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搅拌摩擦焊在航空航天工业中的应用-（南昌航空大学 航空制造工程学院 0882班 南昌 330063）摘要：系统地总结了搅拌摩擦焊接技术的发展过程和技术特点 搅拌摩擦焊正快速发展， 面对中国在航空航天工业领域的发展规划和需求牵引， 搅拌摩擦焊在未来几年内将迎来快速发展和应用的高峰。关键词：搅拌摩擦焊 航空 航天 应用 发展前言从神舟五号到神舟七号，中国载人航天工程完成了从首次问天到太空漫步的跨越， 探月工程正进入“ 嫦娥” 绕月阶段， 国产新一代战机歼十展翅蓝天， 拥有自主知识产权的支线客机A R J 2 1 蓄势待发， 新一代大运载火箭、大飞机已相继通过国家立项， 近年来中国航空航天工业的快速发展为增强综合国力和维护国家安全提供了重要保障。航空航天先进制造技术， 已成为一个国家综合制造业能力与水平的最显著标志， 也是新技术、新工艺和新材料等高新技术研发的竞争焦点领域。在航空航天装备的制造中， 焊接始终处于至关重要的地位1搅拌摩擦焊（riction stir welding ,简称FSW) 是由英国焊接研究所(The Welding Institute , 简称TWI) 于1991 年提出的一种固态连接方法 ,于1993 年和1995 年在世界许多国家申请了知识产权保护。此技术原理简单,控制参数少,易于自动化,可将焊接过程中的人为因素降到最低。搅拌摩擦焊技术与传统的熔焊相比,拥有很多优点,因而具有广泛的工业应用前景和发展潜力。有关搅拌摩擦焊接头的组织、力学性能(包括断裂、疲劳、腐蚀性能) 、无损检测以及工艺参数对焊缝质量的影响等的研究是推广应用搅拌摩擦焊的基础,有关这些方面的研究是这个领域的研究热点。搅拌摩擦焊技术是世界焊接技术发展史上自发明到工业应用时间跨度最短和发展最快的一项固相连接新技术。截止2002年9月15日,得到英国焊接研究所(TWI) 搅拌摩擦焊专利技术许可的用户己经有78 家,与搅拌摩擦焊技术相关的专利技术有551 项,用户已覆盖24个国家和地区。著名的Boeing、NASA、BAE、HONDA、GE、HITACHI、MARTIN 等公司都购买了此项技术,并已在航天、航空、车辆、造船等行业得到成功地应用.作为一项创新的连接技术，搅拌摩擦焊在焊接科学技术应用发展史上具有里程碑意义。铝合金结构的电弧焊已历经半个多世纪的发展，但焊缝中的气孔、热裂纹等缺陷， 接头强度性能的损失，薄壁结构的变形等一直是困扰焊接学术界及工程界的难题， 始终未能彻底解决。而搅拌摩擦焊的出现，基本上消除了电弧焊的缺点。其卓越的技术优势、潜在的经济和社会效益已彰显于航空航天运载工具的成功推广应用上， 如运载火箭及航天飞机的推进器结构， 飞机机身、机翼等结构。此外， 在基础研究领域， 搅拌摩擦焊焊接加工的相关基础研究正在全球范围如火如荼地开展1.搅拌摩擦焊的的发展利用摩擦热焊接起源于一百多年前，此后经半个多世纪的研究发展，摩擦焊技术才逐渐成熟起来，并进入推广应用阶段。自从上世纪五十年代摩擦焊真正焊出合格焊接接头以来，就以其优质、高效、低耗环保的突出优点受到所有工业强国的重视。我国的摩擦焊研究始于1957年，发源地是哈尔滨焊接研究所，是世界上最早开展摩擦焊研究的几个国家之一，取得了很多引人注目的成果。搅拌摩擦焊技术是1991年英国焊接研究所发明的固相连接技术，它在航空、航天、船舶、海洋工业、武器装备以及高速列车等领域的轻结构制造中的应用研究得到广泛开展。