【摘 要】
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拉拔式摩擦塞焊(FPPW)技术作为一种固相连接技术,在火箭贮箱缺陷修复领域具有广阔的应用前景。本文对航天高强铝合金拉拔式摩擦塞焊工艺进行了系统研究。设计了焊接接头并对焊接过程进行了仿真分析,采用2219-T6铝合金塞棒和2A70-T6铝合金板材进行FPPW焊接工艺实验,对6mm-8mm厚2A70铝合金进行了FPPW接头几何参数优化和焊接工艺参数优化,并成功在3.35米直径的运载火箭贮箱上进行了试验
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拉拔式摩擦塞焊(FPPW)技术作为一种固相连接技术,在火箭贮箱缺陷修复领域具有广阔的应用前景。本文对航天高强铝合金拉拔式摩擦塞焊工艺进行了系统研究。设计了焊接接头并对焊接过程进行了仿真分析,采用2219-T6铝合金塞棒和2A70-T6铝合金板材进行FPPW焊接工艺实验,对6mm-8mm厚2A70铝合金进行了FPPW接头几何参数优化和焊接工艺参数优化,并成功在3.35米直径的运载火箭贮箱上进行了试验,对2A70铝合金FPPW接头的微观组织与力学性能进行了分析。对塞棒进行了受力分析和强度校核,确定了焊接轴向拉力下塞棒的最小直径范围。采用DEFORM软件建立了铝合金FPPW三维模型,对焊接过程中的热场和流场进行了模拟分析,指导了FPPW接头几何参数优化。结果表明,焊接过程中摩擦热和材料塑性流动主要集中在塞棒与母材的摩擦界面处,界面附近母材金属(热力影响区所在位置)在塞棒挤压作用下发生明显塑性流动,填充母材与垫板之间的空腔。垫板成形孔尺寸对焊接成形至关重要,垫板成形孔直径过大可能导致底部未焊合,而减少垫板成形上部孔槽深有助于改善底部成形。工艺实验结果表明,对于8mm厚2A70铝合金,采用R50圆弧形塞棒,母材预制孔为圆柱形或圆锥+圆柱形(锥孔长度2mm,直孔长度6mm),采用孔径为30mm,槽深为2mm的阶梯孔成形垫板,有助于改善材料流动和界面结合,改善接头底部焊接缺陷。对于6mm厚2A70铝合金,采用工艺参数为22k N-30k N轴向拉力,2mm/s-2.5mm/s进给速度,20kN/s-40kN/s轴向加载速率时,能够得到无缺陷的焊接接头。对于8mm厚2A70铝合金,采用40k N轴向拉力焊接时接头缺陷较少,进一步增加轴向拉力会导致塞棒径缩,缺陷显著增大。微观组织与力学性能研究表明,2A70铝合金FPPW接头的细晶热力影响区,由于超细晶粒的形成,强度损失非常有限。结合界面两侧的塞棒热影响区、母材热力影响区由于焊接过程导致过时效而发生局部软化,其中塞棒热影响区软化最为明显,硬度最低。在母材热力影响区和塞棒热影响区中均发现了共晶网状相。使用了28kN的轴向拉力,7000r/min的焊接转速,2.5mm/s的进给速度,20kN/s的加载速率,11mm进给量的接头拉伸试样性能最高,抗拉强度和伸长率分别达到了376MPa和6.2%。接头断裂位置发生在结合界面附近的塞棒热影响区区域。
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