火箭贮箱焊接缺陷修复技术研究现状

火箭贮箱焊接缺陷修复技术研究现状 Research Status of Welding Defect Repair Technology for Rocket Fuel Tank 1 2 first-author 马领航（1999—），男，硕士研究生，主要从事轻质高强材料搅拌摩擦焊研究。 马领航（1999—），男，硕士研究生，主要从事轻质高强材料搅拌摩擦焊研究。 3 3 3 1 2 1 2 1 2 1 2 corresp 周　利（1982—），男，副教授，博导，主要从事固相连接与增材制造的研究。E-mail：zhou.li@hit.edu.cn。 周　利（1982—），男，副教授，博导，主要从事固相连接与增材制造的研究。E-mail：zhou.li@hit.edu.cn。 zhou.li@hit.edu.cn 哈尔滨工业大学 先进焊接与连接国家重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150001 哈尔滨工业大学 先进焊接与连接国家重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150001 State Key Laboratory of Advanced Welding and Joining, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China State Key Laboratory of Advanced Welding and Joining, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China 哈尔滨工业大学(威海) 山东省特种焊接技术重点实验室,山东 威海 264209 哈尔滨工业大学(威海) 山东省特种焊接技术重点实验室,山东 威海 264209 Shandong Provincial Key Laboratory of Special Welding Technology, Harbin Institute of Technology at Weihai, Weihai 264209, China Shandong Provincial Key Laboratory of Special Welding Technology, Harbin Institute of Technology at Weihai, Weihai 264209, China 天津航天长征火箭制造有限公司,天津 300462 天津航天长征火箭制造有限公司,天津 300462 Tianjin Long March Launch Vehicle Manufacturing Co., Ltd., Tianjin 300462, China Tianjin Long March Launch Vehicle Manufacturing Co., Ltd., Tianjin 300462, China 贮箱作为运载火箭的重要组成部件，其在服役时承受着振动、突风与冲击等随机载荷，保证箱体结构的可靠连接尤为重要。在实际生产中，焊接处的缺陷既破坏了接头的连续性，降低了其有效承载面积，又造成了局部的应力集中，从而直接降低火箭的可靠性。因此，针对焊接缺陷的修补是必要的。重点介绍了国内外几种常用的贮箱箱体焊接缺陷修补技术，从不同修补技术的特点入手，回顾了其发展应用过程，对其应用对象、修补后性能提升效果等进行分析。系统地总结了不同修补方法的现存问题，对未来贮箱焊接结构缺陷修补技术的发展方向进行了展望。 