鋁合金攪拌摩擦焊在NASA的研究與應用

于海靜 白志富 王國慶 趙衍華

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鋁合金攪拌摩擦焊在NASA的研究與應用

于海靜1白志富2王國慶2趙衍華1

（1.首都航天機械有限公司，北京 100076；2.中國運載火箭技術研究院，北京 100076）

概述了美國NASA航天鋁合金及其焊接技術的研發歷史和發展歷程，詳細介紹了當前主流先進焊接技術——攪拌摩擦焊的研究進展以及在Ares、Delta、SLS等典型型號中的應用現狀，可為我國航天鋁合金焊接技術的發展與應用提供有益借鑒。

NASA；鋁合金；焊接技術；攪拌摩擦焊；火箭貯箱

1 引言

航天運載器是人類開展深空探測和建設空間站等任務的交通工具，其性能和可靠性是完成太空探索的必要保證。隨著航天任務的多樣化，對航天器的材料和制造工藝提出了更高要求。鋁合金具有重量輕，比強度和彈性模量高，耐腐蝕性好，疲勞裂紋延展性好，并且具有良好的焊接性等特點，是宇航工業應用最為廣泛的金屬結構材料。焊接作為航天器制造最主要和最重要的加工工藝之一，在航天制造領域起到舉足輕重的作用。鋁合金結構材料的焊接一直是航天制造領域的核心關鍵技術。

美國是航天強國之一，其航天器先進制造技術一直處于世界領導地位。美國NASA具有不懈的進取精神，在航天高強鋁合金焊接技術開發和應用方面積累了豐富的研究經驗，特別是開拓了攪拌摩擦焊在運載火箭燃料貯箱應用的先河。本文旨在通過對鋁合金攪拌摩擦焊航天應用的系統梳理，為我國相關技術的發展提供借鑒和學習之用。

2 NASA鋁合金航天器焊接技術發展歷程

美國航天產品結構所采用的鋁合金材料已經歷了多次更新換代。

具備較好可焊性的鋁鎂合金是最先被應用于火箭貯箱的鋁合金材料，如土星I一子級并聯貯箱的材料即采用了鋁鎂系合金。但由于鋁鎂合金的屈服強度較低，其使用范圍受到一定限制。為滿足新型號的要求，美國開始采用可熱處理強化的鋁銅合金，如2219合金。因其良好的焊接性能和較高的焊縫斷裂韌性，可大大提高貯箱可靠性，因而在“阿波羅”宇宙飛船和航天飛機外貯箱等產品中大量使用。1995年洛克希德·馬丁公司為航天飛機外貯箱研制了密度更小，強度和剛度更高，低溫、耐腐蝕和疲勞等性能更為優良的鋁鋰合金2195。1998年6月，采用2195合金的“發現者”號首次成功升空[1]。

在NASA，鋁合金貯箱的焊接技術也是歷經變革，從傳統的熔焊發展到目前的固相焊接技術——攪拌摩擦焊。

NASA自20世紀50年代至80年代，采用熔焊技術如鎢極氣體保護焊（GTAW或TIG）和熔化極氣體保護焊（GMAW）焊接丘比特、宇宙神、土星和Delta系列等運載火箭貯箱以及航天飛機外貯箱。雖然研究人員在焊接設備、焊接材料、焊接工藝等方面做了大量的研究工作，也基本能滿足焊接質量的需要，但氣孔和熱裂紋等缺陷問題仍然非常嚴重。1972年波音公司將等離子弧焊接與變極性電源技術相結合成功開發了變極性等離子弧焊（Variable Polarity Plasma Arc Welding，VPPA）[2]。VPPA熱量集中，具有很強的穿透能力，使焊縫熱影響區較窄，強度高，殘余應力和變形都相對較小，且在焊接過程中產生“小孔效應”，可有效地去除氣孔和夾渣等焊接缺陷，缺陷率大幅降低。

