[发明专利]一种用于铝合金拉拔式摩擦塞焊的成型环及其焊接方法

说明书

本发明公开了一种用于铝合金拉拔式摩擦塞焊的成型环，所述成型环的中心通孔为两段式阶梯型孔，所述两段式阶梯型孔分为靠近待焊工件的第一阶梯部分和远离待焊工件的第二阶梯部分，所述第一阶梯部分的锥度大于所述第二阶梯部分的锥度，所述第一阶梯部分的长度小于所述第二阶梯部分的长度；焊接方法包括塞棒直径的选择、本发明成型环的使用和焊接进给量的确定。本发明提供一种摩擦塞焊的塞棒直径选择方法，以保证塞棒在焊接时不发生断裂或者变形；通过设计成型环的结构可以有效的消除接头上部和下部的未焊合缺陷，从而提升生产效率以及质量；提出的焊接进给量的确定方法可以帮助使用者确定焊接工艺参数，进而实现高质量的焊接。

技术领域

本发明涉及搅拌摩擦焊焊接技术，特别涉及一种用于铝合金拉拔式摩擦塞焊 的焊接方法及配套设计的成型环。

背景技术

搅拌摩擦焊于1991年由英国焊接研究所发明，其作为一项固相连接技术， 具有热输入低、残余应力小、残余应变小等特点，被广泛的应用于航空航天、汽 车和海洋工程等领域。而摩擦塞焊作为搅拌摩擦焊的进一步拓展，在修补焊接缺 陷方面能发挥重要作用。随着我国航天事业的发展，我国对火箭的运力提出了更 高的要求。推进剂贮箱是运载火箭的主要承载部分，由于其尺寸巨大、壁厚薄、 刚性差，在焊接过程中难免出现焊接缺陷。而传统的TIG焊修补方法，会导致 焊接区域力学性能降低，进一步降低焊接结构的完整性。而摩擦塞焊具有残余变 形小，残余应力小等特点，因此可以广泛的应用于焊接缺陷的修补工作中。

摩擦塞焊根据施加的载荷的方向不同可以分为顶锻式摩擦塞焊和拉锻式摩 擦塞焊。拉锻式摩擦塞焊在焊接时无需背部支撑装置，且成本低、效率高，所以 在诸如贮箱等的封闭焊接结构点状缺陷补焊和搅拌摩擦焊匙孔修补方面优势较 突出。而拉锻式摩擦塞焊很容易在界面处形成未焊合的缺陷，这种缺陷很难通过 调整焊接工艺参数来消除。

因此本发明根据以上问题提出了一种控制材料流动的焊接方法，主要通过特 殊设计的成型环来控制材料的流动，将带有缺陷的部分挤出接头的有效厚度，从 而消除摩擦塞焊的焊接缺陷。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，根据拉锻式摩擦塞焊的焊接原理和 过程，提供一种用于铝合金拉拔式摩擦塞焊的成型环及其焊接方法，采用本发明 可以消除摩擦塞焊接头缺陷。

本发明所采用的技术方案是：一种用于铝合金拉拔式摩擦塞焊的成型环，所 述成型环的中心通孔为两段式阶梯型孔，所述两段式阶梯型孔分为靠近待焊工件 的第一阶梯部分和远离待焊工件的第二阶梯部分，所述第一阶梯部分的锥度大于 所述第二阶梯部分的锥度，所述第一阶梯部分的长度小于所述第二阶梯部分的长 度。

进一步地，所述第一阶梯部分的锥度为60°、长度为1.8mm。

进一步地，所述第二阶梯部分的锥度为30°、长度为8.2mm。

进一步地，所述成型环通过螺栓与支撑座进行定位与连接。

本发明所采用的另一技术方案是：一种铝合金拉拔式摩擦塞焊焊接方法，包 括以下步骤：

选择塞棒直径；

将上述用于铝合金拉拔式摩擦塞焊的成型环安装在待焊工件的塞孔背面；

确定焊接总进给量。

进一步地，所述的塞棒直径的确定方法为：

塞棒在焊接时同时受到拉应力和扭矩的作用，根据公式(2)计算得到塞棒 的带有安全系数的第四强度理论的理论强度[σ]：

式中，τ为最大切应力，其中，M_e为最大扭矩，W_P为抗扭截面系数； σ为最大拉应力，其中F为最大拉力，A为塞棒截面积；n为安全 系数；