許　輝，封小松，徐　奎

(上海航天設備制造總廠，上海 200245)

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鋁合金空間熱輔助攪拌摩擦焊技術

許輝，封小松，徐奎

(上海航天設備制造總廠，上海 200245)

摘要:焊接作為一種重要的制造技術，對于大型空間結構與機構的在軌組裝、維修具有重要意義。在總結國外空間焊接技術發(fā)展現(xiàn)狀的基礎上，提出了基于光源同軸加熱輔助的空間攪拌摩擦焊技術，并利用激光進行了地面焊接裝置研究與工藝試驗。結果表明，采用無傾角光源同軸加熱輔助攪拌摩擦焊技術，可實現(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。該方法為我國空間焊接技術發(fā)展提供了一種新的思路和有益探索。

關鍵詞:空間焊接；攪拌摩擦焊；激光；輔助加熱

1引言

隨著我國航天技術的進步，航天器飛行時間逐步增加、規(guī)模不斷擴大、結構日趨復雜，對在軌維護和在軌組裝的技術提出了迫切需求。焊接是形成永久性接頭的關鍵技術，也是獲得良好的結構力學性能并能有效減重的一種關鍵制造和組裝手段，空間焊接技術也成為了在軌維修和組裝必不可少的工藝技術。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]。電子束焊接被認為是空間焊接技術的首選方法，但飛行器的大部分結構材料為鋁合金，電子束在空間環(huán)境下焊接鋁合金時會出現(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，提前預熱待焊材料[6-8]，這種復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，往往會擴大熱影響區(qū)[9]，從而影響焊縫質量。激光同軸輔助FSW技術是利用激光加熱焊接工具，通過熱傳導將激光熱量傳遞至焊縫。該復合方法實現(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，且復合方式更加安全，結構更加簡化，為太空環(huán)境下的飛行器修補與焊接提供了更可靠的方案選擇[10]。目前，尚未有關于熱源同軸輔助攪拌摩擦焊技術的研究報道，本文主要對該新型焊接方法的工藝可行性及焊接效果進行了研究。

2國外空間焊接技術研究現(xiàn)狀

1969年，蘇聯(lián)在空間飛船上進行了空間焊接試驗，比較了傳統(tǒng)電弧焊和電子束焊在空間環(huán)境下的工藝適應性，結果認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]。美國宇航局利用飛機的拋物飛行，實現(xiàn)了微重力環(huán)境下進行的激光焊接試驗。日本大阪大學利用710 m深的落井進行了微重力條件下鋁合金鎢極氣體保護焊試驗，日本還對空心鎢陰極真空電弧現(xiàn)象和焊接行為進行了研究[1]。傳統(tǒng)焊接方法對空間環(huán)境的適應性不足以及工藝復雜性使得目前為止尚沒有實現(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，為空間焊接技術提供了新的可能。

以攪拌摩擦焊為代表的固相焊接技術規(guī)避了熔池成形過程中的復雜反應，也避免了對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[11-12]。NASA所屬馬歇爾空間飛行中心(MSFC)認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備，為了降低攪拌摩擦焊過程中所需的作用力，簡化攪拌摩擦焊設備，并實現(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，分別是高轉速攪拌摩擦焊、超聲攪拌焊以及熱攪拌焊[13]。

我國的空間焊接試驗研究工作起步較晚，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的出現(xiàn)，為空間焊接技術提供了新的可能，也為我國縮短與國外在該領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可以將攪拌摩擦焊設備從五軸聯(lián)動降低為三軸聯(lián)動，從而降低設備的復雜性，易于使設備實現(xiàn)小型化、便攜化，是實現(xiàn)便攜式攪拌摩擦焊的關鍵技術。另外無傾角攪拌摩擦焊在焊接空間三維曲線焊縫時具有明顯的優(yōu)勢，避免了傳統(tǒng)攪拌摩擦焊在拐角處主軸的旋轉隨動及運動速度波動對焊縫產(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、激光熱源、電弧熱、電阻熱等。考慮到空間環(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80年代，人們就已經(jīng)開始考慮采用空間太陽能來進行空間焊接。巴頓焊接研究所在1980年即提出直接采用太陽能實施空間焊接的概念，通過氙燈來模擬空間太陽光的方式，實施了釬焊試驗，驗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，通過熱傳遞便能夠為焊縫提供輔助熱輸入，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，評價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