As an important component of the launch vehicle, the fuel tank is subjected to random loads such as vibrations, sudden winds and impacts while in service. Therefore, it is especially important to ensure a reliable connection of the tank structure. In production, defects at the welds not only destroy the continuity of the joint, reduce its effective bearing area, but also cause local stress concentration, thus directly reducing the reliability of the rocket. On this basis, repair for welding defects is necessary. This paper focuses on several commonly used joint defect repair techniques at home and abroad, starting from the characteristics of different repair techniques, reviewing their development and application process, and analyzing their application objects and performance enhancement effects after repair. The existing problems of different repair methods are systematically summarized, and an outlook on the future development direction of structural defect repair technology for rocket fuel tanks is presented. 火箭贮箱 焊接缺陷修复 熔焊 固相焊 rocket fuel tank welding defects repair fusion welding solid phase welding 前言 1 贮箱作为运载火箭的重要组成部件，不仅贮藏燃料，还需要承担载荷。高可靠性和大运载力是其发展的目标，而高强材料和先进焊接工艺是实现目标的关键 ［ 1 1 ］ 。国内外贮箱用铝合金材料发展大致经历了铝镁、铝铜、铝锂三个阶段，目前仍以2219和2195为代表的铝铜和铝锂合金为主 ［ 2 2 - 4 4 2-4 ］ 。为了对不断发展的材料实现高质量焊接，焊接方法也从传统熔化焊向搅拌摩擦焊（Friction stir welding，FSW）发展 ［ 5 5 - 7 7 5-7 ］ 。但是，无论采用传统熔焊还是FSW，焊接缺陷的形成都难以避免，为了保障贮箱可靠性和生产效率，针对熔焊所产生的气孔、裂纹，FSW过程出现的弱结合、匙孔等缺陷的补焊是有必要的 ［ 8 8 - 10 10 8-10 ］ 。目前，补焊技术随着焊接技术的发展也在不断进步，除了应用传统熔焊修复，多种固相修复技术，如搅拌摩擦修复、摩擦塞焊修复等技术也在工程中得到了广泛应用 ［ 11 11 - 13 13 11-13 ］ 。 为了进一步扩大焊接技术在缺陷修复上的应用，开发更合适的修复工艺，本文综述了贮箱箱体材料焊接缺陷修复方法的发展历程，阐述了常用修复方法的研究进展与应用前景，为相关情况下的缺陷修复和技术发展提供借鉴。 熔焊修复 1 熔焊是最先采用的贮箱焊接缺陷修复技术，主要方法为钨极氩弧焊（Tungsten Inert Gas Arc Welding，TIG焊）。TIG焊无飞溅、无烟尘、焊接稳定性好，操作灵活方便，适用于几乎所有铝合金薄壁焊件的修补 ［ 14 14 - 15 15 14-15 ］ 。工程中常采用手工TIG焊对形状不规则且易产生应力集中的熔焊焊缝焊接缺陷进行补焊。但是，由于TIG焊热输入量相比固相焊较大，且焊接时伴随着金属的熔化与凝固，易在焊缝局部区域产生气孔、裂纹等缺陷，同时还易在补焊部位引起较大的残余应力与焊接变形，严重影响接头性能，降低结构完整性 ［ 16 16 - 19 19 16-19 ］ 。