2A14铝合金锁底结构搅拌摩擦焊接工艺.pdf

第 40 卷 2023 年第 s1 期上海航天（中英文）AEROSPACE SHANGHAI（CHINESE&ENGLISH）2A14铝合金锁底结构搅拌摩擦焊接工艺高焓，张聃，周佳芬，赵慧慧，何健利，尹玉环（上海市航天设备制造总厂有限公司，上海，200245）摘要:针对运载火箭共底贮箱独特的密封锁底焊缝承压结构开展搅拌摩擦焊工艺技术研究，采用基于锁底结构搅拌工具设计的无匙孔回抽全焊透工艺技术，探究搅拌针长度、前进侧位置、坡口尺寸对 4 mm 2A14 铝合金锁底焊缝强度的影响。经过焊接试验验证，针长度为0.10.3 mm，前进侧位于锁底侧，焊接坡口设为 0.5 mm 时为最优焊接工艺参数，焊缝强度高于熔焊焊缝强度。对锁底焊缝引钩（HOOK）缺陷进行研究，抑制了HOOK 的产生，实现了搅拌摩擦焊方法在运载火箭承压锁底结构的首次应用与飞行验证，提高了焊接效率和质量，并实现整箱减重。关键词:共底贮箱；搅拌摩擦焊；锁底焊缝中图分类号:TG453.9 文献标志码:A DOI:10.19328/ki.20968655.2023.s1.0382A14 Aluminum Alloy Bottom Lock Structure Friction Stir Welding ProcessGAO Han，ZHANG Dan，ZHOU Jiafen，ZHAO Huihui，HE Jianli，YIN Yuhuan（Shanghai Aerospace Equipment Manufacturing General Factory Co.，Ltd.，Shanghai，200245）Abstract:Aiming at the unique sealed bottom-lock weld pressure-bearing structure of a launch vehicles common bottom storage tank，the friction stir welding technology was studied.The keyless hole retraction full welding penetration process technology which was designed based on the lock-bottom structure stirring tool was applied to study the effects of stirring needle length，forward side position and groove size on the strength of a 4mm 2A14 aluminum alloy lock-bottom weld.According to the welding verification tests，under the scenario that the forward side was located on the bottom side of the lock when the length of the elected needle was set between-0.1mm+0.3mm and the welding groove was set to 0.5mm，the optimal welding process can be achieved and the weld strength was higher than the fusion weld strength.Further study on the hook of the lock bottom weld inhibits the generation of HOOK has realized the first application and flight verification of friction stir welding method in the pressure-bearing bottom lock structure of the launch vehicle，thus improving the welding efficiency，quality，and the heavy weight of the whole container.Key words:tank with a common bottom；friction stir welding；bottom-lock weld0引言 近年来国内外运载火箭结构制造技术取得飞速发展，推进剂燃料贮箱作为箭体中最大的结构部件，其材料与连接方法的选用至关重要1。2A14铝合金属于可热处理强化锻造铝合金，具有比强度高、塑韧性好、耐腐蚀性能和耐热性能优良等特点，广泛应用于船舶、航空航天等领域。但 2A14 铝合金为典型的共晶合金，化学性质活泼，在对其加工制作时采用传统熔化焊接方法往往会产生气孔、热裂纹等缺陷2-4，显著降低焊接接头的力学性能。搅拌摩擦焊是一种固相连接技术，可以有效地避免传统熔焊方法产生的气孔、热裂纹等缺陷，且具有焊接效率高、焊缝质量稳定、力学性能优良等优势5-6，已被广泛应用于航空航天领域火箭燃料贮箱地制收稿日期：20230413；修回日期：20230609作者简介：高 焓（1996），男，硕士，助理工程师，主要研究方向为搅拌摩擦焊，铝合金塞补焊。通信作者：张 聃（1986），男，硕士，高级工程师，主要研究方向为铝合金搅拌摩擦焊。260第 40 卷 2023 年第 s1 期高焓，等：2A14铝合金锁底结构搅拌摩擦焊接工艺造生产中，具有良好的应用前景7-9。锁底接头结构存在于运载火箭贮箱产品中，具有对接接头和搭接接头双重特点，由台阶部分提供搅拌摩擦焊过程中所需的刚性支撑，是叉形环与筒段壳段连接的主要形式。