為了進一步改善焊縫質量，提高生產效率，降低制造成本，1994年NASA下屬馬歇爾宇航中心把目光投向了攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding，FSW），并在隨后的二十年中，持續地優化了FSW加工過程，完善了加工工裝和設備，擴展了加工材料范圍，逐步地實施著由熔焊工藝向固相連接技術的轉變。1999年初，波音公司在Delta火箭箱體縱縫中首先使用FSW，并于當年8月發射成功。目前該技術已經成為NASA鋁合金焊接主流焊接工藝，NASA探索計劃——太空發射系統（SLS）也將FSW作為貯箱主要焊接工藝。

3 攪拌摩擦焊在NASA的工藝研發進展

傳統FSW技術具有缺陷少、質量高、性能好等優點，但焊接時需要施加較大的焊接壓力，工件背部需要安置剛性支撐墊板，增加了設備及工裝設計和制造難度，同時，對焊接裝配精度要求也較高，因此限制了FSW的進一步推廣和應用?；贜ASA一貫的創新精神，為了拓展FSW在航天器制造中的應用，開發了雙軸肩攪拌摩擦焊接技術、高速攪拌摩擦焊接技術等新型焊接技術，并將之付諸工程化制造。

3.1 雙軸肩攪拌摩擦焊（Bobbin Tool FSW，BTFSW）

為了解決大型環縫攪拌摩擦焊接時背部剛性支撐墊板的安裝問題，NASA開發了雙軸肩攪拌摩擦焊技術，見圖1[3]。雙軸肩攪拌頭有上下兩個軸肩，下軸肩代替了常規FSW的支撐墊板。焊接過程中，夾在中間的螺旋攪拌針插入待焊材料，對焊縫冠部和根部表面施加壓力，形成“擠壓”，從而獲得所需的鍛造力。BTFSW提高了焊縫背部的熱輸入，可以預防和降低焊縫背部缺陷。而且通過調整下軸肩位置和軸肩加載載荷，可使整個工件在垂直方向上所受合力基本為零，使工件背部支撐工裝的受力大幅降低，簡化了工裝設計，目前已成功應用于運載火箭貯箱環縫[4]（見圖2）以及SLS貯箱的焊接。

圖1 傳統攪拌頭與雙軸肩攪拌頭結構比較

圖2 臥式焊接工裝用于焊接演示

3.2 超聲波攪拌焊（Ultrasonic Stir Welding，USW）

NASA開發的超聲波攪拌焊是一種可以焊接大型高強合金（如鈦合金、鎳基合金及鋼等）結構件的焊接技術。該技術（見圖3）通過導入20 kHz（約4.5kW功率）的高能超聲波加熱材料，使其進入塑性狀態，再用攪拌棒攪動塑化金屬，形成焊縫。超聲波的加入使FSW焊接時軸向力、摩擦力和剪切力都得以降低，從而達到增加焊接速度，降低材料對攪拌頭的磨損，以及延長攪拌頭使用壽命的目的。同時，由于對設備工作壓力要求的降低，使這種工藝便于與機器人形成集成系統。與傳統FSW不同的是，USW中沒有用于產生摩擦熱的旋轉軸肩，避免了高速旋轉所造成的設備不穩定等問題，因此，非常適用于空間在軌焊接和修復[5]。

圖3 超聲攪拌焊加工示意圖

3.3 熱攪拌焊（Thermal Stir Welding，TSW）

圖4 采用熱攪拌焊工藝加工的500in厚6Al-4V鈦合金零件

熱攪拌焊接也是馬歇爾宇航中心開發的焊接工藝，特別適合異種金屬焊接和高速加工，也是較厚材料空間焊接的備選工藝。加工中，由于額外采用了加熱線圈或其它等離子束、激光等高能束作為熱源加熱金屬，至一定溫度后，再利用攪拌棒攪動塑化金屬，最終形成固態焊縫，因此TSW被視為熔焊特性與傳統攪拌摩擦焊特性完美結合的連接工藝。與傳統攪拌摩擦焊接不同，該工藝的加熱、攪拌和鍛制過程都是單獨控制的，而其最獨特之處在于閉環焊接溫度控制。通過溫度反饋適時調整攪拌棒的旋轉速度、焊接速度以及加熱線圈功率，從而提高焊接質量。此外，該工藝還適合“多角形”結構的焊接。焊縫金屬塑化后，可隨著壓板所設定的角度彎曲成“多角”的形狀，見圖4。雖然TSW工藝是NASA為空間應用所開發，但實際上它在造船、汽車等既需要高速焊接同時又對焊接工差有要求的工業領域具有廣泛的應用前景[6]。

