CN112427799B - 一种大尺寸高厚度铝合金面板的搅拌摩擦焊制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大尺寸高厚度铝合金面板的搅拌摩擦焊制造方法，所述面板包括底板和盖板，包括如下步骤，第一步、底板的焊接：焊前装配、正面定位焊、正面预热焊、正面正式焊、正面加强焊，反面定位焊、反面预热焊、反面正式焊、反面加强焊；第二步、底板和盖板的流道处理；第三步、盖板与底板的焊接：装配、盖板定位焊、盖板正式焊；第四步、面板的焊后热处理以及机加工；所述正面预热焊和反面预热焊，为采用搅拌摩擦焊预热，通过搅拌头轴肩和搅拌针摩擦产热，焊接深度为正面正式焊和反面正式焊的1/5。该制造方法适用于大尺寸铝合金面板在航空、航天和电子领域液冷构件的焊接制造，值得推广。

Description

一种大尺寸高厚度铝合金面板的搅拌摩擦焊制造方法
技术领域
本发明属于雷达阵面制造技术领域，尤其涉及一种大尺寸高厚度铝合金面板的搅拌摩擦焊制造方法。
背景技术
搅拌摩擦焊是指利用高速旋转的焊具与工件摩擦产生的热量使被焊材料局部熔化，当焊具沿着焊接界面向前移动时，被塑性化的材料在焊具的转动摩擦力作用下由焊具的前部流向后部，并在焊具的挤压下形成致密的固相焊缝。
一体化大尺寸高厚度铝合金液冷天线面板由于其优越的导热、机械性能和高效的空间利用率，作为核心结构功能件被广泛应用于各种电子装备天线阵面结构中。铝合金大尺寸液冷天线面板由大面板底板和若干盖板焊接加工成形，由于大面板尺寸较大(一般厚度超过80mm,宽度超过2000mm，长度超过7000mm)，目前国内没有足够大的铝合金厚板可以直接加工成形，因此底板需要采用厚板拼焊保证大面板毛坯尺寸。由于一体化天线阵面大面板是电子装备的核心结构功能件，是整个电子装备液冷***的核心，对大面板尺寸精度、焊缝强度、密封性和流道洁净度等要求非常严格，常规熔焊很难在大尺寸和大厚度铝合金焊接时保证变形和焊缝质量，同时也难以保证大尺寸焊接时流道密封性和洁净度。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，本发明提供一种大尺寸高厚度铝合金面板的搅拌摩擦焊制造方法，可以解决大尺寸铝合金面板常规焊接时焊缝质量差和大面板液冷流道盖板焊接时变形大、流道密封性差和洁净度差等问题。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种大尺寸高厚度铝合金面板的搅拌摩擦焊制造方法，所述面板包括底板和盖板，包括如下步骤，
第一步、底板的焊接：焊前装配、正面定位焊、正面预热焊、正面正式焊、正面加强焊，反面定位焊、反面预热焊、反面正式焊、反面加强焊；
第二步、底板和盖板的流道处理；
第三步、盖板与底板的焊接：装配、盖板定位焊、盖板正式焊；
第四步、面板的焊后热处理以及机加工；
所述正面预热焊和反面预热焊，为采用搅拌摩擦焊预热，通过搅拌头轴肩和搅拌针摩擦产热，焊接深度为正面正式焊和反面正式焊的1/5。
进一步的，所述正面预热焊和反面预热焊配备辅助热源与搅拌头集成预热，所述辅助热源采用电磁加热、或振动加热、或超声加热。
进一步的，所述第一步的正面定位焊和反面定位焊，采用氩弧焊进行固定点焊，焊点间距20-50mm，再采用搅拌摩擦焊进行定位预焊，定位焊焊深6-12mm。
进一步的，所述第一步的正面正式焊和反面正式焊，采用搅拌摩擦焊进行正式焊接，焊深40-60mm，采用高转速、低焊速和高倾角进行焊接；焊接时搅拌针采用水雾冷却。
