搅拌摩擦焊ＦＲｌｃＴ俐ｓＴＩＲｗＥＬＤＩＮＧ
搅拌摩擦点焊在航空领域的应用ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＦｒｉｃｔｉｏｎＳｔｉｒＳｐｏｔＷｅｌｄｉｎｇｉｎＡｖｉａｔｉｏｎＩｎｄｕｓｔｒｙ苎黧量罂管张健董春林李光栾国红中国搅拌摩擦焊中心“、”一９””３～１、９一
搅拌摩擦点焊作为在搅拌摩擦焊基础上发展起来的一种新型固相焊接技术，由于其接头质量高、变形小．焊接质量稳定以及节省能源等一系列优点，在航空结构制造领域具有不可比拟的优势。
员的重视。然而，对于在航空结构中广泛应用的２ｘｘｘ和７ｘｘｘ高强铝合金而言，传统的熔焊工艺很难获得综合性能优异的可靠连接，所以在航空结构制造领域传统的熔焊技术并没有。。得到广泛应用。搅拌摩擦点焊作为在”盂士，２００７年毕业于天津大学材料搅拌摩擦焊基础上发展起来的一种加工工程专业．现在北京航空制造工程新型固相焊接技术，由于其接头质量研究所中国搅拌摩擦焊中心工作，主要高、变形小、焊接质量稳定以及节省竺！翼拌摩擦焊工艺开发和材料焊接性能源等一系列优点，在航空结构制造能研冤。领域具有不可比拟的优势。在航空领域飞行器的结构设计与制造工程中，如何减轻结构重量和降低制造成本已成为航空工业制造领域普遍关注的问题。由于传统的铆接／紧固连接工艺在航空结构制造方面存在一定的局限性，焊接工艺作为结构组装的关键技术就越来越受到航空制造领域工程技术人７０航空翩造技术・２００９年第１６期搅拌摩擦点焊原理搅拌摩擦点焊采用与搅拌摩擦焊相同的技术原理，将旋转的搅拌头插入被焊的２层工件，利用摩擦产热和搅拌头带动的塑性金属的流动形成焊点。目前搅拌摩擦点焊主要分为３种形式：常规ＦＳＳＷ、回填式ＦＳＳＷ及摆动式ＦＳＳＷ。表ｌ为３种搅拌摩擦点焊焊接过程示意图及得到的焊点成形。其中常规ＦＳＳＷ焊接过程最简单，由搅拌头旋转、插入、搅拌和回撤４阶段组成。搅拌头在不断旋转的过程中，通过施加顶锻力插入待焊工件中，在压力作用下工件与搅拌头之间产生摩擦热，使周围材料软化，继续旋转一定时间完成连接后，搅拌头从工件中退出，点焊缝中心会留下匙孔。回填式ＦＳＳＷ采用了特殊形式的搅拌头，搅拌针和轴肩可单独运动，具体焊接过程如下：开始焊接时，轴肩和搅拌针同时下压，板材表面由于摩擦而温度升高，接下来轴肩不断下压，而搅拌针开始回抽，轴肩向下运动时会推动塑性材料发生相互搅拌和运动，当下压到下层工件一定深度后，轴肩向上回抽，同时搅拌针开始下压，塑性材料进一步进行融
万方数据ＦＲＩｃＴｌｏＮｓＴＩＲｗＥＬＤ｛ＮＧ搅拌摩擦焊表１３种形式ＦＳＳＷ过程示意图及焊点成形１１－”