3.4 高速攪拌摩擦焊（High Speed Friction Stir welding，HSFSW）

高速攪拌摩擦焊是馬歇爾宇航中心針對小型手動焊接裝置研究的，其理念是依靠提高攪拌頭的旋轉速度（每分鐘幾萬或幾十萬轉）降低對焊接壓力的需求。圖5為一臺高速FSW焊機，轉速為30000r/min，焊接速度為200in/min，用于焊接燃燒室銅合金部件[4]。

圖5 高速攪拌摩擦焊系統

3.5 摩擦塞補焊（Friction Plug Welding，FPW）

缺陷補焊是實現FSW工程應用必須要考慮的問題之一。同屬于固相焊接的摩擦塞補焊技術是FSW缺陷理想的補焊手段，其接頭強度高、性能好，是NASA目前大力推廣和應用的補焊工藝。

頂鍛式FPW相對較為成熟，塞棒在壓力作用下被墩粗，與塞孔結合形成致密接頭，航天飛機外貯箱頂鍛式FPW如圖6所示。

圖6 航天飛機外貯箱頂鍛式摩擦塞補焊

美國洛馬公司于2000年開始采用頂鍛式FPW替代手工TIG對材料為2219和2195的航天外貯箱焊縫進行修復[7]，通過優化工藝參數獲得了高強度、高斷裂韌性和低缺陷率的補焊接頭，成功解決了上述材料熔焊難以補焊的問題[8]。

拉拔式FPW因其主體結構與焊件同側，因而免去了對大型復雜剛性背部支撐的需求，工裝設計相對簡單，非常適合于封閉結構、復雜結構等產品的缺陷補焊。NASA與阿拉巴馬大學等科研機構聯合開發了拉拔式FPW的工程應用，并最終用于Ares火箭貯箱的雙軸肩攪拌摩擦焊接“匙孔”的修補工作。圖7和圖8分別為拉拔式FPW設備工位示意圖及實物[2，9]。

圖7 拉拔式摩擦塞補焊示意圖

圖8 拉拔式摩擦塞補焊設備實物圖

4 NASA攪拌摩擦焊接技術在典型產品中的應用

自FSW在NASA獲得極大關注后，目前它已成為航天器制造中最主要的焊接技術，并在美國各大主力火箭型號中得到了廣泛應用，焊縫質量和生產效率得到全面提升，接頭強度提高了30%。

4.1 Delta系列火箭

圖9 Super-Stir TM攪拌摩擦焊機[10]

圖10 采用ESAB設備攪拌摩擦焊連接的Delta IV 5m燃料貯箱（焊縫長12m）[11]

DeltaⅡ運載火箭貯箱液氧箱箱體長12m，燃料箱長8.4m，直徑2.4m，由3塊22.22mm厚的2014-T6鋁合金焊接成圓筒殼段，原來采用GMAW自動焊機縱向焊接3條焊縫。為適應日益繁重的生產任務和世界發射市場的競爭，波音公司與英國焊接研究所合作，首先在加州的Huntington Beach工廠采用FSW進行火箭中間艙段縱縫的焊接，該運載火箭于1999年8月成功發射升空。2001年4月，采用FSW焊接的燃料壓力貯箱也順利升空，至此FSW制造技術首次在壓力結構件上得到可靠的應用。隨后，波音公司在阿拉巴馬州的Decatur工廠將FSW用于Delta IV運載火箭的生產，見圖9、圖10。為了節省經費，貯箱殼段與殼段之間的環焊縫、箱底與殼段之間的環焊縫也全部采用FSW技術，至此，全面取代了VPPA焊接工藝。

