铝合金搅拌摩擦焊的分析

　一、概述

　　1991年英国焊接研究所（TWI）发明了搅拌摩擦焊（FSW），从此以后，基于这种固相连接技术的明显优越性，例如：优良的接头力学生能，不需要填充焊接材料，没有焊接烟法和飞溅，很少的焊前准备和焊接变形等，在世界范围内的国际合和中开展了大量的研究和开发工作。另外，搅拌摩擦焊铝合金材料都能焊接，如应用于航空、航天领域的2000系列、5000系列和7000系列高强铝合金，也可以利用这种先进的焊接方法得到高质量的连接。英国焊接研究所的Dave NICHOLAS订为，搅拌摩擦焊工艺是自激光焊接问世以来最引人注目的焊接方法，它的出现将使铝合金等有色金属的连接技术发生革命性的进步。

　　2002年4月，北京航空制造工程研究所与英国焊接研究所（TWI）关于搅拌摩擦焊专利技术正式签约，并且取得了搅拌摩擦焊专利技术的独占性二级许可授予权，为中国市场开启了搅拌摩擦焊技术的研究、开发以及大规模工业化应用之门。

　　二、铝合金搅拌摩擦焊的应用现状

　　搅拌摩擦焊技术拥有诸多独特的优点，对于轻合金材料（如铝、铜、镁、锌等）的连接在焊接方法、力学性能和生产效率上具有其他焊接方法不可比拟的优越性。搅拌摩擦焊是一种固相连接方法，焊缝接头具有优良的力学性能和小的焊接变形，焊接过程中不需要添加保护气和焊丝，没有熔化、烟尘、飞溅及弧光，是一种环保型的新型连接技术。实际情况也的确如此，在FSW技术问世后的短短几年内，在焊接机理、适用材料、焊接设备以及工程化应用方面均取得了很大的进展。搅拌摩擦焊技术最初主要用于解决铝合金、镁合金及锌合金等材料的焊接。关于搅拌摩擦焊工艺的特点和应用等，英国焊接研究所进行了较多的研究，关于1993年、1995年申请了世界范围内的专利保护。目前，该所主要是与航空、航天、船舶、高速列车及汽车等焊接设备制造厂和国际性的大公司联合，以团体赞助或合作的形式（TWI的GSP项目）研究、开发搅拌摩擦焊技术，不断扩大其应用范围。

　　目前由工业企业赞助的研究项目包括：大厚度铝合金的搅拌摩擦焊、钢的搅拌摩擦焊、钛合金的搅拌摩擦焊、汽车轻型构件的搅拌摩擦焊等。美国的爱迪生焊接研究所（EWI）与TWI密切协作，也在进行FSW工艺的研究。美国的洛克希德。马丁航空航天公司、马歇乐航天飞行中心、美国海军研究年、Dartmuth大学、德国的Stuttgart大学、澳大利亚的Adelaide大学及澳大利亚焊接研究所等都有从不同的角度对搅拌摩擦焊进行了专门研究。

　　1 铝合金搅拌摩擦焊在航空航天领域中的应用

　　随着搅拌摩擦焊的研究进一步走向深入，搅拌摩擦焊设备也逐渐从试验室走向商用。TWI应用此技术为波音公司生产了3个2000系列铝合金航天飞机燃料箱；美国洛克希德。马丁公司、波音-麦道公司、洛克韦乐集团、爱迪生焊接研究所等多家机构目前正在致力于搅拌摩擦焊接的研究、应用评估和开发。在航空航天领域适于用FSW技术焊接的结构包括：军用或民用飞机的蒙皮、航天器中的低温燃料箱，航空器油箱、军用机的副油箱、军用或科技探测火箭等；美国洛克希德。马丁航空航天公司用该技术焊接了航天飞机外部储存液态氧的低温容器；在马歇乐航天飞行中心，也已用该技术焊接了大型圆筒形容器。

