鋁合金空間熱輔助攪拌摩擦焊技術(shù)

許　輝，封小松，徐　奎

(上海航天設(shè)備制造總廠，上海 200245)

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鋁合金空間熱輔助攪拌摩擦焊技術(shù)

許輝，封小松，徐奎

(上海航天設(shè)備制造總廠，上海 200245)

摘要:焊接作為一種重要的制造技術(shù)，對(duì)于大型空間結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)的在軌組裝、維修具有重要意義。在總結(jié)國(guó)外空間焊接技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出了基于光源同軸加熱輔助的空間攪拌摩擦焊技術(shù)，并利用激光進(jìn)行了地面焊接裝置研究與工藝試驗(yàn)。結(jié)果表明，采用無傾角光源同軸加熱輔助攪拌摩擦焊技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)鋁合金的可靠焊接；輔助加熱可提高焊接速度，降低缺陷發(fā)生率。該方法為我國(guó)空間焊接技術(shù)發(fā)展提供了一種新的思路和有益探索。

關(guān)鍵詞:空間焊接；攪拌摩擦焊；激光；輔助加熱

1引言

隨著我國(guó)航天技術(shù)的進(jìn)步，航天器飛行時(shí)間逐步增加、規(guī)模不斷擴(kuò)大、結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，對(duì)在軌維護(hù)和在軌組裝的技術(shù)提出了迫切需求。焊接是形成永久性接頭的關(guān)鍵技術(shù)，也是獲得良好的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能并能有效減重的一種關(guān)鍵制造和組裝手段，空間焊接技術(shù)也成為了在軌維修和組裝必不可少的工藝技術(shù)。而太空環(huán)境(微重力、大幅度溫度交變以及高真空等)給傳統(tǒng)熔焊焊接設(shè)備和焊縫成形都帶來了極大的困難，一般焊接方法難以用于空間環(huán)境[1]。電子束焊接被認(rèn)為是空間焊接技術(shù)的首選方法，但飛行器的大部分結(jié)構(gòu)材料為鋁合金，電子束在空間環(huán)境下焊接鋁合金時(shí)會(huì)出現(xiàn)焊縫成形差、焊接氣孔等問題[2]。

攪拌摩擦焊(friction stir welding, FSW)是一種新型焊接工藝，其固相成形特點(diǎn)能夠有效規(guī)避太空環(huán)境給熔焊帶來的不利因素，是太空鋁合金焊接的理想工藝。但是，常規(guī)FSW焊接過程中需要很大的壓力使焊縫發(fā)生塑性變形和擠壓成形，在空間環(huán)境中較難加載，需要降低FSW對(duì)焊接作用力的要求，加入輔助熱源是解決上述問題的方法之一，利用輔助熱源為FSW提供輔助的熱輸入，提高焊縫溫度可以有效降低焊接過程中的作用力[3-5]，從而實(shí)現(xiàn)在空間環(huán)境下的固相焊接制造。

輔助熱源一般加載在攪拌工具前方的工件上，提前預(yù)熱待焊材料[6-8]，這種復(fù)合方式的加熱效果影響因素多，且加熱的范圍無法控制在焊縫周圍，往往會(huì)擴(kuò)大熱影響區(qū)[9]，從而影響焊縫質(zhì)量。激光同軸輔助FSW技術(shù)是利用激光加熱焊接工具，通過熱傳導(dǎo)將激光熱量傳遞至焊縫。該復(fù)合方法實(shí)現(xiàn)了輔助熱源與FSW的原位耦合，熱輸入更加精確，能夠提高焊接熱輸入，且復(fù)合方式更加安全，結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)化，為太空環(huán)境下的飛行器修補(bǔ)與焊接提供了更可靠的方案選擇[10]。目前，尚未有關(guān)于熱源同軸輔助攪拌摩擦焊技術(shù)的研究報(bào)道，本文主要對(duì)該新型焊接方法的工藝可行性及焊接效果進(jìn)行了研究。

2國(guó)外空間焊接技術(shù)研究現(xiàn)狀

1969年，蘇聯(lián)在空間飛船上進(jìn)行了空間焊接試驗(yàn)，比較了傳統(tǒng)電弧焊和電子束焊在空間環(huán)境下的工藝適應(yīng)性，結(jié)果認(rèn)為電子束焊是最有前途的空間焊接工藝，但在空間環(huán)境下，難以解決電子束焊接鋁合金引起大量氣孔的問題[2]。美國(guó)宇航局利用飛機(jī)的拋物飛行，實(shí)現(xiàn)了微重力環(huán)境下進(jìn)行的激光焊接試驗(yàn)。日本大阪大學(xué)利用710 m深的落井進(jìn)行了微重力條件下鋁合金鎢極氣體保護(hù)焊試驗(yàn)，日本還對(duì)空心鎢陰極真空電弧現(xiàn)象和焊接行為進(jìn)行了研究[1]。傳統(tǒng)焊接方法對(duì)空間環(huán)境的適應(yīng)性不足以及工藝復(fù)雜性使得目前為止尚沒有實(shí)現(xiàn)大型航天器組件的空間焊接，直至1991年，新的焊接工藝——攪拌摩擦焊的發(fā)明，為空間焊接技術(shù)提供了新的可能。

