專利名稱：修補運載火箭貯箱攪拌摩擦焊焊縫缺陷的裝置及方法
技術領域：
本發明屬于運載火箭貯箱制造方法，具體涉及ー種修補大型、薄壁、密封結構件攪拌摩擦焊焊縫“匙孔型”缺陷的補焊攪拌頭和補焊方法。
背景技術：
攪拌摩擦焊技術(Friction Stir Welding, FSff)是上世紀90年代初英國焊接研究所(TWI)發明的ー項新型固相焊接技木，該技術具有焊接接頭質量高、焊接變形小、焊縫缺陷少，焊接過程綠色無污染等特點，非常適合于鋁合金、鎂合金等輕質合金的焊接，并且在航空航天、高速列車以及船舶制造等領域具有非常廣泛的應用前景。目前我國的某些型號運載火箭的貯箱筒段縱縫和(P3350mm貯箱橢球箱底主要承カ焊縫均已經開始逐步采用攪拌摩擦焊技術，并且采用攪拌摩擦焊技術焊接的運載火箭貯箱已經多次通過了飛行試驗考核。然而焊接缺陷對于任何ー種焊接技術在實際工程化應用過程中均是不可避免的， 都必須考慮焊接缺陷產生后的缺陷修補措施。在進行運載火箭貯箱攪拌摩擦焊接過程中攪拌頭因壽命問題發生攪拌針折斷產生的匙孔型缺陷(如圖I所示)不可避免，并且“匙孔型”缺陷的存在會對焊縫帶來諸多問題例如影響焊縫強度、氣密性等。

發明內容
本發明的目的是提供ー種修補運載火箭貯箱攪拌摩擦焊焊縫缺陷的裝置及方法， 以保證運載火箭貯箱產品質量及減少匙孔型缺陷造成的運載火箭貯箱產品報廢。實現本發明目的的技術方案ー種修補運載火箭貯箱攪拌摩擦焊焊縫缺陷的補焊攪拌頭，該補焊攪拌頭包括攪拌針夾持結構，以及與攪拌針夾持結構端部通過螺紋連接的攪拌針；其所述的攪拌針夾持結構的軸肩部分端面為內凹的斜面，傾斜角度在5 15° ;在該斜面上開設兩個同心圓環形凹槽，凹槽的深度為I. 2 I. 5mm,寬度為I. 5 2. Omm ;所述的攪拌針的前部為圓錐螺紋結構，在該圓錐螺紋的圓周間隔開設3個螺旋凹槽；該螺旋凹槽的母線方向與攪拌針軸線方向夾角為35 45°，螺旋凹槽的根部半徑為I 2mm，深度為I 2mm。如上所述的ー種修補運載火箭貯箱攪拌摩擦焊焊縫缺陷的補焊攪拌頭，其所述的攪拌針夾持機構的軸肩部分端面外緣結構為倒圓角結構，其半徑R為0. 5 I. 0mm。如上所述的ー種修補運載火箭貯箱攪拌摩擦焊焊縫缺陷的補焊攪拌頭，其所述的攪拌針夾持機構軸肩部分端面的兩個同心圓環形凹槽，它們的徑向間隔在I 2_。如上所述的ー種修補運載火箭貯箱攪拌摩擦焊焊縫缺陷的補焊攪拌頭，其所述的攪拌針的前部圓錐螺紋結構端面為平面結構，圓錐角度在15 20°。如上所述的ー種修補運載火箭貯箱攪拌摩擦焊焊縫缺陷的補焊攪拌頭，其所述的攪拌針的前部圓錐螺紋方向和螺旋凹槽方向均為左旋。本發明所述的ー種修補運載火箭貯箱攪拌摩擦焊焊縫缺陷的方法，其中貯箱焊接采用攪拌摩擦焊；設定焊縫的焊接起始點為A點，焊縫的焊接終點為C點；在實際攪拌摩擦焊接過程中，在A點至C點之間的某處B點攪拌針折斷，使得焊縫產生了“匙孔型”缺陷，需要修補焊縫；所述的修補焊縫方法包括如下步驟(a)首先對折斷在攪拌摩擦焊焊縫B點處的攪拌針進行手工挖排；(b)然后對焊縫B點進行固相填充，即采用與貯箱母材相同牌號、相同狀態的焊絲或填充材料填充到攪拌針折斷處B點留下的“匙孔型”缺陷，并將焊絲或填充材料壓實；(c)采用補焊攪拌頭，從攪拌針折斷處B點填充完焊絲或填充材料的區域中心開始攪拌摩擦焊接，直至焊接到設定的焊接終點C點；(d)然后繼續采用補焊攪拌頭，從焊接起始點A點重新攪拌摩擦焊接一遍焊縫，直至焊接到焊接終點C點。