为了解决补焊时给原有焊缝及其结构带来的不利影响，提高焊缝缺陷修补质量，国内外学者从焊接填充材料、焊接工艺、焊接设备等多方面进行了研究。 填充材料 2 戴志锋 ［ 20 20 ］ 等对比了选用E 2319和国产2325焊丝的熔焊修复效果，发现采用国产2325焊丝对2219铝合金进行TIG补焊可获得更优的补焊接头，由于补焊时熔合比较小，采用2325焊丝对焊缝进行开槽补焊，可优化焊缝合金成分，对原焊缝起一定热处理作用，提高接头性能。采用2325焊丝补焊后，焊缝可达到一级标准，其常温与低温抗拉强度均超过原焊缝的15%，达到母材的65%以上，实现“补焊强化”。焦好军 ［ 21 21 ］ 等同样研究了2325焊丝焊接2219铝合金，发现焊接接头抗裂纹性能与力学性能均满足贮箱用铝合金焊接性要求。Zhang ［ 22 22 ］ 等研究了Al-Mg焊丝替代Al-Cu焊丝对2219铝合金TIG焊接接头组织、显微硬度与拉伸性能的影响，发现与Al-Cu焊丝接头相比，通过引入含Mg强化相可以使焊缝得到强化，并显著提高接头硬度。但合金元素含量控制不当会导致凝固裂纹与焊缝周围晶界处连续脆性相的生成，从而降低力学性能。 由于焊缝内部及其附近存在大量网格状低熔点含锂沉淀相，2195铝合金熔焊补焊时易萌生液化裂纹。Munafo ［ 23 23 - 24 24 23-24 ］ 等发现采用E 4043焊丝作填充材料时，利用“共晶愈合”的方式是解决这种热裂纹最有效的方法。这种裂纹往往发生在修复区原焊缝附近，而不是在修复焊缝内，适当的填充金属可以避免开裂。美国Al-Cu系B218焊丝在补焊过程中具有良好的性能，补焊焊缝性能与E 4043焊丝一次焊接性能相当 ［ 25 25 ］ 。NASA采用随TIG补焊碾压的方式释放应力，也避免了裂纹的产生，完成了航天飞机“超轻贮箱”的焊接 ［ 26 26 ］ 。李小飞 ［ 27 27 ］ 等在E 2319焊丝的基础上研制了Al-Cu-Ag-Mg系和Al-Cu-Sc系焊丝，并与E 4043焊丝进行2195铝合金焊接对比，发现含Sc焊丝的接头强度较高，强度超过340 MPa，且焊缝韧性较好。Zhang ［ 28 28 ］ 等发现通过调整焊丝成分来解决2195铝合金焊接时，晶粒粗化与裂纹问题有很大研究空间，但使用Al-Si-Cu焊丝时，接头的抗拉强度和伸长率分别为母材的56.8%和39.9%。如 图1 图1 所示，使用该焊丝时，Si、Cu和Ti元素于晶界处偏析，形成网状硬质Al/Cu/Ti共晶，同时焊缝内气孔面积约为Al-Cu填充焊丝的8倍，这将严重降低接头性能。 1;2;3; 综上，通过改良、研发填充材料，可以控制补焊时接头的裂纹倾向，优化焊缝的合金成分、改善微观组织，从而形成优良的、乃至超越原焊缝性能的补焊接头。 焊接工艺 2 彭江涛 ［ 29 29 ］ 等发现采用2325焊丝对2219铝合金板进行变极性TIG焊（Variable Polarity TIG，VPTIG）补焊时，补焊槽角度对接头X射线照片中“亮线”有较大影响，“亮线”处主要为含Cu量较高且粗大的α-Al+θ相非平衡共晶组织。当两侧坡口面角均达到20°时，可抑制该共晶形成，获得满足火箭贮箱应用的优良补焊接头。姚徐伟 ［ 30 30 ］ 等针对8 mm 2219铝合金熔焊接头处的未焊透缺陷进行开U型坡口的手工TIG补焊，发现补焊热循环虽使接头过时效软化范围增大，接头强度略降，但延伸率略有改善。裴绍波 ［ 31 31 ］ 等未对原焊缝进行全部或部分去除，通过原有材料自熔也对铝合金未熔合缺陷实现了有效修复。孙世烜 ［ 32 32 - 33 33 32-33 ］ 等对8 mm 2219铝合金横焊接头进行了不同参数下的开槽多道VPTIG补焊，发现补焊可消除焊缝内部的超标气孔，但第二道补焊后的接头熔合线附近产生了网状共晶组织。这可能会使原横焊焊缝与补焊焊缝交界处成为接头最薄弱部分。因此，横焊状态补焊宜采用较小规范及两道焊（填充+盖面）的工艺以获得质量较好的补焊接头。