4.2 Ares系列火箭

Ares I上面級由波音公司承擔制造，液氫和液氧箱直徑5.5m，箱體材料為2195鋁鋰合金，縱縫采用傳統FSW焊接（見圖11[3]）。

圖11 焊接Ares I上面級殼段縱縫的FSW設備

為了進一步提高焊接精度和速度，2009年馬歇爾宇航中心引進了7 自由度、重100t機器人FSW系統（Robotic Weld Tool，RWT）[3]（見圖12），可進行環焊縫以及復雜空間曲線焊縫的焊接，最大直徑9.14m，最大焊接高度5.71m。旋轉工作臺直徑9.1m，可以支撐約18m高的工件，該設備是NASA當時最大的FSW設備，在56m3的工作范圍內可進行傳統FSW和BTFSW生產。另外，在這個設備上還可以進行機加操作和焊后無損檢測。

圖12 機器人攪拌摩擦焊接系統

4.3 太空發射系統（SLS）

圖13 SLS貯箱攪拌摩擦焊系統

NASA正在研發的太空發射系統作為重型運載火箭將用于載人深空探測。與以往的重型火箭型號相比，它具有更高的安全性和經濟性。SLS芯級貯箱直徑8.42m，高61m，由5個圓柱形殼段和2個半圓形箱底裝配焊接而成，材料選用2219鋁合金。2013年，NASA與波音公司開發了用于SLS芯級貯箱焊接的大型工裝設備。SLS芯級貯箱制造工裝主要包括殼段縱縫、叉形環縱縫、箱底縱環縫以及貯箱總裝環縫等4套大型工裝，見圖13[12]，不僅可以完成傳統和雙軸肩的FSW，而且可以在工裝上進行原位檢測。其中，由全球最大的焊接及切割設備制造商與供應商——ESAB公司設計制造的立式總裝焊接中心，是世界上最大的焊接工裝，工裝的加工精度和可重復性高，焊接裝配公差小于0.015in。

4.4 獵戶座載人飛船

NASA還與洛克希德·馬丁公司合作研發了“獵戶座”多用途飛船?！矮C戶座”飛船是美國“星座計劃”（Constellation program）的一個關鍵組成部分。

作為深空載人飛船的主承包商，洛馬公司于2009年在米丘德總裝廠開始建造獵戶座飛船。飛船主結構有7大部件（見圖14），自上而下為通道、前隔板、3個錐形面板（形成錐段）、筒段、后隔板，材料為鋁鋰合金。為了減輕重量，提高生產效率，全部7條主要焊縫均采用FSW技術焊接，包括錐形面板的縱縫和飛船的環焊縫。通過設計與加工部門的通力合作，2014年12月首次無人測試飛行成功，焊接飛船的設備為萬用焊接系統II（Universal Weld System II，UWS II）[9]，工作臺直徑6.7m，配備雙軸肩攪拌頭和模塊化的T形格板系統，可以開展全自由度5軸焊接（見圖15）[13]。

圖14 組成獵戶座飛船的構件和7條主要焊縫

圖15 飛船的通道和前隔板FSW

5 結束語

在過去的20多年中，美國NASA引領了航天焊接領域最前沿的技術。伴隨著鋁鎂、鋁銅以及鋁鋰等高強鋁合金的開發，熔焊應用向固相焊接技術應用的轉變已成為航天器連接技術的重要發展趨勢。目前，FSW以其優異的接頭性能、對復雜空間曲面和變厚度工件的駕馭能力而逐漸替代變極性等離子弧焊等傳統熔焊技術，成為新一代載人、探空計劃的主流連接技術。美國NASA在FSW工藝研發與應用方面走在世界前列，是目前航天器制造中FSW技術應用程度最高的國家，在質量提升和效益增長方面都獲得巨大進展。與NASA相比，我國的FSW在航天領域的發展還存在著一定差距，主要體現在：

a. 在FSW的應用上，美國已在諸多航天型號中全面實現了全攪拌貯箱的焊接并獲得了成功的飛行驗證。我國雖然在部分型號中也取得了全攪拌摩擦焊飛行驗證，但生產中熔焊和攪拌摩擦焊并行的局面尚未改變，熔焊所占比例依然較大。

