鋁合金推進(jìn)劑箱體焊接技術(shù)及展望

王 娟，劉 靜，李文珍，馮葉素

（天津航天長(zhǎng)征火箭制造有限公司，天津300462）

鋁合金推進(jìn)劑箱體焊接技術(shù)及展望

王 娟，劉 靜，李文珍，馮葉素

（天津航天長(zhǎng)征火箭制造有限公司，天津300462）

介紹幾種先進(jìn)鋁合金箱體焊接技術(shù)工藝特點(diǎn)，包括變極性TIG焊、變極性等離子焊、電子束焊、攪拌摩擦焊及摩擦塞焊。總結(jié)每種焊接技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍，分析未來(lái)鋁合金推進(jìn)劑箱體焊接技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

鋁合金；焊接；推進(jìn)劑箱體；發(fā)展

0 前言

隨著新材料、新結(jié)構(gòu)在航天產(chǎn)品焊接中的應(yīng)用，為滿足航天產(chǎn)品對(duì)于質(zhì)量的需求，新一代運(yùn)載火箭對(duì)焊接技術(shù)提出新的要求，同時(shí)也為焊接工藝的更新?lián)Q代提供了機(jī)遇。新型運(yùn)載火箭采用清潔能源液氫/液氧為燃料，箱體為低溫推進(jìn)劑貯箱，除了要求具備優(yōu)異的低溫抗氧化能力和氣密性能外，對(duì)箱體的焊接變形控制也提出了更嚴(yán)格的要求。為此，先進(jìn)的變極性等離子焊、攪拌摩擦焊、摩擦塞焊等焊接新工藝將被用于新一代運(yùn)載火箭鋁合金箱體的焊接中。

1 國(guó)內(nèi)外推進(jìn)劑箱體焊接技術(shù)

變極性TIG焊、變極性等離子焊、攪拌摩擦焊技術(shù)都是近幾年國(guó)外在貯箱制造中廣泛應(yīng)用的新型焊接工藝。歐盟的阿麗亞娜5型運(yùn)載火箭廣泛應(yīng)用變極性TIG焊工藝，美國(guó)主要采用攪拌摩擦焊和變極性等離子焊接工藝，日本則主要采用攪拌焊接工藝[1]。美國(guó)航空航天局（NASA）在摩擦塞補(bǔ)焊專用裝備開(kāi)發(fā)及工藝應(yīng)用方面處于國(guó)際領(lǐng)先地位，目前，NASA已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了包括筒段縱縫、箱底曲線焊縫、對(duì)接環(huán)縫等全攪拌摩擦焊接貯箱結(jié)構(gòu)[2]。

我國(guó)的運(yùn)載火箭箱體焊接目前主要采用變極性TIG焊、變極性等離子焊、攪拌摩擦焊、摩擦塞焊等焊接技術(shù)應(yīng)用還較少[3]。隨著新一代大型運(yùn)載火箭箱體材料2219鋁合金的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)已經(jīng)開(kāi)始采用攪拌摩擦焊接技術(shù)作為推進(jìn)劑箱體焊接的主要工藝之一。

2 鋁合金箱體先進(jìn)焊接技術(shù)

2.1 變極性TIG焊

惰性氣體鎢極保護(hù)焊通常稱TIG焊，其定義是工件（正極）在氬氣、氦氣等保護(hù)下，采用直流電弧

作為焊接熱源使鎢電極（負(fù)極）放電產(chǎn)生電弧，最終使工件熔合在一起。

鋁合金TIG焊經(jīng)歷了直流鎢極接負(fù)（DCEN）、直流鎢極接正（DCEP）、正弦波交流、方波交流，最終隨著變極性電源的出現(xiàn)而發(fā)展為變極性TIG焊，變極性TIG焊接技術(shù)廣泛應(yīng)用于鋁合金的焊接[4]。