同时也引起了我国科技工作者的高度重视，先后开展了一些搅拌摩擦焊的研究工作，今后要对搅拌摩擦焊的机理、微观组织、力学性能和搅拌摩擦焊的核心技术搅拌头等展开更加深入的研究。拓展搅拌摩擦的材料焊接范围，特别是要加强异种材料搅拌摩擦的研究，进一步扩大搅拌摩擦焊的工程应用。同时还要对摩擦堆焊、第三体摩擦焊和嵌入摩擦焊开展研究。2.搅拌摩擦焊技术及其发展现状2.1搅拌摩擦焊的技术特点搅拌摩擦焊作为一项新型焊接方法，用很短的时间就完成了从发明到工业化应用的历程。目前,在国际上还没有针对搅拌摩擦焊公布的统一技术术语标准，在搅拌摩擦焊专利许可协会的影响下，业界已经对搅拌摩擦焊方法中所涉及到的通用技术术语进行了定义和认可。图1示出了搅拌摩擦焊所用到的主要描述性术语图1搅拌摩擦焊原理示意与名词术语搅拌摩擦焊技术所涉及到的主要技术术语定义如下：搅拌头（Pin tool）搅拌摩擦焊的施焊工具；搅拌头轴肩（Tool Shoulder）搅拌头与工件表面接触的肩台部分；搅拌针（Tool Pin）搅拌头插入工件的部分；前进侧（Advanced Side）焊接方向与搅拌头轴肩旋转方向一致的焊缝侧面；回转侧（Retreating Side）焊接方向与搅拌头轴肩旋转方向相反的焊缝侧面；轴向压力（Down or Axial Force）向搅拌头施加的使搅拌针插入工件和保持搅 拌头轴肩与工件表面接触的压力；搅拌摩擦焊是一种在机械力和摩擦热作用下的固相连接方法。搅拌摩擦焊过程中，一个柱形带特殊轴肩和针凸的搅拌头旋转着缓慢插入被焊接工件，搅拌头和被焊接材料之间的摩擦剪切阻力产生了摩擦热，使搅拌头邻近区域的材料热塑化（焊接温度一般不会达到和超过被焊接材料的熔点），当搅拌头旋转着向前移动时，热塑化的金属材料从搅拌头的前沿向后沿转移，并且在搅拌头轴肩与工件表层摩擦产热和锻压共同作用下，形成致密固相连接接头。 搅拌摩擦焊具有适合于自动化和机器人操作的诸多优点，对于有色金属材料（如铝、铜、镁、锌等）的连接,在焊接方法、接头力学性能和生产效率上具有其他焊接方法无可比拟的优越性，它是一种高效、节能、环保型的新型连接技术。但是搅拌摩擦焊也有其局限性，例如：焊缝末尾通常有匙孔存在（目前已可以实现无孔焊接）；焊接时的机械力较大，需要焊接设备具有很好的刚性；与弧焊相比,缺少焊接操作的柔性；不能实现添丝焊接。 搅拌摩擦焊对材料的适应性很强，几乎可以焊接所有类型的铝合金材料，由于搅拌摩擦焊接过程较低的焊接温度和较小的热输入，一般搅拌摩擦焊接头具有变形小、接头性能优异等特点;可以焊接目前熔焊“不能焊接”和所谓“难焊”的金属材料如：Al-Cu(2xxx系列) 、Al-Zn(7xxx系列)和Al-Li(如8090、2090 和2195铝合金)等铝合金。 另外，搅拌摩擦焊对于镁合金、锌合金、铜合金、铅合金以及铝基复合材料等材料的板状对接或搭接的连接也是优先选择的焊接方法；目前，搅拌摩擦焊还成功地实现了不锈钢、钛合金甚至高温合金的优质连接。搅拌摩擦焊可以较容易实现异种材料的连接，例如铝合金和不锈钢的搅拌摩擦焊接，利用搅拌摩擦焊可以较方便的实现铝钢板材之间的连接和铜铝复合焊接接头。 搅拌摩擦焊发明初期主要解决厚度1.26毫米的铝合金板材焊接问题;1996年，用FSW技术解决了612毫米的铝、镁、铜合金的连接.1997年实现了1225毫米厚铝合金板的搅拌摩擦焊，并且在宇航结构件上得到应用.1999年搅拌摩擦焊可以焊接50毫米厚的铜合金及75毫米厚度的铝合金零件和产品.2004年，英国焊接研究所已经能够单道单面实现100毫米厚铝合金板材的搅拌摩擦焊。迄今，在材料的厚度上，单道焊可以实现厚度为0.8100mm铝合金材料的焊接；双道焊可以焊接180mm厚的对接板材。