鄧 越 劉正武 浦巖昊 尹玉環(huán) 崔 雷

（1.上海航天設(shè)備制造總廠有限公司，上海 200245；2.天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072）

1 引言

近些年隨著商業(yè)航天的蓬勃發(fā)展，火箭發(fā)射服務(wù)需求激增。然而，現(xiàn)有火箭運(yùn)力無(wú)法滿足高頻率、大密度的商業(yè)發(fā)射服務(wù)需求，因此急需研制具有大運(yùn)力水平的重型運(yùn)載火箭，這也對(duì)航天裝備制造工藝提出了更高的要求[1]。運(yùn)載火箭由箭體結(jié)構(gòu)、動(dòng)力裝置及有效載荷等系統(tǒng)組成，箭體結(jié)構(gòu)主體為用于儲(chǔ)存燃料的推進(jìn)劑貯箱，貯箱容積大小、材料密度與結(jié)構(gòu)質(zhì)量將直接決定火箭運(yùn)力水平。貯箱結(jié)構(gòu)由前、后箱底及若干筒段構(gòu)成，筒段縱縫及環(huán)縫通常通過(guò)攪拌摩擦焊接工藝（Friction Stir Welding,FSW）連接。然而，焊后FSW 焊縫會(huì)因攪拌針回撤而產(chǎn)生匙孔缺陷，導(dǎo)致貯箱結(jié)構(gòu)損傷，甚至失效。英國(guó)焊接研究所提出的摩擦塞補(bǔ)焊工藝（Friction Plug Weld,FPW）可實(shí)現(xiàn)對(duì)FSW焊縫匙孔缺陷的原位等強(qiáng)修復(fù)[2]。

截至目前，國(guó)外相關(guān)單位已對(duì)該工藝連接機(jī)理進(jìn)行了充分研究，且進(jìn)行了工程化運(yùn)用。在2005年，美國(guó)國(guó)家航天局馬歇爾飛行中心與阿拉巴馬大學(xué)聯(lián)合研制了首臺(tái)拉拔式摩擦塞補(bǔ)焊原理樣機(jī)，并成功對(duì)厚度小于12mm 的2 系鋁合金進(jìn)行了焊接。在隨后的2008～2012年間，美國(guó)國(guó)家航天局將該技術(shù)用于低溫推進(jìn)劑貯箱箱底及外貯箱環(huán)焊縫的焊接，并發(fā)現(xiàn)修補(bǔ)后的FPW 焊縫強(qiáng)度較原手工TIG 焊提高了20%[3～5]。國(guó)內(nèi)單位對(duì)FPW 工藝還處于基礎(chǔ)性研究階段。首都航天機(jī)械公司分別研制了基于“連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦”與“慣性摩擦”原理的塞補(bǔ)焊設(shè)備，開展了薄板焊接試驗(yàn)，編制了鋁合金摩擦塞焊航天行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。天津大學(xué)在開展海洋石油管道修復(fù)研究時(shí)，設(shè)計(jì)并制作了水下頂鍛式摩擦塞補(bǔ)焊工程樣機(jī)，經(jīng)工藝試驗(yàn)初步確定了不同厚度板材所對(duì)應(yīng)的工藝窗口。在此設(shè)備基礎(chǔ)上相繼研發(fā)出了拉拔式塞補(bǔ)焊設(shè)備，并針對(duì)接頭組織特征、材料流動(dòng)行為及接頭弱化機(jī)理進(jìn)行了全面系統(tǒng)的研究[6～8]。

本文進(jìn)行了2219鋁合金拉拔式摩擦塞補(bǔ)焊試驗(yàn)，建立了相應(yīng)的FPPW熱力耦合模型，著重研究了FPPW接頭界面缺陷特征，并結(jié)合仿真探討了界面缺陷的產(chǎn)生原因。本文所提供的研究結(jié)果能夠提高后續(xù)FPPW工藝優(yōu)化效率，減少界面缺陷，增強(qiáng)接頭結(jié)合質(zhì)量。

2 試驗(yàn)設(shè)置

2.1 試驗(yàn)材料

塞棒材料選用2219-T87 鋁合金，試板材料選用2219-T6鋁合金，支撐環(huán)材料選用40Cr 鋼。圖1 為試驗(yàn)所采用的FPPW 接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意。塞棒與支撐環(huán)結(jié)構(gòu)保持不變，塞孔形狀分別為圓孔、半錐孔、錐孔。試驗(yàn)在天津大學(xué)自研的塞補(bǔ)焊設(shè)備上進(jìn)行，焊接工藝參數(shù)為焊接旋轉(zhuǎn)速度為7000r/min、軸向拉力為45kN、軸向進(jìn)給量為12mm。