合、搅拌。当搅拌针和轴肩达到焊接前的平面时，主轴停止旋转，搅拌头从工件上移走，完成焊接，最终形成一个完整的没有匙孔的焊点。摆动式ＦＳＳＷ的最大特点是，搅拌头除以一定速度旋转、对工件摩擦产热外，还在一个圆形的轨道区域内移动，最后回到中心。这种方法的优点是增加了焊点截面积，从而增加了点焊接头的剪切力。搅拌摩擦点焊的优点１与电阻点焊（ＲＳＷ）对比（１）生产成本与能源消耗。传统电阻点焊焊接铝合金时，需要大功率电源，还需要添加冷却水和压缩空气装置，且电极寿命短，因此它有能源消耗大，投资成本高的缺点。采用ＦＳＳＷ完全克服了传统电阻点焊的缺点。马自达汽车公司最新型的全铝结构跑车ＭａｚｄａＲＸ－８就采用了ＦＳＳＷ技术来进行铝合金车门和车体的焊接Ｈ。１。马自达汽车公司称，采用这种新的焊接方法使得电能消耗比以往下降了９９％。一般焊接铝合金的电阻焊机的功率为１０００ｋＶＡ，而搅拌摩擦焊只需要１０ｋＶＡ，并且不需要冷却剂、压缩空气以及电阻焊的大电流。而且与传统电阻焊相比，其设备的投资也下降了４０％。ＦＳＳＷ焊接单点所用费用仅为ＲＳＷ的１／５左右ｕ１。（２）接头质量。电阻点焊属于熔焊，接头中易出现气孔、裂纹和虚焊等缺陷，接头强度可靠性低，且焊后易发生翘曲变形。而ＦＳＳＷ属于固相连接，在搅拌头旋转、挤压和粉碎等机械力的作用下，形成致密的组织结构，使ＦＳＳＷ接头具有优异的机械性能。川崎重工公司对ｌ～３ｍｍ厚的６０６１铝合金ＲＳＷ接头和ＦＳＳＷ接头的拉伸剪切强度进行了对比，结果如图１所示…。图中蓝色柱形高度表示ＲＳＷ接头剪切强度，灰色柱形高度表示ＦＳＳＷ接头剪切强度。经对比研究发现，同厚度材料的ＦＳＳＷ接头拉伸剪切强度约为ＲＳＷ接头的１．５～２倍，明显高于ＲＳＷ接头。ＦＳＳＷ接头除具有良好的静强度外，还具有较好的疲劳性能。日本岐阜大学的ＹｏｓｈｉｈｉｋｏＵｅｍａｔｓｕ等人怕１对Ａ卜Ｍｇ—Ｓｉ系合金ＦＳＳＷ和ＲＳＷ接头的疲劳性能进行了对比（见图２）。等面积连接的２种接头，在同水平应力载荷下，ＦＳＳＷ接头疲劳寿命高于Ｒｓｗ。其中ＦＳＳＷ疲劳曲线中实心圆和空心圆分别表示２种不同的断裂模式（见图３）。在高载荷下，断裂发生在混合区，以Ａ模式断裂。最大载荷较低时，以Ｂ模式断裂，裂纹起始于焊核区边缘，并沿厚度方向扩展。２与铆接对比（１）生产成本与能源消耗。铆接是飞行器制造中使用较普遍的一种连接方法。铆接最主要的一个特点是需要在铝合金板中加入铆钉、螺栓和螺母等紧固件，不但消耗了大量材料，还大大增加了结构件的图１不同厚度６０６１铝合金ＲＳＷ与ＦＳＳＷ接头拉伸剪切强度对比
疲劳寿命Ｎ，／次图２ＡＩ－Ｍｇ－Ｓｉ系铝合金ＲＳＷ与ＦＳＳＷ接头疲劳性能对比
２００９年第１６期・航空嗣造技术７１万方数据搅拌摩擦焊ＦＲｌｃＴ俐ｓＴＩＲｗＥＬＤＩＮＧ
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口芒塑匡兰］（ｂ）低载荷：类型Ｂ图３ＡＩ－Ｍｇ－Ｓｉ系铝合金ＦＳＳＷ接头疲劳断裂模式示意图重量。在铆接中，紧固件附加材料的消耗约占加工费用的９０％。而ＦＳＳＷ焊接过程则不需添加任何材料。ＦＳＳＷ焊接单点所用费用仅为铆接的１／２０左右川。（２）接头质量。美国ＳＤＳＭ＆Ｔ大学的ＷｍｉａｉｎＪ．