进一步的，所述第二步的正面加强焊和反面加强焊，采用搅拌摩擦焊进行加强焊，加强焊焊深20-40mm。
进一步的，所述第一步的正面正式焊和反面正式焊，采用具有特制宽轴肩和粗搅拌针的搅拌头，搅拌针为不锈钢材料，轴肩为双同心圆式，铝合金板厚度为H，焊深为h1，搅拌头轴肩宽为m，搅拌针根部直径r，h1＝1/2H+3，m的范围为h1+10mm～h1+15mm，r的范围为10-15mm。
进一步的，所述第三步，在钢结构焊接平台工装上进行焊接，所述钢结构焊接平台工装上布满工艺孔，所述工艺孔纵向间距为Z，横向间距为H，工艺孔直径为P，则Z的范围为300-400mm，H的范围为150-200mm，P的范围为16-20mm。
进一步的，所述第三步中的盖板定位焊采用氩弧焊进行固定点焊，焊点间距为20-50mm，再采用搅拌摩擦焊进行定位预焊，焊深范围为1-2mm；所述盖板正式焊采用搅拌摩擦焊进行正式焊接，流道盖板焊深为h2，h2的范围为9-12mm；焊接时搅拌针采用水雾冷却。
进一步的，在所述第二至四步中，在流道进、出水口安装迷宫封堵装置。
本发明有益效果：
本发明公开了一种大尺寸高厚度铝合金面板的搅拌摩擦焊制造方法，根据搅拌摩擦焊在铝合金等轻金属材料焊接领域的优势，首先进行铝合金大面板底板厚板搅拌摩擦焊拼焊，待大面板底板和盖板的流道加工成形并清洁干净后，采用搅拌摩擦焊进行大面板流道盖板焊接；通过搅拌头设计、焊接工艺优化、焊接工装设计和流道口迷宫封堵装置设计等措施，既要保证大面板底板铝合金厚板焊接时的焊缝质量，又要控制大尺寸铝合金液冷流道盖板焊接时的变形、焊缝质量、流道密封性和洁净度等；适用于大尺寸铝合金面板在航空、航天和电子领域液冷构件的焊接制造，值得推广。
附图说明
图1为本发明的铝合金厚板以及拼焊固定工装的示意图；
图2为本发明的厚板拼焊搅拌头的结构示意图；
图3为本发明的钢结构焊接平台工装的结构示意图；
图4为本发明的面板厚板拼焊焊缝切面式样图；
其中：1、铝合金厚板；1-1、铝合金厚板的拼接处；2、拼焊固定工装；3、钢结构焊接平台工装。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的优选的机构和运动实现的方法做进一步的说明。
如图1-4所示，大尺寸铝合金液冷天线面板一般包括底板和盖板，底板和盖板上分别对应设有供冷却液流动的流道，当底板和盖板合到一起时，形成完整的流道。
铝合金厚板的材料一般采用5A06铝合金，其板厚为H，H范围为60-130mm。
一种大尺寸高厚度铝合金面板的搅拌摩擦焊制造方法，包括如下步骤：
第一步：大尺寸高厚度的铝合金底板厚板搅拌摩擦焊步骤：
1.1、焊前装配：采用对接形式进行装配，如图1所示，将两块铝合金厚板1需焊接处对接，两侧打孔并装配拼焊固定工装2，可避免焊接时接头因变形开裂，该底板的拼焊固定工装2为2个工装厚板，通过螺钉将两块铝合金厚板的拼接处1-1固定在一起，工装厚板和螺钉的大小根据铝合金厚板的板厚而定。
1.2、正面定位焊：首先采用氩弧焊进行固定点焊，焊点间距20-50mm，然后采用搅拌摩擦焊进行定位预焊。定位焊焊深a1，a1范围为6-12mm。
1.3、正面预热焊：采用搅拌摩擦焊进行预热焊，预热搅拌头，通过搅拌头的轴肩摩擦产热进行预热，目的是先让被焊接材料的温度上升再进行焊接，其焊接深度为正面正式焊或反面正式焊的1/5，另外也可以配备辅助热源与搅拌头集成预热，辅助热源可以采用电磁加热、或振动加热、或超声加热等。
