LD10铝合金搅拌摩擦焊技术研究

郭瑞霖 张忠松 赵宏源 张 云

（吉林建筑大学，吉林 长春 130118）

随着我国国防工业等快速发展,近年来以摩擦塞焊,线性摩擦焊等为代表的科学摩擦焊先进摩擦焊接技术日益得到国内专家学者的青睐,焊机工艺日益先进化,实际焊接中,不可避免产生缺陷｡传统手工TIG焊无法保证产品质量,迫切需要寻求一种先进的补焊工艺｡摩擦塞修补焊技术有望成为解决焊接缺陷的良方,提高我国工业制造技术水平｡FPW 是固相连接技术,主要用于焊接缺陷修补,具有焊接速度快,可在恶劣环境中进行焊接等优点,摩擦塞焊消除了熔焊修补堆焊的局部变形,摩擦塞焊结合处产生强烈的塑性形变,能大幅改进补焊焊缝的力学性能,断裂韧性,补焊后工件变形小,焊缝冶金与力学性能提高｡

1 摩擦焊接的简介

1.1 摩擦焊接的原理

摩擦塞焊工作原理是在一定压力条件下,利用驱动装置带动塞棒旋转,塞棒与赛孔接触形成塑化金属,最 后进行顶锻完成焊接｡ 摩擦塞焊工艺首先在待焊工件上开锥形孔,摩擦加热阶段塞棒工进,高速旋转使得摩擦面紧密接触产生热量,制动减速阶段要求高速旋转的塞棒迅速制动急停,保压阶段没有能量输入,保持轴向压力获得高质量的接头【1】｡

依据塞棒焊接里方式不同,摩擦塞焊主要有顶锻式摩擦塞焊与拉缎式摩擦塞焊两种｡ 锻式摩擦塞焊接力采用推的方式加载,顶锻式塞焊工作中在工件有缺陷位置开锥形孔,在工件一侧塞棒顶入锥形孔,凭借塞棒头部螺纹连接,焊机带动塞棒旋转,完成顶锻式摩擦塞焊｡

顶锻式摩擦塞焊时,焊机与背部支撑垫板在被焊工件两侧,摩擦塞焊需要施加力超50N,采用顶锻式加载要求摩擦塞焊使用顶板与焊接工装具有相当的刚度,拉锻式摩擦塞焊可将所有设备放在修补共件的一侧,可自平衡加载,设备相对简单,焊接可达性好,适用于复杂结构的焊接缺陷的修补【2】｡

1.2 摩擦塞焊的实际应用

实际焊接生产中,焊接缺陷不可避免,局部焊接缺陷可能引起致命的后果,焊接修补是质量保证的关键技术必须实现高可靠的焊接缺陷补焊 ｡中国航天科研院生产的航天贮箱,LD10是现偶型号火箭贮箱的结构材料,LD10铝合金熔焊焊接性差,液压实验易发生低压爆破,缺 陷位置必须进行补焊｡

如贮箱缺陷多次补焊后达不到制造验收标准只得报废处理,2219铝合金为新一代运载火箭贮箱材料,如采用传统的手工TIG补焊工艺,会 限制贮箱质量的提高｡新一代运载火箭贮箱制造中采用搅拌摩擦焊接技术,焊接过程中母材不融化,具有接头强度系数高,缺 陷少等优点｡

如采用传统熔化焊进行修补,易产生裂纹,为 接头设计带来困难 ｡必须采用固相补焊工艺保证高的接头强度系数 ｡先进可靠低成本的焊接技术已成为补焊技术的新趋势,中国航天科研院目前生产的贮箱主要采用TIG焊接方法,手工修补工作操作难度大,补后残余应力大,急需一种自动化程度高的缺陷修补技术,摩擦塞焊技术成为了经济可靠的解决途径｡

2 板材摩擦塞焊工艺研究

LD10铝合金是先进运载火箭贮箱主要的制造材料,LD10铝合金主要强化相为Mg2Si,具有强度高等优点,焊 接时易产生延迟裂纹 ｡实验采用拉锻式摩擦塞焊设备,基于PLC 控制的自动摩擦塞焊机 ｡ 满足拉锻式摩擦塞焊的实验要求｡

