鋁合金推進劑箱體焊接技術及展望

王 娟，劉 靜，李文珍，馮葉素

（天津航天長征火箭制造有限公司，天津300462）

鋁合金推進劑箱體焊接技術及展望

王 娟，劉 靜，李文珍，馮葉素

（天津航天長征火箭制造有限公司，天津300462）

介紹幾種先進鋁合金箱體焊接技術工藝特點，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。總結每種焊接技術的特點及應用范圍，分析未來鋁合金推進劑箱體焊接技術的發展趨勢。

鋁合金；焊接；推進劑箱體；發展

0 前言

隨著新材料、新結構在航天產品焊接中的應用，為滿足航天產品對于質量的需求，新一代運載火箭對焊接技術提出新的要求，同時也為焊接工藝的更新換代提供了機遇。新型運載火箭采用清潔能源液氫/液氧為燃料，箱體為低溫推進劑貯箱，除了要求具備優異的低溫抗氧化能力和氣密性能外，對箱體的焊接變形控制也提出了更嚴格的要求。為此，先進的變極性等離子焊、攪拌摩擦焊、摩擦塞焊等焊接新工藝將被用于新一代運載火箭鋁合金箱體的焊接中。

1 國內外推進劑箱體焊接技術

變極性TIG焊、變極性等離子焊、攪拌摩擦焊技術都是近幾年國外在貯箱制造中廣泛應用的新型焊接工藝。歐盟的阿麗亞娜5型運載火箭廣泛應用變極性TIG焊工藝，美國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]。美國航空航天局（NASA）在摩擦塞補焊專用裝備開發及工藝應用方面處于國際領先地位，目前，NASA已經實現了包括筒段縱縫、箱底曲線焊縫、對接環縫等全攪拌摩擦焊接貯箱結構[2]。

我國的運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應用還較少[3]。隨著新一代大型運載火箭箱體材料2219鋁合金的應用，國內已經開始采用攪拌摩擦焊接技術作為推進劑箱體焊接的主要工藝之一。

2 鋁合金箱體先進焊接技術

2.1 變極性TIG焊

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

作為焊接熱源使鎢電極（負極）放電產生電弧，最終使工件熔合在一起。

鋁合金TIG焊經歷了直流鎢極接負（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而發展為變極性TIG焊，變極性TIG焊接技術廣泛應用于鋁合金的焊接[4]。

TIG焊的特點是[5]：

（1）小電流狀態下鎢極電弧也能保持穩定，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）焊接過程采用惰性氣體作為保護氣體，能夠有效隔絕周圍的空氣，保護好熔池及其母材的熱影響區。

在小電流狀態下鎢極電弧仍能保持穩定，因此可采用相對低的功率進行焊接，同時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NASA馬歇爾飛行中心在變極性TIG焊接的基礎上研究開發的一項焊接技術。在焊接過程中，在焊接熔池中心存在一穿透的小孔（小孔效應），并且在實際生產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[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，熱影響區小，焊接接頭強度高。

（3）可采用混合氣體作為保護氣。

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

（5）更好地延長鎢極的使用壽命，降低焊縫夾鎢風險。

變極性等離子焊主要適用于中厚板的焊接，但是其設備費用投入較高，焊接參數的調節匹配較復雜，且噴嘴壽命短[8]。

2.3 電子束焊

電子束焊（EBW）是指在真空環境下，以聚集的高速電子流轟擊工件表面，從而產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。

（2）電子束焊功率密度大、穿透力強、焊縫熔深大。

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

由于其對環境要求特殊，焊接工藝參數控制要求較高，目前電子束焊主要應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（FSW）是一種連續的、純機械的固相連接技術。該技術在制造成本和焊接質量等方面具有許多優越性，該技術于1996年成功應用到宇航領域[11-12]。攪拌摩擦焊工作原理如圖1所示。在攪拌針的攪動作用下，兩側的工件產生塑性流變和混合，然后由攪拌軸肩將變形的材料傳輸到攪拌頭后側進行重新鍛造形成致密、無缺陷的焊縫，從而實現工件的連接[13]。

