摘要 搅拌摩擦焊接是一种新的焊接方法，适合于焊接长的对接、搭接焊缝。用该方法焊接运载火箭铝合金贮箱，具有焊接变形小、质量高和成本低的特点。美国是第1个应用该方法焊接运载火箭贮箱，解决批量生产问题的国家。本文对该方法在铝合金焊接上的应用及现状等进行了介绍。
关键词 焊接，运载火箭，铝合金贮箱，新工艺。
1 前 言
运载火箭贮箱常用的材料是比强度高、比刚度高的铝合金，如2014，2219和7075 铝合金。现在，运载火箭贮箱又采用性能更好的2195铝锂合金。在航天产品中，特别是在制 造运载火箭贮箱中，焊接工艺是一项关键的制造技术。熔焊技术如气体钨极电弧焊(GTAW )和气体金属电弧焊(GMAW)自20世纪50年代起，在雷神、宇宙神、大力神、土星和德尔它 系列运载火箭贮箱的制造中使用了几十年，从焊接设备、焊接材料、焊接工艺等方面作了大量的研究工作，满足了焊接质量的需要。同时，为了提高焊接质量和降低成本，20世纪80年代美国又采 用了变极性等离子弧焊(VPPA)焊机，并配备了先进的计算机控制系统，代替了GTAW和GMAW ，焊接了2219-T87铝合金制的航天飞机外贮箱，使焊接工艺在贮箱的制造中向前迈进了一 大步。迄今为止，虽然焊接质量有所提高，焊接时间有所缩短，但仍不能彻底解决焊缝及近缝区的裂纹和减少焊接气孔等缺陷问题。1991年英国剑桥大学焊接研究所(TWI)发明了搅 拌摩擦焊接(FSW)。这种焊接技术焊接的铝合金变形小、冶金和力学性能高、成本低和焊接时间短。
2 搅拌摩擦焊接
摩擦焊接技术有40余年的历史，在压力作用下与待焊接界面摩擦，使其界面及附近温度升 高，界面的氧化膜破碎，材料呈塑性状态，通过界面的扩散及再结晶反应而实现固态焊接。 它可以焊接相同或不同的金属材料，甚至是难以焊接的金属基复合材料、陶瓷材料和塑料。
1991年，TWI研究所利用相互摩擦产生热量的原理，发明了FSW(见图1)。待焊接的对接或搭接件放置于垫板上，并被夹紧，用圆形夹持器上的特型指棒对工件旋转。 焊接时边旋转，边插入焊接接头中，当它与工件相接触时，摩擦热迅速加热接触的材料，夹持器沿着缝隙向前行走,并在作用力下使特型指棒挤压接触材料，使材料成为塑性状态，特型指棒向前行走时，受到挤压的塑性材料受到搅拌，由前向后流动，待夹持器移走后，塑性材料冷却，形成固态焊接。
图1 FSW焊接原理图
1—工件或待焊接材料；2—夹持器；3—特型指棒；4—垫板。
图1中的特型指棒是用比被焊接材料硬的工具钢、高速钢或陶瓷材料做成的，其长度稍低于工件深度。
挪威在世界上最早用FSW焊接技术焊接过6 mm×16 m2的6068-T6铝合金船面板和20 m长的铝合金制的快艇，焊接总长达10 000 m。瑞士也研制出FSW焊机。为了加速FSW焊 接技术在工业上的应用，1995年国际合作公司赞助了一项计划，由TWI研究所牵头继续研究FSW，并用FSW焊接2000系(AlCu)、5000系(AlMg)、6000系(AlMgSi)等铝合金，并均获得满意的焊接质量。TWI研究所、美国爱迪生焊接研究所(EWI)等部门，除了研究用FSW焊接铝合金外，还研究用它焊接黑色金属及其它金属。美国的航空航天工业部门对F SW开展了更多的应用性研究，如洛马公司、波音公司投入了大量的研制经费，仅花在FSW 焊接工艺和设备研制上的费用就达1500万美元，成功地焊接了德尔它Ⅱ～Ⅳ的运载火箭贮箱 。
1995年TWI研究所在FSW基础上又开发了摩擦塞焊(FPW)，2000年洛马公司利用FPW，解 决了航天飞机2195铝锂合金外贮箱焊接后难以补焊的问题，进一步提高了焊接产品的质量和 可靠性。
