載人航天器結構件FSW制造工藝及應用

封小松徐 萌錢紀紅

（1上海航天設備制造總廠 2上海航天技術研究院）

1 引言

攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding，FSW）是英國1991年發明的，這項技術的出現給鋁合金的焊接帶來了革命性的變化。這是一種基于微區鍛造的固相焊接技術，焊接過程由攪拌針與軸肩的旋轉和移動來實現，如圖1所示。由于在焊接時材料不發生熔化，其連接機制為塑態金屬在高流動應力作用下的連續動態再結晶[1]。因此FSW與傳統的熔化焊接手段相比，具有一系列的優點：如無冶金缺陷、接頭力學性能好、對焊前處理要求低、生產效率高、變形極小和殘余應力低等。

FSW所具有一系列的優點使得其在鋁合金焊接領域表現出極大的技術優勢，在大量采用鋁合金作為結構材料的航天工業中，攪拌摩擦焊首先得到了應用。隨著FSW的優勢被人們所逐漸認識和工藝技術的進一步發展，FSW在航天領域的應用正在逐漸擴大。

圖1 攪拌摩擦焊示意圖

在國外，FSW已在航天工業中獲得了全面應用。如美國已將攪拌摩擦焊用于DeltaIV火箭貯箱制造，貯箱上所有焊縫均由FSW完成，焊縫總長已達1200m，無任何缺陷[2]。此外，美國還將FSW應用于航天飛機外貯箱的制造。在日本，全攪拌摩擦焊的推進劑貯箱已被應用于H2B火箭[3]。在我國，目前已實現現役型號火箭貯箱筒段縱縫的FSW應用，并表現出了良好的技術優勢[4，5]。本文介紹了我國載人航天焊接結構特點，結合其結構特點研究了攪拌摩擦焊在這些結構中應用的關鍵工藝，為載人航天結構件應用攪拌摩擦焊技術提供支持。

2 載人航天鋁合金焊接結構件特點

在我國載人航天關鍵結構件的制造中，由于對接頭性能、減重效果、制造精度的要求越來越高，采用攪拌摩擦焊可增加接頭強度系數、提高構件焊后形狀精度，將其替代傳統熔化焊手段是載人航天結構件，特別是大尺寸薄壁密封構件制造的發展方向之一。

下面以載人航天中典型的兩類密封構件為例，說明其結構特點。一種為類球狀密封構件，另一種為大尺寸密封艙體。在我國載人航天結構中，這兩類構件為典型的密封件，焊接制造是其關鍵工藝。

圖2給出了類球狀密封構件的一個例子。從圖中可見，這類構件的制造通常由球殼拼焊、各種法蘭焊接構成，由于形狀的復雜性，其涉及的焊縫軌跡包括各種法蘭的封閉焊縫、各類不同形狀球殼的拼焊焊縫。

圖2 載人航天球狀密封構件

圖3 給出了另一種尺寸更大的密封結構示意圖，這種結構在航天中被廣泛用于密封艙體的設計，典型的如各類火箭推進劑貯箱、載人航天密封艙等。

圖3 載人航天大尺寸密封艙體

從圖中可見，這類艙體結構主要由前后箱底、筒段、短殼組成，主要的焊縫包括箱底瓜瓣縱縫、箱底圓環與頂蓋環縫、筒段縱縫、總對接環縫等焊縫組成，涉及的焊縫種類多、焊縫軌跡復雜。

從上述載人航天密封構件的例子可見，與傳統的航天鋁合金構件相比其結構上具有一些自身特點：

（1）載人航天構件需要在外太空長時間飛行，構件的精度與復雜度達到了很高的程度，而復雜的空間工作環境也使得構件對焊縫可靠性要求更高。

（2）載人航天的任何載荷均需要從地面進行輸送，長距離與長時間的空間飛行也使得構件對減重的需求特別迫切。

（3）出于減重需要，載人航天焊接結構通常采用小壁厚設計，并往往采用損傷容限高的材料。

（4）載人航天任務復雜、批量小、種類多，構件設計的形狀相對復雜，使得焊縫軌跡復雜多變，往往涉及三維空間曲線焊縫。

上述載人航天密封結構特點使得這些結構的焊接制造具有一些特殊性，也為FSW的應用提供了可能，但同時也帶來了一些應用上的困難：

（1）傳統的TIG熔焊工藝使得焊縫存在冶金缺陷，如氣孔、夾雜、過燒等，高比強度鋁合金的熔焊難以完全消除這些缺陷，FSW則完全避免了焊縫冶金缺陷。

（2）焊縫強度系數的提高將為進一步降低壁厚提供了可能，而FSW焊縫的抗拉強度系數通常不小于0.7，比傳統熔焊抗拉強度提高15%～20%。

（3）載人航天結構的小壁厚設計特點使得構件自身剛度較差，必須考慮焊接變形與殘余應力給產品帶來的尺寸精度影響，FSW低熱輸入特點使得產品的焊接變形與殘余應力水平降至最低。

