1.本发明属于航天设备技术领域，尤其是涉及一种球冠箱底纵缝的浮动式双轴肩搅拌摩擦焊接方法。
背景技术：
2.目前，我国5m大直径运载火箭燃料贮箱主要由前、后箱底，前、后短壳，若干筒段和若干法兰组焊而成，主焊缝包括筒段及短壳纵缝，箱底纵缝，箱底环缝和箱体环缝。目前，筒段及短壳纵缝采用搅拌摩擦焊接工艺进行焊接生产，箱底纵缝，箱底环缝和箱体环缝采用熔焊焊接工艺进行焊接生产。
3.5m大直径运载火箭燃料贮箱箱底为球冠箱底，每件箱底含8条纵缝，每条纵缝长度2500mm，纵缝内表面为r2776.8mm的弧形。箱底纵缝采用悬空tig焊接工艺进行焊接，焊接方法为单面两层焊，即氦弧定位焊+氦弧打底焊+氩弧盖面焊。焊接过程中焊缝背面无焊漏垫板支撑，焊前对待焊缝正、反面及端面氧化膜进行刮削处理，其中定位焊和打底焊不填丝，盖面焊填丝，焊接完成后，对焊缝背部焊漏进行人工铣削。
4.在贮箱的生产制造中，焊缝是整个贮箱结构的薄弱环节，tig熔焊工艺会不可避免的带来一定程度的焊接缺陷(如气孔、夹渣、微裂纹等)和焊接残余应力，同时焊缝内部微观组织也会发生较大的变化，如晶粒粗大、强化相析出、软化区宽等，相对母材，焊缝的力学性能有较大程度的下降。其存在的不足主要包括以下两个方面：
5.(1)tig焊焊缝存在大量的气孔、夹渣、微裂纹等未超标或超标缺陷，这些缺陷，在后续的液压试验或长期存放过程中可能会成为裂纹源，进而威胁到产品质量。对于超标缺陷，需要进行熔焊的排补，焊缝在多次热输入的作用下，容易造成焊缝力学性能的恶化，局部应力集中加剧，给产品质量带来不良影响。
6.(2)tig焊接工艺热输入较大，在焊接热循环的作用下，产品的焊接变形较大，特别是多次补焊后，产品形位尺寸精度大幅降低，导致后续环缝装配过程中出现大错边、大间隙等问题，影响焊接质量。
技术实现要素：
7.有鉴于此，本发明旨在提出一种球冠箱底纵缝的浮动式双轴肩搅拌摩擦焊接方法，以解决现有焊接方法中的不足。
8.为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
9.一种球冠箱底纵缝的浮动式双轴肩搅拌摩擦焊接方法，包括以下步骤：
10.s1、通过空间曲线焊接轨迹拟合方法对大直径球冠箱底纵缝进行焊接轨迹拟合；
11.s2、通过单轴肩定位焊接+双轴肩正式焊接的工艺方法对大直径球冠箱底纵缝进行焊接；
12.s3、通过风险控制方法对浮动式双轴肩搅拌摩擦焊接进行风险控制。
13.进一步的，在步骤s1中的所述空间曲线焊接轨迹拟合方法包括以下步骤：
14.s11、将浮动式双轴肩搅拌头安装至设备主轴，确定浮动式双轴肩搅拌头处于其滑动套最低端位置，并测量刀长a1、补偿值b1和补偿值b2；
15.s12、建立搅拌头行走轨迹模型，行走轨迹为大直径球冠箱底纵缝内表面；
16.s13、将搅拌头行走轨迹模型导入五轴联动系统，并生成焊接程序，计算刀长a1减去补偿值b1的值，并将计算结果输入至程序中；
17.s14、设定程序，开启焊接行走。
18.进一步的，所述浮动式双轴肩搅拌头还包括滑动键、上轴肩、下轴肩、搅拌针和若干紧固件，所述搅拌针长柄端穿过上轴肩内部，搅拌针长柄端直径较大的圆柱面端面与上轴肩内径端面靠紧配合，并通过紧固件锁紧固定，下轴肩穿过搅拌针短柄端，搅拌针短柄端直径较大的圆柱面端面与下轴肩内径端面靠紧配合，并通过紧固件锁紧固定，此时滑动键、上轴肩、下轴肩、搅拌针和若干紧固件组合成了双轴肩搅拌头主体；双轴肩搅拌头主体与滑动套套装，上轴肩圆柱外表面键槽与滑动套键槽对齐，滑动键穿过滑动套键槽，并通过紧固件连接固定在上轴肩圆柱外表面键槽内，双轴肩搅拌头与滑动套组合成为浮动式双轴肩搅拌头。