由于FSW是在比被焊合金材料熔点温度低的条件下完成的固态连接，所以金属材料没有熔化，焊接收缩变形小和力学性能损失低，与传统的GMAW和GTAW熔焊技术焊接铝合金相比，有着突出的优点：
a)不需要氩、氦保护气体和填充材料，焊接时不需要控制焊接电流和电弧电压参数，节省了大量材料的消耗。
b)焊前不需要对被焊接材料和焊丝仔细清理、酸洗、打磨和烘干等，不必对被焊接材料机械加工开剖口，节省了许多操作时间。
c)焊工不要求有高的操作技术。
d)焊接能量效率高，单层焊接6000系铝合金可达12.7 mm厚度，因此适合于自动 化生产。
e)不存在铝合金焊接主要缺陷，即裂纹敏感性问题，因此，容易焊接难以焊接的铝合金材料，如7075铝合金。
f)由于FSW可以保持合金的冶金性能，所以可焊接金属基复合材料和快速凝固材料。
g)采用最佳的焊接参数，可以获得无气孔的焊缝。
h)可以焊接异种金属，如铸造和挤压、铸造和锻造材料等。
i)用FSW可以焊接许多通常不能够焊接的长而大的横截面零件。
J)焊接大尺寸挤压件变形很小。
k)焊接前工件装配要求低，待焊接表面根部不必紧配合，根部装配间隙允许公差低， 1.6 mm厚薄板根部装配间隙为0.2 mm，12.7 mm厚板为1.25mm。
l) 焊接时不产生任何有害的烟雾气体，减少了对人体危害。
3 铝合金焊接
FSW是一项适合于焊接铝合金的新技术。因为它是固态焊接，与熔焊铝合金技术相比，具有3个主要优点：
a)固态连接消除了与熔焊有关的裂纹，即液化或固化裂纹。在最佳焊接条件下完全消除气孔。
b)不存在焊缝金属蒸发产生的合金元素损失，焊缝合金元素得到保存，因此焊接质量得到保证。
c)由于焊接工具对材料产生的碾压、搅拌和锻造作用，可得到比基体金属更为细小的再结晶组织，焊缝金属强度超过了焊接热影响区材料的强度。
用于运载火箭贮箱的材料2014-T6高强度铝合金(中国牌号为LD10)是比较难焊接的金属材料，其焊接热裂纹倾向性高，焊接接头强度系数为0.5左右，塑性不高，延伸率仅2%～3 %，补焊性能差。FSW焊接后的接头弯曲试样证明：接头塑性明显提高，弯曲角达180°，拉伸试样均断在焊缝金属外的热影响区。2014-O状态拉伸试样破坏均断在基体金属(见图2～3 )。与熔焊接头相比，FSW焊接接头 的抗拉强度高30%～50%，焊接接头的强度系数达0.7，断裂韧性提高，疲劳性能与铆接 的相同。2519-T87高强度铝合金有优异的冲击性能，用于海军先进的水陆两用攻击型战车，但用普通熔焊时，焊接接头塑性低，不能通过必须的冲击验收试验，经FSW焊接后的焊接接头比熔焊接头塑性提高，强度相同(见表1)，成功地通过了弹道冲击试验。2195-T8铝锂合 金采用FSW焊接，焊接接头力学性能比VPPA焊接接头力学性能高得多(见表2)。
图2 用FSW焊接的2014-T6铝合金接头弯曲和拉伸试样
图3 用FSW焊接的5083-O铝合金接头弯曲和拉伸试样
表1 用FSW焊接2519-T87拉伸试样力学性能
| 抗拉强度MPa | 屈服强度MPa | 延伸率 | 破坏位置 | | 282 | 140 | 17.1% | 搅拌区边缘 | | 280 | 141 | 15.9% | 搅拌区边缘 | | 282 | 144 | 16.8% | 搅拌区边缘 | | 275 | 134 | 15.0% | 搅拌区边缘 | | 280 | 140 | 16.2% | 焊缝 |
