先進(jìn)焊接技術(shù)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用與展望

周 賀，王國(guó)智，張 桐，陳東凱，田進(jìn)忠，趙 洪

（首都航天機(jī)械有限公司，北京 100076）

焊接也稱作熔接，是一種通過(guò)加熱、高溫或者高壓的方式將金屬或者其他材料接合在一起的制造工藝及技術(shù)[1]。焊接技術(shù)在航天領(lǐng)域占有很重要的地位，是必不可少的工藝過(guò)程。焊接與鉚接相比，有著連接強(qiáng)度更高、連接后質(zhì)量更小的特點(diǎn)。在航天工業(yè)制造中，有10%的加工制造時(shí)長(zhǎng)花費(fèi)在焊接上，焊接的水平與質(zhì)量決定著被焊接件能否在總裝產(chǎn)品中充分地工作[2]。了解不同焊接工藝的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇合適的焊接工藝對(duì)航天領(lǐng)域產(chǎn)品的生產(chǎn)有著重要的意義。

20世紀(jì)70年代，中國(guó)的航天工業(yè)開始蓬勃發(fā)展，尤其是到了20世紀(jì)80年代和21世紀(jì)，各項(xiàng)航天技術(shù)壁壘不斷被突破，航天制造工業(yè)又邁上了新的臺(tái)階。新型材料、更加復(fù)雜的航天器外形、更為惡劣的產(chǎn)品工況、更快的加工速度、更輕的質(zhì)量、越來(lái)越高的強(qiáng)度要求，甚至更少的污染，這些新的要求使得對(duì)航天產(chǎn)品的加工技術(shù)水平要求也越來(lái)越高。在航天制造中傳統(tǒng)的焊接技術(shù)已經(jīng)逐漸不能滿足日益增長(zhǎng)的航天制造需求，先進(jìn)的焊接技術(shù)逐漸被引入到航天工業(yè)制造中。

結(jié)合當(dāng)代科技發(fā)展自動(dòng)化、數(shù)字化、復(fù)合化的大趨勢(shì)，各種新型的焊接技術(shù)逐漸出現(xiàn)并被應(yīng)用，大大提高了焊接水平，使更為優(yōu)質(zhì)的焊接產(chǎn)品的出現(xiàn)成為了可能。目前，國(guó)內(nèi)外使用的新型焊接技術(shù)有高能束焊接技術(shù)、固相連接技術(shù)、復(fù)合焊接技術(shù)等，新技術(shù)的引用促進(jìn)了航天制造領(lǐng)域的發(fā)展。

1 先進(jìn)焊接技術(shù)的應(yīng)用

1.1 攪拌摩擦焊技術(shù)

攪拌摩擦焊屬于固相連接工藝中的一種，是一種新興的綠色連接技術(shù)[3]，在傳統(tǒng)摩擦焊的原理基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)。由于傳統(tǒng)摩擦焊對(duì)被焊接件的截面形狀限制較多，難以大規(guī)模應(yīng)用[4]，因此在20世紀(jì)90年代，英國(guó)焊接研究所提出了攪拌摩擦焊的方法。在國(guó)內(nèi)，2002年中國(guó)正式引入攪拌摩擦焊技術(shù)，成為了中國(guó)攪拌摩擦焊技術(shù)發(fā)展的元年；2003年第一臺(tái)靜龍門式攪拌摩擦焊設(shè)備交付哈爾濱工業(yè)大學(xué)，標(biāo)志著攪拌摩擦焊技術(shù)在中國(guó)正式步入市場(chǎng)化[5]。之后各大國(guó)內(nèi)高校相繼對(duì)攪拌摩擦焊的基礎(chǔ)理論進(jìn)行研究。劉會(huì)杰等[6]發(fā)明了一種通過(guò)背部可移動(dòng)支撐和攪拌針穿透焊接工藝進(jìn)行的斜插穿透攪拌摩擦焊，有效地解決了焊接部位背部連接強(qiáng)度弱的問(wèn)題；ZHOU等[7]提出采用摩擦堆焊預(yù)先制備鋁-鋼界面，之后進(jìn)行鋁-鋼搭接攪拌摩擦焊，為解決鋁-鋼不同材料攪拌摩擦焊難題提供了新的思路；付瑞東等[8]提出鋁-銅材料在攪拌摩擦焊接后進(jìn)行冷軋及退火的后處理工藝，保障了焊接頭兩端的力學(xué)性能。

