先进焊接技术在航天领域的应用与展望

周 贺，王国智，张 桐，陈东凯，田进忠，赵 洪

（首都航天机械有限公司，北京 100076）

焊接也称作熔接，是一种通过加热、高温或者高压的方式将金属或者其他材料接合在一起的制造工艺及技术[1]。焊接技术在航天领域占有很重要的地位，是必不可少的工艺过程。焊接与铆接相比，有着连接强度更高、连接后质量更小的特点。在航天工业制造中，有10%的加工制造时长花费在焊接上，焊接的水平与质量决定着被焊接件能否在总装产品中充分地工作[2]。了解不同焊接工艺的优缺点，选择合适的焊接工艺对航天领域产品的生产有着重要的意义。

20世纪70年代，中国的航天工业开始蓬勃发展，尤其是到了20世纪80年代和21世纪，各项航天技术壁垒不断被突破，航天制造工业又迈上了新的台阶。新型材料、更加复杂的航天器外形、更为恶劣的产品工况、更快的加工速度、更轻的质量、越来越高的强度要求，甚至更少的污染，这些新的要求使得对航天产品的加工技术水平要求也越来越高。在航天制造中传统的焊接技术已经逐渐不能满足日益增长的航天制造需求，先进的焊接技术逐渐被引入到航天工业制造中。

结合当代科技发展自动化、数字化、复合化的大趋势，各种新型的焊接技术逐渐出现并被应用，大大提高了焊接水平，使更为优质的焊接产品的出现成为了可能。目前，国内外使用的新型焊接技术有高能束焊接技术、固相连接技术、复合焊接技术等，新技术的引用促进了航天制造领域的发展。

1 先进焊接技术的应用

1.1 搅拌摩擦焊技术

搅拌摩擦焊属于固相连接工艺中的一种，是一种新兴的绿色连接技术[3]，在传统摩擦焊的原理基础上发展而来。由于传统摩擦焊对被焊接件的截面形状限制较多，难以大规模应用[4]，因此在20世纪90年代，英国焊接研究所提出了搅拌摩擦焊的方法。在国内，2002年中国正式引入搅拌摩擦焊技术，成为了中国搅拌摩擦焊技术发展的元年；2003年第一台静龙门式搅拌摩擦焊设备交付哈尔滨工业大学，标志着搅拌摩擦焊技术在中国正式步入市场化[5]。之后各大国内高校相继对搅拌摩擦焊的基础理论进行研究。刘会杰等[6]发明了一种通过背部可移动支撑和搅拌针穿透焊接工艺进行的斜插穿透搅拌摩擦焊，有效地解决了焊接部位背部连接强度弱的问题；ZHOU等[7]提出采用摩擦堆焊预先制备铝-钢界面，之后进行铝-钢搭接搅拌摩擦焊，为解决铝-钢不同材料搅拌摩擦焊难题提供了新的思路；付瑞东等[8]提出铝-铜材料在搅拌摩擦焊接后进行冷轧及退火的后处理工艺，保障了焊接头两端的力学性能。

搅拌摩擦焊的的工作原理如图1所示，搅拌头由夹持器和特形指棒2个部分组成。在焊接过程中，主轴带动搅拌头进行高速旋转，并快速下压，使特形指棒钻进被焊接件的焊缝，直至夹持器的圆柱面与被焊接件的表面紧紧贴合，然后搅拌头沿着焊接方向直线运动，完成焊接过程。由于高速旋转的特形指棒与焊件摩擦产生大量的热量，加上夹持器端面与焊件表面摩擦产生的热量，使得焊件与搅拌头接触位置的材料熔融，最后由于搅拌力的作用被转移到特形指棒的后侧形成焊缝。

图1 搅拌摩擦焊工作原理图

搅拌摩擦焊有着焊缝力学性能好、成本低、效率高、绿色无污染、适用范围广等优点。在焊接时，焊件仅达到苏醒状态，并未融化，保持了母材的金属材料性能，焊接后焊缝裂纹、气孔等缺陷相比熔化焊更少，可基本实现板材的低应力、无变形的焊接[9]，使整体焊接精度更高。此外无需使用焊条等焊接填充物，且焊接设备可由机床改造而成，使焊接的成本更低。然而随着对摩擦搅拌焊的研究与使用，焊件装夹要求高、焊接工艺参数不易选择、焊接后焊件会留下小孔等缺点也显现出来。

基于搅拌摩擦焊的特点，该技术已经在航天领域中大量应用，例如运载火箭的燃料贮箱、发动机的承力框架、铝合金容器等[10]。此外，搅拌摩擦焊技术不断发展并日趋成熟，未来会在的航天领域中有着更广泛的应用。

1.2 摩擦叠焊

摩擦叠焊也是由英国焊接所提出的一种新型固相连接技术，其成型机理与搅拌摩擦焊相比有着较大的不同。摩擦叠焊原理如图2所示，通过图2可对摩擦叠焊的焊接原理进行了解。焊接前，首先在基体母材上钻出一个Φ9～17 mm的孔，之后连接焊头的主轴高速转动，并将焊头上所安装的尺寸略小于基体母材上预钻孔的金属销缓慢地插入预钻孔，并持续地施加压力。由于摩擦热，焊头上金属销材料熔化并发生塑性流动，不断填充预钻孔，最终熔化材料与基体母材紧密地贴合在一起，完成整个焊接过程。