如上所述的ー種修補運載火箭貯箱攪拌摩擦焊焊縫缺陷的方法，其步驟(a)所述的折斷在攪拌摩擦焊縫B點處的攪拌針進行手工挖排，具體為首先對發生攪拌針折斷的攪拌摩擦焊焊縫進行X射線探傷，找出攪拌針折斷的準確位置；然后采用氣動凸輪銑刀，以折斷攪拌針為中心沿攪拌摩擦焊焊接方向，在焊縫正面挖去折斷攪拌針上層的焊縫金屬， 直至露出折斷的攪拌針；最后將折斷的攪拌針從焊縫中剔除。如上所述的ー種修補運載火箭貯箱攪拌摩擦焊焊縫缺陷的方法，其所采用的補焊攪拌頭的攪拌針夾持結構軸肩部分直徑和攪拌針根部直徑均大于發生折斷的攪拌頭的軸肩部分直徑和攪拌針直徑。如上所述的ー種修補運載火箭貯箱攪拌摩擦焊焊縫缺陷的方法，其所述的補焊攪拌頭末端距離焊縫背部剛性墊板的距離増大到0. 30 0. 35mm。如上所述的ー種修補運載火箭貯箱攪拌摩擦焊焊縫缺陷的方法，其所述的貯箱為 8 10_厚鋁合金。本發明的有益效果本發明開發了ー種具備較強工程化應用能力的攪拌摩擦焊 “匙孔型”缺陷修補方法及補焊攪拌頭，以保證運載火箭貯箱產品質量及減少匙孔型缺陷造成的運載火箭貯箱產品報廢。本發明采用“固相填充+攪拌摩擦焊”修補技術及補焊攪拌頭進行運載火箭貯箱筒段、橢球箱底等部段上的攪拌摩擦焊焊縫的“匙孔型”缺陷的修補，補焊過程無弧光、無煙塵、無飛濺，是ー種綠色無污染的補焊技術方案。相對于熔焊修補匙孔型缺陷，采用本發明エ藝方法補焊的攪拌摩擦焊焊接接頭的力學性能可以提高20 30%。本發明的補焊攪拌頭結構增強了焊縫塑性金屬的攪拌能力和產熱能力，因此可以有效提高攪拌摩擦焊接成功率，減少孔洞、未焊透和扎穿墊板等部缺陷的產生，焊接過程穩妥可控，補焊接頭質量穩定可靠。


圖I為攪拌摩擦焊焊縫匙孔型缺陷示意圖；圖2為本發明所述的ー種補焊攪拌頭結構示意圖；圖3為攪拌針夾持機構示意圖；圖4為攪拌針結構示意圖5為圖4中A-A向示意圖；圖6為固相填充+攪拌摩擦焊修補匙孔型缺陷方案示意圖；圖7為將折斷攪拌針從焊縫中剔除后的焊縫外觀形貌圖；圖8為攪拌摩擦焊匙孔型缺陷的固相填充效果圖；圖中1.攪拌針夾持機構；2.攪拌針；3.凹槽ー ；4.凹槽ニ ；5.斜面；6.平面結構；7.螺旋凹槽；8.倒圓角結構。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發明作進ー步描述。實施例I如圖2所示，采用的補焊攪拌頭包括攪拌針夾持結構1，以及與攪拌針夾持結構I 端部通過螺紋連接的攪拌針2。如圖3所示，攪拌針夾持結構I的軸肩部分端面為內凹的斜面5，傾斜角度為 10°。在該斜面5上開設兩個同心圓環形凹槽，凹槽一 3和凹槽ニ 4的深度為I. 3mm，寬度為I. 7mm。凹槽ー 3和凹槽ニ 4的徑向間隔在I. 5mm。攪拌針夾持機構I的軸肩部分端面外緣結構為倒圓角結構8,半徑R為0. 8mm。