Ahmad ［ 34 34 ］ 等提出了一种基于TEP的TIG焊的模拟方法，对多道次焊接的残余应力分布与层间温度进行了分析，实验发现二次焊接残余应力与变形的平均变化分别为18.8%和17.4%。焊接区附近残余应力为材料屈服强度的81%，这将导致焊件显著变形。道次间冷却可充分地降低后续道次的峰值温度以避免产生裂纹。同时，实验发现材料在三道焊过程中经历的热循环可使热影响区晶粒细化，如 图2 图2 所示，晶粒尺寸比基材小12.7%。Wan ［ 35 35 - 36 36 35-36 ］ 等对2219铝合金TIG焊工艺进行了研究，发现对母材进行改进，细化晶粒尺寸和θ相粒子，控制粗大连续共晶含量可提高熔合区性能，进而改善接头性能。同时，其采用对称摆动三道焊工艺对焊趾处的应力集中进行了调控，使优化后的接头强度达到母材的70%以上，延伸率可达5.8%。 （a）母材 　　　　　　　　　 （b）热影响区 　　　　　　　　　　（c）晶粒尺寸对比 对于Al-Cu、Al-Li等析出强化型铝合金的补焊，接头各区域分别经历了不同的焊接热循环，必将引起强化相尺寸、数量与分布的差异 ［ 37 37 ］ ，进一步对接头的耐腐蚀性能造成影响。Al 2 Cu、Al 2 CuLi析出物是焊缝阳极-阴极反应加速的主要原因。在TIG焊过程中经历较高的温度导致组织粗化也将进一步降低耐腐蚀性能 ［ 38 38 - 39 39 38-39 ］ 。Venugopal ［ 40 40 ］ 等研究了2219铝合金采用2319焊丝进行补焊后的接头耐蚀性能，发现在腐蚀介质中，熔合区是最易发生腐蚀的位置。此外，补焊过程也将改变沿修复方向的局部残余应力，并且修复焊缝长度越短，横向应力增加越大。相比首次焊接而言，焊接参数在分析修复焊缝中更为重要 ［ 10 10 ， 41 41 ］ 。在美国土星5贮箱补焊中，为了释放大型贮箱在补焊时产生的应力，减少补焊收缩变形，NASA应用了电磁校形工艺 ［ 42 42 ］ 。Arunkumar ［ 43 43 ］ 等对2219铝合金TIG焊后进行了热处理（固溶+时效），观察到试样热处理后横向收缩减少、抗拉强度提高，这主要是因为晶粒细化和生成了细小弥散的强化相。 焊接设备与方法 2 采用高能量VPTIG进行补焊，由于焊接速度快、能量密度高，补焊后的焊缝力学性能可接近原始焊缝，强度达到原焊缝的92%，延伸率可达原焊缝的80% ［ 10 10 ］ 。李超 ［ 44 44 ］ 等对TIG复合高频电弧进行了研究，发现三电极复合TIG焊电磁振荡作用可有效清除气孔类缺陷，细化晶粒。高速补焊后发现焊缝力学性能得到了一定提升，抗拉强度分别达到原始焊缝与母材的95.7%和62.4%，延伸率达到了4.0%。这是由于高速补焊熔池存在时间短，同时在复合电极情况下，Li元素烧损率和气孔率降低。研究发现，多次补焊会使晶粒长大明显，软化范围增大 ［ 45 45 ］ ，焊接过程中Li元素发生氧化、吸氢，从而降低力学性能，因此多次补焊后应扩大无损检测范围。 综上，TIG补焊灵活方便，操作简单，适用于多种情况下的修复，但经过再次焊接热循环可能导致接头开裂以及力学性能、耐蚀性能下降等多方面的问题，且多次补焊会加剧性能的恶化。通过研发新的填充材料可优化焊缝成分，避免补焊接头产生新的缺陷和有害组织，改善补焊焊缝性能；一些新的焊接工艺、方法的应用，如高能TIG焊的研究也为补焊提供了新的方法。目前，钨极氩弧焊仍是贮箱焊接缺陷修补的一项重要手段。 固相修复 1 搅拌摩擦修复 2 FSW自诞生至今已经历了30余年的飞速发展，随着FSW技术的不断成熟，其在铝合金等低熔点金属材料的缺陷修补中也展现出了极强的优势 ［ 46 46 ］ 。目前，搅拌摩擦补焊主要用于修补因工艺参数不当、板厚不均等因素造成的一次焊接过程中出现的沟槽、孔洞、未焊透等缺陷。采用FSW进行缺陷补焊，不但可以良好修复之前的焊接缺陷，而且可以细化修复区晶粒，使补焊后的接头尽可能获得固相连接的优点 ［ 47 47 - 48 48 47-48 ］ 。 按照缺陷特征可将FSW修复分为贯穿型和区域型缺陷的修补 ［ 49 49 ］ ，贯穿型缺陷在一定的方向上有明显的扩展特征，如裂纹、沟槽等，搅拌摩擦补焊对贯穿型缺陷修补效果更优。