解析鋁合金空間熱輔助攪拌摩擦焊技術

姜亞興

摘要：本文針對于鋁合金空間熱輔助攪拌摩擦焊技術進行解析，從其在國內(nèi)現(xiàn)階段的研究現(xiàn)狀進行探討，并通過其產(chǎn)熱過程以及成形過程進行操作程序的探究，進而在無傾角焊接、太陽光源同軸加熱方面給出了實現(xiàn)熱源同軸輔助攪拌摩擦技術的基本方案，并利用激光地面焊接實驗，引出完善復合焊接工藝的相關措施。

關鍵詞：空間焊接;攪拌摩擦焊;輔助加熱

引言：空間輔助攪拌摩擦焊接技術是滿足對于在軌維護以及在軌組裝技術的基本需求的基礎上，實現(xiàn)永久性接頭的關鍵技術，同時借助有效減重，獲得良好的結(jié)構(gòu)力學。攪拌摩擦焊，即FSW技術在當今航空航天等領域的鋁合金等輕質(zhì)材料的焊接中具有突出表現(xiàn)，在此基礎上研究的復合型FSW技術需要做進一步的研究。

1.空間熱輔助攪拌摩擦焊技術的研究現(xiàn)狀

由于特殊環(huán)境的影響，給傳統(tǒng)的熔焊焊接設備以及焊縫成形等方面都帶來了一定的影響，如太空環(huán)境下的微重力、溫差變化、高真空等條件的阻礙，使得普通的鋁合金焊接方式難以滿足空間環(huán)境的需求。隨著技術的發(fā)展，攪拌摩擦焊接工藝的出現(xiàn)可以使焊接在有效規(guī)避復雜環(huán)境下不利影響的情況下有序進行，是進行鋁合金焊接的理想技術，但由于在焊接的過程中，其壓力過大使得焊縫發(fā)生形變的可能性加大，為空間環(huán)境下的焊接加大了難度。因此，借助熱源輔助對于攪拌摩擦焊接提供輔助性的熱輸入技術的引入，可以實現(xiàn)在空間焊接條件下的固相焊接制造。此外激光同軸輔助焊接技術可以通過熱傳導將激光的熱量有效傳遞至焊縫，進而形成攪拌焊接技術與輔助熱源的原位耦合，使得焊接技術的應用更加精確、便捷。新型固相焊接技術經(jīng)過長期的發(fā)展，在攪拌設備的簡化、焊接過程作用力的減免、焊接速度的提升方面有效的拉伸了焊接工藝的技術效能。我國雖在空間焊接工藝的試驗研究方面起步較晚，但新型固相焊接技術的出現(xiàn)為空間焊接技術的出現(xiàn)以及我國與國外相關技術差距的縮短提供了可能性。

2.鋁合金空間熱輔助攪拌摩擦焊技術的操作程序

2.1產(chǎn)熱過程

熱源在焊接的過程中起到輔助的作用，主要的焊接過程有攪拌焊接技術完成，其通常由產(chǎn)熱、攪拌、鍛壓等程序完成對于鋁合金材料的焊接。在產(chǎn)熱過程中，由于熱量大小是決定這一過程中，焊接成形的重要因素，因此對于輔助熱源的有效控制成為決定焊接效果的關鍵。

攪拌焊接技術的熱源通常由軸肩與母材的焊接產(chǎn)生，這給攪拌頭帶來了巨大的負擔，容易因攪拌頭的磨損而導致其發(fā)生折斷的情況出現(xiàn)。輔助熱源可以為材料提供預熱軟化，進而有效減低設備運作過程中出現(xiàn)的摩擦，進而使整體的焊接熱源由輔助熱源以及摩擦熱源共同組成。

在一些無軸肩的攪拌過程中，會使摩擦熱降低，在焊接過程中相應的塑性金屬由于缺少攪拌工具軸肩鍛壓的作用，會導致焊接效果的不理想，因此軸肩在焊接過程中是不可或缺的部分，即使有輔助熱源的情況下，也需要進行配備，但在實際設計過程中需要依靠實際情況對于軸肩的大小進行調(diào)節(jié)。

2.2成形過程

材料的流動能力在焊接成形的過程中起著重要作用，這由于焊縫的成形原理決定，在焊縫成形過程中，經(jīng)過塑性軟化的金屬在攪拌頭的旋轉(zhuǎn)作用下，通過攪拌針的填充形成空腔，在此基礎上通過軸肩與攪拌針的擠壓完成焊縫的成形。

在借助輔助熱源的FSW工藝中，由于輔助熱源的作用，塑性軟化材料增多，材料的流動和轉(zhuǎn)移能力提升。經(jīng)過研究，超聲輔助熱源借助超聲的振動可以有效降低形變的阻力以及流動的應力，進而有效的加大金屬的塑性流動性，降低熱影響區(qū)，使得晶粒更細，組織更加均勻。

