搅拌摩擦焊--航空制造业中的“生力军”

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搅拌摩擦焊--航空制造业中的“生力军”

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& r4 }8 H9 X$ s作者：中国搅拌摩擦焊中心 栾国红    来源：MM现代制造



5 E4 S: O! ^- X9 x; ?搅拌摩擦焊作为一种新型固相焊接技术，可以很好的实现轻质合金或难焊材料的连接，在航空航天制造业有着广泛的应用前景。

搅拌摩擦焊技术特点
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搅拌摩擦焊技术是由英国焊接研究所于1991年发明的一项新型固相焊接技术。其基本原理及工艺过程如图1，搅拌头是主要的施焊工具，在搅拌头的前端有一凸出的搅拌针，焊接过程中搅拌针要插入工件中带动热塑化的接头材料实现流动、转移并促使接头金属扩散接合。搅拌摩擦焊接过程可以分解为四个不同阶段：旋转、插入、焊接以及离开。搅拌头旋转启动后，以一定速度插入待焊零件；停留一段时间，搅拌头附近区域的接头材料得到足够的摩擦热输入，从而出现软化变形，并有部分材料被挤到接头外部；此时可以进行焊接，焊接时，热塑化的接头材料不断被搅拌头向后转移，这部分材料在一定锻压力作用下可以与周围材料形成牢固的扩散连接；焊接完成后，搅拌头以一定速度离开零件表面，表示焊接过程结束。

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$ h8 y8 g; ?) D& y/ {图1 搅拌摩擦焊基本原理及工艺过程

搅拌摩擦焊接过程中，接头温度峰值始终处于材料熔化点以下（约为材料熔点的4/5），不会出现材料熔化，从而避免了常规熔焊工艺中因熔化-凝固现象存在所造成的各种焊接缺陷。接头材料在高温软化状态下，由于搅拌头的挤压而形成牢固的锻造细晶组织。与其它焊接方法相比，搅拌摩擦焊具有以下优点：

1.搅拌摩擦焊是一种固相连接技术，接头性能优异；
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  x( j/ w% E( |2.焊前不需要开坡口，可以节省焊前准备工时；
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3.焊接过程中不需要保护气，也不需要填充材料；
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4.焊接过程容易实现自动化，可以实现全位置焊接（如图2），接头质量一致性好；

5.焊接热输入，从而导致焊接变形小、接头残余应力水平低，是一种低应力、小变形焊接技术；
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. l: d& p9 u, ?$ S6.焊接过程中无飞溅、无弧光、无辐射，是一种绿色焊接技术；
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7 ?4 r! U! x; P2 [2 \7.焊接效率高、能耗低，是一种高效焊接技术。
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" E8 }1 x1 _) K$ E8 j9 v根据以上特点，搅拌摩擦焊在铝合金、镁合金等轻质合金焊接方面有其独特优势，也可以用于钢、钛合金等高熔点的难焊材料，在航空航天制造业中有着广阔的应用前景。
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国外搅拌摩擦焊技术
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7 j1 L- P+ R# F' i8 s1. 航天燃料贮箱焊接
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波音公司1997年利用搅拌摩擦焊接修复了一台有熔焊焊接缺陷的Delta火箭燃料贮箱，并于1999年将含有搅拌摩擦焊接修复的Delta火箭成功发射。

通过与原工艺（变极性等离子弧焊）相比，搅拌摩擦焊可以达到如下效果：

（1）降低缺陷发生率，截至2005年共制造了约8100m无缺陷焊缝；
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（2）接头强度提高20%以上；
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（3）焊接时间节约71%；

（4）劳动量节约81%；
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（5）制造成本节约60%
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目前，波音公司已分别针对Delta II和Delta IV火箭建立了两套搅拌摩擦焊接生产线。洛克希德.马丁公司将搅拌摩擦焊技术用于航天飞机外贮箱的制造；Fokker Space公司采用搅拌摩擦焊技术焊接了Ariane 5火箭发动机主承力框；三菱重工则将搅拌摩擦焊技术用于焊接H-IIA（B）火箭。目前，搅拌摩擦焊已成为这些企业制造贮箱类结构的主要焊接技术。
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! E+ t( n3 b: K, M& H: t2 P2. 航空典型结构焊接

在1998年，波音公司开始对搅拌摩擦焊的战斗机零件进行常规力学性能和疲劳性能研究，并进行了飞行试验验证。目前，在运载火箭成功应用基础上，波音公司对飞机结构的搅拌摩擦技术研究和试验已经进入系统化的工程应用开发阶段，同时致力于低成本、小批量、预成型件和机加工件的搅拌摩擦焊生产，来代替高成本、大型单件零件制造。
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& F' {  S- g! t4 I$ u- c2004年，在美国空军的“金属材料的可支付性厨师项目”（MAI）资助下，针对C-17型大型军用运输机的铝合金载物底板进行了搅拌摩擦焊应用开发研究。载物底板的基本结构为三明治结构。对于该结构波音公司尝试了五种制造方案，包括搅拌摩擦焊技术、GMAW技术以及各种机械连接方法。其中只有搅拌摩擦焊技术，不仅满足了产品的性能要求，也满足了美国空军对该项目的成本要求。该“Slipper”结构由7块6005A铝合金挤压型材焊接在一起，每两块型材之间由上下两道搅拌摩擦焊接头连接而成。焊后对6005A铝合金挤压型材搅拌摩擦焊接头进行各种抗腐蚀性能试验表明：
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1 a* u; e* }: L' J7 _3 J% S5 J（1）按照ASTM标准进行48h的剥落腐蚀试验，没有明显的腐蚀痕迹；经过96h的剥落腐蚀后，产生了少量的腐蚀斑点。
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: I3 z" E( h' t; n! E8 U（2）按照ASTM标准进行24h晶间腐蚀试验，接头表面出现了少量腐蚀痕迹。

