姜亞興

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

關(guān)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(shù)是滿足對(duì)于在軌維護(hù)以及在軌組裝技術(shù)的基本需求的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)永久性接頭的關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)借助有效減重，獲得良好的結(jié)構(gòu)力學(xué)。攪拌摩擦焊，即FSW技術(shù)在當(dāng)今航空航天等領(lǐng)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(chǔ)上研究的復(fù)合型FSW技術(shù)需要做進(jìn)一步的研究。

1.空間熱輔助攪拌摩擦焊技術(shù)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(shè)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(shù)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(fù)雜環(huán)境下不利影響的情況下有序進(jìn)行，是進(jìn)行鋁合金焊接的理想技術(shù)，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(duì)于攪拌摩擦焊接提供輔助性的熱輸入技術(shù)的引入，可以實(shí)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(shù)可以通過熱傳導(dǎo)將激光的熱量有效傳遞至焊縫，進(jìn)而形成攪拌焊接技術(shù)與輔助熱源的原位耦合，使得焊接技術(shù)的應(yīng)用更加精確、便捷。新型固相焊接技術(shù)經(jīng)過長(zhǎng)期的發(fā)展，在攪拌設(shè)備的簡(jiǎn)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(shù)效能。我國(guó)雖在空間焊接工藝的試驗(yàn)研究方面起步較晚，但新型固相焊接技術(shù)的出現(xiàn)為空間焊接技術(shù)的出現(xiàn)以及我國(guó)與國(guó)外相關(guān)技術(shù)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(shù)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(shù)完成，其通常由產(chǎn)熱、攪拌、鍛壓等程序完成對(duì)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(duì)于輔助熱源的有效控制成為決定焊接效果的關(guān)鍵。

攪拌焊接技術(shù)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(fù)擔(dān)，容易因攪拌頭的磨損而導(dǎo)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(yù)熱軟化，進(jìn)而有效減低設(shè)備運(yùn)作過程中出現(xiàn)的摩擦，進(jìn)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(huì)使摩擦熱降低，在焊接過程中相應(yīng)的塑性金屬由于缺少攪拌工具軸肩鍛壓的作用，會(huì)導(dǎo)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(jìn)行配備，但在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中需要依靠實(shí)際情況對(duì)于軸肩的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.2成形過程

材料的流動(dòng)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(chǔ)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(dòng)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(dòng)可以有效降低形變的阻力以及流動(dòng)的應(yīng)力，進(jìn)而有效的加大金屬的塑性流動(dòng)性，降低熱影響區(qū)，使得晶粒更細(xì)，組織更加均勻。

此外，在研究過程中，通過對(duì)于橫截面的觀察，發(fā)現(xiàn)輔助熱源對(duì)于焊接的組織分布情況的影響相對(duì)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(dòng)攪拌摩擦焊接設(shè)備降低為三軸聯(lián)動(dòng)，進(jìn)而使得設(shè)備呈現(xiàn)簡(jiǎn)單化趨勢(shì)，進(jìn)而使設(shè)備的小型化成為可能，可以通過對(duì)于這一技術(shù)的有效研究，開發(fā)攪拌摩擦技術(shù)的便攜式技術(shù)。

此外，在進(jìn)行空間三維曲線焊縫的焊接操作時(shí)，可以有效減輕傳統(tǒng)的焊接技術(shù)在拐彎處主軸的旋轉(zhuǎn)隨動(dòng)，并避免由于運(yùn)動(dòng)速度波動(dòng)對(duì)于焊縫的影響，因此無傾角焊接技術(shù)的應(yīng)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(shù)的運(yùn)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(shí)際操作中更具有可行性，是對(duì)于熱能輔助攪拌摩擦焊接技術(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)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(jìn)行釬焊試驗(yàn)，進(jìn)而證實(shí)了空間太陽光源同軸加熱輔助焊接工藝在實(shí)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(jìn)行輔助加熱的方法，通過對(duì)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?duì)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(jìn)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(yàn)

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

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(dǎo)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(duì)接接頭的方式設(shè)置焊接試板，實(shí)驗(yàn)過程中，利用不同的焊接參數(shù)，進(jìn)而對(duì)比在激光有無的情況下，焊接成形的效果。

試驗(yàn)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(jìn)而得出結(jié)論，焊接速率的提升會(huì)降低焊接中的熱輸入，使得金屬的塑性降低，材料的流動(dòng)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(chǔ)上，通過對(duì)于接頭抗拉強(qiáng)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(shí)現(xiàn)對(duì)于鋁合金焊縫的無缺陷焊接，提升焊接效果[2]。

5.復(fù)合焊接工藝的優(yōu)化

針對(duì)于現(xiàn)階段在熱輔助攪拌摩擦技術(shù)推廣應(yīng)用中的問題，需要對(duì)于負(fù)荷焊接工藝做進(jìn)一步的優(yōu)化，其主要原因是傳統(tǒng)技術(shù)的根深蒂固以及復(fù)合焊接工藝的復(fù)雜性。因此，需要對(duì)于輔助熱源進(jìn)行有效的甄選，從感應(yīng)熱、電弧、激光、超聲、電阻熱等熱源中依據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇，并對(duì)輔助人員的復(fù)合方式進(jìn)行有效的優(yōu)化，再通過對(duì)于輔助熱源相對(duì)位置的調(diào)整，提升空間熱輔助攪拌摩擦焊技術(shù)的優(yōu)化性，提升其推廣價(jià)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(shù)濃度的有效提升，需要依托攪拌摩擦焊技術(shù)對(duì)于其在熱源輔助等條件下形成的復(fù)合焊接工藝進(jìn)行研究，通過相關(guān)試驗(yàn)，對(duì)于復(fù)合焊接過程中的工藝參數(shù)、焊接點(diǎn)位、輔助熱源的選擇進(jìn)行考量，以此提升焊接的效率以及可靠性，有效推動(dòng)行業(yè)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙云飛.鋁鋼自動(dòng)焊接技術(shù)應(yīng)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(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].工程技術(shù)研究，2017（02）：57-58.