如圖4和圖5所示，攪拌針2的前部為圓錐螺紋結構，圓錐角度為18° ;在該圓錐螺紋的圓周間隔開設3個螺旋凹槽7 ;該螺旋凹槽7的母線方向與攪拌針軸線方向夾角為 40°，螺旋凹槽7的根部半徑為I. 5mm，深度為I. 7mm。攪拌針2的前部圓錐螺紋結構端面為平面結構6。攪拌針2的前部圓錐螺紋方向和螺旋凹槽方向均為左旋。本發明中補焊攪拌頭采用分體式結構設計，由攪拌針夾持結構和攪拌針組成，兩者通過螺紋方式連接，從而實現攪拌針夾持機構與攪拌針的同步旋轉。攪拌針夾持結構與焊接試樣接觸處結構為帶一定角度的內凹斜面+2個閉合同心圓環，可以提高焊接過程中攪拌頭對接頭錯邊量的適應性。攪拌針結構是在圓錐螺紋的基礎上增開3個螺旋凹槽，可以對焊縫中軟化的塑性金屬存在一個向下的旋壓作用，有利于獲得組織致密的攪拌摩擦焊縫。攪拌針末端面(即與焊縫底部相接觸處)采用平面結構，并且其外緣部分不帶倒角。攪拌針末端面的平面結構設計有利于加強焊縫根部塑性金屬的流動，并且在很大程度上減少焊縫背部弱結合缺陷的深度。實施例2本發明所述的ー種修補運載火箭貯箱攪拌摩擦焊焊縫缺陷的方法，其中貯箱焊接采用攪拌摩擦焊，貯箱為8mm厚鋁合金。如圖6所示，設定焊縫的焊接起始點為A點，焊縫的焊接終點為C點；在實際攪拌摩擦焊接過程中，在A點至C點之間的某處B點攪拌針折斷，使得焊縫產生了 “匙孔型”缺陷，需要修補焊縫。采用的正式焊接攪拌頭結構設計參數如表I所示。其從A點焊接到B點攪拌針折斷。表I筒段縱縫正式焊接的攪拌頭結構參數
權利要求
1.一種修補運載火箭貯箱攪拌摩擦焊焊縫缺陷的補焊攪拌頭，該補焊攪拌頭包括攪拌針夾持結構(I)，以及與攪拌針夾持結構(I)端部通過螺紋連接的攪拌針(2);其特征在于所述的攪拌針夾持結構(I)的軸肩部分端面為內凹的斜面(5)，傾斜角度在5 15° ; 在該斜面(5)上開設兩個同心圓環形凹槽(3，4)，凹槽(3，4)的深度為I. 2 I. 5mm，寬度為 L 5 2. Omm ；所述的攪拌針(2)的前部為圓錐螺紋結構，在該圓錐螺紋的圓周間隔開設3個螺旋凹槽⑵；該螺旋凹槽(7)的母線方向與攪拌針軸線方向夾角為35 45°，螺旋凹槽(7)的根部半徑為I 2mm,深度為I 2mm。
2.根據權利要求I所述的一種修補運載火箭貯箱攪拌摩擦焊焊縫缺陷的補焊攪拌頭， 其特征在于所述的攪拌針夾持機構(I)的軸肩部分端面外緣結構為倒圓角結構(8)，其半徑 R 為 O. 5 I. 0mm。
3.根據權利要求I所述的一種修補運載火箭貯箱攪拌摩擦焊焊縫缺陷的補焊攪拌頭， 其特征在于所述的攪拌針夾持機構(I)軸肩部分端面的兩個同心圓環形凹槽(3，4)，它們的徑向間隔在I 2mm。
4.根據權利要求I所述的一種修補運載火箭貯箱攪拌摩擦焊焊縫缺陷的補焊攪拌頭，其特征在于所述的攪拌針(2)的前部圓錐螺紋結構端面為平面結構(6)，圓錐角度在 15 20°。
5.根據權利要求I所述的一種修補運載火箭貯箱攪拌摩擦焊焊縫缺陷的補焊攪拌頭， 其特征在于所述的攪拌針(2)的前部圓錐螺紋方向和螺旋凹槽方向均為左旋。
