搅拌摩擦焊接-NASA大火箭上用到的焊接技术–搅拌摩擦焊

一般搅拌摩擦焊在工作时需要施加非常大的下压力，为了平衡这个下压力，需要在板材的背面提供一个较大的砧板。而这也恰恰限制了传统搅拌摩擦焊的应用范围。为了更好地将搅拌摩擦焊应用于燃料罐，NASA马歇尔太空飞行中心（是的，就是上面提到的太空飞行中心）发明了自反应搅拌摩擦焊，即将传统的搅拌针一分为二，使其包含上下两个轴肩，然后对两个轴肩施加相向力，从而实现板材及搅拌针轴向力的平衡。因此这个方法完全摆脱了砧板配件的束缚。另外，自反应搅拌摩擦焊的应用也会增加焊接过程中的热输入，同时也能够获得对称的焊缝形态。

图片来源：NASA论文《Effects of Fusion Tack Welds on Self-Reacting FRiction StiR Welds 》

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摩擦拉塞焊

众所周知，搅拌摩擦焊在焊后会留下一个小孔，这个小孔同背后的砧板一样，也是限制搅拌摩擦焊应用的一个难点。

在摩擦拉塞焊之前，有一种类似的方法叫摩擦推塞焊，同传统摩擦焊类似，焊接时背面需要一个砧板支撑，否则整个焊接区域都会“下陷”。但是在实际应用中，很多结构无法在焊缝背面添加支撑砧板。为此，NASA马歇尔太空飞行中心便发明了摩擦拉塞焊。从图中可以看出，具体工序是先将小孔镗开，然后塞入锥台，并在板材的外面添加砧板，在旋转锥台的同时施加拉力，焊接完成后通过机加工去除多余的锥台。

焊接设备图片来源：NASA文章《FRiction Pull Plug Welding in aluminum alloys》

焊接原理示意图图片来源：NASA文章《FRiction Pull Plug Welding in aluminum alloys》

整体工序示意图图片来源：NASA文章《FRiction Pull Plug Welding in aluminum alloys》、

接头表面宏观图片来源：NASA文章《FRiction Pull Plug Welding in aluminum alloys》

接头截面宏观图片来源：NASA文章《FRiction Pull Plug Welding in aluminum alloys》

摩擦拉塞焊最大的优势是通过将“压”变换为“拉”，保证焊接区域不发生变形的砧板就可以转移到结构件的外部，这大大增加了该焊接方法的通用性。

总结

NASA马歇尔太空飞行中心针对搅拌摩擦焊的两个技术更新有效解决了2系铝合金大型燃料罐的焊接问题，两个创新点中，一个通过“一变二”实现力的平衡，另一个通过“换方向”实现大空间操作，都打破了原有方法的局限性，有力推动了搅拌摩擦焊的发展。