攪拌摩擦焊的的工作原理如圖1所示，攪拌頭由夾持器和特形指棒2個(gè)部分組成。在焊接過(guò)程中，主軸帶動(dòng)攪拌頭進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)，并快速下壓，使特形指棒鉆進(jìn)被焊接件的焊縫，直至夾持器的圓柱面與被焊接件的表面緊緊貼合，然后攪拌頭沿著焊接方向直線運(yùn)動(dòng)，完成焊接過(guò)程。由于高速旋轉(zhuǎn)的特形指棒與焊件摩擦產(chǎn)生大量的熱量，加上夾持器端面與焊件表面摩擦產(chǎn)生的熱量，使得焊件與攪拌頭接觸位置的材料熔融，最后由于攪拌力的作用被轉(zhuǎn)移到特形指棒的后側(cè)形成焊縫。

圖1 攪拌摩擦焊工作原理圖

攪拌摩擦焊有著焊縫力學(xué)性能好、成本低、效率高、綠色無(wú)污染、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。在焊接時(shí)，焊件僅達(dá)到蘇醒狀態(tài)，并未融化，保持了母材的金屬材料性能，焊接后焊縫裂紋、氣孔等缺陷相比熔化焊更少，可基本實(shí)現(xiàn)板材的低應(yīng)力、無(wú)變形的焊接[9]，使整體焊接精度更高。此外無(wú)需使用焊條等焊接填充物，且焊接設(shè)備可由機(jī)床改造而成，使焊接的成本更低。然而隨著對(duì)摩擦攪拌焊的研究與使用，焊件裝夾要求高、焊接工藝參數(shù)不易選擇、焊接后焊件會(huì)留下小孔等缺點(diǎn)也顯現(xiàn)出來(lái)。

基于攪拌摩擦焊的特點(diǎn)，該技術(shù)已經(jīng)在航天領(lǐng)域中大量應(yīng)用，例如運(yùn)載火箭的燃料貯箱、發(fā)動(dòng)機(jī)的承力框架、鋁合金容器等[10]。此外，攪拌摩擦焊技術(shù)不斷發(fā)展并日趨成熟，未來(lái)會(huì)在的航天領(lǐng)域中有著更廣泛的應(yīng)用。

1.2 摩擦疊焊

摩擦疊焊也是由英國(guó)焊接所提出的一種新型固相連接技術(shù)，其成型機(jī)理與攪拌摩擦焊相比有著較大的不同。摩擦疊焊原理如圖2所示，通過(guò)圖2可對(duì)摩擦疊焊的焊接原理進(jìn)行了解。焊接前，首先在基體母材上鉆出一個(gè)Φ9～17 mm的孔，之后連接焊頭的主軸高速轉(zhuǎn)動(dòng)，并將焊頭上所安裝的尺寸略小于基體母材上預(yù)鉆孔的金屬銷緩慢地插入預(yù)鉆孔，并持續(xù)地施加壓力。由于摩擦熱，焊頭上金屬銷材料熔化并發(fā)生塑性流動(dòng)，不斷填充預(yù)鉆孔，最終熔化材料與基體母材緊密地貼合在一起，完成整個(gè)焊接過(guò)程。

摩擦疊焊除了有著可焊接如不銹鋼、鈦合金等普通電弧熔焊難以焊接的材料的優(yōu)點(diǎn)，還具有焊接工件變形小、接頭性能好、焊前焊后處理簡(jiǎn)單、焊接操作簡(jiǎn)單、可進(jìn)行自動(dòng)化改進(jìn)、焊接效率高以及焊接過(guò)程環(huán)保無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)[11]。