最近,又开发了可以连接0.4mm铝板的微型搅拌摩擦焊技术.搅拌摩擦焊是长、直规则焊缝（平板对接和搭接）的理想焊接方法.搅拌摩擦焊也已可以实现2-D、3-D结构的焊接,如筒形零件的环缝和纵缝;可以实现全位置空间焊接，如水平焊、垂直焊、仰焊以及任意位置和角度的轨道焊。图2示出了多种典型的搅拌摩擦焊接头形式，如多层对接、多层搭接、T形接头、V形接头、角接等。与传统钨极氩弧焊（TIG）和熔化极氩弧焊（MIG）焊接相比较，搅拌摩擦焊在接头力学性能上据有明显的优越性。例如,对于6.4mm厚的2014-T6铝合金，FSW焊接头性能比TIG焊高16;对于12.7毫米厚的2014-T6铝合金，FSW焊接头性能比TIG焊高22.搅拌摩擦焊接头性能数据一致性较好，工艺稳定，焊接接头质量容易保证。搅拌摩擦焊接头的疲劳性能一般都优于熔焊接头。1996年英国焊接研究所对6mm厚度的2014-T6、 2219-T6、5083-0 和7075-T7351等铝合金进行了搅拌摩擦焊接头的疲劳性能研究，结果表明搅拌摩擦焊接头的疲劳性能优于欧洲弧焊标准（ECCS class B3）。3.搅拌摩擦焊在航空航天制造工业的应用发展现状3.1航天制造工业迄今，越来越多的国家都在竭尽全力发展太空交通工具，箭体结构是航天运载工具( 运载火箭、航天飞机、导弹等) 的重要结构件，承载了所有的载荷和推进剂， 主要包括推进剂贮箱、级问段和整流罩等舱段。箭体结构的可靠性直接决定运载火箭的可靠性， 而又以推进剂贮箱的制造质量最为关键。国外箭体结构材料已经发展到了第三代铝锂合金， 其关键制造工艺焊接技术已由最初的钨极氩弧焊发展到了搅拌摩擦焊。目前搅拌摩擦焊技术已广泛应用于美国Delta系列、Atlas系列火箭贮箱、航天飞机外贮箱纵缝的高质量焊接口。自1998年开始，美国波音公司首先将搅拌摩擦焊应用在DeltaII型运载火箭的中间舱段的连接制造，于1999年8月17日成功发射升空。目前， 波音公司系列火箭燃料贮箱的主要连接技术已经从弧焊转变为搅拌摩擦焊。在DeltaIV 型火箭中心助推器上的应用使焊缝接头强度提高3050 。制造周期降低了大约80，通过改进接头设计，DeltaIV和DeltaII的制造费用节省了60，生产周期由原来的23天减少为6天。日本三菱重工已经开发出双轴肩搅拌摩擦焊技术，并将其应用于新型运载火箭H一2B贮箱的筒段纵缝和对接环缝的高可靠、高效、无缺陷焊接( 图2 ) ，首枚H一2B火箭计划于2008年发射升空。图2 H一2B火箭推进剂贮箱(简段纵缝和对接环缝采用搅拌摩擦焊)在国内，搅拌摩擦焊作为推进剂贮箱的一项关键制造工艺，正在深人进行工程化应用研究。搅拌摩擦焊在航天工业上的应用和推广，可以提高中国航天运载工具及导弹类产品的性能和生产效率，为国防、载人航天及探月工程等做出贡献。3.2 航空制造工业在航空制造工业领域，搅拌摩擦焊作为飞机轻合金结构制造技术的一种发展趋势还处于研究开发以及工程化阶段。但是以英国焊接研究所、波音、空客以及美国月蚀公司为代表的搅拌摩擦焊技术开发和应用的先锋，已经取得了丰硕的成果。近期的研究结果表明，搅拌摩擦焊可以在飞机机翼结构、翼盒结构、机身结构、舱门结构、裙翼结构、机舱气密隔板以及货物装卸结构等方面得到应用。美国大型军用运输机C17的舱内地板和载货斜坡地板采用了搅拌摩擦焊技术制造( 图3 )，制造成本降低360万美元，仅载货斜坡地板构件就可以减重180kg，洛克希德.马丁公司已将搅拌摩擦焊应用于C一130J压力舱壁板、地板及隔板的焊接，并于2002年通过了全尺寸机身段功能验证。