圖1 試驗(yàn)所采用FPPW 接頭結(jié)構(gòu)示意

FPPW 試驗(yàn)完成后，試板上下表面多余塞棒部分被切除，并沿塞棒中心線截取接頭橫截面金相。經(jīng)砂紙水磨與機(jī)械拋光，經(jīng)凱勒試劑腐蝕10s 后，采用Startzoom5 超景深顯微鏡觀察焊接接頭宏觀截面成形，采用JSM-7800F 熱場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察微觀界面組織。FPPW 接頭拉伸試樣設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)參照國(guó)標(biāo)GB T 228—2010，如圖2所示。試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸性能測(cè)試的加載速率為2mm/s。

2.2 模型設(shè)置

基于Deform 建立FPPW 熱力耦合二維模型。如圖3所示，模型共由塞棒、試板、支撐環(huán)與主軸四部分組成，主軸用于驅(qū)動(dòng)塞棒旋轉(zhuǎn)與進(jìn)給。使用非均勻四邊形網(wǎng)格劃分模型，塞棒與母材的網(wǎng)格單元數(shù)量為4000，支撐環(huán)與主軸的網(wǎng)格單元數(shù)量為2000。為提高計(jì)算效率，焊接過(guò)程中材料所產(chǎn)生的彈性變形忽略不計(jì)[9，10]。塞棒與試板被設(shè)為塑性體，支撐環(huán)與主軸被設(shè)為剛體。

圖3 網(wǎng)格劃分示意

塞棒與母材設(shè)為 2219鋁合金，其比熱容為864J/(kg·°C)，密度為2840kg/m3；主軸與支撐環(huán)設(shè)為40Cr 鋼，其比熱容為473J/(kg·°C)，密度為7850kg/m3。本文選擇Johnson-Cook 模型描述焊接過(guò)程中2219鋁合金應(yīng)力與應(yīng)變、應(yīng)變率、溫度間的關(guān)系，如式（1）所示。

式中，σy為等效應(yīng)力，εp為等效應(yīng)變，ε˙p/ε˙0為等效應(yīng)變速率，Tr為參考溫度，Tm為材料熔點(diǎn)，A、B、C、n、m為材料參數(shù)。由于在塞棒停轉(zhuǎn)前后，F(xiàn)PPW接頭母材側(cè)熱塑性金屬變形特征差異顯著，因此針對(duì)Johnson-Cook 本構(gòu)應(yīng)分別設(shè)置不同材料參數(shù)。

本文忽略焊接初期塞棒與塞孔側(cè)壁間的滑動(dòng)摩擦產(chǎn)熱，將二者摩擦類型設(shè)為剪切摩擦模式，摩擦系數(shù)μ設(shè)為隨溫度變化函數(shù)[11]，如式（2）所示。

隨著塞棒與塞孔側(cè)壁接觸并發(fā)生劇烈摩擦，接頭內(nèi)部形成溫度梯度，熱量將由高溫處傳遞至低溫處。熱傳遞方式包括傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射。熱傳導(dǎo)是指塞棒、母材內(nèi)部的傳熱以及塞棒與母材接觸界面的傳熱。其中，2219鋁合金的熱導(dǎo)率為121W/(m·℃)，40Cr 鋼的熱導(dǎo)率為42.6W/(m·℃)，工件表面間的接觸換熱系數(shù)為 0.012W/(m2·℃)；熱對(duì)流是指工件表面與環(huán)境氣體間因存在溫差而產(chǎn)生的對(duì)流換熱，對(duì)應(yīng)的對(duì)流換熱系數(shù)為2×10-5W/(m2·℃)。熱輻射是指工件通過(guò)電磁輻射的形式向外界散發(fā)熱量，進(jìn)行熱能傳遞。在仿真模型中，所有工件熱輻射率設(shè)置為0.7。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 接頭成形過(guò)程