19.进一步的，所述滑动套外壁开设有滑动键槽，滑动键槽用于滑动滑动键。
20.进一步的，所述上轴肩和下轴肩均包括一体成型结构的圆柱段、下球形面段和下环形斜面段，下环形斜面段的一端固定连接至下球形面段，另一端固定连接至下环形斜面段，下球形面段表面开设有双螺旋沟槽，搅拌针的依次穿过下球形面段、下环形斜面段固定至圆柱段内部。
21.进一步的，所述下环形斜面段与水平面的夹角角度a范围为0.5
°
～1.5
°
。
22.进一步的，所述下环形斜面段的斜面宽度b范围为1.5～2mm。
23.进一步的，所述双螺旋沟槽为圆弧形沟槽，双螺旋沟槽的沟槽内径c范围为φ1～φ1.5mm。
24.进一步的，所述下环形斜面段的斜面外缘d为圆角结构，所述斜面外缘d的内径范围为r0.5～r1mm。
25.进一步的，在步骤s2中的所述轴肩定位焊接+双轴肩正式焊接的工艺方法包括以下步骤：
26.s21、在大直径球冠箱底纵缝底部安装焊接垫板，采用单轴肩定位搅拌头对大直径球冠箱底纵缝定位焊接；
27.s22、拆除焊接垫板，在大直径球冠箱底纵缝焊接起始端铣出缺口；
28.s23、将浮动式双轴肩搅拌头安装在设备主轴上；
29.s24、采用浮动式双轴肩搅拌头进行正式焊接。
30.进一步的，在步骤s3中的所述风险控制方法包括以下步骤：
31.s31、在浮动式双轴肩搅拌头的上轴肩、下轴肩上分别刻一条位置线，两条位置线位于同一条直线；
32.s32、在大直径球冠箱底纵缝的前、后两端各画一条对中线作为对中基准；
33.s33、在大直径球冠箱底纵缝和压紧机构之间加装铝制压条。
34.相对于现有技术，本发明所述的一种球冠箱底纵缝的浮动式双轴肩搅拌摩擦焊接方法具有以下优势：
35.(1)本发明所述的一种球冠箱底纵缝的浮动式双轴肩搅拌摩擦焊接方法，本专利在筒段纵缝浮动式双轴肩搅拌摩擦焊接的基础上进行了结构和工艺的优化升级，使其适用于5m直径运载火箭燃料贮箱球冠箱底纵缝的焊接，填补了大直径球冠箱底纵缝的浮动式双轴肩搅拌摩擦焊接技术空白，彻底解决了熔焊焊接存在的固有问题，提高了产品的焊接质量。
36.(2)本发明所述的一种球冠箱底纵缝的浮动式双轴肩搅拌摩擦焊接方法，本发明提出了采用浮动式双轴肩搅拌摩擦焊接技术实现大直径运载火箭贮箱球冠箱底纵缝的搅拌摩擦焊接方案，开发了一种新轴肩结构的浮动式双轴肩搅拌头、基于五轴联动系统的空间曲线焊接轨迹拟合方法、垫板可拆卸的柔性支撑压紧装置和适用于浮动式双轴肩搅拌摩擦焊接的风险控制方法，实现了5m大直径贮箱球冠箱底纵缝的高质、高效、高可靠搅拌摩擦焊接生产。
附图说明
37.构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
38.图1为本发明实施例所述的一种球冠箱底纵缝的浮动式双轴肩搅拌摩擦焊接方法浮动式双轴肩搅拌头正视图；
39.图2为本发明实施例所述的一种球冠箱底纵缝的浮动式双轴肩搅拌摩擦焊接方法其刀长及补偿值测量示意图；
40.图3为本发明实施例所述的一种球冠箱底纵缝的浮动式双轴肩搅拌摩擦焊接方法浮动式双轴肩搅拌头剖视图；
41.图4为图3的局部放大图；
42.图5为本发明实施例所述的一种球冠箱底纵缝的浮动式双轴肩搅拌摩擦焊接方法其焊接过程示意图；
43.图6为本发明实施例所述的一种球冠箱底纵缝的浮动式双轴肩搅拌摩擦焊接方法定位焊接示意图；