Ａｒｂｅｇａｓｔ等人通过研究２ｘｘｘ、７ｘｘｘ和６ｘｘｘ等多种材料的铆接和ＦＳＳＷ（见图４）ｏ”，也同样得到了ＦＳＳＷ接头剪切强度高于铆接接头的结论。美国空军研究中心分别采用搅拌摩擦点焊、搅拌摩擦焊和铆接３种方法制造飞机带筋壁板试验件，并进行结构强度性能试验，其剪切试验结果如图５所示Ⅲ１。通过试验可知，搅拌摩擦焊和搅拌摩擦点焊剪切性能均优于铆接结构，在相同的外载下，搅拌摩擦点焊壁板与搅拌摩擦搭接焊壁板焊接接头产生的位移相同，并且搅拌摩擦点焊壁板最大承载能力优于搅拌摩擦焊壁板。３搅拌摩擦点焊在航空领域的优越性在飞行器的制造中，零部件的装配连接使用了大量的铆接和螺栓连接结构，这就导致了零件多，速度慢，制造步骤复杂，不容易实现生产装配自动化的结果。美国宇航局专门考察了搅拌摩擦点焊的技术优势。以典型战斗机机翼装配为例，一架战斗机的机翼包括３００多个零部件，约２３０００多个紧固件，需要１～１．５年装配完成。如采用搅拌摩擦点焊代替铆接，不但可以取代紧７２航空镧造技术・２００９年第１６期固件，减少零件数量，使得机翼重量减轻约１７．５％咿１，还可以降低装配费用，减少设计成本，大大降低了生产成本。同时由于其有焊前准备工作简单，装配方便，操作程序少，焊接速度快等优势，因而具有比铆接更快的制造速度“州。此外，对于给定的应力水平而言，搅拌摩擦点焊可以消除铆接或螺接引起的应力集中，提高飞行器疲劳性能，延长飞行器使用寿命。搅拌摩擦点焊在航空制造领域的应用搅拌摩擦点焊技术较适用于搭接结构，如飞机内部加强板的乎板和Ｌ形型材的搭接，飞机机身蒙皮和Ｌ形加强筋的搭接。还适用于一些平面曲线或空间曲线结构的焊接，如飞机舱门、窗门和口盖等预成形壁板结构的搭接、飞机机翼带筋壁板的搭接等。美国ＡｄｖａｎｃｅｄＭａｔｅｒｉａｌｓＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇａｎｄＪｏｉｎｉｎｇＣｅｎｔｅｒ（ＡＭＰ）公司对平板与Ｔ型筋进行回填式搅拌摩擦点焊连接，具有焊后无匙孔、焊点成形美观以及内部无缺陷等优点¨１。搅拌摩擦点焊除用于结构件生产外，还可对航空构件缺陷进行修复，如裂纹、破孔、缺Ｉ：１和断裂等。传统修理这些损伤的方法主要有铆接加强片、安装补片、衬片、加强筋及上螺钉等。这些方法都存在一定的局限性，如添加的铆钉易引起各种应力及腐蚀问题、会降低构件的性能和使用寿命等，属于次强度修理方法。采用搅拌摩擦点焊对损伤构件进行修复，不但可以减少大量铆钉、螺钉使用数量，简化修理工艺，还可以达到等强度修理的性能指标［１１１．图６为利用搅拌摩擦点焊对飞机机翼蒙皮结构的铆钉进行修复，从而提高结构件的使用寿命门Ｊ。
铆钉直径或薄板厚度／英寸图４不同材料铆接与ＦＳＳＷ接头剪切强度对比（注：１磅＝４．４４８Ｎ，ｌ英寸＝２５．４ｍｍ，Ｉｋｓｉ＝６．８９５ＭＰａ）