周利 ［ 47 47 ］ 等对2219铝合金FSW接头未焊透缺陷进行一次、二次搅拌摩擦补焊。结果表明，补焊可获得成形美观的无缺陷接头，一次补焊的接头强度可达到母材的67%以上。杜杨 ［ 50 50 ］ 等对2219铝合金孔洞缺陷进行了搅拌摩擦补焊，模拟补焊过程中残余应力演化分布，发现补焊过程中残余应力呈“积累效应”，但焊接结束、试板冷却后这种效应消失，因此一次补焊对残余应力分布影响较小。Liu ［ 51 51 ］ 等提出偏针搅拌摩擦补焊的方法以修复表面沟槽与隧道类缺陷。其中，偏针工艺是指修复中心线位于沟槽所在位置而非原焊缝中心。缺陷接头及偏针修复接头横截面如 图3 图3 所示，偏针修复后，接头抗拉强度达到原缺陷焊缝的220%，接近无缺陷接头。Kasman ［ 52 52 ］ 等对弱连接缺陷采用了偏针重复焊接技术，发现在适当参数下，无论搅拌针向前进侧还是后退侧偏移，都可修复缺陷接头，但重复焊接会影响FSW接头区域分布，当偏移向前进侧时，接头强度将会高于向后退侧偏移的强度。 （a）缺陷焊缝 　　　　　　 （b）偏针修复后 王磊 ［ 53 53 ］ 等采用FSW修复了长直裂纹缺陷，结果表明，修复核心区在轴肩的搅拌与锻压作用下，晶粒反复变形、破碎、回复，晶粒细化程度更高，发生完全动态再结晶，组织更加致密，强化相弥散均匀分布，力学性能得到提升。王国庆 ［ 54 54 ］ 等对2219铝合金熔焊接头采取FSW补焊也达到了细化晶粒的效果，其搅拌前后接头显微组织如 图4 图4 所示，熔焊时生成的粗大晶粒在热、力的共同作用下发生了细化。 1;2; FSW很大程度上能一次实现接头修复，但有时补焊后接头仍留有缺陷 ［ 55 55 ］ ，需要多次补焊。于福盛等 ［ 10 10 ］ 对2195铝合金FSW焊缝采用了FSW补焊，一次修补后接头抗拉强度为345 MPa，断后伸长率为2.5%，二次补焊后接头抗拉强度和断后延长率略有改善，分别为375 MPa和3.0%。但是，对于析出强化铝合金而言，多次修复过程中的反复热输入会促进接头中析出物的粗化和转变，从而导致修复后的接头性能恶化 ［ 56 56 ］ 。Li ［ 46 46 ］ 等使用FSW技术对2219铝合金FSW焊缝进行了修复，研究发现FSW成功修复了裂纹，但二次热输入使得Cu原子向Al 2 Cu颗粒偏聚，促进Al 2 Cu长大，导致热影响区晶粒粗化，抗拉强度和硬度降低。李博 ［ 57 57 ］ 等在对2219焊缝进行补焊过程中发现，对接多道补焊会扩大焊核区与焊缝软化区的范围，降低热影响区的显微硬度，略微降低焊缝抗拉强度，使拉伸断口明显粗糙。Li ［ 58 58 ］ 等对沟槽缺陷采取了两次补焊，发现虽然二次补焊修复了缺陷，但是接头强度略降，且补焊区纵向残余应力在一次、二次补焊后分别攀升到原接头的117%和233%，如 图5 图5 所示，这可能和再次热输入与搅拌头的约束有关。 1;2; 综上，重复FSW可对裂纹、沟槽等缺陷进行良好的修复。搅拌摩擦加工可改变缺陷处组织，进而不降低甚至提高焊缝性能，但修复过程的热输入可能带来接头性能的改变，因此，重复FSW需控制补焊参数和补焊次数。 填充搅拌摩擦修复 2 对于一些大体积区域型缺陷，通过多次搅拌摩擦补焊也难以实现高质量修复。因此，补焊时需向缺陷处加入填充材料。向缺陷处添加材料有两种方式，一是利用固相或液相辅材进行填充，二是利用同质或异质消耗式工具头向缺陷处填充。 Ji ［ 59 59 ］ 等提出一种垂直补偿搅拌摩擦焊，焊前向缺陷处加入固相填充材料，焊接时填充材料被破碎并充分与焊缝处材料混合形成焊缝，该技术成功实现了大尺寸缺陷的高质量修复。Wang ［ 6 6 ］ 等采用固相填充+FSW的方式成功进行了FSW匙孔缺陷的修复，修复后的2219焊缝抗拉强度均超过母材的75%。吉华 ［ 60 60 ］ 等针对材料损失较多的沟槽缺陷采用TIG填充＋FSW修补的方式，先填充同质材料，后进行FSW补焊，细化了填充处的粗大晶粒，实现了沟槽类缺陷的修复。FSW补焊可使接头组织由粗大枝晶向细小等轴晶转变，从而提高焊缝性能。