TIG焊的特點(diǎn)是[5]：

（1）小電流狀態(tài)下鎢極電弧也能保持穩(wěn)定，適合薄板鋁合金的焊接。

（2）交流TIG焊能夠有效地清除工件表面的氧化膜，提高工件焊接性。

（3）焊接過(guò)程采用惰性氣體作為保護(hù)氣體，能夠有效隔絕周圍的空氣，保護(hù)好熔池及其母材的熱影響區(qū)。

在小電流狀態(tài)下鎢極電弧仍能保持穩(wěn)定，因此可采用相對(duì)低的功率進(jìn)行焊接，同時(shí)電弧可以清除工件表面的氧化膜，提高工件的焊接性。但是TIG焊的熔深較淺，僅適合于中小厚度鋁合金工件的焊接[6]。

2.2 變極性等離子焊

變極性等離子焊接（VPPA）是美國(guó)NASA馬歇爾飛行中心在變極性TIG焊接的基礎(chǔ)上研究開(kāi)發(fā)的一項(xiàng)焊接技術(shù)。在焊接過(guò)程中，在焊接熔池中心存在一穿透的小孔（小孔效應(yīng)），并且在實(shí)際生產(chǎn)中通常采用立向上焊工藝，既有利于焊縫的正面成形，又有利于熔池中氫的逸出，減少氣孔缺陷，因此又被稱為“零缺陷焊接”。

變極性等離子焊的特點(diǎn)[7]：

（1）等離子弧柱挺度好，熱量集中，能夠得到很好的熔深。

（2）焊縫窄，熱影響區(qū)小，焊接接頭強(qiáng)度高。

（3）可采用混合氣體作為保護(hù)氣。

（4）小孔效應(yīng)的存在，使得焊接時(shí)能夠同時(shí)清除焊縫正面、坡口鈍邊和焊縫背面的氧化膜，最大程度地將焊縫雜質(zhì)排除到焊縫外表面。

（5）更好地延長(zhǎng)鎢極的使用壽命，降低焊縫夾鎢風(fēng)險(xiǎn)。

變極性等離子焊主要適用于中厚板的焊接，但是其設(shè)備費(fèi)用投入較高，焊接參數(shù)的調(diào)節(jié)匹配較復(fù)雜，且噴嘴壽命短[8]。

2.3 電子束焊

電子束焊（EBW）是指在真空環(huán)境下，以聚集的高速電子流轟擊工件表面，從而產(chǎn)生熱使得工件熔化連接在一起的焊接方法。

電子束焊的特點(diǎn)如下[9-10]：

（1）能夠有效清除鋁合金表面的氧化膜，清除能力較強(qiáng)。

（2）電子束焊功率密度大、穿透力強(qiáng)、焊縫熔深大。

（3）由于焊接速度快、熱影響區(qū)小、變形小，焊接接頭強(qiáng)度提高，能有效避免裂紋的生成，熱處理后接頭強(qiáng)度更高。

由于其對(duì)環(huán)境要求特殊，焊接工藝參數(shù)控制要求較高，目前電子束焊主要應(yīng)用于大厚度以及特殊材料等的焊接。

2.4 攪拌摩擦焊

攪拌摩擦焊接技術(shù)（FSW）是一種連續(xù)的、純機(jī)械的固相連接技術(shù)。該技術(shù)在制造成本和焊接質(zhì)量等方面具有許多優(yōu)越性，該技術(shù)于1996年成功應(yīng)用到宇航領(lǐng)域[11-12]。攪拌摩擦焊工作原理如圖1所示。在攪拌針的攪動(dòng)作用下，兩側(cè)的工件產(chǎn)生塑性流變和混合，然后由攪拌軸肩將變形的材料傳輸?shù)綌嚢桀^后側(cè)進(jìn)行重新鍛造形成致密、無(wú)缺陷的焊縫，從而實(shí)現(xiàn)工件的連接[13]。

圖1 攪拌摩擦焊工作原理Fig.1Working diagram of FSW

攪拌摩擦焊接技術(shù)特點(diǎn)如下[14]：

（1）焊接過(guò)程為固態(tài)連接，無(wú)合金元素?fù)]發(fā)，焊接質(zhì)量高。

（2）與熔焊相比，無(wú)裂紋產(chǎn)生，能夠阻止氣孔的產(chǎn)生，焊縫一般無(wú)缺陷。

（3）焊縫金屬?gòu)?qiáng)度高于焊接熱影響區(qū)的強(qiáng)度。

（4）焊后殘余應(yīng)力和變形小。

（5）焊接過(guò)程操作簡(jiǎn)便。

攪拌摩擦焊接技術(shù)也存在一些缺點(diǎn)，但隨著攪拌焊接技術(shù)研究的不斷深入，攪拌焊接技術(shù)的缺點(diǎn)正逐漸被克服。目前不足之處主要有：