波音公司采用搅拌摩擦焊成功实现了F一15战斗机尾翼整流罩结构上薄壁T形接头的焊接，并通过了飞行测试。空客公司采用搅拌摩擦焊技术制造A340600型大型民用客机的翼肋( 图4 ) ，空客计划将搅拌摩擦焊技术大规模用于A350机身纵缝的焊接。以取代传统的铆接。资料表明，使用搅拌摩擦焊技术制造飞机机身，每米连接长度可以减重0.9kg ，减重效果明显。图3 大型军用运输机C一17舱内地板采用搅拌摩擦焊制造图4 空客公司采用搅拌摩擦焊制造A340大型客机翼肋美国月蚀航空公司白1997年就投资3亿美元用于全搅拌摩擦焊飞机的开发和研制通过对搅拌头、焊接工艺、焊接应力变形控制技术、焊接工装设备的优化研究，以及对搅拌摩擦焊结构性能的系统测试试验， 并取得了FAA认证后月蚀公司在Eclipse一500型商务飞机上采用搅拌摩擦焊技术全面替代了铆钉连接结构，包括飞机蒙皮、翼肋、弦状支撑、飞机地板甚至结构件的装配( 图5 ) 。图5 Eclipse一500型全搅拌摩擦焊商务飞机单架飞机共用136m长的搅拌摩擦焊焊缝代替7378个铆钉，飞机的搅拌摩擦焊焊接制造效率比自动铆接快6倍，比手动铆接快60倍。搅拌摩擦焊的应用提高了生产效率、降低了制造成本，该型飞机已经于2003年8月开始交付用户使用，2008年将达到日生产4架飞机。搅拌摩擦焊技术的采用是该型飞机研制取得成功的关键因素之一。自2005年开始，针对飞机结构及材料，国内开展了搅拌摩擦焊基础工艺技术研究，并与国内飞机设计所和制造厂合作，积极探索搅拌摩擦焊应用于在役和未来新一代战斗机、大飞机的可行性。图6为中国搅拌摩擦焊中心研制的搅拌摩擦焊薄壁飞机模拟结构件。图6 搅拌摩擦焊飞机模拟验证结构件4.搅拌摩擦焊技术优势搅拌摩擦焊除了具有普通摩擦焊技术的优点外,还可以进行多种接头形式和不同焊接位置的连接,如图7所示.采用搅拌摩擦焊技术不仅能焊接几乎所有熔焊能够焊接的金属,而且能焊接许多熔化焊接性能差的金属,如铝合金、钛合金、铜合金等。就铝合金而言,铝合金在高温熔化时易吸附氢导致凝固后产生气孔,容易产生热裂纹和变形,因此焊接缺陷率高,并且随着铝合金中合金元素含量的增加,这些焊接缺陷率会大大增加。若是采用搅拌摩擦焊,则因为焊接过程中无金属熔化而克服了上述缺点,因此搅拌摩擦焊可以使不适宜于熔焊的金属得到可靠的连接。此外,搅拌摩擦焊不仅能用于同质合金间的连接,而且还适用于异质合金间的连接。图7 几种搅拌摩擦焊的接头形式采用搅拌摩擦焊取代传统的熔焊,还能改善焊缝组织和大大提高焊接接头的力学性能,并且排除可能产生的熔焊缺陷。搅拌摩擦焊焊缝组织分区如图8 所示,分为AD 四个区域。A 区为母材区(basic metal ,简称BM) 。B 区为热影响区(heat affected zone ,简称HAZ) ,该区域的材料因受热循环的影响,微观组织和力学性能均发生了变化,但没有发生塑性变形。C 区为热变形影响区( there mome chanically affected zone ,简称TMAZ) ,该区域材料已经产生了剧烈的塑性变形。就铝合金而言,再结晶区域和TMAZ 之间通常有明显的界限,但在其他没有热致相变的材料中,如在纯钛、钛合金、奥氏体不锈钢和铜中,似乎TMAZ 整体已再结晶化,产生了无应变再结晶,这可能使得HAZ/ TMAZ 的边界难以精确划分。D 区为焊核( dynamically recrystallized zone ,简称DXZ) ,焊核是最接近轴肩的区域,组织结构通常有较大的变化。在焊接接头的热影响区中,除了腐蚀反应比母材快一些外,其金相组织与母材没有多大区别。