但郝云飞 ［ 61 61 ］ 等对2219铝合金采取上述补焊措施，发现在TIG和FSW热输入的累积作用下，热影响区/热机影响区范围扩大，晶粒粗化，析出物明显长大，甚至呈现连续网状分布，这将不可避免地降低接头的力学性能。此类主动向焊缝中填充材料的方法可有效解决材料损失过多导致的缺陷难以修补问题，但仍需解决固相填充时的冶金结合、熔焊填充时的组织恶化等问题，调整填充材料和工艺参数，设计新的补焊焊具是解决此类问题的有效方法。 除主动填充外，通过可消耗焊具向缺陷处填充材料也是有效的修复办法。如 图6 图6 所示，Huang ［ 62 62 ］ 等采用可消耗式搅拌针，提出了一种填充搅拌摩擦焊技术（Filling friction stir welding，FFSW）。补焊分为三步，工具旋转下扎塑化材料、工具移动填充补焊、轴肩提起产生接头。采用该技术可对匙孔与其他类似缺陷进行高质量补焊，补焊后接头的拉伸性能均高于无填充材料的FSW与TIG补焊。黄永宪 ［ 63 63 ］ 等对2219铝合金进行了FFSW研究，发现在适当参数下，只要搅拌针强度足够，并可以向匙孔中提供足够材料，就可形成理想的补焊接头，接头强度最高可达无缺陷接头的95%。 刘立安 ［ 11 11 ］ 等对2195铝合金匙孔采用与板材同质搅拌针进行了补焊，优化参数后发现修复过程可在对原焊缝热影响区/热机影响区影响较小的情况下，实现良好的冶金结合，同时可避免修复区晶粒粗大、析出较大沉淀相等问题。修复后，接头成形良好，强度和延伸率均达到了优质FSW接头的90%以上，实现了准等强修复。Li ［ 65 65 - 67 67 65-67 ］ 等对补焊接头晶粒取向和织构进行了研究，发现补焊后晶粒存在择优取向，焊核区以再结晶织构为主，且变形织构随着转速升高而增加，晶粒尺寸先减小后增大。胡锦扬 ［ 68 68 ］ 等采用同质搅拌针对2024铝合金匙孔缺陷进行了修补，发现转速对填充材料与基体的冶金结合有较大影响。当转速提高时，接头的冶金结合质量先升后降，这主要是热输入改变所致。当搅拌针下扎速度过快或者焊接参数不合理时，补焊接头会因产热量不足或先磨擦剥落物质在界面堆积造成类似孔洞与冶金连接不良的缺陷，Han ［ 69 69 ］ 等通过调整焊接参数、搅拌针尺寸和材料，采用了硬度更高的7075铝合金搅拌针填充了2219铝合金匙孔，有效地解决了该问题，使补焊接头拉伸性能达到了优良焊缝的95%以上。 除FFSW外，近年来还研究出一种被动添加材料的新工艺——增材搅拌摩擦沉积（Additive friction stir deposition，AFSD），如 图7 图7 所示。修补时，利用高速旋转的沉积工具摩擦生热，将固体或粉末状原料加热至热塑态，然后沿沉积方向，通过沉积工具将热塑态材料沉积到缺陷所需处形成沉积层，沉积层多次叠加即可修复缺陷部件。 采用该工艺可灵活地修复各种几何形状缺陷，无论是匙孔、长沟槽还是宽凹槽 ［ 55 55 ， 71 71 ］ 。Griffiths ［ 72 72 ］ 等采用了AFSD对沟槽、通孔缺陷进行了修复，修复后可在保留板材轧制组织的前提下使填充金属完成动态再结晶，生成细小的等轴晶粒修复区。Anderson等 ［ 73 73 ］ 发现相比于轧制板材，沉积组织在热力共同作用下具有更致密的细小晶粒，如 图8 图8 所示。 Rivera ［ 70 70 ］ 等对2219-T87铝合金板材进行了多层沉积实验，研究了各层之间的微观组织与性能，发现从顶层到底层的沉积组织晶粒比较均匀，但强度略有不同，顶层最高而底层最低，这可能是“织构强化”所致。对于沉淀强化2219铝合金而言，搅拌沉积加工区晶粒虽然细小致密，但组织中几乎完全没有θ′和θ′′强化相，这是由于搅拌摩擦加工过程的热输入促使θ′和θ′′溶解，向θ相转化，这将不可避免使沉积修复层强度下降 ［ 70 70 ， 73 73 ］ 。此外，搅拌摩擦沉积还面临着修复孔时针板分离处的表面粗糙、材料流动不足导致孔洞填充不完全，修复槽时的沉积面连接不充分缺陷等问题。但是，搅拌摩擦沉积修复缺陷具有很大的应用潜力，美国未来将会将其应用到SLS运载火箭的生产制造当中 ［ 73 73 ］ 。 