圖4 為焊接過(guò)程中不同時(shí)刻FPPW 接頭的溫度分布。當(dāng)t=0～1.2s 時(shí)，塞棒處于旋轉(zhuǎn)進(jìn)給狀態(tài)，與塞孔側(cè)壁產(chǎn)生劇烈摩擦。摩擦界面溫度上升至約500℃，且界面兩側(cè)材料中的高溫(T>430℃)作用區(qū)域面積持續(xù)擴(kuò)大。值得注意的是，此階段接頭界面兩側(cè)存在溫度梯度，即毗鄰界面的塞棒側(cè)溫度要高于母材側(cè)。當(dāng)t=1.2s 時(shí)，塞棒因其軸向進(jìn)給距離到達(dá)預(yù)設(shè)值而停轉(zhuǎn)，摩擦產(chǎn)熱終止，此時(shí)塞棒側(cè)與母材側(cè)中的高溫作用區(qū)域達(dá)到最大；隨后接頭界面溫度開始下降，且界面兩側(cè)的溫度梯度消失；當(dāng)t=5.2s 時(shí)，整個(gè)FPPW 接頭溫度較為均勻，界面溫度降至150～230℃。

圖4 FPPW 接頭溫度場(chǎng)變化規(guī)律

圖5 為焊接過(guò)程中不同時(shí)刻FPPW 接頭的等效應(yīng)變場(chǎng)分布。當(dāng)t=0～1.2s 時(shí)，塞孔側(cè)壁材料隨著塞棒旋轉(zhuǎn)進(jìn)給而被擠壓變形，產(chǎn)生約為2mm/mm 的應(yīng)變。當(dāng)塞棒停轉(zhuǎn)后，毗鄰界面的塞孔側(cè)壁材料應(yīng)變不再增加。分析認(rèn)為，在塞棒停轉(zhuǎn)后，界面及其附近材料溫度開始下降，材料對(duì)應(yīng)屈服強(qiáng)度隨之升高。當(dāng)材料屈服強(qiáng)度高于主軸對(duì)塞棒所施加的拉鍛力時(shí)，界面及其附近材料將不再產(chǎn)生塑性變形，故應(yīng)變不再增加。值得注意的是，在焊接過(guò)程中塞棒側(cè)材料基本不產(chǎn)生變形。這是由于材料屈服強(qiáng)度隨著溫度升高而降低，而塞棒溫度小于母材側(cè)，因此塞棒的屈服強(qiáng)度比母材側(cè)更高，更難以產(chǎn)生塑性變形。

圖5 FPPW 接頭應(yīng)變場(chǎng)變化規(guī)律

塞棒停轉(zhuǎn)后，F(xiàn)PPW 接頭界面開始愈合。研究表明，固相焊接頭界面愈合是通過(guò)界面兩側(cè)再結(jié)晶晶界遷移實(shí)現(xiàn)的，而再結(jié)晶晶界遷移速率與界面附近材料應(yīng)變程度、溫度高低密切相關(guān)。界面溫度提高及其附近材料應(yīng)變的增大均有利于誘導(dǎo)再結(jié)晶晶界遷移，從而促進(jìn)界面愈合[12]。為分析塞孔結(jié)構(gòu)改變對(duì)界面結(jié)合質(zhì)量的影響，沿界面提取塞棒停轉(zhuǎn)后的FPPW 接頭界面溫度及應(yīng)變，如圖6所示。當(dāng)塞棒停轉(zhuǎn)2s 時(shí)，F(xiàn)PPW接頭界面溫度處于290～320℃。隨著塞孔結(jié)構(gòu)由圓孔向錐孔轉(zhuǎn)變，界面溫度愈發(fā)均勻，但溫度均值卻略有減??；分析認(rèn)為，塞棒與塞孔側(cè)壁的初始接觸面積因

圖6 塞棒停轉(zhuǎn)后2s 的FPPW 接頭界面特征

塞孔結(jié)構(gòu)由圓形轉(zhuǎn)變?yōu)殄F形而增大，故摩擦界面產(chǎn)熱更加均勻。如圖6b所示，采用圓孔的FPPW 接頭界面應(yīng)變分布最為不均，界面附近材料應(yīng)變由2.6（接頭上部）降至2.2（接頭中部）；采用半錐孔的接頭界面應(yīng)變分布有所改善，而采用錐孔的FPPW 接頭界面應(yīng)變分布最均勻，整個(gè)界面附近材料應(yīng)變約為2.4mm/mm。分析認(rèn)為，由于采用錐孔結(jié)構(gòu)的FPPW 接頭摩擦界面產(chǎn)熱速率加快，接頭界面附近材料流動(dòng)性增強(qiáng)，因此應(yīng)變分布均勻。