以攪拌摩擦焊為代表的固相焊接技術(shù)規(guī)避了熔池成形過程中的復(fù)雜反應(yīng)，也避免了對(duì)微重力條件的地面模擬，在空間環(huán)境下與熔化焊手段相比極具優(yōu)勢(shì)[11-12]。NASA所屬馬歇爾空間飛行中心(MSFC)認(rèn)為攪拌摩擦焊是非常適用于空間焊接和維修的一種固相焊接工藝，并開發(fā)了用于薄壁焊接的便攜式設(shè)備，為了降低攪拌摩擦焊過程中所需的作用力，簡(jiǎn)化攪拌摩擦焊設(shè)備，并實(shí)現(xiàn)更高的焊接速度，MSFC提出了三種用于太空焊接的攪拌摩擦焊工藝，分別是高轉(zhuǎn)速攪拌摩擦焊、超聲攪拌焊以及熱攪拌焊[13]。

我國(guó)的空間焊接試驗(yàn)研究工作起步較晚，尚處于跟蹤、模仿與探索階段，以攪拌摩擦焊為代表的新型固相焊接技術(shù)的出現(xiàn)，為空間焊接技術(shù)提供了新的可能，也為我國(guó)縮短與國(guó)外在該領(lǐng)域的差距提供了新的途徑。

3熱源同軸輔助攪拌摩擦焊方案

3.1無傾角焊接方案

無傾角攪拌摩擦焊技術(shù)可以將攪拌摩擦焊設(shè)備從五軸聯(lián)動(dòng)降低為三軸聯(lián)動(dòng)，從而降低設(shè)備的復(fù)雜性，易于使設(shè)備實(shí)現(xiàn)小型化、便攜化，是實(shí)現(xiàn)便攜式攪拌摩擦焊的關(guān)鍵技術(shù)。另外無傾角攪拌摩擦焊在焊接空間三維曲線焊縫時(shí)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，避免了傳統(tǒng)攪拌摩擦焊在拐角處主軸的旋轉(zhuǎn)隨動(dòng)及運(yùn)動(dòng)速度波動(dòng)對(duì)焊縫產(chǎn)生的影響。為了保證空間攪拌摩擦焊過程的穩(wěn)定性，采用無傾角式攪拌摩擦焊。

3.2空間太陽光源同軸加熱輔助焊接方案

傳統(tǒng)的施加額外熱源方式包括超聲振動(dòng)、激光熱源、電弧熱、電阻熱等?？紤]到空間環(huán)境能量來源的特殊性，擬采用太陽光致熱能輔助加熱。通過對(duì)空間太陽光能的收集、光纖耦合與傳輸、聚焦等過程，將太陽光能直接投放至攪拌摩擦焊區(qū)域。采用的輔助加熱方式是通過加熱攪拌工具間接為焊縫提供輔助的焊接熱輸入，即如圖1所示的同軸加熱方式。這種利用空間太陽能進(jìn)行輔助加熱的方式，極大降低了空間焊接所需能耗，是一種極有前途的焊接工藝手段。

圖1　太陽光致熱能輔助攪拌摩擦焊示意圖Fig.1　Diagram of solar auxiliary heating FSW process

早在上世紀(jì)80年代，人們就已經(jīng)開始考慮采用空間太陽能來進(jìn)行空間焊接。巴頓焊接研究所在1980年即提出直接采用太陽能實(shí)施空間焊接的概念，通過氙燈來模擬空間太陽光的方式，實(shí)施了釬焊試驗(yàn)，驗(yàn)證了光能直接焊接的可行性[14-15]。

輔助熱能將攪拌工具加熱到一定溫度，通過熱傳遞便能夠?yàn)楹缚p提供輔助熱輸入，且熱量集中在攪拌工具，熱量的分布差異對(duì)加熱效果影響較小，為了主要研究熱能輔助攪拌摩擦焊的可行性與焊接效果，本課題采用激光替代空間太陽光能，評(píng)價(jià)熱能輔助攪拌摩擦焊的可行性。

4激光同軸加熱輔助FSW工藝試驗(yàn)

4.1裝備搭建

激光輔助攪拌摩擦焊系統(tǒng)由攪拌摩擦焊設(shè)備和4 kW光纖激光器兩部分組成，采用中空焊接主軸，通過光纖和激光加工頭將激光集成到攪拌摩擦焊中，圖2為設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2　激光輔助攪拌摩擦焊系統(tǒng)Fig.2　Sketch of laser assisted FSW