综上，基于FSW的多种补焊方法均能对常见焊接缺陷进行有效补焊。重复补焊会在热力作用下给补焊区材料组织带来有益影响，从而提高材料力学性能。但是，重复FSW修复接头后，组织的改变对接头抗腐蚀能力的影响研究较少，且多次修补会加速接头强化相的转变、扩大软化区的范围，这仍是目前需要解决的问题；对于FFSW补焊而言，消耗式搅拌头转速、搅拌头的锥度和下扎速度都是影响修补焊的主要参数，此外，轴肩直径、轴肩下压量等也在很大程度上对接头起到重要影响；AFSD作为一项新的固相修复工艺具有极大的应用前景，通过研究焊接参数和填充材料解决现有的问题是当今热门的研究方向，AFSD技术的不断成熟将会给焊缝缺陷的修补带来新的提升。 摩擦塞焊修复 2 FSW工艺修复缺陷需要重复一段、甚至整个焊缝并占用一个FSW工位来完成工作，这必然会浪费时间，降低效率。此外，双轴肩FSW形成的孔洞以及箱体焊接完成后出现的其他超标缺陷难以进行重复搅拌或熔焊修补 ［ 75 75 ］ ，这就另需一种新的高质量修复方法。 摩擦塞焊（Friction plug welding，FPW）是英国焊接研究所于1995年研发的固相补焊技术，焊接时，高速旋转的消耗性金属塞棒在轴向载荷作用下与待焊工件的预制塞孔摩擦，从而实现连接 ［ 75 75 ］ 。FPW补焊获得的接头质量优异，较熔焊接头性能提高20%，达到FSW水平 ［ 76 76 ］ 。2000年，NASA最先引进该项技术应用到2195航天飞机外贮箱的缺陷补焊当中 ［ 77 77 ］ ；随后，NASA在Ares项目中对2219、2195、2014铝合金FPW进行了系统研究，以期将其应用到双轴肩FSW通孔的补焊当中 ［ 78 78 ］ ；2010年，采用双轴肩FSW+FPW补焊的贮箱箱底在马歇尔飞行中心完成，其补焊处完全符合性能要求，这标志着该项技术在贮箱补焊中达到了应用标准 ［ 79 79 ］ 。FPW的焊接力、塞棒及塞孔的几何尺寸等对焊接质量有重要的影响，随着FPW的应用，学者们对其进行了大量的研究。依据焊接时力的加载方式的不同，FPW补焊可分为顶锻式和拉拔式两种。孙转平 ［ 74 74 ， 80 80 ］ 等采用顶锻式FPW对2219铝合金进行了修补，形成了良好的补焊接头，测试表明补焊接头的低温抗拉强度、断后伸长率与FSW接头性能相同，常温下力学性能低于FSW焊缝。 对于贮箱这类大直径、小壁厚、背部无法设置大型支撑结构的工件，一般需要采用拉锻式摩擦塞补焊（Friction pull plug welding，FPPW），其原理如 图9 图9 所示。 Du ［ 82 82 - 83 83 82-83 ］ 等对2219铝合金FPPW进行了系统研究，分析了局部微观组织演变与接头力学性能间的关系，发现塞棒与原焊缝的热影响区是接头性能的薄弱部位。Singh ［ 84 84 ］ 等总结发现焊接旋转速度比顶锻速度和焊接时间对接头的影响更大。Sun ［ 85 85 ］ 等研究表明在FPW过程中，旋转速度与焊接力是影响焊接热输入的最重要因素，且转速对力学性能改善的贡献大于焊接力的贡献。Cui ［ 86 86 ］ 等研究了轴向力对2219-T87铝合金板材FPPW质量的影响，发现当轴向力过大时，在焊接过程中可能会发生拉通现象，如果轴向力过小，则可能沿着焊接界面形成大面积的弱结合缺陷，8 mm的板材推荐拉伸与拉锻力均为20~25 kN。刘凯旋 ［ 87 87 ］ 等人研究表明，在焊接转速为7 500 r/min、焊接压力为40~55 kN时，修复8 mm 2219-T87铝合金FSW焊缝可以获得无缺陷的、连接质量较高的补焊接头，接头的最大抗拉强度和断后伸长率分别可达母材的73.9%和66.7%。卢鹏 ［ 88 88 ］ 等发现焊接转速7 000 r/min、焊接压力20~30 kN、轴向拉锻力20~30 kN、进给速度1.5 mm/s是6 mm 2219-T87较优的焊接工艺范围，在该参数下补焊接头的抗拉强度和延伸率可达母材的78%和60%。采用合适的焊接参数形成的2219补焊接头性能与母材及原焊缝的对比如 图10 图10 所示。 