6.一種采用權利要求I 5所述的任意一種補焊攪拌頭的修補運載火箭貯箱攪拌摩擦焊焊縫缺陷的方法，其中貯箱焊接采用攪拌摩擦焊；設定焊縫的焊接起始點為A點，焊縫的焊接終點為C點；在實際攪拌摩擦焊接過程中，在A點至C點之間的某處B點攪拌針折斷， 使得焊縫產生了 “匙孔型”缺陷，需要修補焊縫；其特征在于該所述的修補焊縫方法包括如下步驟(a)首先對折斷在攪拌摩擦焊焊縫B點處的攪拌針進行手工挖排；(b)然后對焊縫B點進行固相填充，即采用與貯箱母材相同牌號、相同狀態的焊絲或填充材料填充到攪拌針折斷處B點留下的“匙孔型”缺陷，并將焊絲或填充材料壓實；(c)采用補焊攪拌頭，從攪拌針折斷處B點填充完焊絲或填充材料的區域中心開始攪拌摩擦焊接，直至焊接到設定的焊接終點C點；補焊攪拌頭旋轉速度為600 850r/min，焊接速度為120 250mm/min。(d)然后繼續采用補焊攪拌頭，從焊接起始點A點重新攪拌摩擦焊接一遍焊縫，直至焊接到焊接終點C點；補焊攪拌頭旋轉速度為600 850r/min，焊接速度為120 250mm/min。
7.根據權利要求6所述的一種修補運載火箭貯箱攪拌摩擦焊焊縫缺陷的方法，其特征在于步驟(a)所述的折斷在攪拌摩擦焊縫B點處的攪拌針進行手工挖排，具體為首先對發生攪拌針折斷的攪拌摩擦焊焊縫進行X射線探傷，找出攪拌針折斷的準確位置；然后采用氣動凸輪銑刀，以折斷攪拌針為中心沿攪拌摩擦焊焊接方向，在焊縫正面挖去折斷攪拌針上層的焊縫金屬，直至露出折斷的攪拌針； 2最后將折斷的攪拌針從焊縫中剔除。
8.根據權利要求6所述的一種修補運載火箭貯箱攪拌摩擦焊焊縫缺陷的方法，其特征在于所采用的補焊攪拌頭的攪拌針夾持結構(I)軸肩部分直徑和攪拌針(2)根部直徑均大于發生折斷的攪拌頭的軸肩部分直徑和攪拌針直徑。
9.根據權利要求6所述的一種修補運載火箭貯箱攪拌摩擦焊焊縫缺陷的方法，其特征在于所述的補焊攪拌頭末端距離焊縫背部剛性墊板的距離增大到O. 30 O. 35mm。
10.根據權利要求6所述的一種修補運載火箭貯箱攪拌摩擦焊焊縫缺陷的方法，其特征在于所述的貯箱為8 IOmm厚鋁合金。
全文摘要
本發明提供一種修補運載火箭貯箱攪拌摩擦焊焊縫缺陷的裝置及方法。補焊攪拌頭包括攪拌針夾持結構和攪拌針；攪拌針夾持結構的軸肩部分端面為內凹的斜面，在該斜面上開設兩個同心圓環形凹槽；攪拌針的前部為圓錐螺紋結構，在該圓錐螺紋的圓周間隔開設3個螺旋凹槽。該方法首先對折斷在攪拌摩擦焊焊縫處的攪拌針進行手工挖排；然后對焊縫進行固相填充；再采用補焊攪拌頭，從攪拌針折斷處填充完焊絲或填充材料的區域中心開始攪拌摩擦焊接，直至焊接到設定的焊接終點；然后繼續采用補焊攪拌頭，從焊接起始點重新攪拌摩擦焊接一遍焊縫，直至焊接到焊接終點。本發明裝置及方法能夠保證運載火箭貯箱產品質量及減少匙孔型缺陷造成的運載火箭貯箱產品報廢。
文檔編號B23K20/24GK102581476SQ20121008490
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月28日 優先權日2012年3月28日
發明者朱平萍, 杜憲策, 白景彬, 羅軍, 趙衍華, 郝云飛, 郭剛 申請人:中國運載火箭技術研究院, 首都航天機械公司