（4）由于FSW焊接過程中攪拌工具與工件為剛性接觸，載人航天構件復雜的焊縫軌跡對攪拌工具行走精度、工件裝配精度提出了更為嚴格的要求，必須采用一定的工藝措施來增加其工藝裕度。

上述問題的存在使得載人航天結構焊接制造對攪拌摩擦焊技術應用提出了迫切需求，同時也給FSW的應用帶來了一定困難，必須通過一系列的工藝手段，才能實現FSW在這些結構制造中的實際應用。

3 FSW技術應用的關鍵工藝

結合載人航天產品的材料、結構形狀、尺寸、功能等特點，本文研究了在載人航天產品上應用FSW技術時所面臨的一些問題，開發了相應的工藝技術，包括全焊透技術、無匙孔處理技術、缺陷等強補焊技術。

3.1 全焊透工藝

在FSW焊接過程中，焊縫背面通常設置剛性支撐以平衡攪拌工具施加的頂鍛力，但由于攪拌工具與母材是剛性接觸，若焊接時攪拌針觸及背面剛性支撐將導致焊接缺陷。因此往往在攪拌針與工件背面留有0.1mm～0.2mm的背面預留量。圖4給出了攪拌摩擦焊過程瞬間攪拌工具與母材的相對位置示意圖，圖中δ2即為背面預留量，δ1為軸肩下壓量，α為攪拌工具傾角。

圖4 攪拌工具與工件的相對位置

由于背面預留距離的存在，使得焊縫底部的材料不能被攪拌針充分攪拌，通常會出現未焊透或弱連接（Kissing bond）缺陷，在實際產品的FSW生產中，必須解決產品的全焊透問題。

基于消除背面預留量、增加焊縫底部材料塑性流動的考慮，本文設計了三種未焊透解決方案，如圖5所示。

為了評價三種未焊透處理工藝的效果，以6mm厚2219鋁合金為例，對不同未焊透處理工藝下的接頭抗拉強度、接頭背面彎曲角度進行測量，結果如表1所示。

圖5 FSW背面未焊透處理工藝

表1 不同未焊透措施下的接頭性能比較

從表中可見，在工件背面墊板與在工件背面開槽兩種工藝措施能有效消除未焊透或弱連接缺陷，獲得力學性能良好的焊縫。這是因為工件背面開槽能有效增加焊縫底部材料的流動性、背面墊板使得攪拌針長度可以超出板厚范圍。此外，對于裝配精度高的平板直焊縫，無需進行全焊透處理也能獲得較高力學性能的焊縫。實際生產時可根據裝配情況、板厚情況選擇合適的未焊透處理措施。薄板焊接時對攪拌針位置精度要求更高，傾向于采用背面墊板技術；厚板焊接時傾向于選擇工件背面開槽技術。

圖6 FSW無匙孔處理方法

3.2 無匙孔處理工藝

在航天密封構件的焊接制造中往往涉及封閉焊縫的制造，如圖2中各種法蘭的焊接、圖3中箱底圓環與頂蓋環縫、筒段環縫等。FSW焊縫末端往往存在攪拌針的退出孔，即匙孔。對于這種首尾相接的封閉焊縫，無法將匙孔引出到產品外部。因此必須對密封構件進行無匙孔處理。本文開發了一種攪拌針回抽式無匙孔處理技術，如圖6所示。

圖中l為回抽段長度、h為板厚、vu為軸肩下壓速度，vw為攪拌針回抽速度，d為最終的攪拌軸肩下壓量。從圖6中可見，在焊接結束段，攪拌工具向前行走搭接已焊接好的焊縫，與此同時攪拌針逐漸回抽，軸肩適當下壓以填充攪拌針回抽留下的空腔，最后攪拌針與軸肩處于同一平面時可獲得無匙孔焊縫。