1.4、正面正式焊：采用搅拌摩擦焊进行正式焊接，设计专用宽轴肩和粗搅拌针搅拌头，正式焊焊深40-60mm，采用高转速、低焊速和高倾角进行焊接；焊接时搅拌针采用水雾冷却。
1.5、正面加强焊：采用搅拌摩擦焊进行加强焊，加强焊焊深b，b范围20-40mm。
1.6、反面定位焊：同步骤1.2，首先采用氩弧焊进行固定点焊，焊点间距20-50mm，然后采用搅拌摩擦焊进行定位预焊。定位焊焊深a1，a1范围6-12mm。
1.7、反面预热焊：同步骤1.3，采用搅拌摩擦焊进行预热焊，预热搅拌头无搅拌针，通过轴肩摩擦产热进行预热，可以同时配备辅助热源与搅拌头集成预热，辅助热源可以采用电磁加热、振动或超声等。
1.8、反面正式焊：同步骤1.4，采用搅拌摩擦焊进行正式焊接，设计专用宽轴肩和粗搅拌针搅拌头，正式焊焊深40-60mm，采用高转速、低焊速和高倾角进行焊接；焊接时搅拌针采用水雾冷却。
1.9、反面加强焊：同步骤1.5，采用搅拌摩擦焊进行加强焊，加强焊焊深b，b范围20-40mm。
其中1.4和1.8步骤中，采用的正式焊搅拌针如图2所示，搅拌针为不锈钢材料，轴肩为双同心圆式，铝合金板厚度为H，焊深为h1，搅拌头轴肩宽m，搅拌针根部直径r，其中h1＝1/2H+3，m的范围为h1+10mm～h1+15mm，，r的范围为10-15mm。
该步骤具有如下优点：
1、采用厚板拼焊时设计专用宽轴肩和粗搅拌针的焊接搅拌头，配合低焊速、高转速和高倾角等工艺优化手段增加焊接热输入，同时进行搅拌头水雾冷却，避免长距离(≥2000mm)焊接时搅拌针过载断裂；
2、厚板拼焊时焊前进行定位预焊和预热焊，预热使软化材料，提高厚板内部材料流动性，焊缝更容易进行流动和混合，有利于消除焊缝根部缺陷和弱连接；
3、厚板焊接时依次采用定位预焊、预热焊、正式焊和加强焊，加强焊焊深为正式焊焊深的1/2左右，主要作用是通过焊缝中心再次搅拌作用，细化焊缝区晶粒大小，增强焊缝力学性能。
第二步：大尺寸液冷面板的底板和盖板的流道处理：焊后热处理、流道机加工、清洗。
第三步：大尺寸液冷面板的盖板与底板焊接：装配、定位焊、正式焊；
3.1、装配：将铝合金底板厚板固定至钢结构焊接平台工装3上，使用螺钉通过大面板工艺孔连接钢结构焊接平台工装3。而如图3所示，钢结构焊接平台工装3上布满工艺孔，其工艺孔数量根据大面板尺寸而定，工艺孔纵向间距为Z，横向间距为H，工艺孔直径为P；Z的范围为300-400mm，H的范围为150-200mm，P的范围为16-20mm。再将盖板装配在铝合金底板上，盖板装配后在流道进、出水口安装迷宫封堵装置。
该专用的钢结构焊接平台工装3，在大铝合金面板和焊接工装上每隔一定距离开工艺孔配合，利用螺钉固定工艺孔将大面板与焊接工装连为一体，相比传统焊接夹具，专用焊接平台工装能够大幅减少焊接变形。
另外，在面板焊接、热处理和焊后加工时，流道口均采用迷宫封堵装置，在通气的同时防止异物通过迷宫进入流道，即保证了大面板流道的洁净度，又将焊接和焊后热处理时产生热气排出，防止形成流道内腔高压导致盖板鼓包或翘曲。
3.2、盖板定位焊：首先采用氩弧焊进行固定点焊，焊点间距20-50mm，然后采用搅拌摩擦焊进行定位预焊。盖板定位焊的焊深为a2，a2范围为1-2mm；
3.3、盖板正式焊：采用搅拌摩擦焊进行正式焊接，流道盖板焊深h2，h2的范围为9-12mm；焊接时搅拌针采用水雾冷却。
第四步：大尺寸铝合金液冷天线面板：焊后热处理、机加工。
4.1、焊后热处理和机加工时均采用迷宫封堵装置封闭流道进、出水口。