摩擦叠焊除了有着可焊接如不锈钢、钛合金等普通电弧熔焊难以焊接的材料的优点，还具有焊接工件变形小、接头性能好、焊前焊后处理简单、焊接操作简单、可进行自动化改进、焊接效率高以及焊接过程环保无污染等优点[11]。

目前摩擦叠焊在最近的20年来逐渐得到了欧洲的重视，欧盟、美国等发达国家和地区相继围绕该技术进行了各种基础性质的研究工作。中国初期对该领域的研究较少，较多为发展现状类的文章，但随着时间的推移，关于摩擦叠焊基础的研究也越来越多。刘宏伟等[12]对摩擦叠焊的工艺参数进行了分析，得出增大焊接轴向压力或改变焊接转轴速度可提高焊接的速度，但是会导致焊接质量下降；栾陈杰等[13]对DH36钢的摩擦叠焊工艺进行研究，发现圆锥形无缺陷摩擦叠焊焊接接头具有较好的拉伸性能；任朝晖等[14]以7075铝合金为例，对摩擦叠焊的焊接过程进行了有限元仿真分析，得到试件形状能够影响焊接缺陷产生的尺寸，并对不同截面的铝合金进行了分析。

摩擦叠焊起步较晚，研究较少，但由于其应用潜力和潜在的经济效益巨大，因而在未来的应用前景十分广阔，其基础研究以及应用研究将是未来研究的主要方向[15-19]。

图2 摩擦叠焊原理示意图

1.3 电子束焊接

电子束焊接技术使用高能电子束作为材料的加工热源通过聚焦在工件表面形成直径小于1 mm的焦点，用能量密度达到104～109W/cm2的电子束不停对焊件接头处的金属进行轰击，使其快速熔融，然后迅速冷却来达到焊接目的的新型焊接技术[20-21]，属于高能束焊接技术的一种。因其特殊的能量传递和转换机构给予了电子束焊接能量密度高、可达性和可控性良好、保护效果好的特点，已应用在航天制造领域铝合金、钛合金、高强度合金的焊接[22-23]。电子束焊接原理如图3所示。

图3 电子束焊接原理示意图

关于电子束焊接技术领域，在世界范围内已经研究了60多年。国外开展对电子束焊接领域研究较早，已在该领域取得较大的突破。BALASUBRAMANIAN等[24]使用包含电子束焊接的方法对TC4钛合金进行了焊接，并对不同焊接方法的焊接点进行了性能研究，得出TC4钛合金焊接时，电子束焊接性能高于TIG焊接以及激光焊接；TOMASHCHUK等[25]通过在焊接面中间添加铜箔进行焊接试验得到中间层的选取可以有效地影响焊接的质量；ARIVAZHAGAN等[26]通过使用不同的焊接方法对304不锈钢和AISI 4140低合金钢进行焊接发现，TIG焊、电子束焊以及摩擦焊均能使上述材料得到良好的焊缝。

国内在电子束焊接的研究起步较晚，但是研究进展十分迅速：王利发等[27]对TA15钛合金进行了电子束焊接，并进行了性能测试，得出焊接时产生的气孔会降低焊接点的疲劳性能；徐鸿吉等[28]对TC4钛合金在电子束焊接后的焊接处进行了分析，发现焊接部位的抗拉强度与母材相同，热影响区的显微硬度大于母材；安飞鹏等[29-30]实现了56 mm厚Ti80钛合金无缺陷电子束焊接。

以航空航天使用的高强度钢为例，电子束焊接相较于传统的电弧焊、TIG焊、MAG焊有着预热温度低、对层间温度不敏感、成型稳定性较好的优点[31]。

此外相较于其他焊接方式，电子束焊接有着焊接速度快、焊接能量密度高、可焊接材料范围广、焊接变形小、焊缝宽深比大、焊接可控性好、焊缝纯洁度高、焊接设备自动化程度高等优点，但也有着焊接设备昂贵、焊缝易产生气孔、工件装拆工序较多等缺点。

1.4 激光焊接

激光焊接是利用高能量、高密度的激光束作为热源，将材料熔化进行焊接的一种既高效且精密的焊接方法[32]。激光束在聚焦后有着非常高的能量密度，仅需要对工件照射千分之几秒甚至更短的时间即可使工件被照射的区域温度升高至10 000℃以上。利用这种局部加热方式可将材料被照射区域熔化成为特定的熔池，之后熔化的材料相互熔合成为一个整体，从而达到焊接目的。激光焊接按照原理可分为热传导型焊接和激光深熔焊接，其中功率密度小于104W/cm2的为热传导焊，大于107W/cm2的为激光深熔焊。目前激光焊接技术在世界范围内受到了很高的重视，且技术水平发展也十分迅速。

