搅拌摩擦焊在航天航空工业中的应用

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S c科 i e n c e&技 T e c h视 n o l o g y界 V i s i o n

搅拌摩擦焊在航天航空工业中的应用任敬卫付伟东 (西安航空职业技术学院，陕西西安 7 1 0 0 8 9 )【摘要】本文分析了搅拌摩擦焊 ( F s w)这项创新的焊接新技术的工艺特性及在航天、航空结构制造领域的应用，同时介绍了国内搅拌摩擦焊发展现状及对航空制造焊接教学实训的指导意义。

【关键词】摩擦焊的定义及分类； F S W原理及工艺特性； F S W在航天航空工业中的应用；国内发展现状1 9 9 1年，英国焊接研究所 ( T WI )发明了搅拌摩擦焊( F s w),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， F S W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 F s W正在世界范围内兴起 12 . 2 . 2 F S W焊接接头性能在F s W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 6 0 6 1一 T 6 ( A 1 M g l S i C u )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 F S W温度场测试表明 .焊缝中心最高温度为 4 5 0￣ C左右 (铝合金母材的熔化温度约为 5 8 2℃) .相应的材料屈服强度将由常温下的约 2 8 0 M P a下降到约 2 0 MP a,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 6 0 6 1一 T 6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 6 0 6 1一 T 6母材与焊接接头力学性能

1摩擦焊的定义及分类在压力作用下 .通过待焊工件的摩擦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 ( v s w)焊接原理 F S W焊接过程是由一个高速旋转的圆柱体焊头伸人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 .进行搅拌摩擦来完另相关试验发现： F S W焊缝的宏观组织有明显的塑变流线，呈同成焊接的，即防止了塑性状态材料的溢出 .同时又起到清除表面氧化心状以7 0 7 5一 T 6 ( A I Z n 5 . 6 M g 2 . 5 C u 1 . 6 )铝合金为例 .板厚6 . 3 5 a r m,焊接膜的作用。如图 1所示。 速度 2 . 1 mm/ s,焊缝有再结晶，是细小等轴晶组织 .直径约 2 - 4 t x m,位错密度比母材低。母材中非常细小的晶内析出质点 (约 1 O h m ) .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 F S W在航天航空工业中的应用波音公司最早将 F S W应用于 De I t a I I运载火箭 4 . 8 m高的中间舱段的制造 (纵缝，厚度 2 2 . 2 2 m m, 2 0 1 4铝合金 ),该运载火箭于 1 9 9 9年 8月1 7日成功发射升空 2 0 0 1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 F S W技术 .强度提高了 3 0%. F S W技术首次在压力结构件上得到可靠地应用后波音公司叉将 F s w技术用于制造 D e l t a I v运载火箭中心助推器该火箭贮箱直径为 5 m,采用 2 2 1 9一 T 8 7铝合金 F S W技术 .节约了 6 0%的成本 .制造周期由 2 3天降低为 6天。 欧洲 F o k k e r宇航公司将 F S W技术用于 A r i a n e 5发动机主承力框的制造 .承力框的材料为 7 0 7 5一 T 7 3 5 1 .主体结构由 l 2块整体加工的带翼状加强的平板连接而成 .结构制造中用 F S W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 F S W在飞机制造领域的开发和应用还处于验证阶段 .主要利用 F S W实现了飞机蒙皮和衍棵、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F S W焊接美国 E c l i D s e飞机制造公司制造的第一架采用 F S W技术的商用喷气客机 ( E c l i p s e 5 0 0 )于2 0 0 2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 F S W替代 .节约了制造成本并且减轻了机身重量

图1 F S W焊接过程示意图

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2 . 2搅拌摩擦焊( F S W)的工艺特性 2 . 2 . 1 F S W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/ m i n 焊接速度在 1~ 1 5 a r m/ s之间所以 F s w可以很方便地实现自动控制例如 .对1 1 0 0和 6 0 6 1冷轧板进行 F S W,板厚 6 . 3 m m。搅拌头的直径为 6 . 3 a r m,长度为 5 . 8 m m。当焊接速度为1 - 4 m r r d s .搅拌头的转速在 2 0 0~ 2 0 0 0 r/ m i n的范围改变时 .形成优质焊缝的最佳转速是 4 0 0 r/ mi n。在转速超过 1 0 0 o O r/ I I l j n .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。表 1有色金属常用的焊接速度材科Al斌l 8 T6 Al印8 2 t6 Al 6【髂2 - 1、 ^l 6 0 8 2 - T 6 Al堪2 lC如l 0

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4国内搅拌摩擦焊发展现状北京赛福斯特技术有限公司 f中国 F S W中心 )是中国地区唯一得到英国 T wI授权的专业化 F S W技术开发与设备制造企业 .为F S W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 F S W中心，正式获取了英国 T wI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(下转第 3 0 9页)

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