b. 在裝備的設計和制造方面，美國在10m直徑的SLS制造中，使用了一整套設計理念先進、功能完備的FSW焊接工裝。我國的工裝目前還只能完成3～5m直徑的貯箱焊接，10m貯箱焊接裝備仍處于在研階段。

c. 在FSW的宇航材料應用方面，美國在各型號中早已全面推廣了新一代的鋁鋰合金材料。我國則一方面受制于國外原材料供應，應用成本較高，另一方面由于在鋁鋰合金的鑄造、鈑金、軋制等工藝的研究基礎薄弱，使其無法實現工程化應用，第二代的鋁銅合金仍是我國航天器的主要結構材料。

d. 技術研發方面，美國NASA圍繞傳統的FSW工藝推陳出新，開發了雙軸肩FSW、熱攪拌摩擦焊、超聲波攪拌摩擦焊等新的焊接方法，形成了完整的技術儲備系統和廣泛的工程應用基礎。我國在攪拌摩擦焊的研發方面不斷取得新進展，不過距離實際生產應用還有一段較長的路要走。

1 夏德順. 航天運載器貯箱結構材料工藝研究[J]. 導彈與航天運載技術，1999(3)：32～41

2 Nunes A C. 航天飛機外貯箱的可變極性等離子弧焊[J]. 國外導彈與航天運載器，1987(3)：51～64

3 Carter R. Establishment of a new friction stir welding process development facility at NASA/MSFC[DB/OL]. [2018-12-15]. https://ntrs.nasa.gov/ar- chive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20120016717.pdf

4 Ding J, Carter R, Lawless K, et al. FSW Flies high at NASA[J]. Welding Journal, 2006(3): 54～59

5 Nabors S A. Ultrasonic Stir Welding[DB/OL]. [2018-12-15]. http://technolo- gy.nasa.gov/

6 Ding J. Thermal Stir Welding[J]. NASA Tech Briefs, 2017, 41(2): 20～20

7 Li Z X, Cantrell M A, Brown R J. Process development and microstructural characterization on friction plug welded 2195 and 2219 Alloys[DB/OL]. [2018-12-15].https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20000089963.pdf

8 Hartley P J. Friction plug weld repair for the space shuttle external tank [DB/OL]. [2018-12-15]. https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/ 20000093962.pdf

9 Carter R. Comprehensive Large-Scale Manufacturing and Testing Facilities [DB/OL]. [2018-12-15].http://www.nasa.gov/sites/default/files/LargeScale Mfg.pdf

10 Application of friction stir welding in aircraft structures[DB/OL]. [2018-12- 15]. http://www.fswelding.com/application-of-friction-stir-welding-in-air-craft-structures/examples-of-machinery-used-by-industrial-producers

11 Kallee S W, Nicholas E D, Thomas W M.Industrialisation of friction stir welding for aerospace structures[C]. Structures and Technologies-Challenges for Future Launchers Third European Conference. France: Strasbourg, 2001

12 Dunbar B. Space Launch System: Tooling Up to Build the World’s Largest Rocket[DB/OL]. [2018-12-15].https://www.nasa.gov/centers/marshall/ news/news/releases/2013/13-080.html.

13 Hambleton K. First Pieces of NASA’s Orion for Next Mission Come Together at Michoud[DB/OL]. [2018-12-15].https://www.nasa.gov/press-release/first-pieces-of-nasa-s-orion-for-next-mission-come-together-at-mi-choud

Research and Application on Friction Stir Welding of Al Alloy in NASA

Yu Haijing1Bai Zhifu2Wang Guoqing2Zhao Yanhua1

(1. Capital Aerospace Machinery Co., Ltd., Beijing 100076; 2. China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing 100076)

As an aerospace research organization, National Aeronautics and Space Administration (NASA) of United States has been making progress in development of aluminum alloy and welding techniques used in space vehicle since the middle of last century. The article, by brief introduction of friction stir welding and its variants as well as its application on Ares, Delta and Space Launch System in NASA, intends to provide reference and inspiration for aerospace aluminum alloy welding in China.

NASA；aluminum；welding technique；friction stir welding；fuel tank

2018-12-25

于海靜（1970），高級工程師，科技英語專業；研究方向：航天工藝情報研究。