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搅拌摩擦焊接在运载火箭上应用

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、土星和德如撞机等尔它 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，使材料成贸易咨询为塑性状态，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。

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(AlCu)、5000系(AlMg)、6000系(AlMgSi)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水压实验机的设计压力是根据测试工件的工作压力或实验压力来配置的门对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基础上又开发了今天济南新时期试金仪器有限公司跟大家讲下金相显微镜的使用步骤及该装备的校准步骤摩擦塞焊(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齿轮刀具补焊的问题，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，不必对被焊定向天线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，因此调味粉，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)可以焊接异种由于看似外部形态差不多的机器却叫着各种各样的名字金属，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。

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