在焊接接头的热变形影响区,焊接过程引起长晶粒的弯曲和轻微的重结晶。焊核由纤细的经动态再结晶的等轴晶构成,晶粒尺寸比母材小得多。5083 铝合金的搅拌摩擦焊实验表明,焊缝最薄弱的环节不在焊核区,而是在热影响区。经过固溶处理和人工时效处理的2 系列、6 系列铝合金的搅拌摩擦焊焊缝,经过时效处理后,强度接近于基体材料的强度。图8 搅拌摩擦焊焊缝分区示意5.搅拌摩擦焊应用发展的前景搅拌摩擦焊在欧美等发达国家航空航天制造领域的工业化应用得到突飞猛进的发展， 得益于在焊接机理及焊接可靠性等基础研究领域的高度重视和全力投入。表1 所列为欧美近年来在搅拌摩擦焊基础研究领域开展的大型国际合作项目。白2004年10月起，美国国家自然科学基金工业大学合作研究中心与美国四所大学合作成立了搅拌摩表1 欧美搅拌摩擦焊接技术大型国际合作项目擦加工中心， 并联合了包括美国陆军研究实验室、波音Phantom Works 、MTS Systems Corps 、空客EADS 、BAE Systems 、NASA兰利研究中心、洛克希德.马丁公司等二十多家研究机构作为工业合作伙伴， 合作开展搅拌摩擦焊焊接加工的基础研究、工艺技术研究等工作。 在中国， 搅拌摩擦焊的基础研究、技术开发及推广应用刚刚起步， 通过引进、消化、吸收及技术创新， 搅拌摩擦焊得到了快速发展， 尤其在航空、航天、船舶等制造领域， 在国家政策和项目的支持下， 搅拌摩擦焊必将在国内其它工业领域得到较快的推广应用。面对中国在航空、航天、船舶、铁路、能源等领域的远景规划和长远发展， 以及潜在的巨大市场需求， 搅拌摩擦焊在未来的35年内将迎来快速发展和应用的高峰结束语由于搅拌摩擦焊接技术拥有其他焊接技术不可比拟的优势,因此拥有广泛的工业应用前景。随着搅拌摩擦焊过程中的塑性流动行为研究,焊接过程热力耦合作用的有限元分析,各种典型材料搅拌摩擦焊工艺参数的优化和接头性能的评定,搅拌头形状的设计与优化以及异种金属间的连接等方面研究工作的进一步深入,搅拌摩擦焊技术将不断得到完善,应用将更加广泛，面对中国在航空航天领域快速发展的规划和需求， 搅拌摩擦焊在未来的几年内将迎来快速发展和应用的高峰。致谢本文撰写过程用到了纵多焊接专家学者及其一些接研究所所提供得许多相关技术和参考资料，在此一并表示感谢。参考文献1 董春林，栾国红，关桥. 搅拌摩擦焊在航空舫天的应用及发展现状与前景J. 焊接，2008（11）：25-312栾国红，季亚娟，简波 .飞机轻金属结构的搅拌摩擦焊.航空制造技术，2006（12）：15-20 3 王快社，王训宏，王聪林，等. 搅拌摩擦焊研究最新发展J.西安建筑科技大学学报（自然科学版），2004，（4）：501-5054 张华，林三宝，吴林，等. 搅拌摩擦焊研究进展及前景展望J.焊接学报，2003，（3）：90-975 黄华，董仕节，刘静，等. 先进的搅拌摩擦焊技术J.有色金属，2006，（1）：60-636 丁丽丽，何旭斌，胡进，等. 搅拌摩擦焊技术在军用飞机航空修理中的应用J.电焊机，2004，（5）:130-1347王亚军，卢志军.焊接技术在航空航天工业中的应用和发展建议J. 航空制造技术，2008（16）：26-318吴希孟.焊接技术在航空工业中的应用J.航空科学技术.2000（2）：24-289邱慧中.焊接技术在航天飞机上的应用J.宇航材料工艺.1990（1）：10-1610 曹朝霞，刘书华，王德庆，等. 搅拌摩擦焊工艺探索与研究J.2002（4）：57-6011 任淑荣，马宗义，陈礼清. 搅拌摩擦焊接及其加工研究现状与展望J.2007（1）：86-92