实际试验中,为减少工装板对板材热量的吸收,嵌入绝缘材料,热量集中在塞棒与塞孔周围,焊接时如参数选择不当,易造成塞棒下部过热,焊接下部易产生未焊投缺陷,采用分体式工装板时,避免塞棒 缩颈现象｡ 采用4mm的LD10铝合金平板与塞棒进行摩擦塞焊正交实验,采用摩擦塞焊接头塞棒与板材配合角度,二级焊接实践作为影响因子,进行多次实验【3】｡通过接头拉伸力学实验对焊接接头抗拉强度等力学性能进行分析,通 过金相组织等明确焊缝质量｡

拉锻塞棒由固定端,塞棒与塞焊部分组成,固定端用以将塞棒固定到塞焊设备夹头,塞焊关键是维持塞棒芯部的冷却,防 止摩擦加热与顶锻阶段将塞棒拉断 ｡为能通过塞棒施加摩擦压力,塞棒必须具有一定的强度,必 须确定合适的塞棒直径｡设计为18mm｡

摩擦塞焊是一种新兴的非熔化焊接技术,通过对实验件进行金相剖切检查发现,拉锻式摩擦焊接典型缺陷为焊合缺陷等,常用的无损检测手段主要包括X射线无损检查与表面着色检测｡ X射线主要用于内部缺陷检查,表面着色着色包括塞棒顶部结合面未焊合及底部,超 声相控阵检测可检测细微的缺陷｡

为减少从顶部界面的散失,热量通过塞棒传导减少,塞棒顶部保持在较高温度,会导致塞棒拉穿出赛空,塞 棒芯部沿晶界分离 ｡塞棒锥角较小时,塞棒处于过热状态,可 能被完全拉出塞孔 ｡如塞棒锥角较大,所受锻压力被转移到过热区域,产生芯部分离缺陷,为解决此矛盾,保证顶部界面连接良好保持塞棒芯部的机械性能的稳定性｡ 将塞棒头过大热沉去掉,保 持塞棒芯部的强度 ｡在头部平直段加工矩形凹槽,传导芯部的热量,保 持塞棒机械性能的稳定｡

3 焊缝的摩擦塞补焊研究

对3mm与4mm厚度的LD10板材进行变极性TIG焊接,焊接后对赛焊接头进行拉伸实验,实验采用工艺参数为塞棒旋转速度4000rpm,一级焊接速度120mm/min,二级焊接速度130mm/min,采用塞棒小径18mm,锥台高度8.5mm,采用塞孔底孔直径20mm｡

选用LD10铝合金板材TIG焊接工件,进行摩擦补焊,板材部位晶粒相对熔焊细小,塞棒内部主流线主要沿焊接工 件垂直方向 ｡塞棒与焊接间组织过渡平滑,板材组织细小,塞棒与熔焊及板材间形成等轴晶区,在焊接时经历强烈的热力作用,塞焊接头热影响区较小,接 头性能良好｡

熔合线附近细密晶体组织范围较窄,等轴晶经过较宽过度区后变为板材的拉伸变形组织,熔焊与塞棒间的细小等轴经较窄的过渡区后变为晶粒组织｡ 塞焊熔合线附近晶粒细小,原理该区域硬度则逐步减低,塞棒的硬度较熔焊接头略高,硬度分布与其微观组织相对应,塞焊接头热影响区域硬度未显著减低,因塞焊热输入量小,时间较短的原因｡

采用3mm与4mm厚的LD10铝合金板材进行搅拌摩擦焊,沿搅拌摩擦焊方向进行拉伸性能测试 ｡摩擦塞不含缝接头强度与延伸率较高,修补后拉伸断裂位置部分断裂在纵向搅拌摩擦焊缝上,摩擦塞焊接头力学性能可达到横向搅拌摩擦焊接接头的拉伸强度｡

4 结语

采用正交试验法对 4mmLD10铝合金板材进行摩擦焊接正交试验,确定焊接参数焊接速度 130mm/min,摩擦压力 39kn,拉锻式摩擦塞焊主要焊接缺陷是顶部结合面未焊合,中 部结合面为焊合等 ｡通过采取改善塞棒孔结构,降低摩擦压力等可提高摩擦塞焊质量｡ 采用优化的焊接参数进行 LD10铝合金板材摩擦塞焊,成功实现了铝合金拉断摩擦塞焊,焊缝区细小的等轴晶组成,显 微硬度较高｡