搅拌摩擦焊在航天航空工业中的应用

　　1991年，英国焊接研究所(TWI)发明了搅拌摩擦焊(FSW)，这项杰出的焊接技术发明正在为世界制造技术的进步做出贡献。在国外， FSW已在船舶、轨道车辆、汽车工业、轻型商用飞机、世界宇航等诸多制造领域达到规模化、工业化的应用水平。作为一种新型制造产业， FSW正在世界范围内兴起!

　　1 摩擦焊的定义及分类

　　在压力作用下，通过待焊工件的搅拌摩擦焊界面及其附近温度升高，材料的变形抗力降低、塑性提高、界面氧化膜破碎，伴随着材料产生塑性流变，通过界面的分子扩散和再结晶而实现焊接的固态焊接方法，叫做摩擦焊。按与工件的相对运动形式可分为惯性摩擦焊、径向摩擦焊、搅拌摩擦焊、轨道摩擦焊、线性摩擦焊、摩擦堆焊等。

　　2 搅拌摩擦焊焊接原理及工艺特性

　　2.1 搅拌摩擦焊(FSW)焊接原理

　　FSW焊接过程是由一个高速旋转的圆柱体焊头伸入工件的接缝处与工件摩擦，使连接部位的材料温度升高软化，进行搅拌摩擦来完成焊接的，即防止了塑性状态材料的溢出，同时又起到清除表面氧化膜的作用。如图1所示。

　　2.2 搅拌摩擦焊(FSW)的工艺特性

　　2.2.1 FSW工艺参数

　　最重要的参数是：搅拌头的尺寸、圆周速度及与工件的相对移动速度。表1是几种有色金属常用的焊接速度。对于铝合金的焊接，焊头的旋转速度可以从几百～几千r/min。焊接速度在1～15mm/s之间。所以FSW可以很方便地实现自动控制。例如，对1100和6061冷轧板进行FSW，板厚6.3mm。搅拌头的直径为6.3mm，长度为5.8mm。当焊接速度为1～4mm/s，搅拌头的转速在200～2000r/min的范围改变时，形成优质焊缝的最佳转速是400r/min。在转速超过10000r/min，引进材料应变速率增加，会影响焊缝的再结晶过程，使其强度降低。

　　2.2.2 FSW焊接接头性能

　　在FSW接头中，除了包括常见的焊缝区(搅拌区)，热影响区和母材外，还存在一个搅拌影响区。现选用试件材料为6061-T6(A1Mg1SiCu)为冷轧时效强化铝合金，试验中随着温度的升高会造成材料硬度和强度的降低，但由于搅拌的影响，使得近邻焊缝区域的材料发生变形强化，从而形成搅拌影响区。该试件的FSW温度场测试表明，焊缝中心最高温度为450℃左右(铝合金母材的熔化温度约为582℃)，相应的材料屈服强度将由常温下的约280MPa下降到约20MPa，搅拌高温足以使铝合金达到塑性流变状态而形成高塑变搅拌层。通过对6061-T6铝合金接头拉伸试验结果(表2)表明接头最薄弱的环节不在焊缝。

　　表2 6061-T6母材与焊接接头力学性能

　　另相关试验发现：FSW焊缝的宏观组织有明显的塑变流线，呈同心状。以7075-T6(AlZn5.6Mg2.5Cu1.6)铝合金为例，板厚6.35mm，焊接速度2.1mm/s，焊缝有再结晶，是细小等轴晶组织，直径约2～4μm，位错密度比母材低。母材中非常细小的晶内析出质点(约10nm)，在焊缝中已看不到。这是由于焊缝的温度没达到材料的熔点，但超过了偏析硬化质点的溶解温度。在搅拌影响区，严重的塑性变形使母材晶粒拉长，但透射电镜下看不到再结晶。

　　3 FSW在航天航空工业中的应用

　　波音公司最早将FSW应用于Delta II运载火箭4.8m高的中间舱段的制造(纵缝，厚度22.22mm，2014铝合金)，该运载火箭于1999年8月17日成功发射升空。2001年4月7日成功发射的“火星探索号”的压力贮箱焊缝接头也采用FSW技术，强度提高了30%， FSW技术首次在压力结构件上得到可靠地应用。后波音公司又将FSW技术用于制造Delta IV运载火箭中心助推器。该火箭贮箱直径为5m，采用2219-T87铝合金FSW技术，节约了60�的成本，制造周期由23天降低为6天。

　　欧洲Fokker宇航公司将FSW技术用于Ariane 5发动机主承力框的制造，承力框的材料为7075-T7351，主体结构由12块整体加工的带翼状加强的平板连接而成，结构制造中用FSW代替了螺栓连接，为零件之间的连接和装配提供了较大的裕度，减轻了结构重量。

　　FSW在飞机制造领域的开发和应用还处于验证阶段，主要利用FSW实现了飞机蒙皮和衍�、筋条、加强件之间的连接，框架之间的连接、飞机预成型件的安装、飞机壁板和地板的焊接、飞机结构件和蒙皮的在役修理等。如波音公司成功地实现了飞机起落架舱门复杂曲线的FSW焊接。美国Eclipse飞机制造公司制造的第一架采用FSW技术的商用喷气客机(Eclipse500)于2002年8月进行了首飞测试。其机身蒙皮、翼肋、弦状支撑、飞机地板以及结构件的装配等铆接工序均由FSW替代，节约了制造成本并且减轻了机身重量。

　　4 国内搅拌摩擦焊发展现状

　　是中国地区唯一得到英国TWI授权的专业化FSW技术开发与设备制造企业，为FSW技术在中国地区的发展、推广和工业化应用打开了大门。国内一些高等院校及科研、生产单位，相继通过中国FSW中心，正式获取了英国TWI专利使用许可证，开展了不少科学试验研究工作及产品开发应用，并且已经开始在我国航空、航天、船舶、列车、电力等工业制造行业中大规模工程化应用，正在推动着中国轻合金结构制造业连接技术的加速发展。

　　5 结束语

　　FSW在方法、材料、性能和效率、成本、环保等方面的优越性，正被广泛应用于铝合金结构件的连接制造并大面积取代熔焊方法。作为航空机械制造类高职院校，探讨FSW的焊接工艺对焊接教学实训是十分必要的。