1,2; 除焊接力外，塞孔与塞头等的几何尺寸对接头质量也有较大影响，卢鹏 ［ 88 88 ］ 等发现采用圆弧形塞棒、圆柱形塞孔、阶梯锥形底孔的支撑板能够改善母材的流动方向和受力条件，消除未焊合缺陷。邵震 ［ 89 89 ］ 等对8 mm 2219-T87进行FPPW补焊，研究塞孔和成形环形状对接头性能的影响，发现在适当参数下，锥直孔塞孔可防止塞棒在焊接过程中发生颈缩，消除未焊合缺陷，阶梯孔形成形环可改善接头界面受力状态，防止产生弱结合缺陷。Du ［ 90 90 ］ 等证明D型支撑板和较高的焊接力容易获得无缺陷的FPW接头。赵慧慧 ［ 91 91 ］ 等针对5.5 mm厚2219铝合金FPPW补焊设计了4种不同几何形状的塞棒，通过试验确定了最优塞棒形状和尺寸：塞棒为圆弧形（ R =50 mm）、小端直径32 mm、圆锥段长度16.17 mm。采用该塞棒可在适当的工艺参数下获得焊接良好的接头。Rachel等 ［ 92 92 - 93 93 92-93 ］ 采用结构为带台阶的塞棒及带左、右旋线螺纹的塞棒对2195铝合金进行摩擦塞焊，分析了接头的材料流动和组织特征，进行了质量检测和性能测试，发现左旋线螺纹的塞棒和带台阶的塞棒补焊后接头性能更优。高金勇 ［ 94 94 ］ 等采用FPPW对2219铝合金TIG焊接缺陷进行了补焊，结果表明补焊接头强度最高约为237 MPa，接近TIG焊缝的90%，延伸率为3.79%，与TIG焊缝相当，验证了FPPW技术对熔焊焊缝缺陷修补的可行性。Shao ［ 95 95 ］ 等人采用FPPW补焊了2219铝合金熔焊缺陷，补焊接头与原接头拉伸性能对比如 图11 图11 所示，适当参数下补焊接头拉伸性能可达原接头的89%以上。 综上，转速、焊接力、塞棒与塞孔尺寸等都会影响FPW修复质量。其中支撑板孔和焊接力对FPW接头焊缝成形和力学性能的影响尚不清晰，应该进一步研究。FPW修复后接头的强度会比原焊缝略有下降，且其疲劳强度也会受到影响 ［ 97 97 ］ 。由于FPW非常适合贮箱的焊接生产，随着摩擦焊技术的不断成熟，FPPW已经成为NASA大力推广的首选贮箱补焊工艺 ［ 98 98 ］ 。但是，国内对FPW的研究起步较晚，且受限于国外的技术封锁，该项技术的研发应用还比较缓慢。 结论及展望 1 本文回顾了运载火箭贮箱铝合金焊缝采用的常见补焊办法的使用与发展，综述了其发展现状，得出如下结论： （1）TIG焊作为使用最广泛、操作最灵活方便的补焊方法，依旧在一些形状不规则、空间受限的缺陷处起着重要作用，但由于熔焊本身的限制使其难以对新材料进行高质量的补焊。通过调整焊接工艺参数对改善补焊效果提升有限，研发新的填充材料可以明显改善补焊焊缝的性能，一些新的焊接方法如高能TIG焊等能在对焊接区域影响较小的情况下，实现贮箱铝合金灵活、高质量焊接，这为补焊提供了新的研究方向。 （2）随着FSW的不断成熟，其在修补上的应用也越来越广泛，基于FSW发展诞生了FFSW、AFSD等多种修复方式。使用FSW可在原焊接生产线上对缺陷进行补焊，但参数不当、多次补焊会降低接头性能。当材料损失过多时单纯采用FSW也难以满足高质量修复要求，主、被动添加填充材料均可以解决上述问题，AFSD的深入研究更是给搅拌摩擦修复提供了新的方法，但AFSD对于某种铝合金的工艺窗口仍需要进一步探索，而且由于加工过程中带来的组织和强化相的变化对强度、疲劳、耐蚀性能等的影响仍需进一步研究。 （3）FPPW尤其适合贮箱箱体焊接缺陷的修复。但是国内对其研究起步较晚，且塞补焊工艺对性能影响复杂。塞孔、板孔、支撑板的匹配、不同型号和特征的铝合金补焊工艺窗口的选择等，都需要进行不断摸索与总结。 参考文献 姚君山 ， 周万盛 ， 王国庆 ， 等 . 航天贮箱结构材料及其焊接技术的发展 ［J］. 航天制造技术 ， 2002 （ 5 ）： 17 - 22 . 航天贮箱结构材料及其焊接技术的发展 YAO J S ， ZHOU W S ， WANG G Q ， et al . 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