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

攪拌摩擦焊接技術特點如下[14]：

（1）焊接過程為固態連接，無合金元素揮發，焊接質量高。

（2）與熔焊相比，無裂紋產生，能夠阻止氣孔的產生，焊縫一般無缺陷。

（3）焊縫金屬強度高于焊接熱影響區的強度。

（4）焊后殘余應力和變形小。

（5）焊接過程操作簡便。

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

（1）與熔焊技術相比較，攪拌摩擦焊的焊接速度較慢。

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

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

（4）在焊接結束時會留下匙孔（目前采用攪拌頭回抽技術可以避免）。

（5）設備剛性和精度要求較高，設備一次性投資較大。

（6）目前主要適應于大型結構零部件的焊接，若要實現小型精密零件復雜焊縫的焊接比較困難。

目前攪拌摩擦焊工藝主要應用于直線焊縫的焊接，國內已經采用攪拌摩擦焊進行推進劑箱體筒段縱縫的焊接，推進劑箱底縱縫也實現了攪拌摩擦焊。攪拌摩擦焊技術正在箱體筒段環縫焊接、箱底焊縫上推廣應用。

2.5 摩擦塞焊

摩擦塞焊又稱為摩擦塞補焊（FPW），最初由英國劍橋的TWI開發，并推薦給洛克希德·馬丁公司作為貯箱焊接缺陷的修補方法，用于提高航天飛機外貯箱的可靠性、降低報廢率。摩擦塞焊可以用來修補一般熔焊缺陷，也可以用于攪拌摩擦焊匙孔和攪拌摩擦焊點狀缺陷的修補，它主要用在對接頭強度要求比較高的場合，該方法提出的初衷就是對攪拌摩擦焊縫缺陷進行補焊。

摩擦塞補焊的優點如下：

（1）為固相補焊工藝，焊接過程沒有母材金屬熔化，修補后的焊縫殘余應力低、殘余變形小。

（2）能夠有效改善補焊焊縫的力學性能、疲勞強度、斷裂韌性和接頭塑性。

（3）工藝穩定性好，能夠精確控制焊接參數。

（4）焊接過程原理簡單。

（5）焊接過程無煙塵，綠色環保。

采用摩擦塞焊補焊，其補焊接頭質量高，基本可以達到原焊縫基體強度，效率高，質量穩定可靠。

根據塞棒焊接壓力加載方式的不同，摩擦塞焊有兩種實現方式：一種是頂鍛式摩擦塞焊，施力摩擦焊機著力位置在塞棒的大端一側，焊接力采用推應力的方式加載；另一種是拉鍛式摩擦塞焊，著力位置在塞棒的小端一側，焊接力采用拉應力的方式加載，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現方式，拉鍛式摩擦塞焊將所有設備和支撐墊板放在修補工件的一側，與摩擦焊機做成一體，能夠實現自平衡加載；頂鍛式摩擦焊背部需大型支撐結構，且要求工件和背部支撐具有較大的剛性，運載火箭推進劑箱體的壁厚薄，剛性小，同時在貯箱的內部不容易建立較大的支撐結構，所以對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特點及應用總結

鋁合金箱體焊接技術特點及應用特點見表1。

3 未來鋁合金推進劑箱體焊接技術的發展趨勢

“提高可靠性，降低成本”是現今宇航公司在激烈的行業競爭中最終要實現的目標，而先進、可靠、低成本的焊接和補焊技術是實現該目標的唯一手段。

攪拌摩擦焊具有焊接質量高、缺陷少等優點，且比較容易實現自動化生產，可以有效降低生產成本。新一代運載火箭貯箱筒段縱縫的焊接已經實現全攪拌摩擦焊接。目前，受設備條件和技術水平限制，貯箱箱體筒段的環縫仍然采用變極性TIG焊進行焊接。

摩擦塞焊技術能為焊接缺陷修補提供一種經濟可靠的解決途徑，摩擦塞焊修補的焊縫強度高，補

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

表1 鋁合金焊接技術特點及應用Tab.1Welding technology and application of Al alloy

航天推進劑箱體結構材料已由最初的鋁鎂合金發展到鋁銅合金（2219）、鋁鋰合金（2195）。未來重型運載火箭推進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、摩擦塞焊技術的發展以及焊接裝備的不斷升級，更多的焊接結構和新材料焊接將會應用攪拌焊技術。為實現新一代運載火箭及重型運載火箭鋁合金推進劑箱體的高質量焊接，未來我國將綜合應用攪拌摩擦焊、摩擦塞補焊工藝，從而滿足我國對新型火箭推進劑箱體高可靠性、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，FENG 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，主要從事運載火箭貯箱焊接的研究工作。