目前摩擦疊焊在最近的20年來(lái)逐漸得到了歐洲的重視，歐盟、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)相繼圍繞該技術(shù)進(jìn)行了各種基礎(chǔ)性質(zhì)的研究工作。中國(guó)初期對(duì)該領(lǐng)域的研究較少，較多為發(fā)展現(xiàn)狀類的文章，但隨著時(shí)間的推移，關(guān)于摩擦疊焊基礎(chǔ)的研究也越來(lái)越多。劉宏偉等[12]對(duì)摩擦疊焊的工藝參數(shù)進(jìn)行了分析，得出增大焊接軸向壓力或改變焊接轉(zhuǎn)軸速度可提高焊接的速度，但是會(huì)導(dǎo)致焊接質(zhì)量下降；欒陳杰等[13]對(duì)DH36鋼的摩擦疊焊工藝進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)圓錐形無(wú)缺陷摩擦疊焊焊接接頭具有較好的拉伸性能；任朝暉等[14]以7075鋁合金為例，對(duì)摩擦疊焊的焊接過(guò)程進(jìn)行了有限元仿真分析，得到試件形狀能夠影響焊接缺陷產(chǎn)生的尺寸，并對(duì)不同截面的鋁合金進(jìn)行了分析。

摩擦疊焊起步較晚，研究較少，但由于其應(yīng)用潛力和潛在的經(jīng)濟(jì)效益巨大，因而在未來(lái)的應(yīng)用前景十分廣闊，其基礎(chǔ)研究以及應(yīng)用研究將是未來(lái)研究的主要方向[15-19]。

圖2 摩擦疊焊原理示意圖

1.3 電子束焊接

電子束焊接技術(shù)使用高能電子束作為材料的加工熱源通過(guò)聚焦在工件表面形成直徑小于1 mm的焦點(diǎn)，用能量密度達(dá)到104～109W/cm2的電子束不停對(duì)焊件接頭處的金屬進(jìn)行轟擊，使其快速熔融，然后迅速冷卻來(lái)達(dá)到焊接目的的新型焊接技術(shù)[20-21]，屬于高能束焊接技術(shù)的一種。因其特殊的能量傳遞和轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)給予了電子束焊接能量密度高、可達(dá)性和可控性良好、保護(hù)效果好的特點(diǎn)，已應(yīng)用在航天制造領(lǐng)域鋁合金、鈦合金、高強(qiáng)度合金的焊接[22-23]。電子束焊接原理如圖3所示。

圖3 電子束焊接原理示意圖

關(guān)于電子束焊接技術(shù)領(lǐng)域，在世界范圍內(nèi)已經(jīng)研究了60多年。國(guó)外開展對(duì)電子束焊接領(lǐng)域研究較早，已在該領(lǐng)域取得較大的突破。BALASUBRAMANIAN等[24]使用包含電子束焊接的方法對(duì)TC4鈦合金進(jìn)行了焊接，并對(duì)不同焊接方法的焊接點(diǎn)進(jìn)行了性能研究，得出TC4鈦合金焊接時(shí)，電子束焊接性能高于TIG焊接以及激光焊接；TOMASHCHUK等[25]通過(guò)在焊接面中間添加銅箔進(jìn)行焊接試驗(yàn)得到中間層的選取可以有效地影響焊接的質(zhì)量；ARIVAZHAGAN等[26]通過(guò)使用不同的焊接方法對(duì)304不銹鋼和AISI 4140低合金鋼進(jìn)行焊接發(fā)現(xiàn)，TIG焊、電子束焊以及摩擦焊均能使上述材料得到良好的焊縫。

國(guó)內(nèi)在電子束焊接的研究起步較晚，但是研究進(jìn)展十分迅速：王利發(fā)等[27]對(duì)TA15鈦合金進(jìn)行了電子束焊接，并進(jìn)行了性能測(cè)試，得出焊接時(shí)產(chǎn)生的氣孔會(huì)降低焊接點(diǎn)的疲勞性能；徐鴻吉等[28]對(duì)TC4鈦合金在電子束焊接后的焊接處進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)焊接部位的抗拉強(qiáng)度與母材相同，熱影響區(qū)的顯微硬度大于母材；安飛鵬等[29-30]實(shí)現(xiàn)了56 mm厚Ti80鈦合金無(wú)缺陷電子束焊接。

以航空航天使用的高強(qiáng)度鋼為例，電子束焊接相較于傳統(tǒng)的電弧焊、TIG焊、MAG焊有著預(yù)熱溫度低、對(duì)層間溫度不敏感、成型穩(wěn)定性較好的優(yōu)點(diǎn)[31]。