关于迷宫封堵装置可参见申请号为202010775828X的中国专利一种大尺寸路合金液冷天线面板迷宫封堵装置。
本实施例通过搅拌头设计、焊接工艺优化、焊接工装设计和流道口迷宫封堵装置设计等措施，克服了大尺寸铝合金面板常规焊接时焊缝质量差和流道盖板焊接时变形大、流道密封性差和洁净度差等难题，即保证了大尺寸铝合金液冷天线面板厚板焊接时的焊缝质量，又控制了液冷流道盖板焊接时大面板的变形、焊缝质量、密封性和流道洁净度。
最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种大尺寸高厚度铝合金面板的搅拌摩擦焊制造方法，所述面板包括底板和盖板，所述大尺寸高厚度铝合金面板的厚度>80mm，宽度>2000mm，长度>7000mm，包括如下步骤，
第一步、底板的焊接：焊前装配、正面定位焊、正面预热焊、正面正式焊、正面加强焊，反面定位焊、反面预热焊、反面正式焊、反面加强焊；
第二步、底板和盖板的流道处理；
第三步、盖板与底板的焊接：装配、盖板定位焊、盖板正式焊；
第四步、面板的焊后热处理以及机加工；
所述正面预热焊和反面预热焊，为采用搅拌摩擦焊预热，通过搅拌头轴肩和搅拌针摩擦产热，焊接深度为正面正式焊和反面正式焊的1/5；
所述第一步的正面加强焊和反面加强焊，采用搅拌摩擦焊进行加强焊，加强焊焊深20-40mm；
所述第三步，在钢结构焊接平台工装上进行焊接，所述钢结构焊接平台工装上布满工艺孔，所述工艺孔纵向间距为Z，横向间距为H，工艺孔直径为P，则Z的范围为300-400mm，H的范围为150-200mm，P的范围为16-20mm。
2.根据权利要求1所述的大尺寸高厚度铝合金面板的搅拌摩擦焊制造方法，其特征在于，所述正面预热焊和反面预热焊配备辅助热源与搅拌头集成预热，所述辅助热源采用电磁加热或振动加热或超声加热。
3.根据权利要求1所述的大尺寸高厚度铝合金面板的搅拌摩擦焊制造方法，其特征在于，所述第一步的正面定位焊和反面定位焊，采用氩弧焊进行固定点焊，焊点间距20-50mm，再采用搅拌摩擦焊进行定位预焊，定位焊焊深6-12mm。
4.根据权利要求1所述的大尺寸高厚度铝合金面板的搅拌摩擦焊制造方法，其特征在于，所述第一步的正面正式焊和反面正式焊，采用搅拌摩擦焊进行正式焊接，焊深40-60mm，采用高转速、低焊速和高倾角进行焊接；焊接时搅拌针采用水雾冷却。
5.根据权利要求1所述的大尺寸高厚度铝合金面板的搅拌摩擦焊制造方法，其特征在于，所述第一步的正面正式焊和反面正式焊，采用具有特制宽轴肩和粗搅拌针的搅拌头，搅拌针为不锈钢材料，轴肩为双同心圆式，铝合金板厚度为H，焊深为h1，搅拌头轴肩宽为m，搅拌针根部直径r，h1=1/2H+3，m的范围为h1+10 mm~ h1+15mm，r的范围为10-15mm。
6.根据权利要求1所述的大尺寸高厚度铝合金面板的搅拌摩擦焊制造方法，其特征在于，所述第三步中的盖板定位焊采用氩弧焊进行固定点焊，焊点间距为20-50mm，再采用搅拌摩擦焊进行定位预焊，焊深范围为1-2mm；所述盖板正式焊采用搅拌摩擦焊进行正式焊接，流道盖板焊深为h2，h2的范围为9-12mm；焊接时搅拌针采用水雾冷却。
7.根据权利要求1所述的大尺寸高厚度铝合金面板的搅拌摩擦焊制造方法，其特征在于，在所述第二至四步中，在流道进、出水口安装迷宫封堵装置。
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