試驗結果表明，在攪拌針回抽式無匙孔處理技術中，攪拌針的回抽速度是關鍵參數，表2比較了4mm板厚2219鋁合金不同攪拌針回抽速度下的回抽段焊縫性能。

表2 不同回抽速度下回抽段接頭性能比較

從表中可見，攪拌針回抽速度對回抽段接頭強度影響顯著，這是因為回抽速度與焊接速度是相匹配的。攪拌針回抽速度過快，焊縫搭接量小，軸肩下壓量大，焊縫減薄明顯；回抽速度較小，回抽段距離增加。因為目前的攪拌針回抽通過液壓控制，其回抽位置精度不足，過長的回抽段將導致該段焊縫質量不穩定。針對不同板厚、不同焊接速度，存在一個最優的攪拌針回抽速度。

3.3 等強補焊工藝

與其它焊接方法一樣，FSW也存在焊接缺陷，典型的如隧道缺陷、孔洞缺陷等。因此，要將FSW應用于產品焊接，必須解決焊縫的補焊工藝問題。由于FSW焊縫組織為鍛造組織，傳統的手工電弧熔焊技術無法單獨用于FSW焊縫補焊。要實現等強補焊，也需要將補焊處焊縫轉變為鍛造組織。本文通過對各種補焊方法的比較，給出了不同缺陷情況下的補焊方案，如表3所示。

表3 不同焊縫缺陷補焊工藝

從表中可見，不同的焊接缺陷、不同的焊接對象，所適用的補焊工藝不同。對于線狀缺陷，若材料缺失較多，必須填充材料后方能進行補焊。材料填充方法通常采用熔焊手段進行金屬過渡。若材料缺失較少，直接重復進行FSW即可排除缺陷，對經歷多次FSW的接頭性能進行測試，結果如圖7所示。

圖7 多次FSW對接頭抗拉強度的影響

從圖中可見，在焊接次數少于3次時，FSW接頭抗拉強度略有增加。這與攪拌摩擦焊接頭的組織特點有關，焊接過程對焊接區域的材料而言相當于一次局部鍛壓加工，焊縫組織在少數次加工過程中，其性能不會發生無明顯惡化，只有在多次焊接時，才有可能導致焊縫性能的下降。因此，少于3次的重復FSW是線狀缺陷的有效補焊手段。

對于材料缺失較多的焊縫缺陷，必須重新填充材料方能進行補焊。TIG填絲焊是材料填充的有效方法，具體的工藝措施是先將缺陷排挖，再采用TIG填絲工藝填滿排挖區域，然后對熔焊區域重新進行FSW，表4給出了不同補焊次數下的接頭性能比較。

表4 TIG+FSW補焊接頭性能

從表中可見，在二次補焊次數以內，接頭性能無明顯下降現象，這證明了電弧熔焊+再次FSW也是有效的缺陷補焊工藝。

對于孔洞類缺陷，通常有兩種補焊方法，一種是摩擦塞焊，另一種為填充式摩擦點焊。上述兩種焊接工藝均為固相焊接，補焊組織與原始焊縫組織類似。試驗結果表明，焊點質量與原始焊縫質量性能接近[6]。其中摩擦塞焊適用于厚板點缺陷補焊，而填充式摩擦點焊則適用于薄板補焊。

4 FSW在載人航天結構件中的應用

我國載人航天廣泛采用高強鋁合金與鋁鋰合金作為結構材料，這些材料在采用傳統熔焊工藝進行焊接時，氣孔、裂紋等缺陷發生傾向大、接頭強度系數低，這使得傳統的熔焊工藝受到限制。FSW為上述結構材料的焊接提供了優質的連接工藝，將是未來航天領域首選的焊接技術。

綜合利用本文在攪拌摩擦焊全焊透工藝、無匙孔處理工藝以及焊接缺陷等強補焊工藝的研究成果，實現了FSW在某些載人航天型號產品中的應用，下面以圖2和圖3兩類典型的密封構件為例，說明FSW在我國載人航天結構件制造中的應用。圖8為載人航天球狀拼焊密封構件，其設計圖如圖2所示。

圖8所示的球狀密封構件，主要由球殼拼焊、法蘭焊接構成，壁厚5mm，直徑3m。在所有的焊縫背面均采用了全焊透技術；對于大法蘭與小法蘭的封閉環縫焊接采用了攪拌針回抽無匙孔焊接技術；對于局部間隙過大的焊縫，采用了熔焊填充材料+FSW的等強補焊技術。