此外相較于其他焊接方式，電子束焊接有著焊接速度快、焊接能量密度高、可焊接材料范圍廣、焊接變形小、焊縫寬深比大、焊接可控性好、焊縫純潔度高、焊接設(shè)備自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，但也有著焊接設(shè)備昂貴、焊縫易產(chǎn)生氣孔、工件裝拆工序較多等缺點(diǎn)。

1.4 激光焊接

激光焊接是利用高能量、高密度的激光束作為熱源，將材料熔化進(jìn)行焊接的一種既高效且精密的焊接方法[32]。激光束在聚焦后有著非常高的能量密度，僅需要對(duì)工件照射千分之幾秒甚至更短的時(shí)間即可使工件被照射的區(qū)域溫度升高至10 000℃以上。利用這種局部加熱方式可將材料被照射區(qū)域熔化成為特定的熔池，之后熔化的材料相互熔合成為一個(gè)整體，從而達(dá)到焊接目的。激光焊接按照原理可分為熱傳導(dǎo)型焊接和激光深熔焊接，其中功率密度小于104W/cm2的為熱傳導(dǎo)焊，大于107W/cm2的為激光深熔焊。目前激光焊接技術(shù)在世界范圍內(nèi)受到了很高的重視，且技術(shù)水平發(fā)展也十分迅速。

在20世紀(jì)70年代前，高功率連續(xù)波激光器還未被研究生產(chǎn)出來(lái)，因此激光焊接的激光源一般使用的為紅寶石脈沖激光器。但紅寶石脈沖激光器輸出功率很低，使用成本過(guò)高，因而激光焊接技術(shù)并未被廣泛使用。20世紀(jì)70年代后，千瓦級(jí)連續(xù)波CO2激光器研發(fā)成功，并投入生產(chǎn)使用，緊接著日本、德國(guó)、英國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家的科研人員對(duì)連續(xù)波CO2激光器激光焊接技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)并優(yōu)化。在后續(xù)的研究中發(fā)現(xiàn)，激光焊接過(guò)程中激光的功率、脈沖的寬度、焊接的速度以及離焦量對(duì)焊接工件的質(zhì)量有著很大的影響[33]。通過(guò)不斷的研究與試驗(yàn)，研究學(xué)者們已經(jīng)對(duì)各參數(shù)對(duì)激光焊接質(zhì)量的影響作出了分析，使激光焊接技術(shù)越來(lái)越完善。日趨成熟的激光焊接技術(shù)隨后在汽車制造業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，進(jìn)而迅速擴(kuò)展到了船舶、航天、航空等領(lǐng)域[34-35]。21世紀(jì)初在A380大飛機(jī)機(jī)身的制作中便已經(jīng)使用激光焊接技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鉚接技術(shù)，使得機(jī)身減重20%，且連接處力學(xué)性能優(yōu)異，從此便打開了激光焊接在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的大門。激光焊接工作原理如圖4所示。

圖4 激光焊接原理示意圖[36]

由于激光焊接技術(shù)有著諸多優(yōu)點(diǎn)[37]，因此該技術(shù)已經(jīng)成為機(jī)械制造焊接工藝水平的標(biāo)尺。其優(yōu)點(diǎn)如下：①激光束功率密度高，對(duì)高熔點(diǎn)材料有著較好的焊接效果，焊接精度高；②激光焊接效率高，焊接過(guò)程中不添加焊接劑，從而焊接成本低；③焊接設(shè)備操控簡(jiǎn)單，易于學(xué)習(xí)，可批量進(jìn)行操作人才培養(yǎng)，提高加工效率；④焊接后焊件殘余應(yīng)力小，變形小，成品件成型精度高；⑤激光束易于控制，且焊接定位精確，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接生產(chǎn)，擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模；⑥可焊接金屬的范圍廣，如鎳基高溫合金、銅合金、不銹鋼等其余焊接效果較差的金屬也能有著優(yōu)質(zhì)的焊接性能。

然而激光焊接也仍舊具有設(shè)備昂貴、較難焊接對(duì)激光束反射率高的焊件、對(duì)焊接件裝夾精度要求高等一系列問(wèn)題，導(dǎo)致在生產(chǎn)中有一定的局限性，在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)使用的頻率較低[38-40]。