　　Boeing公司投资几百万美元，制造了用于Delta运载火箭的大型低温燃料容器的大型专用搅拌摩擦焊机，BAE空中客车公司正在对FSW技术进行方法、性能和可行性验证，目的是用来生产中型和大型商用客机，所采用的搅拌摩擦焊机由地处合利伐克斯的GRAWFORD-SWIFT公司制造，据说是欧洲功率最大的焊机。美国ECLIPSE（月蚀）航空公司将利用FSW来制造一架10.86 m长、翼展11.88 m的中型飞机，图1就是美国ECLIPSE公司耗资3亿美元研制成功的E500型新型节能小型喷气高务飞机。公司估计，采用FSW可以将机身壁板上的加强肋、框架的装配时间减少80%，使飞机成本降低为83.7万美元。此飞机的主要结构件、蒙皮等全部采用国际上最新的连接技术――搅拌摩擦焊技术制造，客机的机身基本上全部利用搅拌摩擦焊制造，其中包括飞机蒙皮、翼肋、弦状支撑、飞机地板以及结构件的装配等。

　　搅拌摩擦焊的应用主要用来提高生产效率和降低制造成本，会对航空结构件的搅拌摩擦焊工艺是由TWI与美国ALCOA公司联合进行试验开发，然后应用于ECLIPSE500型飞机结构件的焊接。公司在2000年9月通过了飞机安全委员会的初步设计评估和认证，2001年6月确定搅拌摩擦焊的飞机制造中的可行性，2001年开始制造搅拌摩擦焊飞机结构件，2002年6月首飞，并在6月29日~7月1日向公众展示了这种新型飞机的目前已经有上百家客户争相订购这种新型的谦价、切能的商务飞机，该种飞机预计2003年8月进行飞行认证，在2003年8月交会用户使用。

　　2 铝合金搅拌摩擦焊在船舶制造领域中的应用目前，基于搅拌摩擦焊在焊接方法、力学性能、制造成本以及环境等方面的巨大优越性和潜在的工业应用前景，在船舶制造领域里，搅拌摩擦焊得到了深入细致的研究和开发。船舶制造不仅要求速度的增加，而且要求单位价格载荷性能的提高，所以舰艇制造要尽可能的铝合金材料来降低船舶重量。但铝合金材料的传统连接方法为铆钉连接和弧焊连接，铆接增加了制造时间、人力和物料的使用量，而铝合金熔焊时容易产生变形、缺陷及烟尘等，也限制了弧焊在铝合金构件上的使用，所以随着搅拌摩擦焊技术的发展，用搅拌摩擦焊来实现高集成度的预成型模块化制造来代替传统的船舶来板-加强件结构的制造，是船舶制造技术发展的必然和革命性的进步。

　　搅拌摩擦焊在船舶轻合金预成形结构件上的应用，在外观、重量、性能、成本以及制造时间上具有明显的优越性，不仅可以用于船舶轻合金结构件的制造，还可以用于现场装配，为现代船舶制造提供了新的连接方法通知搅拌摩擦焊代替熔焊实现轻合金结构件的制造，是现代焊接技术发展的又一次飞跃。

　　FSW技术在船舶制造、海洋工业和宇航工业中有广泛的应用前景，适于用FSW技术焊接的结构包括：甲板、壁板、隔板等板材的拼焊、铝挤压件的焊接、船体和加强件的焊接、直升机降落平台的焊接等。目前已用该技术焊接快艇中上长为20 m的铝合金结构件，焊缝总长度超过500 km。

　　三、铝合金搅拌摩擦焊的发展趋势

　　在中国，北京航空制造工程研究所和英国TWI的搅拌试探焊技术合作中心――中国搅拌摩擦焊中心在搅拌摩擦焊的基础方法研究，材料应用研究、开发，搅拌摩擦焊设备的设计、制造和销售等方面，都取得很大的进展。

　　（1）目前，中心正在针对搅拌摩擦焊在航天火箭筒体制造，航空飞机框架、蒙皮和结构间的搅拌摩擦焊制造，船舶轻合金制造以及高速列车的铝合金型材的快速制造等方面正在展开全面的研究和工程攻关。另外，在承揽国防科研和总装课题的同时，还加强了和企业、大学的横向联合及技术合作。

　　（2）在搅拌摩擦焊设备的制造方面已经设计出3大类6类种形式的搅拌摩擦焊设备，并且在2003年3月为哈尔滨工业大学和华东船舶工业学院制造交付了2台专业化的搅拌摩擦焊设备（图2为中国搅拌摩擦焊中心设计制造的中国首台专业化的搅拌摩擦焊设备）。

　　（3）在工程应用方面，铝合金搅拌摩擦焊将在输变电、高速列车、新一代战斗机及新型运载火箭等方面首先得到应用

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