箱底攪拌摩擦焊接工藝及其應用

王奎

摘? 要：隨著我國的航天事業飛速發展，各種航天設備與相關的零部件的質量、性能與輕量化均被提升，更多的機械化先進制造技術被使用到航天器制造中，以運載火箭為例，運載火箭可支持當前的航天與太空探索事業，將各種新型飛行器推動到太空中，使其穩定地在預定軌道中運行。加工制備運載火箭時必須運用精細化手段，除了每一個加工工件，貯箱是運載火箭的關鍵裝置。加工箱底區域時，需注重處理鋁合金，該材料存在熔點低、熱傳導系數過大的問題，因此不少加工單位都在使用攪拌摩擦焊接技術，結合箱底加工工藝應用要求，分析運用攪拌摩擦焊接技術方法的情況。

關鍵詞：貯箱箱底;攪拌摩擦焊接工藝;應用方法

中圖分類號：V261.34? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）10-0166-03

Abstract： With the rapid development of China's space industry， the quality， performance and lightweight of various space equipment and related parts have been improved， more mechanized advanced manufacturing technologies have been used in spacecraft manufacturing. Taking carrier vehicles as an example， it can support the current air and space exploration cause， launch a variety of new aircraft into space， so that it can operate stably in a predetermined orbit. Fine means must be used in the processing and preparation of launch vehicles. In addition to each machined workpiece， the tank is the key device of the carrier vehicle. When processing the bottom area of the box， attention should be paid to the treatment of aluminum alloy， which has the problems of low melting point and too large thermal conductivity， thus many processing units are using friction stir welding technology. Based on the application requirements of the box bottom processing technology， the application of friction stir welding （FSW） is analyzed.

Keywords： tank bottom; friction stir welding （FSW） technology; application method

火箭貯箱是火箭箭體關鍵構成部件，影響火箭運行的安全性與運載能力，其中貯箱箱底是結構最為復雜，焊縫最為集中，受力狀況最為嚴苛的關鍵結構件。根據貯箱箱底的焊接工藝需求，選擇合理的焊接工藝方法及參數，現分析如何將攪拌摩擦焊接工藝應用到火箭貯箱箱底的制造環節中，探討橢球底的攪拌摩擦焊接工藝應用方法。

1 箱底攪拌摩擦焊接特點

我國當前的運載火箭貯箱箱底生產中使用的焊接手段主要為TIG焊接技術，但是航天高強鋁合金融焊存在接頭強度低、焊后容易產生裂紋、焊接應力大、一次性合格率低等問題，導致最終獲取的貯箱箱底的質量水平比較低。為了保障貯箱的整體性能，箱底焊接改進傳統焊接工藝技術，開發出攪拌摩擦焊接技術，技術人員可啟用自動化的焊接處理模式，箱底結構處可以保持良好的焊接性能，一次單面焊接后可焊透鋁合金材料，不容易出現變形的問題，最終可取得良好的箱底焊接效果。

鋁合金的攪拌摩擦焊的技術已應用到很多行業，例如飛行器制造、船舶以及新能源汽車等，該焊接技術屬于固態連接技術，與傳統鋁合金融焊接技術相比，應用相應的焊接工具時，焊接現場并不會產生過于嚴重的煙塵飛濺情況，焊接人員不需要在焊接處理過程中運用過多的保護氣體或者焊絲，在貯箱加工過程中使用該焊接技術方法時，接頭處并不會產生明顯的裂紋與氣孔缺陷，普通的焊接手段會受到箱底處安裝的軸類零件的影響，在焊接直焊縫時也可使用該技術。該種焊接方法還具有綠色節能的優勢，對于焊接人員的技術水平無過高的要求，焊接處理前不需消耗大量的時間來啟用焊接系統，處理有色金屬類材料的焊接工作時，可直接使用該種焊接系統，熔焊處理過程中容易出現的技術缺陷都可有效避免，焊接活動結束后，接頭處的應力偏小，無變形焊接板件的加工目的可達成。同時處理多種材料以及工件時也能夠使用這種高效的混合式焊接手段。

2 項目研究背景概述

該項目的創設時間為2014年1月至2015年11月，中國航天科技集團公司長征機械廠的公司為完成國家某戰略號發射設備的貯箱加工生產任務，啟用長征機械廠提供的攪拌摩擦焊接系統，加工制造核心設備。主管設計師需負責選用加工項目中所使用的焊接技術，同時還要規劃加工項目，針對設備加工要求，落實前期調研活動，優化后期加工方案，完成關鍵零部件的設計與加工，確定焊接工具設備，項目產值為1950萬元，預設加工周期為22個月。