焊接過程中，聚焦后的激光通過焊接主軸中空孔，同軸加熱攪拌工具，攪拌工具采用中空形式，如圖3所示，由攪拌工具的熱傳導(dǎo)作用為焊縫間接提供輔助焊接熱輸入。

圖3　攪拌工具形狀Fig.3　Shape of stir tool

4.2工藝試驗(yàn)

試驗(yàn)采用了3 mm厚的6061-T6鋁合金，焊接試板采用對(duì)接接頭，對(duì)比有沒有加入激光對(duì)焊縫成形的影響，并對(duì)焊接得到的焊縫進(jìn)行力學(xué)性能分析。

4.2.1焊縫成形

采用不同的焊接參數(shù)，對(duì)有沒有加入激光輔助熱源得到的焊縫進(jìn)行了對(duì)比，焊縫成形如圖4所示。

圖4　不同焊接速度下接頭的宏觀形貌Fig.4　Macrostructure characteristics of weld in different speed

圖中可以看出常規(guī)FSW在焊接速度達(dá)到400 mm/min時(shí)，焊縫表面出現(xiàn)了犁溝缺陷，如圖4(a)所示，加入600 W的激光后，焊縫表面的犁溝消失，但焊縫表面紋路粗糙不清晰，出現(xiàn)毛刺，如圖4(b)所示。將焊接速度提高到450 mm/min時(shí)，焊縫表面紋路均勻美觀，如圖4(c)，成形良好。當(dāng)焊接速度達(dá)到500 mm/min后，焊縫表面又出現(xiàn)犁溝，如圖4(d)所示。

以上現(xiàn)象說明提高焊接速度會(huì)降低焊接熱輸入，過快的焊接速度會(huì)導(dǎo)致焊接熱輸入不足，焊縫金屬塑性降低，材料流動(dòng)不充分，從而使焊縫成形變差，出現(xiàn)表面犁溝等材料缺失型缺陷。引入激光輔助熱源后，為焊縫提供了輔助的熱輸入，焊縫成形得到改善，同時(shí)可將FSW的焊接速度提高到450 mm/min。焊接速度得到提高也說明了攪拌工具前進(jìn)過程中，焊縫金屬軟化程度得到提高，攪拌工具的前進(jìn)抗力也相應(yīng)下降。

4.2.2接頭抗拉強(qiáng)度

圖5　焊接速度與接頭拉伸性能的關(guān)系Fig.5　Curve of tensile properties vs. welding speed

焊接速度對(duì)接頭抗拉強(qiáng)度的影響如圖5所示，攪拌工具旋轉(zhuǎn)速度為3000 r/min，復(fù)合FSW采用的激光功率為600 W。圖中可以看出，常規(guī)FSW在焊接速度為300 mm/min時(shí)，接頭獲得峰值抗拉強(qiáng)度為255 MPa，加入激光輔助熱源后，在焊接速度為400 mm/min時(shí)，獲得的接頭峰值抗拉強(qiáng)度為262 MPa，當(dāng)常規(guī)FSW焊接速度達(dá)到300 mm/min，或復(fù)合FSW焊接速度增加到400 mm/min后，抗拉強(qiáng)度下降。在焊接速度小于350 mm/min范圍內(nèi)，采用相同的焊接速度，引入激光輔助熱源進(jìn)行焊接，接頭的抗拉強(qiáng)度略小于常規(guī)攪拌摩擦焊接接頭；當(dāng)焊接速度在350～400 mm/min范圍內(nèi)時(shí)，則相反，采用激光輔助焊接所獲得接頭的抗拉強(qiáng)度較高。由前述分析可知，采用兩種方式焊接，可以獲得接頭抗拉強(qiáng)度接近的焊縫，不同之處在于，采用激光熱源輔助可以顯著提高焊接速度，從常規(guī)的300 mm/min提高至450 mm/min，因此焊接效率較高。

4.2.3接頭顯微硬度

圖6是不同焊接參數(shù)下獲得接頭橫截面的顯微硬度分布，從圖中可以看出焊縫橫截面的硬度分布大致呈“W”狀，焊核區(qū)硬度較高，熱影響區(qū)硬度較低，在靠近母材的區(qū)域硬度又恢復(fù)高值，焊縫兩側(cè)的硬度分布不對(duì)稱，后退側(cè)熱影響區(qū)硬度比前進(jìn)側(cè)低，軟化程度更高，說明了焊縫后退側(cè)熱影響區(qū)是接頭的薄弱環(huán)節(jié)。激光功率的加入或旋轉(zhuǎn)速度和焊接速度的改變都沒有改變接頭的硬度分布，在一定程度上驗(yàn)證了接頭斷裂特性對(duì)焊接參數(shù)的不敏感性。在旋轉(zhuǎn)速度為3000 r/min，焊接速度為300 mm/min的基礎(chǔ)上加入600 W的激光輔助熱源后，接頭各區(qū)的硬度下降，適當(dāng)降低旋轉(zhuǎn)速度或提高焊接速度后，接頭硬度有所提高。