注：试样尺寸305 mm×305 mm×31.8 mm，每组数据为4个试样测试。
表2 用FSW和VPPA焊接2195-T8板的两种接头力学性能比较
| 焊接方法性能 | FSW | VPPA | | 常温 | 低温 | 常温 | 低温 | | 抗拉强度σb/MPa | 407 | 621 ～635 | 311 | 442 | | 屈服强度σ0.2/MPa | 255 | 421 | — | — | | 延伸率δ | 8％～11% | 8％～9% | 3% | 3% |
注： 板材厚度8mm，延伸率是在50.4 mm长试样上测试结果。低温为液氮 温度(-253°C)。4 应用情况
FSW发展很快，已有10年。自从1995年以来，欧洲、美国和日本等一些国家对FSW开展了应用性研究，特别是美国航空航天工业部门高度重视该技术，并用它 成功地焊接了以往难以焊接的7075铝合金低温燃料贮箱，其力学性能很好。5454铝合金焊接后有很好的抗腐蚀性。
波音公司自1960年以来共生产了265枚德尔它系列运载火箭。德尔它Ⅱ运载火箭贮箱与德尔它Ⅲ的相同，LO2箱长12 m，燃料箱长8.4 m，级间段长4.8 m，直径2.4 m，由 3块22.22 mm厚的2014-T6铝合金焊接成圆筒壳段。先机械加工网格结构面板，然后弯曲成形，焊前48 h酸洗，去掉氧化物，再放入GMAW自动焊机，从里面平焊3条纵向焊缝，构成圆筒，焊接后从内、外两面机加工去掉焊缝余高，并100% X光和着色检验。面临商业卫星发射任务的不断增加，公司要求一年生产95台的德尔Ⅳ运载火箭贮箱。针对日益繁重的生产任务和世界发射市场的竞争，为了降低成本，节省经费，公司将长期使用的成熟的 GM AW焊接改为FSW焊接。1999年初，公司在加州的Huntington Beach工厂用FSW焊接生产了德 尔它Ⅱ 和Ⅲ运载火箭的贮箱，2001年用FSW焊接生产了德尔它Ⅳ运载火箭的贮箱。将应用FSW技术与 GMAW技术的情况列于表3。表3 FSW与GMAW焊接贮箱比较
| GMAW | FSW | | 每838.2 cm长的焊缝有1处缺陷 | 每7620 cm长的焊缝有1处缺陷 | | — | 每年节省经费几十万美元 | | 焊接前放入酸洗槽酸洗 | 焊接前只用溶剂擦洗 | | 焊接前根部装配间隙要求高 | 焊接前根部装配间隙要求低，节省了装配时间 | | 焊接后要机械加工去掉焊缝余高 | 因为无焊缝余高，省去机械加工 | | — | 焊接接头抗拉强度、断裂韧性和屈服强度在室温和低温下均提高30%～50% | | — | 质量可靠性提高 | | — | 成本降低 | | 焊接后需要100%X光和荧光着色检验 | 缺陷显著下降，所以采取周期性抽样检验 | | 焊接时需要保护气体和填充焊丝 | 不需要 | | — | 生产时间明显减少 | | 焊接时释放有害烟雾气体 | 焊接时不释放有害烟雾气体 |
第1台SuperStir FSW焊机带有计算机控制，是由瑞典ESAB公司制造的，安置在波音公司加州Huntington Beach工厂。工厂用此焊机焊接了大量的航空航天工业用的铝合金并进行试验 。1998年，工厂又装备了比SuperStir更大的FSW焊机，焊机长19.5 m，焊接长度为15.3 m，采取闭环反馈控制和电视摄像实时监控或录像带监控，观察焊接情况，可焊接的贮箱圆 筒直径为2～6m，单层焊接材料最大厚度为25.4mm。