# T4 P: P  d% b7 X, a8 f4 ~% Y（3）经过中性盐雾浸泡，在接头表面0.076mm范围内发现了腐蚀痕迹。
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' Z+ X, t) M7 M（4）按照ASTM标准，在酸性盐雾中浸泡两周，结果与试验3相似。

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美国Eclipse公司采用搅拌摩擦焊技术代替了N500型商务飞机上70%以上的铆钉连接，加上其它新技术（如激光矫直装配）的运用，共计节省成本约2/3。采用搅拌摩擦焊技术，可以比自动铆接快6倍，比手动铆接快60倍，预计2008年可以达到每天生产4架的批生产能力。
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空中客车公司已将搅拌摩擦焊技术用于A340-500s、600s和A350-800s、900s飞机机身蒙皮的生产，通过采用搅拌摩擦焊技术代替铆钉连接，每米可实现减重0.9kg。此外，空中客车法国公司和英国公司等分别开展了中央翼盒和飞机机翼的搅拌摩擦焊技术研究。研究表明，搅拌摩擦焊技术可以实现熔焊难以焊接的7000系列铝合金结构的焊接，且具有相当好的工艺重复性和比较大的工艺裕度。
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3. 太空焊接技术
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3 z( \$ v0 z! x5 {) v* C太空焊接是搅拌摩擦焊技术的新应用领域。美国航空航天管理局（NASA）正在开发高转速（最高可达50000rpm）搅拌摩擦焊技术，这一新技术预计可以使设备体积、重量以及焊接时需要的锻压力等大大降低，从而可以提供一种便携式的搅拌摩擦焊装置，以便于在太空中实现对航天飞机、宇宙飞船以及空间站等结构的焊接修补。目前这项技术尚处于研究的初期阶段，还没有具体的应用成果公布。
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国内的搅拌摩擦焊技术
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2002年，搅拌摩擦焊技术正式进入中国，并很快在学术研究、产品开发与工程应用等方面得到快速发展。
/ F- ]3 ]2 j' _1. 小型兵装武器的搅拌摩擦焊接

5 H; H% d# `2 P5 r: T( P/ S2003年，中国搅拌摩擦焊中心与国内某工厂合作开发了搅拌摩擦焊接的小型薄壁筒体，该筒体材料为LY12-CZ铝合金，由三个不同零件组成：左端锥体、右端锥体以及中间直筒体。整个筒体由两条焊缝连接而成，焊接接头为搭接形式，焊缝形式为环缝，焊缝直径为90mm，搭接厚度为3mm。

该零件焊后测试，可以承受3个以上大气压，焊缝部位不漏气；焊缝外观一致、焊缝成型良好、美观；每班能够生产150个零件。在开发搅拌摩擦焊以前，该结构零件曾经使用交流钨极氩弧焊（TIG）进行薄壁柱形筒体的焊接，但是LY12铝合金薄壁搭接筒形件的焊接后，经常出现裂纹和气孔，该焊接产品废品率甚至达到70%，很难达到产品批生产要求。搅拌摩擦焊技术有效地解决了这一系列难题，接头强度系数可以达到90%，成品率达到90%以上。
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3 ~" y- y* Y7 P0 u2. 导弹舱段的搅拌摩擦焊接

% B8 H- ^. F" R6 l0 F- S出于减重等方面的考虑，导弹舱段拟由原来的防锈铝（如5A06铝合金）改为高强铝合金（如LY12），但是这些材料采用熔焊方法很难实现焊接，整体成型的成本又很高，因此迫切需要像搅拌摩擦焊这样的固相焊接技术。

2004～2005年，中国搅拌摩擦焊中心与某基地合作开展了这方面的研究，分别对与整体舱段制造有关的纵缝连接、环缝连接等进行了应用开发，试制了多个型号的产品并成功试飞。目前，搅拌摩擦焊技术已准备用于相关产品的批量化生产。

2 i" ]* G6 d' k) b) {3. 火箭燃料贮箱的搅拌摩擦焊接

6 E6 s* ~( m, T1 E* V7 f) w$ @鉴于波音公司、洛克希德.马丁公司等均已将搅拌摩擦焊技术用于火箭燃料贮箱和航天飞机外挂燃料贮箱的焊接，搅拌摩擦焊技术在国内的推广比较容易。2002～2005年，在国家多个课题研究项目的支持下，中国搅拌摩擦焊中心与国内的某航天制造厂针对直径2250mm和直径3350mm火箭燃料贮箱开展了合作，研制了相关模拟结构件，并通过了压力试验测试。通过基础研究，中国搅拌摩擦焊中心研制了多台用于火箭贮箱（筒体结构以及箱底结构）焊接的搅拌摩擦焊设备，已投入使用。
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/ r4 O" h- x! u5 N& c/ d. u搅拌摩擦焊是一种非常优秀的焊接技术，对于解决铝合金（尤其是2000系列和7000系列铝合金）等轻质合金的焊接难题具有重要意义。国际上主要的工业发达国家已将该技术广泛用于航空、航天等领域的产品制造中，国内的起步虽然比较晚，但是发展速度很快，星星之火已成燎原之势。(end)