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為設備結構示意圖。

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

試驗采用了3 mm厚的6061-T6鋁合金，焊接試板采用對接接頭，對比有沒有加入激光對焊縫成形的影響，并對焊接得到的焊縫進行力學性能分析。

4.2.1焊縫成形

采用不同的焊接參數(shù)，對有沒有加入激光輔助熱源得到的焊縫進行了對比，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在焊接速度達到400 mm/min時，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，焊縫表面紋路均勻美觀，如圖4(c)，成形良好。當焊接速度達到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降低焊接熱輸入，過快的焊接速度會導致焊接熱輸入不足，焊縫金屬塑性降低，材料流動不充分，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過程中，焊縫金屬軟化程度得到提高，攪拌工具的前進抗力也相應下降。

4.2.2接頭抗拉強度

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

焊接速度對接頭抗拉強度的影響如圖5所示，攪拌工具旋轉速度為3000 r/min，復合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，接頭獲得峰值抗拉強度為255 MPa，加入激光輔助熱源后，在焊接速度為400 mm/min時，獲得的接頭峰值抗拉強度為262 MPa，當常規(guī)FSW焊接速度達到300 mm/min，或復合FSW焊接速度增加到400 mm/min后，抗拉強度下降。在焊接速度小于350 mm/min范圍內，采用相同的焊接速度，引入激光輔助熱源進行焊接，接頭的抗拉強度略小于常規(guī)攪拌摩擦焊接接頭；當焊接速度在350～400 mm/min范圍內時，則相反，采用激光輔助焊接所獲得接頭的抗拉強度較高。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)域硬度又恢復高值，焊縫兩側的硬度分布不對稱，后退側熱影響區(qū)硬度比前進側低，軟化程度更高，說明了焊縫后退側熱影響區(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，在一定程度上驗證了接頭斷裂特性對焊接參數(shù)的不敏感性。在旋轉速度為3000 r/min，焊接速度為300 mm/min的基礎上加入600 W的激光輔助熱源后，接頭各區(qū)的硬度下降，適當降低旋轉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)對應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，焊縫中更多的強化相溶解，導致接頭的硬度下降，提高焊接速度或降低旋轉速度后，焊接總熱輸入下降，強化相溶解減少，接頭的硬度有所上升。焊接速度提高后，大應變速率及足夠的溫度促進了動態(tài)再結晶，同時相對冷卻速度得到提高，從而細化晶粒，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)生在后退側的熱影響區(qū)，說明焊縫的后退側是接頭的薄弱環(huán)節(jié)。從圖6的硬度分布圖還可以看出，后退側熱影響區(qū)出現(xiàn)明顯的軟化，導致斷裂發(fā)生在后退側的熱影響區(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，兩個試樣的斷口由大量的等軸韌窩構成，韌窩尺寸相近，大小相對均勻，激光輔助熱源的加入對接頭的斷口形貌沒有明顯改變，說明激光的引入對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結論

本文討論了空間焊接技術的發(fā)展現(xiàn)狀，介紹了現(xiàn)有空間焊接技術的發(fā)展歷程及優(yōu)缺點。根據(jù)空間環(huán)境對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，實施了焊接工藝試驗，得到如下結論：

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)境因素對焊接過程影響較??；

2) 輔助熱源能夠實現(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構的連接；

3) 地面激光熱源同軸輔助攪拌摩擦焊工藝試驗表明，該技術可實現(xiàn)對鋁合金焊縫的無缺陷焊接，接頭強度系數(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

基金項目：國家自然科學基金(51305272);載人航天預先研究項目(050201)

作者簡介：許輝(1989-)，男，碩士，研究方向為攪拌摩擦焊技術。E-mail：ixuhui@sina.com

中圖分類號：TG456.9

文獻標識碼：A

文章編號：1674-5825(2016)03-0308-05