此外，在研究過程中，通過對于橫截面的觀察，發(fā)現(xiàn)輔助熱源對于焊接的組織分布情況的影響相對較小。

3.熱源同軸輔助攪拌摩擦焊的基本方案

3.1無傾角焊接方案

在FSW工藝中，無傾角焊接方案的出現(xiàn)，使得原本的五軸聯(lián)動攪拌摩擦焊接設備降低為三軸聯(lián)動，進而使得設備呈現(xiàn)簡單化趨勢，進而使設備的小型化成為可能，可以通過對于這一技術的有效研究，開發(fā)攪拌摩擦技術的便攜式技術。

此外，在進行空間三維曲線焊縫的焊接操作時，可以有效減輕傳統(tǒng)的焊接技術在拐彎處主軸的旋轉(zhuǎn)隨動，并避免由于運動速度波動對于焊縫的影響，因此無傾角焊接技術的應用可以有效提升空間攪拌摩擦焊接過程中的穩(wěn)定性，為技術的運用提供依據(jù)[1]。

3.2空間太陽光源同軸加熱輔助焊接方案

相較于無傾角焊接方案，空間太陽光源同軸加熱輔助焊接方案在實際操作中更具有可行性，是對于熱能輔助攪拌摩擦焊接技術進行評價的重要途徑，一般在操作中采用激光來替代太陽光。在早期通過疝氣代替太陽光，進行釬焊試驗，進而證實了空間太陽光源同軸加熱輔助焊接工藝在實際操作中的可行性。

由于空間環(huán)境下熱量來源的特殊性，人們想出了借助太陽光進行輔助加熱的方法，通過對于空間太陽光能的收集以及光纖耦合與傳輸?shù)炔僮髁鞒?，以此形成利用對于攪拌工具的加熱間接性的為攪拌焊接提供熱能的方式，進而使得空間的能源消耗得到有效的控制。

4.激光同軸加熱輔助FSW工藝試驗

本文借助利用激光代替太陽光，進行同軸加熱的輔助攪拌摩擦焊接技術的可行性試驗。

在此過程中，利用中空焊接主軸，并借助光纖和激光加工頭的作用，使得激光集成到攪拌摩擦焊中，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，形成傳導性熱輸入，借助一定規(guī)格的鋁合金材料作為焊接材料，并用對接接頭的方式設置焊接試板，實驗過程中，利用不同的焊接參數(shù)，進而對比在激光有無的情況下，焊接成形的效果。

試驗結(jié)果顯示在沒有激光的情況下，焊接的表面出現(xiàn)了犁溝與毛刺，并在焊接的速率不同的情況下，焊接表面的美觀程度不同。進而得出結(jié)論，焊接速率的提升會降低焊接中的熱輸入，使得金屬的塑性降低，材料的流動不充分，在激光的引入后，焊接的效果得到了一定的改善。在此基礎上，通過對于接頭抗拉強度、接頭顯微硬度、接頭斷口情況方面，均證明了輔助熱源可以有效的提升熱輸入，并實現(xiàn)對于鋁合金焊縫的無缺陷焊接，提升焊接效果[2]。

5.復合焊接工藝的優(yōu)化

針對于現(xiàn)階段在熱輔助攪拌摩擦技術推廣應用中的問題，需要對于負荷焊接工藝做進一步的優(yōu)化，其主要原因是傳統(tǒng)技術的根深蒂固以及復合焊接工藝的復雜性。因此，需要對于輔助熱源進行有效的甄選，從感應熱、電弧、激光、超聲、電阻熱等熱源中依據(jù)實際情況進行選擇，并對輔助人員的復合方式進行有效的優(yōu)化，再通過對于輔助熱源相對位置的調(diào)整，提升空間熱輔助攪拌摩擦焊技術的優(yōu)化性，提升其推廣價值。

結(jié)論：綜上所述，為保證在鋁合金等輕質(zhì)合金材料的焊接中技術濃度的有效提升，需要依托攪拌摩擦焊技術對于其在熱源輔助等條件下形成的復合焊接工藝進行研究，通過相關試驗，對于復合焊接過程中的工藝參數(shù)、焊接點位、輔助熱源的選擇進行考量，以此提升焊接的效率以及可靠性，有效推動行業(yè)發(fā)展。

參考文獻：

[1]趙云飛.鋁鋼自動焊接技術應用[J].冶金管理，2020（13）：1-2.

[2]楊亞楠，劉振邦，儀家良.攪拌摩擦焊技術應用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].工程技術研究，2017（02）：57-58.