3 箱底攪拌摩擦焊接技術

3.1 技術運用原理

我們常說的攪拌摩擦焊接工藝，實際上也是一種固相連接的手段，但是卻和一般的摩擦焊接有所區別，特別之處在于它的焊接熱源主要來自于攪拌工具以及工件之間的摩擦。當我們實際運用攪拌摩擦焊接技術的時候，首先，需要讓工件可以緊緊地放置在焊接平臺上，隨后，攪拌焊頭會以極快的速度進行轉動，同時把攪拌焊針插進工件的接縫處，周而復始，以攪拌焊頭的肩部和工件的外表完全貼合為止。攪拌焊針快速運轉時會和其周圍母材摩擦，由此生成的熱量，此外，攪拌焊頭的肩部以及工件外表摩擦也會生成熱量，在此兩種熱量共同作用之下，會導致接縫處材料產生改變，也就是塑性流變，另當攪拌焊頭在不斷旋轉時，它還會繞著焊縫和工件作相對運動，而之前受到塑性流變而生成的材料會被迫向后移動，直至擠壓到攪拌焊頭前進方向的最后部分，由此一來，受到擠壓的塑性金屬流會再一次結合生成固相焊縫[1]。

3.2 焊接技術應用難點

克服箱底部位攪拌摩擦焊接技術應用難點，以本次需要加工的薄壁型箱底為例，首先需要保障裝配精度，使用攪拌摩擦焊接技術時，不需額外應用填充材料，焊接參數對于裝配精度的條件比較嚴格。箱底部位的直徑通常情況下不會超過3350mm，然而其焊接厚度卻只能是8mm左右，無法達到一般成型的鈑金零件的裝配精度要求，裝配箱底的特殊零部件時，應當使用特殊的控制方法。針對圓環縱縫的焊接處理任務時，需重視軌跡控制工作，使用數控系統代替人力控制，保障焊縫的焊接質量，調整焊縫工具的位置時，必須注意保持切向相對角度與被焊接工件的相對位置的一致性。叉形環與圓環的過程中，環焊縫應當呈現出完整的閉合環焊縫，焊接至起點時攪拌針開始回程，在大約越過起點300mm左右，攪拌針完全縮回軸肩內部，焊接機頭在進給軸的帶動下抬起，焊縫表面攪拌針留下凹點最低點高于正常焊縫表面，后續采用磨光機打磨平整，進行相控陣、X光等檢測。

3.3 技術應用建議

箱底的主要材料包括2219-T87/2A14鋁合金，厚度在4到12mm之間，主體焊縫包括瓜瓣縱縫、叉形環環縫、頂蓋環縫、叉形與短殼環鎖底焊縫。零件狀態下頂蓋法蘭盤環縫，瓜瓣法蘭環縫。焊接直徑為3350mm的貯箱需開發攪拌摩擦焊接技術系統，箱底形狀為橢圓形，焊接人員需對主要承力的箱底焊縫展開精準焊接，使用的焊接工具設備應滿足攪拌摩擦焊的技術應用要求，需要開發具有空間焊接能力的設備、同時其單軸肩需具備可回抽攪拌摩擦焊的能力的主軸，主軸系統應持有雙軸肩摩擦焊接的能力。

開發具有原位銑切能力工裝，開發普通攪拌摩擦焊接工具、環縫焊接用回抽式攪拌摩擦焊接攪拌針，開發攪拌摩擦焊接工藝、攪拌摩擦焊接自動控制系統。

焊接箱底時需注意保持加工流程的標準化特點。首先應當完成瓜瓣拉伸成型任務，形成圓環與頂蓋的瓜瓣形狀時，應拉伸板材，利用整體機設備加工變截面部位的型材框，采用攪拌摩擦焊接手段將各種零件拼焊在箱底處，結合貯箱的結構特點調整加工過程。拼焊4個瓜瓣部件，形成完整的圓環，而后按照順序焊接其他的部件拼焊處理工作，通過無匙孔處理技術焊接環焊縫。

控制箱底各處焊縫的質量時，需找出并控制影響焊縫質量的因素。攪拌式焊頭的形狀必須保持合化，對于焊接區域的摩擦產熱功率來說，焊頭能夠有效提高其水平標準，而熱塑性原料能夠維持流動的狀態，焊接處理處也能夠完成更強的工藝性。可選用的焊頭主要包括螺旋形、圓錐形與圓柱形，針對不同類型的焊縫時，可分別選擇相對應的焊頭。螺旋形的焊頭處于旋轉的運行狀態時，可帶去更多向下的鍛造力，焊合金屬材料的效果比較突出。本次加工中使用頻次最高的焊頭為圓形焊頭，其由攪拌焊針、肩部與夾持部分共同構成，肩部的尺寸與攪拌焊針均會給最后的焊縫質量帶去影響。先對這兩種重要影響因素的控制工作展開研究。

眾所周知，攪拌摩擦焊是一種非填充固相焊，因此對于焊接質量來說，焊接裝配質量的高低會產生直接影響。出于確保裝配精度的目的，針對箱底所有零件焊接邊全都運用機械加工[1]。當處于壓緊狀態的時候，會運用專門的銑邊機對于頂蓋以及瓜瓣進行加工，至于型材框，會選擇在校圓狀態之下開展加工工序，而對于圓環上以及下端邊，則是會選擇當模胎上出于壓緊狀態之時進行加工。對于4條焊接裝配而言，會運用壓條把兩邊的瓜瓣壓緊實，出于把控圓環上下端邊周長的目的，會把每一瓜瓣上、下端邊壓緊，直到緊貼模胎為止。首先進行圓環拼焊，焊接過程由設備主機通過三軸聯動實現，對箱底來說，4條焊縫通過強度的測試也是其可不可以滿足使用要求的審核，把內壓承受能力測驗設置在專用設備以及工藝設備上，而且運用的方式是加水壓。以產品技術條件作為基礎，測試箱底的液壓強度，控制在0.255MPa，當處于保壓狀態時開展檢查工作，沒有發覺滲漏情況，說明箱底符合使用要求。