（1）與熔焊技術(shù)相比較，攪拌摩擦焊的焊接速度較慢。

（2）對(duì)裝配精度要求較高。被焊工件必須要夾緊固定，對(duì)焊接裝配要求較高，尤其是對(duì)接面間隙精度要求高。

（3）需要在焊縫背面加墊板，進(jìn)行剛性支撐（目前采用雙軸肩攪拌頭可以不需背部剛性支撐）。

（4）在焊接結(jié)束時(shí)會(huì)留下匙孔（目前采用攪拌頭回抽技術(shù)可以避免）。

（5）設(shè)備剛性和精度要求較高，設(shè)備一次性投資較大。

（6）目前主要適應(yīng)于大型結(jié)構(gòu)零部件的焊接，若要實(shí)現(xiàn)小型精密零件復(fù)雜焊縫的焊接比較困難。

目前攪拌摩擦焊工藝主要應(yīng)用于直線焊縫的焊接，國(guó)內(nèi)已經(jīng)采用攪拌摩擦焊進(jìn)行推進(jìn)劑箱體筒段縱縫的焊接，推進(jìn)劑箱底縱縫也實(shí)現(xiàn)了攪拌摩擦焊。攪拌摩擦焊技術(shù)正在箱體筒段環(huán)縫焊接、箱底焊縫上推廣應(yīng)用。

2.5 摩擦塞焊

摩擦塞焊又稱為摩擦塞補(bǔ)焊（FPW），最初由英國(guó)劍橋的TWI開(kāi)發(fā)，并推薦給洛克希德·馬丁公司作為貯箱焊接缺陷的修補(bǔ)方法，用于提高航天飛機(jī)外貯箱的可靠性、降低報(bào)廢率。摩擦塞焊可以用來(lái)修補(bǔ)一般熔焊缺陷，也可以用于攪拌摩擦焊匙孔和攪拌摩擦焊點(diǎn)狀缺陷的修補(bǔ)，它主要用在對(duì)接頭強(qiáng)度要求比較高的場(chǎng)合，該方法提出的初衷就是對(duì)攪拌摩擦焊縫缺陷進(jìn)行補(bǔ)焊。

摩擦塞補(bǔ)焊的優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）為固相補(bǔ)焊工藝，焊接過(guò)程沒(méi)有母材金屬熔化，修補(bǔ)后的焊縫殘余應(yīng)力低、殘余變形小。

（2）能夠有效改善補(bǔ)焊焊縫的力學(xué)性能、疲勞強(qiáng)度、斷裂韌性和接頭塑性。

（3）工藝穩(wěn)定性好，能夠精確控制焊接參數(shù)。

（4）焊接過(guò)程原理簡(jiǎn)單。

（5）焊接過(guò)程無(wú)煙塵，綠色環(huán)保。

采用摩擦塞焊補(bǔ)焊，其補(bǔ)焊接頭質(zhì)量高，基本可以達(dá)到原焊縫基體強(qiáng)度，效率高，質(zhì)量穩(wěn)定可靠。

根據(jù)塞棒焊接壓力加載方式的不同，摩擦塞焊有兩種實(shí)現(xiàn)方式：一種是頂鍛式摩擦塞焊，施力摩擦焊機(jī)著力位置在塞棒的大端一側(cè)，焊接力采用推應(yīng)力的方式加載；另一種是拉鍛式摩擦塞焊，著力位置在塞棒的小端一側(cè)，焊接力采用拉應(yīng)力的方式加載，如圖2所示[15]。

