载人航天器结构件FSW制造工艺及应用.pdf

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1、来稿日期：2010埘-02；修回日期：2010一12—28。作者简介：封小松(1978．12一)．男，博士．工程师，主要从事航天结构焊接技术研究与生产工作。52成果应用载人航天2011年第1期说明其结构特点。一种为类球状密封构件，另一种为大尺寸密封舱体。在我国载人航天结构中，这两类构件为典型的密封件，焊接制造是其关键工艺。图2给出了类球状密封构件的一个例子。从图中可见，这类构件的制造通常由球壳拼焊、各种法兰焊接构成，由于形状的复杂性，其涉及的焊缝轨迹包括各种法兰的封闭焊缝、各类不同形状球壳的拼焊焊缝。图2载人航天球状密封构件图3给出了另一种尺寸更大的

2、密封结构示意图，这种结构在航天中被广泛用于密封舱体的设计，典型的如各类火箭推进剂贮箱、载人航天密封舱等。图3载人航天大尺寸密封舱体从图中可见，这类舱体结构主要由前后箱底、筒段、短壳组成，主要的焊缝包括箱底瓜瓣纵缝、箱底圆环与顶盖环缝、筒段纵缝、总对接环缝等焊缝组成，涉及的焊缝种类多、焊缝轨迹复杂。从上述载人航天密封构件的例子可见，与传统的航天铝合金构件相比其结构上具有一些自身特点：(1)载人航天构件需要在外太空长时间飞行，构件的精度与复杂度达到了很高的程度，而复杂的空间工作环境也使得构件对焊缝可靠性要求更高。(2)载人航天的任何载荷均需要从地面进行输

3、送，长距离与长时间的空间飞行也使得构件对减重的需求特别迫切。(3)出于减重需要，载人航天焊接结构通常采用小壁厚设计，并往往采用损伤容限高的材料。(4)载人航天任务复杂、批量小、种类多，构件设计的形状相对复杂，使得焊缝轨迹复杂多变，往往涉及三维空间曲线焊缝。上述载人航天密封结构特点使得这些结构的焊接制造具有一些特殊性，也为FSW的应用提供了可能，但同时也带来了一些应用上的困难：(1)传统的，11G熔焊工艺使得焊缝存在冶金缺陷，如气孔、夹杂、过烧等，高比强度铝合金的熔焊难以完全消除这些缺陷，FSw则完全避免了焊缝冶金缺陷。(2)焊缝强度系数的提高将为进一

4、步降低壁厚提供了可能，而FSw焊缝的抗拉强度系数通常不小于0．7，比传统熔焊抗拉强度提高15％～20％。(3)载人航天结构的小壁厚设计特点使得构件自身刚度较差，必须考虑焊接变形与残余应力给产品带来的尺寸精度影响，Fsw低热输入特点使得产品的焊接变形与残余应力水平降至最低。(4)由于FSW焊接过程中搅拌工具与工件为刚性接触，载人航天构件复杂的焊缝轨迹对搅拌工具行走精度、工件装配精度提出了更为严格的要求，必须采用一定的工艺措施来增加其工艺裕度。上述问题的存在使得载人航天结构焊接制造对搅拌摩擦焊技术应用提出了迫切需求，同时也给FSW的应用带来了一定困难，必

5、须通过一系列的工艺手段，才能实现Fsw在这些结构制造中的实际应用。3FSW技术应用的关键工艺结合载人航天产品的材料、结构形状、尺寸、功能等特点，本文研究了在载人航天产品上应用FSw技术时所面临的一些问题，开发了相应的工艺技术，包括全焊透技术、无匙孔处理技术、缺陷等强补焊技术。3．1全焊透工艺在FSw焊接过程中，焊缝背面通常设置刚性支撑以平衡搅拌工具施加的顶锻力，但由于搅拌工具与母材是刚性接触，若焊接时搅拌针触及背面刚性支撑将导致焊接缺陷。因此往往在搅拌针与工件背面留有O．1n吼一O．2mm的背面预留量。图4给出了搅53载人航天2011年第l期成果应用

6、拌摩擦焊过程瞬间搅拌工具与母材的相对位置示意图，图中2i2即为背面预留量，6。为轴肩下压量，a为搅拌工具倾角。途眺一图4搅拌工具与工件的相对位置(a)背面垫板由于背面预留距离的存在，使得焊缝底部的材料不能被搅拌针充分搅拌，通常会出现未焊透或弱连接(鼬ssingbond)缺陷，在实际产品的FSW生产中，必须解决产品的全焊透问题。基于消除背面预留量、增加焊缝底部材料塑性流动的考虑，本文设计了三种未焊透解决方案，如图5所示。为了评价三种未焊透处理工艺的效果，以6咖厚2219铝合金为例，对不同未焊透处理工艺下的接头抗拉强度、接头背面弯曲角度进行测量，结果如表

7、l所示。(b)支撑板开槽(c)工件背面开槽图5FSw背面未焊透处理工艺表1不同未焊透措施下的接头性能比较工艺无措施垫板支撑板开槽工件开槽抗拉强度，hlPa354．5370．0341．5361．5背弯角度，o57055。17。97。从表中可见，在工件背面垫板与在工件背面开槽两种工艺措施能有效消除未焊透或弱连接缺陷，获得力学性能良好的焊缝。这是因为工件背面开槽能有效增加焊缝底部材料的流动性、背面垫板使得搅拌针长度可以超出板厚范围。此外，对于装配精度高的平板直焊缝，无需进行全焊透处理也能获得较高力学性能的焊缝。实际生产时可根据装配隋况、板厚情况选择合适的未

8、焊透处理措施。薄板焊接时对搅拌针位置精度要求更高，倾向于采用背面垫板技术；厚板焊接时倾向于选择工件背面开槽技