圖9為采用FSW與變極性等離子弧焊（VPPA）制造的載人航天大尺寸密封艙體。其設計圖如圖3所示。

圖8 載人航天FSW拼焊球狀構件

圖9 采用FSW+VPPA制造的密封艙體

圖9 所示的大尺寸密封艙體直徑3.35m，焊縫壁厚6mm。箱底全部采用了攪拌摩擦焊技術，筒段縱縫也采用了攪拌摩擦焊來進行制造。在箱底焊接時，涉及的封閉焊縫有頂蓋環縫、箱底圓環環縫，采用了無匙孔焊接技術；箱底瓜瓣縱縫焊接背面采用了背面墊板的全焊透工藝；筒段縱縫采用了工件背面開槽的焊接工藝。在總對接環縫的焊接上，由于艙體尺寸較大，目前國內尚無針對該焊縫的專用焊接裝備，只能采用傳統的熔焊方法來進行制造。

5 FSW在我國航天領域應用現狀與發展前景

攪拌摩擦焊技術在2002年正式進入中國，其中航天制造為攪拌摩擦焊應用的首要領域，取得了大量應用成果。典型的應用領域包括運載火箭、衛星、導彈等飛行器的結構件制造。

在運載火箭結構件的制造中，推進劑貯箱是最重要的密封構件，焊接是其關鍵制造工藝，也是攪拌摩擦焊的首要應用領域。在我國，上海航天設備制造總廠基于我國新一代運載火箭的研制需求，聯合研制了我國第一臺火箭貯箱縱縫攪拌摩擦焊設備、第一臺箱底攪拌摩擦焊設備。現役型號火箭的第一條攪拌摩擦焊貯箱筒段縱縫于2009年3月首次成功發射升空。上海航天設備制造總廠在國內首先實現了全攪拌摩擦焊制造的火箭貯箱箱底，并應用于我國新一代大運載與小型運載火箭，滿足了新一代運載火箭研制需求。

攪拌摩擦焊的技術優勢同樣在衛星、導彈等航天結構制造中具有應用需求，其主要的應用領域包括導彈燃料箱、發控柜、衛星承力結構件等。我國目前已實現了直徑1.4m，厚度25mm筒體導彈結構件縱、環縫的攪拌摩擦焊制造，并且攪拌摩擦焊制造的導彈結構件已實現成功發射。在衛星制造領域，主要應用于衛星姿控發動機機架、輕型結構件等連接制造。

攪拌摩擦焊技術的發明為鋁及鋁合金等材料的焊接制造提供了一項極具優勢的連接手段，但由于該項技術應用于工業領域的時間較短，尚有很多工程應用問題需要解決，主要集中在兩個方面：一是工藝技術的進一步發展；二是應用標準的建立和完善。

6 結論

攪拌摩擦焊技術是鋁合金最具優勢的連接手段，是載人航天關鍵構件的焊接制造發展趨勢。對實際構件應用攪拌摩擦焊所需的關鍵工藝技術研究表明，工件背面開槽焊接、背面墊板焊接工藝可有效解決FSW接頭的弱連接與未焊透缺陷；攪拌針回抽式無匙孔焊接工藝可滿足封閉環縫的無匙孔焊接要求；重復FSW、電弧熔焊+FSW、摩擦塞焊、填充式摩擦點焊工藝是實現攪拌摩擦焊焊縫等強補焊的有效措施。將上述關鍵工藝應用于載人航天結構件的焊接，實現了球狀密封構件、大尺寸密封艙體的攪拌摩擦焊制造。

［1］JATA K V，SEMIATION S L.Continuous dynamic recrystallization during friction stir welding of high strength aluminum alloys.Scripta Mater，2000，43（9）:743～749.

［2］Johnsen Marry Ruth.Friction stir welding takes off at Boeing.Welding Journal，1999，78（2）:35～39

［3］李寶蓉，張麗娜.H-2B運載火箭貯箱制造技術與應用.航天制造技術，2008，（5）:35～37

［4］姚君山，徐萌，賈洪德等.推進劑貯箱先進焊接工藝研究進展.航空制造技術，2008，8:32～35

［5］邢美源，姚君山，劉杰.新一代運載貯箱攪拌摩擦焊應用研究.上海航天，2006，（4）:39～43

［6］范平章.摩擦塞焊研發與關鍵問題.航天制造技術，2007，（2）:37～40