攪拌摩擦焊接加工活動展開后，加工的工件與焊針之間保持持續的摩擦，生成大量的熱量，如果焊針的直徑尺寸比較大，焊接處的斷面面積也會隨之增加，熱影響的范圍被擴寬，向前移動焊針時，焊頭受到的阻力也隨之增加。如果使用的焊針尺寸不夠大，那么因為摩擦而生產的熱量也跟著變少，由此會降低熱塑性加工材料的總體流動性，向前移動焊針時，側向擠壓力也因此而縮減，焊縫組織的原有致密性將會被破壞，結合焊頭應用實驗，使用的焊針的直徑尺寸應當為加工工件的厚度1倍左右，各類箱底焊縫的質量可被提升。

肩部尺寸同樣會給最終設置的焊縫產生質量層面的影響。焊頭肩部主要可以對焊接部位溢出的塑變金屬產生溢出作用，增加輸入的熱量。工件與焊頭摩擦之后也會形成一定的熱量。一旦肩部尺寸數值超出預計，那么會導致總體熱輸入量也跟著變多，從而擴大熱影響區范圍，甚至會導致箱底處的工件變形;然而若是肩部尺寸太小，如果想要保障獲取足夠的熱輸入量，必須增加攪拌焊頭的旋轉速度，降低焊接處理效率。測定具有不同直徑的焊頭進行焊接之后，對施焊信息加以采集，對比焊縫的質量與處理情況，焊針直徑與肩部直徑呈現出1：3的比例時，可獲取最佳施焊效果。

保障箱底焊縫質量時，還必須考察焊接速度與旋轉速度給焊縫質量的影響，如果旋轉焊頭的速度過快或者焊接加工的速度過慢，焊縫處的熱輸入量也就變得更高，焊接部位容易出現金屬過熱的問題，焊縫成形需要更長的時間，質量也比較差，焊縫表面還會生成溝槽。通過拉伸試驗可確定焊接材料的金相組織與力學性能之間的聯系，運用正確的焊接處理方法，焊接接頭的可保持更強的抗拉強度。

因為焊縫區出現晶粒細化情況，導致出現組織致密，由此使得熱影響區跟熔化焊相比時窄，不僅如此，焊接全程沒有出現合金元素燒損的情況，而且雜質偏析，焊縫內部不可能出現裂紋以及氣孔等不足，因此在綜合性能方面攪拌摩擦焊焊接接頭是不錯的[2]。相比于氫弧焊，它接頭的抗拉強度能夠遠超出15%-20%，不僅延伸率能夠增加1倍，斷裂韌性還可以提升30%。而且當接頭處于焊態的時候，它焊縫處的硬度值會比母材低很多;不僅如此，對于焊后受到低溫退火處理過的試樣而言，焊縫處的硬度會比母材稍微高一點;這是因為經過冷軋后生成的純鋁板材，在經過軋制以后會產生冷作硬化作用，此外，攪拌摩擦焊會導致焊縫處不再出現硬化作用。通過焊接接頭的金相組織來看，可以得知相比于母材組織，焊縫處的晶粒會顯得細小勻稱。焊縫以及母材組織之間不存在顯著的過渡，只剩下比較窄的熱影響區[3]。

4 結論

本文以某工程為研究背景，在加工貯箱箱底時使用了新型攪拌摩擦焊接技術，該種焊接手段于上世紀90年代被英國焊接研究所開發與應用，主要焊接熔點低的合金材料，能夠滿足貯箱箱底的綠色化加工要求，航空高強鋁合金材料能夠被高效焊接，焊接箱底部件時不會受到軸零件的干擾。經過相控陣、X光無損檢測，箱底焊縫處并無質量缺陷，滿足相應的焊接工藝技術應用標準，經由強度試驗可確定其強度滿足設計要求。該項目在22個月內完成，不存在逾期問題，創收了極高的項目產值，因此可知攪拌工藝在火箭貯箱加工活動中的可用性，該技術值得在航天機械加工產業中被推廣。

參考文獻：

[1]郝云飛，厲曉笑，魏瑞剛，等.攪拌摩擦焊技術在彈箭體貯箱鎖底環縫上的應用[J].宇航材料工藝，2017（3）.

[2]湯化偉，張聃，封小松，等.攪拌摩擦焊工藝參數對鎖底接頭性能的影響[J].電焊機，2017（11）：107-109.

[3]劉昊含.攪拌摩擦焊接技術的應用及存在的問題[J].科學家，2017（5）：46.