3.2 界面組織形貌

圖7 為采用圓形塞孔結(jié)構(gòu)的FPPW 接頭成形及界面形貌。接頭上下飛邊成形良好，無(wú)肉眼可見(jiàn)缺陷。沿界面作進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，在接頭上部，界面產(chǎn)生彎曲，塞棒與塞孔側(cè)壁間存在斷續(xù)間隙，如圖7b所示。這表明塞孔與塞孔側(cè)壁實(shí)現(xiàn)局部結(jié)合，即弱結(jié)合缺陷；在接頭中部，界面保持平直，塞棒與塞孔側(cè)壁間存在間隙。這表明二者僅產(chǎn)生輕微接觸但未能實(shí)現(xiàn)結(jié)合，即未焊合缺陷，如圖7c所示；在接頭下部，界面完全消失，塞棒與塞孔側(cè)壁實(shí)現(xiàn)結(jié)合，如圖7d所示。

圖7 采用圓形塞孔結(jié)構(gòu)的FPPW 接頭界面形貌

圖8 為采用半錐型塞孔結(jié)構(gòu)的FPPW 接頭界面形貌，其界面已難以辨認(rèn)。與采用圓孔結(jié)構(gòu)的FPPW 接頭相比，在接頭上、中部界面微區(qū)，塞棒與塞孔側(cè)壁間的間隙寬度減小、界面缺陷數(shù)量減少。這表明該處雖仍存在弱結(jié)合缺陷，但其結(jié)合質(zhì)量較采用圓形塞孔接頭已得到明顯改善。在接頭下部界面，界面完全消失。圖9 為采用錐形塞孔時(shí)的FPPW 接頭界面形貌。整個(gè)界面均結(jié)合良好，未觀察到未焊合與弱結(jié)合缺陷。

圖8 采用半錐形塞孔結(jié)構(gòu)的FPPW 接頭界面形貌

圖9 采用錐形塞孔結(jié)構(gòu)的FPPW 接頭界面形貌

圖10 為采用圓孔的FPPW 接頭界面EDS 面掃描結(jié)果。在界面弱結(jié)合缺陷處（圖10a～圖10d），Al 含量明顯下降，而O、Cu 含量則提升。在已愈合處（圖10e～圖10h），Al、O 及Cu 均勻的分布在塞棒與塞孔側(cè)壁中，無(wú)明顯偏聚。分析認(rèn)為，O 主要來(lái)源于塞棒表面氧化物。這是因?yàn)楹附油瓿珊螅魩缀醪话l(fā)生變形，其表面氧化膜不會(huì)因受擠壓而被破壞；毗鄰界面的母材側(cè)金屬變形嚴(yán)重，其表面氧化膜會(huì)因基體變形而破裂，因此界面中的氧化物來(lái)自于塞棒表面氧化膜。

圖10 FPPW 接頭界面EDS 面掃描分析

結(jié)合仿真可知，采用圓孔的FPPW 接頭界面應(yīng)變分布不均，接頭上部界面應(yīng)變達(dá)到2.6mm/mm，而中部界面應(yīng)變僅為2.2mm/mm。研究表明，只有當(dāng)界面及其附近材料的應(yīng)變及溫度達(dá)到閾值時(shí)，固相焊接頭才能實(shí)現(xiàn)結(jié)合。此外，界面應(yīng)變及溫度的提高皆可降低界面結(jié)合所要求的閾值，改善接頭結(jié)合質(zhì)量[13～15]。分析認(rèn)為，采用圓孔的接頭中部界面應(yīng)變未達(dá)界面愈合所要求閾值，導(dǎo)致該區(qū)域產(chǎn)生未焊合缺陷；而在接頭上部，界面應(yīng)變雖增大但分布不均，導(dǎo)致熱塑性金屬流動(dòng)性差異較大，材料流動(dòng)不充分，難以及時(shí)填充界面微區(qū)空隙，造成弱結(jié)合缺陷。隨著塞孔結(jié)構(gòu)由圓孔轉(zhuǎn)變?yōu)殄F孔，界面溫度及附近材料應(yīng)變分布愈加均勻，材料流動(dòng)性差異減小，促進(jìn)界面微區(qū)間隙閉合，從而消除界面缺陷。針對(duì)后續(xù)試驗(yàn)FPPW 接頭所出現(xiàn)的界面缺陷，可考慮通過(guò)優(yōu)化接頭結(jié)構(gòu)改善界面附近材料流動(dòng)性，確保界面應(yīng)變分布均勻，進(jìn)而達(dá)到消除界面缺陷目的。