长征四号系列运载火箭共底贮箱在使用过程中存在锁底焊缝承受内压的情况，因此运载火箭共底贮箱对焊缝质量和稳定性要求较高，使用熔化焊进行锁底焊接容易产生气孔、夹杂、未焊透等缺陷，焊缝质量不稳定性，不能满足高质量生产及高密度发射的需求，应使用搅拌摩擦焊方法代替传统熔焊方法进行焊接。采用搅拌摩擦焊方法焊接锁底接头后，搭接面上会产生特有的引钩缺陷，即“HOOK”缺陷10，影响锁底焊缝的力学性能。郝云飞等11对 2219 铝合金锁底接头进行搅拌摩擦焊试验，发现偏向直边短壳一侧内部金属的塑性流动使得接头搭接面向上弯曲，接头有效承载厚度变小，接头强度系数降低。宋建岭等12研究了 6 mm 2A14 铝合金锁底搅拌摩擦焊，发现搅拌针长度小于 6 mm 时出现根部未焊透，搅拌针长度不小于 6 mm 时盖板一侧焊缝边缘出现了 HOOK缺陷。根据长征四号系列运载火箭贮箱使用的材料及锁底盖板厚度，本文对 4 mm 2A14铝合金锁底结构 进 行 了 搅 拌 摩 擦 焊 试 验，研 究 了 焊 缝 强 度 和HOOK 缺陷的影响，分析了前进侧位置、锁底坡口形式、搅拌针长度对锁底焊缝强度的影响，为获得质量稳定可靠的锁底结构搅拌摩擦焊焊缝提供参考。试验方法 试验材料均为 2A14-T6铝合金，化学成分见表1，盖板尺寸 4 mm，台阶尺寸 4 mm10 mm，如图 1所示。采用龙门式搅拌摩擦焊设备进行焊接。搅拌 工 具 均 为 圆 锥 螺 纹 型，选 取 搅 拌 针 长 度 3.6 4.5 mm，前进侧分别设置为盖板侧和台阶底板侧，坡口尺寸分为 0.1、0.5、1.0 mm 3种进行搅拌摩擦焊接。焊接参数根据工艺基础试验选用了较成熟的对接焊工艺参数，定位焊焊接转速 600 r/min，焊接速度 200 mm/min；正式焊焊接转速 600 r/min，焊接速度 200 mm/min。2试验结果和分析 2.1锁底前进侧位置对焊缝的影响为探究锁底结构搅拌摩擦焊过程中台阶、盖板的相对位置对焊缝的影响，选用针长度分别为 3.9、4.0 mm、4.1 mm，将台阶底板设置为前进侧、盖板为后退侧和台阶底板设置为后退侧、盖板为前进侧的对照工艺试验。图 24为不同针长下，前进侧与后退侧的不同对接头金相截面和拉伸后试件宏观形貌。从图中可以看出所有试件的金相截面均存在着 HOOK 缺陷，这说明锁底结构的 HOOK 缺陷是搅拌摩擦焊的工艺特点决定的，在焊接过程中搭接界面发生弯曲变成形成 HOOK，无法完全避免。对锁底焊接接头进行力学性能测试，结果见表 2。由表 2 可知，台阶底板位置后退侧时锁底接头的抗拉强度整体小于台阶底板位于前进侧，且在 HOOK 出现一侧起裂破坏。对比不同焊接接头的金相截面可以发现，台阶底板位于前进侧和后退侧时 HOOK 缺陷形态存在差异，当台阶底板位于后退侧时，HOOK 形态走向向上，而当台阶底板位于前进侧时 HOOK 的末端走向向下。结合力学性能结果和 HOOK 的走向规律，HOOK 末端走向向上时导致锁底接头的有效承载面积变小，力学性能变差；当 HOOK 末端走向向下时，锁底接头的有效承载面积受影响小，力学性能不会明显降低13。因此，在进行锁底搅拌摩擦焊时应将台阶底板设置为前进侧。锁底如图 5所示。图 1锁底结构Fig 1Schematic diagram of lock bottom structure表 1 2A14铝合金成分Tab 12A14 aluminum alloy composition 单位：%成分含量Mg0.40.8Si0.61.2Cu3.94.8杂质2.25Al余下261第 40 卷 2023 年第 s1 期上海航天（中英文）AEROSPACE SHANGHAI（CHINESE&ENGLISH）图 2针长 3.9 mm 时试件宏观形貌Fig 2The needle length is 3.9 mm图 3针长 4.0 mm 时试件宏观形貌Fig 3The needle length is 4.0mm图 4针长 4.1 mm 时试件宏观形貌Fig4The needle length is 4.1mm262第 40 卷 2023 年第 s1 期高焓，等：2A14铝合金锁底结构搅拌摩擦焊接工艺2.2锁底坡口尺寸对焊缝的影响在锁底焊接过程中，坡口大小对焊缝成形以及“HOOK”缺陷具有一定影响，从保证焊缝成形，适应于工程应用考虑，对台阶底板底角和盖板底部进行开坡口处理，研究不同坡口对焊缝形貌的影响。图 6 为坡口分别为 0.1、0.5、0.8 mm 时的焊缝形貌，由图 6 可知，坡口为 0.1 mm 时，形成的 HOOK 缺陷较 小，向 上 翘 起 高 度 为 0.3 mm；坡 口 为 0.5 mm，HOOK 缺陷末端向下走向；当坡口为 0.8 mm 时，焊缝金相组织存在严重上翘且宽度交款，对试板进行X 射线检测发现焊缝出现线状缺陷。因此在 4 mm 2A14锁底搅拌摩擦焊时应将底部开 0.5 mm 坡口。2.3搅拌针长对锁底焊接的影响搅拌针长度不同，对接头界面成形及接头承载能力的影响有很大差异。锁底台阶尺寸 3.9 mm，选择针长0.3 0.5mm，对试板进行焊接，不同搅拌工具长度焊缝的力学性能见表 3。锁底侧位于前进侧，断裂位置位于后退侧。图 7 为不同搅拌针长度（3.64.5mm）时，锁底接头横截面界面形态。由图 7 可知，针长为 3.63.7 mm 时，有截面未熔合存在；针长为 3.84.2 mm时，界面形成的 HOOK 形态均为平直或微向下的形态，拉伸试验均断在后退侧热影响区旁边 510 mm处；针长为 4.34.5 mm 时，搭接界面形成的 HOOK形态曲率变化处形成波动形态，拉伸试验均断在后退侧热影响区旁边 1 mm 处。结合力学性能结果，针长为 3.94.2 mm，即盖板厚度0.10.3 mm 时，接头力学性能均值稳定在 365.8 MPa以上。当 针 长 为 4.3 mm 以 上 时，接 头 力 学 性 能 受HOOK 影响有所下降，但稳定在均值 281.8 MPa 以上，相对于针长为