1.5 復(fù)合焊接

復(fù)合焊接是在激光焊接、等離子焊接等焊接技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的一種焊接技術(shù)。該焊接技術(shù)是為了減小或消除單一熱源焊接時(shí)焊件對(duì)熱源利用率低、熱源焊接位置過(guò)小等缺陷而出現(xiàn)的，多重?zé)嵩赐瑫r(shí)作用至焊件不僅能夠改善單一熱源焊接的缺點(diǎn)，還能夠保留原焊接方式的特點(diǎn)。復(fù)合焊接技術(shù)由于結(jié)合了不同的激光焊接和高能束焊接的技術(shù)，可根據(jù)不同的組合，進(jìn)行不同工況的焊接，綜合包含了2種焊接技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

根據(jù)焊接時(shí)可大致按照焊接熱源的不同分為激光復(fù)合焊接、等離子復(fù)合焊接、電弧復(fù)合焊接等，不同熱源的復(fù)合焊接有著不同的適用范圍與優(yōu)勢(shì)。

1．5．1 激光-電弧復(fù)合焊接

由于激光焊接會(huì)產(chǎn)生等離子體云，導(dǎo)致能量利用率低，如果在激光束附近增加電弧，則電子密度會(huì)顯著降低，使等離子云得到稀釋，增大焊件對(duì)激光的吸收率。此外，電弧自身產(chǎn)生的熱量也會(huì)對(duì)焊件加熱，輔助焊點(diǎn)的溫升，進(jìn)一步提高焊接的能量利用率。激光-電弧復(fù)合焊接目前分為激光-TIG復(fù)合焊接和激光-MIG復(fù)合焊接。

激光-電弧復(fù)合焊接工作原理如圖5所示，激光通過(guò)透鏡進(jìn)行聚焦，利用電弧輔助進(jìn)行焊接工作，其焊接速度比僅用激光焊接快2～3倍。

圖5 激光-電弧復(fù)合焊接原理示意圖

1．5．2 激光-等離子弧焊

激光-等離子弧焊的原理與激光-電弧復(fù)合焊接中的激光-TIG復(fù)合焊接相似，但激光-TIG復(fù)合焊接中電弧的穩(wěn)定性相對(duì)較差，且電弧的方向性與剛性也不是很理想。激光-等離子弧焊的出現(xiàn)成功地解決了上述問(wèn)題，其焊接原理如圖6所示。激光-等離子弧焊實(shí)現(xiàn)了全熔透，增加了熔深和焊接速度，此外等離子弧吸收了激光光子，降低了金屬對(duì)激光的反射率，提升了激光的利用率，提高了電弧的穩(wěn)定性[41]。

圖6 激光-等離子弧焊原理示意圖

2 總結(jié)

航天制造行業(yè)是制造業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)，其加工制造技術(shù)代表著國(guó)內(nèi)制造技術(shù)的先進(jìn)水平。對(duì)航天制造中的工件連接這一工序來(lái)說(shuō)，焊接工藝比鉚接工藝有著更輕的質(zhì)量和更高的強(qiáng)度。而航天制造行業(yè)越來(lái)越追求高速、精確、優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品生產(chǎn)，因而焊接工藝有著不可替代的作用，采用更先進(jìn)的焊接技術(shù)對(duì)航天領(lǐng)域的發(fā)展十分有益。

如今，各類新興的焊接技術(shù)改善了傳統(tǒng)焊接技術(shù)中對(duì)焊接材料限制較多、焊件焊接變形、焊縫氣泡多等缺陷，使焊接技術(shù)應(yīng)用范圍更廣。此外，新型焊接技術(shù)大多可進(jìn)行自動(dòng)化處理，使焊接這一工序變得更加便捷，更加智能且焊接過(guò)程更加精確。目前航天制造領(lǐng)域也在向自動(dòng)化生產(chǎn)不斷發(fā)展，新型的焊接技術(shù)給予了焊接生產(chǎn)自動(dòng)化的條件。

然而不同的焊接技術(shù)依舊有著不同的自身優(yōu)勢(shì)和局限性，根據(jù)不同的焊接情況靈活地選用不同的焊接方式將會(huì)使焊接工藝在航天制造行業(yè)中應(yīng)用更加廣泛，也會(huì)使航天產(chǎn)品邁向新的臺(tái)階。