44.图7为本发明实施例所述的一种球冠箱底纵缝的浮动式双轴肩搅拌摩擦焊接方法正式焊接示意图；
45.图8为本发明实施例所述的一种球冠箱底纵缝的浮动式双轴肩搅拌摩擦焊接方法上、下轴肩对中线示意图；
46.图9为本发明实施例所述的一种球冠箱底纵缝的浮动式双轴肩搅拌摩擦焊接方法球冠箱底整体示意图。
47.附图标记说明：
48.1、浮动式双轴肩搅拌头；11、滑动套；111、滑动键槽；12、滑动键；13、上轴肩；14、下轴肩；141、下球形面段；142、下环形斜面段；143、双螺旋沟槽；15、搅拌针；16、紧固件；2、大直径球冠箱底纵缝；3、设备主轴；4、焊接垫板；5、左侧支撑；6、右侧支撑；7、压紧机构；8、铝制压条。
具体实施方式
49.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
50.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
51.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
52.下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
53.如图1至图9所示，一种球冠箱底纵缝的浮动式双轴肩搅拌摩擦焊接方法，包括以下步骤：
54.s1、通过空间曲线焊接轨迹拟合方法对大直径球冠箱底纵缝2进行焊接轨迹拟合；
55.s2、通过单轴肩定位焊接+双轴肩正式焊接的工艺方法对大直径球冠箱底纵缝2进行焊接；
56.s3、通过风险控制方法对浮动式双轴肩搅拌摩擦焊接进行风险控制。本发明提出了采用浮动式双轴肩搅拌摩擦焊接技术实现大直径运载火箭贮箱球冠箱底纵缝的搅拌摩擦焊接方案，开发了一种新轴肩结构的浮动式双轴肩搅拌头、基于五轴联动系统的空间曲线焊接轨迹拟合方法、垫板可拆卸的柔性支撑压紧装置和适用于浮动式双轴肩搅拌摩擦焊接的风险控制方法，实现了5m大直径贮箱球冠箱底纵缝的高质、高效、高可靠搅拌摩擦焊接。
57.在步骤s1中的所述空间曲线焊接轨迹拟合方法包括以下步骤：
58.s11、将浮动式双轴肩搅拌头1安装至设备主轴3，确定浮动式双轴肩搅拌头1处于其滑动套11最低端位置，并测量刀长a1、补偿值b1和补偿值b2；
59.s12、建立搅拌头行走轨迹模型，行走轨迹为大直径球冠箱底纵缝2内表面；
60.s13、将搅拌头行走轨迹模型导入五轴联动系统，并生成焊接程序，计算刀长a1减去补偿值b1的值，并将计算结果输入至程序中；
61.s14、设定程序，开启焊接行走。
62.在本实施例中，空间曲线焊接轨迹拟合方法。主要步骤为：
63.(1)将浮动式双轴肩搅拌头1即安装至设备主轴3上，确认双轴肩搅拌头1在重力作用下滑至滑动套11最低点，测量刀长a1，测量补偿值b1和补偿值b2；
64.(2)使用三维建模软件，以5m直径球冠箱底内表面直径为基准建立搅拌头行走轨
迹模型，行走轨迹为球冠底纵缝所在弧段，行走长度应大于含焊接余量区的实际纵缝长度80～100mm；
65.(3)将搅拌头行走轨迹模型导入五轴系统，焊接起始点设定于纵缝下端，结束点设定于纵缝上端，生成焊接程序，计算刀长a1-补偿值b1的值，将该值输入至程序中；
66.(4)设定程序，在搅拌头进入焊缝10～15mm后，暂停焊接行走，主轴下压，下压量为1/2的补偿值b2，下压结束后，继续开启焊接行走。