≥万方数据ＦＲＩｃＴｌｏＮｓＴＩＲｗＥＬＤ｛ＮＧ搅拌摩擦焊航空常用铝合金搅拌摩擦点焊研究概况国外研究学者针对航空常用材料及结构进行了相关的搅拌摩擦点焊研究。主要涉及的内容包括：搅拌头Ｄ．Ａ．Ｂｕｌｌｏｒｄ等人ｕ２’比较了ＡＡ２０２４－Ｔ３板与ＡＡ７０７５－Ｔ６加强筋铆接接头和摆动式ＦＳＳＷ接头的疲劳扩展速率。结果表明，在裂纹向靠近接头方向扩展时，铆接接头的裂纹扩展速率以递增的方式提高，而图５飞机壁板ＦＳＷ．铆接和ＦＳＳＷ剪切性能对比（注：ｌ磅＝４．４４８Ｎ，ｌ英寸＝２５．４ｍｍ，ｌｋｓｉ＝６．８９５ＭＰａ）形貌及焊接参数对接头性能的影响；同种和异种材料的ＦＳＳＷ｝利用数值模拟方法评价接头形貌的几何特征及微观结构对机械性能的影响等。Ｔｗｅｅｄｙ．Ｂ．Ｍ．等人口１研究了搅拌头形貌和焊接参数对薄板铝合金摆动式ＦＳＳＷ接头的影响。试验材料为Ｉｍｍ２０２４－Ｔ３，摆动形式如表１所示。转速范围６００～２９００ｒ／ｍｉｎ，焊速范围２．１～８．５ｍｍ／ｓ，０～ｌ。倾角，焊接锻压力２～６ｋＮ。经过一系列工艺试验表明，当焊接参数为各区间的最高值时，接头的性能最好。ＦＳＳＷ接头的裂纹扩展速率则以递减的方式降低，说明摆动式ＦＳＳＷ产生了对接头性能有利的残余应力，从而阻止了疲劳裂纹沿焊合线的扩展。Ａ．Ｅｃｈｅｖｅｒｒｉａ等人“刭研究了ＡＡ２０２４－Ｔ３（１．２７ｒａｍ）、ＡＡ２０２４－Ｏ（２．２ｍｍ）和ＡＡ７０７５－Ｔ６（１．２７ｍｍ）同种和异种材料的常规ＦＳＳＷ，对接头硬度、剪切等性能进行了测试，建立了机械性能与焊接参数的关系，并得出下列结论：ＦＳＳＷ接头搅拌区的硬度最高，约为１４５ＨＶｏｔ２，热影响区没有发生软化现象Ｉ经ＦＳＳＷ后，２０２４－Ｏ圈６利用ＦＳＳＷ修复飞机机翼蒙皮结构中的铆钉铝合金接头硬度大幅度提高，２０２４－Ｔ３接头硬度则与母材相当；对同种材料ＦＳＳＷ，剪切失效载荷随转速的提高而降低，随下压深度的增加而增加。对异种材料ＦＳＳＷ，在较低的下压速度下，提高转速使剪切失效载荷降低，在较高的下压速度下，转速对其没有影响。ＧＫＳＳ研究中心的Ｍａｚｚａｆｅｒｒｏ等人“卅建立了回填式ＦＳＳＷ接头搭接剪切试样和十字形拉伸试样的数学模型，并对拉伸试验中应力水平和变形特征进行了模拟计算，模拟结果与实际结果相似。通过数值模拟可以掌握接头各区形貌的变化对接头性能的影响，从而为实际焊接提供了理论指导。北京航空制造工程研究所前期开展了２０２４－Ｔ３（１．６ｍｍ、２．０ｍｍ）、２５２４－Ｔ３（１．６ｍｍ、２．０ｒａｍ）、７０７５－Ｔ６（１．６ｍｍ）同种和异种材料的常规ＦＳＳＷ和摆动式ＦＳＳＷ研究，包括搅拌头形貌优选和焊接参数优化，并对典型接头进行了金相观察、搭接剪切试验及显微硬度测试。目前接头单点最大剪切力可达４．２ｋＮ。从接头显微硬度分布图中可看出，搅拌摩擦点焊接头硬度分布与搅拌摩擦焊相似，软化区一般位于接头热机影响区附近，且随着测量位置的下移，硬度最低点距焊核越近。下一步的工作重点在于回填式ＦＳＳＷ技术的研究，并力求通过系统工艺试验验证，使该技术在工程领域得到应用。