代理人: 王蒙蒙

本發明公開了一種用于鋁合金拉拔式摩擦塞焊的成型環，所述成型環的中心通孔為兩段式階梯型孔，所述兩段式階梯型孔分為靠近待焊工件的第一階梯部分和遠離待焊工件的第二階梯部分，所述第一階梯部分的錐度大于所述第二階梯部分的錐度，所述第一階梯部分的長度小于所述第二階梯部分的長度；焊接方法包括塞棒直徑的選擇、本發明成型環的使用和焊接進給量的確定。本發明提供一種摩擦塞焊的塞棒直徑選擇方法，以保證塞棒在焊接時不發生斷裂或者變形；通過設計成型環的結構可以有效的消除接頭上部和下部的未焊合缺陷，從而提升生產效率以及質量；提出的焊接進給量的確定方法可以幫助使用者確定焊接工藝參數，進而實現高質量的焊接。

技術領域

本發明涉及攪拌摩擦焊焊接技術，特別涉及一種用于鋁合金拉拔式摩擦塞焊 的焊接方法及配套設計的成型環。

背景技術

攪拌摩擦焊于1991年由英國焊接研究所發明，其作為一項固相連接技術， 具有熱輸入低、殘余應力小、殘余應變小等特點，被廣泛的應用于航空航天、汽 車和海洋工程等領域。而摩擦塞焊作為攪拌摩擦焊的進一步拓展，在修補焊接缺 陷方面能發揮重要作用。隨著我國航天事業的發展，我國對火箭的運力提出了更 高的要求。推進劑貯箱是運載火箭的主要承載部分，由于其尺寸巨大、壁厚薄、 剛性差，在焊接過程中難免出現焊接缺陷。而傳統的TIG焊修補方法，會導致 焊接區域力學性能降低，進一步降低焊接結構的完整性。而摩擦塞焊具有殘余變 形小，殘余應力小等特點，因此可以廣泛的應用于焊接缺陷的修補工作中。

摩擦塞焊根據施加的載荷的方向不同可以分為頂鍛式摩擦塞焊和拉鍛式摩 擦塞焊。拉鍛式摩擦塞焊在焊接時無需背部支撐裝置，且成本低、效率高，所以 在諸如貯箱等的封閉焊接結構點狀缺陷補焊和攪拌摩擦焊匙孔修補方面優勢較 突出。而拉鍛式摩擦塞焊很容易在界面處形成未焊合的缺陷，這種缺陷很難通過 調整焊接工藝參數來消除。

因此本發明根據以上問題提出了一種控制材料流動的焊接方法，主要通過特 殊設計的成型環來控制材料的流動，將帶有缺陷的部分擠出接頭的有效厚度，從 而消除摩擦塞焊的焊接缺陷。

發明內容

本發明的目的是克服現有技術中的不足，根據拉鍛式摩擦塞焊的焊接原理和 過程，提供一種用于鋁合金拉拔式摩擦塞焊的成型環及其焊接方法，采用本發明 可以消除摩擦塞焊接頭缺陷。

本發明所采用的技術方案是：一種用于鋁合金拉拔式摩擦塞焊的成型環，所 述成型環的中心通孔為兩段式階梯型孔，所述兩段式階梯型孔分為靠近待焊工件 的第一階梯部分和遠離待焊工件的第二階梯部分，所述第一階梯部分的錐度大于 所述第二階梯部分的錐度，所述第一階梯部分的長度小于所述第二階梯部分的長 度。

進一步地，所述第一階梯部分的錐度為60°、長度為1.8mm。

進一步地，所述第二階梯部分的錐度為30°、長度為8.2mm。

進一步地，所述成型環通過螺栓與支撐座進行定位與連接。

本發明所采用的另一技術方案是：一種鋁合金拉拔式摩擦塞焊焊接方法，包 括以下步驟：

選擇塞棒直徑；

將上述用于鋁合金拉拔式摩擦塞焊的成型環安裝在待焊工件的塞孔背面；

確定焊接總進給量。

進一步地，所述的塞棒直徑的確定方法為：

塞棒在焊接時同時受到拉應力和扭矩的作用，根據公式(2)計算得到塞棒 的帶有安全系數的第四強度理論的理論強度[σ]：

式中，τ為最大切應力，其中，M_e為最大扭矩，W_P為抗扭截面系數； σ為最大拉應力，其中F為最大拉力，A為塞棒截面積；n為安全 系數；