3.3 拉伸性能

圖11為采用不同塞孔結(jié)構(gòu)的FPPW接頭拉伸測(cè)試結(jié)果。隨著塞孔結(jié)構(gòu)由圓形改變?yōu)殄F形，接頭拉伸性能隨之升高。采用錐孔的接頭抗拉強(qiáng)度最高，達(dá)到306.9MPa，其延伸率達(dá)到4.82%，較采用圓孔的接頭提高了28.19%。這表明FPPW 接頭界面缺陷減少后，F(xiàn)PPW 接頭的抗拉強(qiáng)度與延伸率得到顯著提升。

圖11 用不同塞孔的FPPW 接頭抗拉強(qiáng)度與延伸率

圖12為采用圓形塞孔結(jié)構(gòu)的FPPW接頭截面斷裂位置。在弱結(jié)合處（圖12a），裂紋沿界面拓展，拓展路徑平直；分析認(rèn)為，當(dāng)接頭承受拉應(yīng)力時(shí)，由于界面析出相難以與基體協(xié)同變形，二者間會(huì)產(chǎn)生剪切應(yīng)力。在剪切應(yīng)力作用下，界面析出相與變形基體間產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，形成滑移型裂紋，故斷裂位置位于界面。此外，界面上連續(xù)分布的析出相還易引起應(yīng)力集中。位于弱結(jié)合處的接頭斷口光滑平整，呈河流狀花樣，相鄰平面間存在少量韌窩特征，趨于脆性斷裂（圖12b）。在已愈合處（圖12c），裂紋拓展路徑曲折。分析認(rèn)為，在界面已愈合處，塞棒與塞孔側(cè)壁通過(guò)再結(jié)晶帶連接。當(dāng)接頭承受拉應(yīng)力時(shí)，再結(jié)晶帶中細(xì)小的等軸晶能夠通過(guò)旋轉(zhuǎn)以協(xié)調(diào)晶粒變形，以承受更大變形量。位于已愈合處的接頭斷口分布大量正交韌窩，且韌窩底部存在顆粒狀第二相，為微孔聚集型的韌性斷裂（圖12d）。

圖12 用圓形塞孔的FPPW 接頭截面斷裂位置與斷口形貌

結(jié)合上述分析可知，相比于界面已愈合區(qū)域，采用圓孔的FPPW 接頭界面弱結(jié)合缺陷附近力學(xué)性能薄弱，難以進(jìn)行塑性變形，易成為裂紋萌生區(qū)。隨著塞孔結(jié)構(gòu)由圓孔轉(zhuǎn)變?yōu)殄F孔，F(xiàn)PPW 接頭界面溫度及應(yīng)變分布更加均勻，消除了界面缺陷，提升了接頭拉伸性能。

4 結(jié)束語(yǔ)

a.FPPW 接頭界面缺陷可分為弱結(jié)合與未焊合。弱結(jié)合以塞棒與塞孔側(cè)壁接觸界面產(chǎn)生彎曲為特征，且界面間隙存在氧化物與富Cu 相，阻礙界面間原子相互擴(kuò)散；未焊合以塞棒與塞孔側(cè)壁接觸界面保持平直為特征。

b.FPPW 接頭界面缺陷是由于塞棒停轉(zhuǎn)后接觸界面溫度及應(yīng)變分布不均所致。當(dāng)界面溫度及應(yīng)變分布不均時(shí)，塞孔側(cè)壁材料流動(dòng)性差異大，流動(dòng)不充分，難以及時(shí)填充其與塞棒間的界面微區(qū)空隙，最終形成未焊合與弱結(jié)合缺陷。

c.FPPW 接頭界面缺陷會(huì)對(duì)接頭拉伸性能產(chǎn)生不利影響。當(dāng)接頭承受拉應(yīng)力時(shí)，界面未焊合缺陷的存在削減了接頭有效承載面積，而界面弱結(jié)合處的析出相將引起應(yīng)力集中，導(dǎo)致接頭拉伸性能下降。