在20世纪70年代前，高功率连续波激光器还未被研究生产出来，因此激光焊接的激光源一般使用的为红宝石脉冲激光器。但红宝石脉冲激光器输出功率很低，使用成本过高，因而激光焊接技术并未被广泛使用。20世纪70年代后，千瓦级连续波CO2激光器研发成功，并投入生产使用，紧接着日本、德国、英国等发达国家的科研人员对连续波CO2激光器激光焊接技术进行了改进并优化。在后续的研究中发现，激光焊接过程中激光的功率、脉冲的宽度、焊接的速度以及离焦量对焊接工件的质量有着很大的影响[33]。通过不断的研究与试验，研究学者们已经对各参数对激光焊接质量的影响作出了分析，使激光焊接技术越来越完善。日趋成熟的激光焊接技术随后在汽车制造业得到了广泛的应用，进而迅速扩展到了船舶、航天、航空等领域[34-35]。21世纪初在A380大飞机机身的制作中便已经使用激光焊接技术代替传统的铆接技术，使得机身减重20%，且连接处力学性能优异，从此便打开了激光焊接在航空航天领域应用的大门。激光焊接工作原理如图4所示。

图4 激光焊接原理示意图[36]

由于激光焊接技术有着诸多优点[37]，因此该技术已经成为机械制造焊接工艺水平的标尺。其优点如下：①激光束功率密度高，对高熔点材料有着较好的焊接效果，焊接精度高；②激光焊接效率高，焊接过程中不添加焊接剂，从而焊接成本低；③焊接设备操控简单，易于学习，可批量进行操作人才培养，提高加工效率；④焊接后焊件残余应力小，变形小，成品件成型精度高；⑤激光束易于控制，且焊接定位精确，可实现自动化焊接生产，扩大生产规模；⑥可焊接金属的范围广，如镍基高温合金、铜合金、不锈钢等其余焊接效果较差的金属也能有着优质的焊接性能。

然而激光焊接也仍旧具有设备昂贵、较难焊接对激光束反射率高的焊件、对焊接件装夹精度要求高等一系列问题，导致在生产中有一定的局限性，在实际生产时使用的频率较低[38-40]。

1.5 复合焊接

复合焊接是在激光焊接、等离子焊接等焊接技术的基础上发展而来的一种焊接技术。该焊接技术是为了减小或消除单一热源焊接时焊件对热源利用率低、热源焊接位置过小等缺陷而出现的，多重热源同时作用至焊件不仅能够改善单一热源焊接的缺点，还能够保留原焊接方式的特点。复合焊接技术由于结合了不同的激光焊接和高能束焊接的技术，可根据不同的组合，进行不同工况的焊接，综合包含了2种焊接技术的优势。

根据焊接时可大致按照焊接热源的不同分为激光复合焊接、等离子复合焊接、电弧复合焊接等，不同热源的复合焊接有着不同的适用范围与优势。

1．5．1 激光-电弧复合焊接

由于激光焊接会产生等离子体云，导致能量利用率低，如果在激光束附近增加电弧，则电子密度会显著降低，使等离子云得到稀释，增大焊件对激光的吸收率。此外，电弧自身产生的热量也会对焊件加热，辅助焊点的温升，进一步提高焊接的能量利用率。激光-电弧复合焊接目前分为激光-TIG复合焊接和激光-MIG复合焊接。

激光-电弧复合焊接工作原理如图5所示，激光通过透镜进行聚焦，利用电弧辅助进行焊接工作，其焊接速度比仅用激光焊接快2～3倍。

图5 激光-电弧复合焊接原理示意图

1．5．2 激光-等离子弧焊

激光-等离子弧焊的原理与激光-电弧复合焊接中的激光-TIG复合焊接相似，但激光-TIG复合焊接中电弧的稳定性相对较差，且电弧的方向性与刚性也不是很理想。激光-等离子弧焊的出现成功地解决了上述问题，其焊接原理如图6所示。激光-等离子弧焊实现了全熔透，增加了熔深和焊接速度，此外等离子弧吸收了激光光子，降低了金属对激光的反射率，提升了激光的利用率，提高了电弧的稳定性[41]。

图6 激光-等离子弧焊原理示意图

2 总结

航天制造行业是制造业的领军企业，其加工制造技术代表着国内制造技术的先进水平。对航天制造中的工件连接这一工序来说，焊接工艺比铆接工艺有着更轻的质量和更高的强度。而航天制造行业越来越追求高速、精确、优质的产品生产，因而焊接工艺有着不可替代的作用，采用更先进的焊接技术对航天领域的发展十分有益。

如今，各类新兴的焊接技术改善了传统焊接技术中对焊接材料限制较多、焊件焊接变形、焊缝气泡多等缺陷，使焊接技术应用范围更广。此外，新型焊接技术大多可进行自动化处理，使焊接这一工序变得更加便捷，更加智能且焊接过程更加精确。目前航天制造领域也在向自动化生产不断发展，新型的焊接技术给予了焊接生产自动化的条件。

然而不同的焊接技术依旧有着不同的自身优势和局限性，根据不同的焊接情况灵活地选用不同的焊接方式将会使焊接工艺在航天制造行业中应用更加广泛，也会使航天产品迈向新的台阶。