圖6　不同焊接參數(shù)對(duì)應(yīng)的接頭顯微硬度分布Fig.6　Hardness profiles of different welding joints

加入激光輔助熱源后，接頭硬度下降是由于焊接熱輸入提高，焊縫中更多的強(qiáng)化相溶解，導(dǎo)致接頭的硬度下降，提高焊接速度或降低旋轉(zhuǎn)速度后，焊接總熱輸入下降，強(qiáng)化相溶解減少，接頭的硬度有所上升。焊接速度提高后，大應(yīng)變速率及足夠的溫度促進(jìn)了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，同時(shí)相對(duì)冷卻速度得到提高，從而細(xì)化晶粒，有利于接頭硬度的提高。

4.2.4接頭斷口分析

圖7是接頭拉伸后的宏觀形貌，接頭的斷裂全部發(fā)生在后退側(cè)的熱影響區(qū)，說明焊縫的后退側(cè)是接頭的薄弱環(huán)節(jié)。從圖6的硬度分布圖還可以看出，后退側(cè)熱影響區(qū)出現(xiàn)明顯的軟化，導(dǎo)致斷裂發(fā)生在后退側(cè)的熱影響區(qū)。

圖7　部分接頭拉伸后的宏觀形貌Fig.7　Fracture locations of welding joints

圖8是拉伸試樣斷口掃描照片。圖中可以看出，兩個(gè)試樣的斷口由大量的等軸韌窩構(gòu)成，韌窩尺寸相近，大小相對(duì)均勻，激光輔助熱源的加入對(duì)接頭的斷口形貌沒有明顯改變，說明激光的引入對(duì)攪拌摩擦焊接頭的斷裂特性影響不大。

圖8　試樣拉伸斷口SEM微觀照片F(xiàn)ig.8　Microstructure characteristics of joint fracture

5結(jié)論

本文討論了空間焊接技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，介紹了現(xiàn)有空間焊接技術(shù)的發(fā)展歷程及優(yōu)缺點(diǎn)。根據(jù)空間環(huán)境對(duì)焊接過程的特殊影響，提出了利用空間太陽光能同軸加熱輔助攪拌摩擦焊技術(shù)概念。通過在地面搭建激光同軸加熱輔助攪拌摩擦焊裝備，實(shí)施了焊接工藝試驗(yàn)，得到如下結(jié)論：

1)固態(tài)焊接能夠有效規(guī)避鋁合金熔焊過程中出現(xiàn)的氣孔問題，焊接過程沒有液態(tài)熔池，高真空以及微重力等空間環(huán)境因素對(duì)焊接過程影響較??；

2) 輔助熱源能夠?qū)崿F(xiàn)更多的熱輸入，為降低固態(tài)焊接所需的作用力提供了條件，使固態(tài)焊接有望用于空間結(jié)構(gòu)的連接；

3) 地面激光熱源同軸輔助攪拌摩擦焊工藝試驗(yàn)表明，該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)鋁合金焊縫的無缺陷焊接，接頭強(qiáng)度系數(shù)與傳統(tǒng)攪拌摩擦焊相近，焊接速度可提高50%以上，明顯提高了焊接工藝適應(yīng)性。

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Heat Assisted Friction Stir Welding of Aluminum in Space

XU Hui, FENG Xiaosong , XU Kui

(Shanghai Aerospace Equipments Manufacturer，Shanghai 200245, China)

Abstract:Welding as an important manufacturing technology, is of great significance for on-orbit assembly of large space structures and institutions. On the basis of summarizing the development status quo of foreign welding technology used in space, a space friction stir welding technology based on the coaxial heating auxiliary of the light source was proposed and the research of the ground welding equipment and process test were carried out with laser. The results showed that the friction stir welding with zero tilt angle assisted by coaxial heating of light source could achieve reliable welding of aluminum alloy. Auxiliary heating could improve the welding speed, and reduce the incidence of defects. This method provides a new insight and useful exploration for the development of space welding technology in China.

Key words:welding in space; friction stir welding(FSW); laser; auxiliary heating

收稿日期：2015-08-29；修回日期：2016-03-19

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(51305272);載人航天預(yù)先研究項(xiàng)目(050201)

作者簡(jiǎn)介：許輝(1989-)，男，碩士，研究方向?yàn)閿嚢枘Σ梁讣夹g(shù)。E-mail：ixuhui@sina.com

中圖分類號(hào)：TG456.9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-5825(2016)03-0308-05