67.所述浮动式双轴肩搅拌头1还包括滑动键12、上轴肩13、下轴肩14、搅拌针15和若干紧固件16，所述上轴肩13外壁一端、滑动键12均滑动套设于滑动套11内部，滑动套11安装至设备主轴3，上轴肩13外壁中部固定套接于滑动键12内壁，且上轴肩13外壁中部与滑动键12通过紧固件16固定连接，上轴肩13外壁另一端穿过滑动套11，位于滑动套11外部，上轴肩13内壁套设搅拌针15，搅拌针15中部位于上轴肩13内，搅拌针15的一端穿出上轴肩13位于滑动套11内，且搅拌针15通过一个紧固件16固定连接上轴肩13外部，搅拌针15的另一端穿出上轴肩13固定套接至下轴肩14内壁。所述滑动套11外壁开设有滑动键槽111，滑动键槽111用于滑动滑动键12。本技术采用该轴肩结构，可在保证塑态金属具有足够流动性和汇聚作用的前提下，彻底解决双轴肩搅拌摩擦焊缝两侧边缘凹陷的问题，焊缝与母材等厚度，实现真正意义上的无减薄、无飞边搅拌摩擦焊接，并大幅提高了搅拌摩擦焊缝的力学性能。
68.所述上轴肩13和下轴肩14均包括一体成型结构的圆柱段、下球形面段141和下环形斜面段142，下环形斜面段142的一端固定连接至下球形面段141，另一端固定连接至下环形斜面段142，下球形面段141表面开设有双螺旋沟槽143，搅拌针15的依次穿过下球形面段141、下环形斜面段142固定至圆柱段内部，所述上轴肩13也设有的上球形面段和上环形斜面段，其上球形面段和上环形斜面段和下轴肩14的下球形面段141和下环形斜面段142结构相同。
69.所述下环形斜面段142与水平面的夹角角度a范围为0.5
°
～1.5
°
。所述下环形斜面段142的斜面宽度b范围为1.5～2mm。所述双螺旋沟槽143为圆弧形沟槽，双螺旋沟槽143的沟槽内径c范围为φ1～φ1.5mm。所述下环形斜面段142的斜面外缘d为圆角结构，所述斜面外缘d的内径范围为r0.5～r1mm。在本实施例中，搅拌头主体结构包括：滑动套11、滑动键12、上轴肩13、下轴肩14、搅拌针15及紧固件16，上、下轴肩工作面采用球形面+阿基米德双螺旋沟槽+环形圆角斜面的结构。球形面与环形斜面相交，斜面角度为0.5
°
～1.5
°
，环形斜面宽度为1.5～2mm，阿基米德双螺旋沟槽位于球形面上，沟槽为φ1～1.5mm的圆弧沟槽，环形斜面为平面，斜面外缘为r0.5～1mm的圆角，如附图4所示。
70.在步骤s2中的所述轴肩定位焊接+双轴肩正式焊接的工艺方法包括以下步骤：
71.s21、在大直径球冠箱底纵缝2底部安装焊接垫板4，采用单轴肩定位搅拌头对大直径球冠箱底纵缝2定位焊接；
72.s22、拆除焊接垫板4，在大直径球冠箱底纵缝2焊接起始端铣出缺口；
73.s23、将浮动式双轴肩搅拌头1安装在设备主轴3上；
74.s24、采用浮动式双轴肩搅拌头1进行正式焊接。
75.在本实施例中，轴肩定位焊接+双轴肩正式焊接的工艺方法。主要步骤为：定位焊接采用搅拌针15长1.5～2.5mm的单轴肩定位搅拌头，焊接时需垫板支撑，定位焊接完成后，拆卸焊接垫板4，保留左侧支撑5、右侧支撑6，中间悬空宽度60～80mm,安装浮动式双轴肩搅
拌头1，正式焊接前，在焊接起始端使用与双轴肩搅拌针15直径相同或直径略大的铣刀铣出缺口，可提高起始端的焊接稳定性，之后设定焊接参数，进行正式焊接。
76.在步骤s3中的所述风险控制方法包括以下步骤：
77.s31、在浮动式双轴肩搅拌头1的上轴肩13、下轴肩14上分别刻一条位置线，两条位置线位于同一条直线；
78.s32、在大直径球冠箱底纵缝2的前、后两端各画一条对中线作为对中基准；