圖2 頂鍛式/拉鍛式摩擦焊示意Fig.2Upsetting load FPW and Pulling load FPW

比較摩擦塞焊的兩種實(shí)現(xiàn)方式，拉鍛式摩擦塞焊將所有設(shè)備和支撐墊板放在修補(bǔ)工件的一側(cè)，與摩擦焊機(jī)做成一體，能夠?qū)崿F(xiàn)自平衡加載；頂鍛式摩擦焊背部需大型支撐結(jié)構(gòu)，且要求工件和背部支撐具有較大的剛性，運(yùn)載火箭推進(jìn)劑箱體的壁厚薄，剛性小，同時(shí)在貯箱的內(nèi)部不容易建立較大的支撐結(jié)構(gòu)，所以對(duì)于航天貯箱摩擦塞焊更適宜采用拉鍛式摩擦塞焊。

2.6 鋁合金箱體焊接技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用總結(jié)

鋁合金箱體焊接技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用特點(diǎn)見(jiàn)表1。

3 未來(lái)鋁合金推進(jìn)劑箱體焊接技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

“提高可靠性，降低成本”是現(xiàn)今宇航公司在激烈的行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)中最終要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，而先進(jìn)、可靠、低成本的焊接和補(bǔ)焊技術(shù)是實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的唯一手段。

攪拌摩擦焊具有焊接質(zhì)量高、缺陷少等優(yōu)點(diǎn)，且比較容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，可以有效降低生產(chǎn)成本。新一代運(yùn)載火箭貯箱筒段縱縫的焊接已經(jīng)實(shí)現(xiàn)全攪拌摩擦焊接。目前，受設(shè)備條件和技術(shù)水平限制，貯箱箱體筒段的環(huán)縫仍然采用變極性TIG焊進(jìn)行焊接。

摩擦塞焊技術(shù)能為焊接缺陷修補(bǔ)提供一種經(jīng)濟(jì)可靠的解決途徑，摩擦塞焊修補(bǔ)的焊縫強(qiáng)度高，補(bǔ)

焊的焊縫還具有優(yōu)良的斷裂韌性和抗腐蝕性能，可以一次焊補(bǔ)成功。摩擦塞焊能夠解決封閉攪拌摩擦焊焊縫的匙孔問(wèn)題。

表1 鋁合金焊接技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用Tab.1Welding technology and application of Al alloy

航天推進(jìn)劑箱體結(jié)構(gòu)材料已由最初的鋁鎂合金發(fā)展到鋁銅合金（2219）、鋁鋰合金（2195）。未來(lái)重型運(yùn)載火箭推進(jìn)劑箱體材料將主要采用鋁鋰合金，由于鋰離子的活潑性使得鋁鋰合金更適宜采用固相焊工藝。隨著攪拌摩擦焊技術(shù)、摩擦塞焊技術(shù)的發(fā)展以及焊接裝備的不斷升級(jí)，更多的焊接結(jié)構(gòu)和新材料焊接將會(huì)應(yīng)用攪拌焊技術(shù)。為實(shí)現(xiàn)新一代運(yùn)載火箭及重型運(yùn)載火箭鋁合金推進(jìn)劑箱體的高質(zhì)量焊接，未來(lái)我國(guó)將綜合應(yīng)用攪拌摩擦焊、摩擦塞補(bǔ)焊工藝，從而滿足我國(guó)對(duì)新型火箭推進(jìn)劑箱體高可靠性、低成本、快速制造的研制需求。

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Welding technology and development tendency analysis of Al alloy tank

WANG Juan，LIU Jing，LI Wenzhen，F(xiàn)ENG Yesu
（Tianjin Long March Launch Vehicle Manufacturing Co.，Ltd.，Tianjin 300462，China）

Brief introduction has been given to the advanced welding technology of aluminum alloy tank in present，including variable polarity TIG welding，variable polarity plasma welding，vacuum electron beam welding，friction stir welding and friction plug welding；the characteristics and applications ofseveral weldingtechnologies are summarized，and the development tendencyofnewweldingtechnologies ofAl alloytank has been analyzed.

aluminum alloy；welding；tank；development

TG457

C

1001－2303（2016）07－0037-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.07.09

2016-03-01

王娟（1986—），女，山東人，工程師，碩士，主要從事運(yùn)載火箭貯箱焊接的研究工作。