德尔它Ⅳ运载火箭贮箱直径为5 m，是德尔它Ⅱ和Ⅲ的两倍多，采用材料改为2219-T87 铝合金，在阿拉巴马州的Decatur工厂生产。全部纵向焊缝用FSW焊接，焊接时背面必须加垫板 。每个FSW焊接小组由5人组成，3人负责装配，1人负责焊接，1人为工程师，全面负责。环向焊缝暂时还用VPPA焊接。焊接工艺与德尔它Ⅱ和Ⅲ贮箱制造工艺相同。Decatur工厂垂直 焊接德尔它Ⅳ，占地面积小。目前Decatur工厂有3台FSW带超声检验的焊机。为了节省成本，现正在研究全部用FSW代替VPPA焊接贮箱圆筒壳段与圆筒壳段的环焊缝，底盖与圆筒相连 接的环焊缝。为此，该厂与洛克威尔公司和TWI研究所签定了3年的合同，研究用FSW焊接整个贮箱 ，进行贮箱焊后打压试验以及在其它方面的应用。
洛-马公司制造航天飞机外贮箱的Michoud工厂历来重视利用新焊接方法提高产品质量；过去用GTAW焊接2219-T87铝合金贮箱，目前用VPPA和GTAW方法焊接2195铝锂合金外贮箱。 同时也用FSW方法，利用现有工装设备，成功焊接厚度16～20 mm，直径2 m以上，长4.57 m 的2195-T7铝锂合金贮箱圆筒壳段，预计将会采用FSW代替VPPA和GTAW方法焊接2195-T7铝锂 合金制的航天飞机外贮箱。
当前各国都在研究不同铝合金，不同接头形状的焊接(见图4)，着手建立材料焊接力学性能数据库，建立飞机和航天工业用铝合金焊接标准，并将FSW应用扩大到汽车、造船 、铁路 、建筑、压力容器等部门。同时研究熔点高的钛合金材料，包括金属基材料在内的泡沫铝合金材料的焊接。
图4 FSW各种焊接接头形状
a—普通对接焊接；b—对接和搭接焊接；c—单层搭接焊接；d—多层搭接焊接；
e—3个工件T形接头焊接；f—两个工件T形接头焊接； g—边对接焊接；h—角焊接
FSW焊接主要依靠设备完成，研究的重点是夹持器和特型指棒。研究证明：工具的形状决定了焊缝金属塑性加热、热塑性材料的流动和锻造形式；夹持器的尺寸决定了焊缝 的尺寸、焊接速度；工具材料决定了摩擦加热速度、夹持器的强度、工件温度；所以，夹持器决定了焊缝的最终质量。在各国的专利中，为了焊接出最好的力学性能和冶金性能、完全 无气孔、光滑表面的焊缝，对各种各样的特型指棒的形状分别作了研究(见图5)；对圆柱形夹持器的直径2rs、几何形状、焊接速度ω、向下的作用力F以及 焊接材料厚度W(见图6)的最佳配合作了研究，得出了以下结论：
图5 研究的各种各样的特型指棒形状
图6 FSW焊接示意图
R—圆柱形夹持器表面的凹面半径；rs—圆柱形夹持器的半径；t—夹持器轴肩切入焊接材料的厚度；
1—特型指棒；2—圆柱形夹持器。
a)作用在特型指棒上的F和ω有最佳关系，它取决于被焊接材料和夹持器的几何形状等；
b)特型指棒直径减少可增加ω，对接头质量有利。
c) 2rs从20 mm减少到10 mm，焊接3 mm厚的6082平板铝合金挤压件时，ω可以 从0.3 mm/s增加到0.8 mm/s，并得到无气孔、较窄的热影响区焊缝。
d)W与rs的关系式为 
5 结束语
FSW是一种最新的非常适合于焊接铝合金的工艺技术，具有焊接变形小、质量高和成本低等优点。虽然发展时间不长，在运载火箭贮箱制造等领域已经获得应用，并在进一步 扩大。由于这种焊接工艺在航空航天工业部门的重要性，又极具潜力，目前关键性的焊接规范参数和工具技术还处于保密阶段。我国应要尽早开展 FSW在航天工业上的研究，用于高强度铝合金制造的产品中。
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