79.s33、在大直径球冠箱底纵缝2和压紧机构7之间加装铝制压条8。
80.在本实施例中，所述风险控制方法，主要步骤为：(1)在双轴肩搅拌头装配完成状态下，在上、下轴肩上各刻一条位置线，两条位置线在同一条直线上，如果搅拌针发生扭转，位置线就会产生偏移，通过焊前检查，可有效避免搅拌针断裂风险；(2)正式焊接前，在定位焊缝的前、后两端各画一条对中线作为对中基准，可减小正式焊接前搅拌头的对中偏差；(3)正式焊接前，在产品和压紧机构之间加装铝制压条，减小焊缝正面悬臂长度，可提高压紧可靠性，减小质量风险。
81.实施例1
82.在本实施例中，5m大直径贮箱球冠箱底纵缝的浮动式双轴肩搅拌摩擦焊接在5m箱底搅拌摩擦焊接系统上进行，采用一种新轴肩结构的浮动式双轴肩搅拌头和单轴肩定位焊+双轴肩正式焊的方法，实现5m直径球冠箱底纵缝的搅拌摩擦焊接生产。
83.1、开发了具有新上、下轴肩结构的浮动式双轴肩搅拌头，搅拌头主体结构包括：滑动套11、滑动键12、上轴肩13、下轴肩14、搅拌针15及紧固件16，上、下轴肩工作面采用球形面+阿基米德双螺旋沟槽+环形圆角斜面的结构。球形面与环形斜面相交，斜面角度为1.0
°
，环形斜面宽度为1.8mm，阿基米德双螺旋沟槽位于球形面上，沟槽为φ1.0mm的圆弧沟槽，环形斜面为平面，斜面外缘为r0.8mm的圆角，如附图4所示。
84.如图8所示，2、基于五轴联动系统，开发了适用于5m大直径球冠箱底纵缝搅拌摩擦焊接的空间曲线焊接轨迹拟合方法。主要步骤为：
85.(1)将浮动式双轴肩搅拌头安装至设备主轴上，确认双轴肩搅拌头在重力作用下滑至滑动套最低点，测量刀长a1，测量补偿值b1和补偿值b2；
86.(2)使用三维建模软件，以5m直径球冠箱底内表面直径为基准建立搅拌头行走轨迹模型，行走轨迹为球冠底纵缝所在弧段，行走长度应大于含焊接余量区的实际纵缝长度90mm；
87.(3)将搅拌头行走轨迹模型导入五轴系统，焊接起始点设定于纵缝下端，结束点设定于纵缝上端，生成焊接程序，计算刀长a1-补偿值b1的值，将该值输入至程序中；
88.(4)设定程序，在搅拌头进入焊缝12mm后，暂停焊接行走，主轴下压，下压量为1/2的补偿值b2，下压结束后，继续开启焊接行走。
89.3、开发了可拆卸垫板+气动夹紧的球冠底柔性型胎和单轴肩定位焊接+双轴肩正式焊接的工艺方法。定位焊接采用搅拌针长2.0mm的单轴肩定位搅拌头，焊接时需垫板支撑，定位焊接完成后，拆卸焊接垫板，保留左、右侧支撑，中间悬空宽度70mm,安装浮动式双轴肩搅拌头，正式焊接前，在焊接起始端使用与双轴肩搅拌针直径相同或直径略大的铣刀铣出缺口，可提高起始端的焊接稳定性，之后设定焊接参数，进行正式焊接。
90.4、开发了一套适用于浮动式双轴肩搅拌摩擦焊接的风险控制方法：(1)在双轴肩
搅拌头装配完成状态下，在上、下轴肩上各刻一条位置线，两条位置线在同一条直线上，如果搅拌针发生扭转，位置线就会产生偏移，通过焊前检查，可有效避免搅拌针断裂风险；(2)正式焊接前，在定位焊缝的前、后两端各画一条对中线作为对中基准，可减小正式焊接前搅拌头的对中偏差；(3)正式焊接前，在产品和压紧机构之间加装铝制压条，减小焊缝正面悬臂长度，可提高压紧可靠性，减小质量风险。
91.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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。