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搅拌摩擦焊技术在航空航天工业中的应用
作者：方连军 刘晓娟 高献娟
来源：《中国新技术新产品》2013年第13期
摘 要：搅拌摩擦焊技术是一种新型的固态连接技术。在焊接过程中无烟雾、无飞溅、无弧光、无辐射，是一种绿色、环保的低能耗新工艺。具有焊前不需要开坡口，可以节省焊前准备工时、不需保护气、不需填充材料、接头变形小、易实现自动化的优点，在航空航天工业领域中具有巨大的技术潜力和广阔的市场应用前景。 关键词：搅拌摩擦焊；航空；航天 中图分类号：TG45 文献标识码：A
焊接技术就是高温或高压条件下，使用焊接材料（焊条或焊丝）将两块或两块以上的母材（待焊接的工件）连接成一个整体的操作方法。焊接技术存在着减轻结构重量、提高结构性能等优势，在航空航天制造中已经由辅助工艺转变为飞机制造的关键技术。在航空航天业领域里，特种焊接技术所占的比例和应用面正在逐渐扩大，其中又以高能束流焊接技术以及固态焊技术（摩擦焊、扩散焊等）电子束焊接、等离子束焊接和激光焊接为代表。先进焊接技术的发展为飞机、发动机的设计、构造提供了技术支持，大大促进了发动机性能的提高，对先进飞机制造与生产，航天航空工业的发展提供了广阔的空间。 1 搅拌摩擦焊的原理
搅拌摩擦焊技术（Faction Stir Welding，简称FSW）是英国焊接研究所（简称TWI）在1991年发明的新型固相连接技术，具有无飞溅，无需焊接材料，不需要保护气体，被焊材料损伤小，焊缝热影响区小，焊缝强度高等特点，被誉为“当代最具革命性的焊接技术。是世界焊接技术发展史上自发明到工业应用时间跨度最短和发展最快的一项固相连接新技术。它是利用一种非耗损的搅拌头，高速旋转着压入待焊界面，摩擦加热被焊金属界面使其产生热塑性，在压力、推力和挤压力的综合作用下实现材料扩散连接，形成致密的金属间固相连接。搅拌摩擦焊与其它常规焊接方法一样都是利用摩擦热作为焊接热源。搅拌摩擦焊是由一个圆柱体形状的焊头伸入到工件的接缝处，由于焊头高速旋转与焊接工件材料之间发生摩擦，连接部位的材料由于温度升高而软化，同时通过对材料进行搅拌摩擦进而完成焊接。 2 搅拌摩擦焊的特点 2.1 先进的固相连接技术
搅拌摩擦焊相对于惯性摩擦焊与线性摩擦焊而言，是一种新型的固相连接技术，与传统的熔焊工艺比较，固态焊接是使母材保持在塑性状态下，保持在母材未融化的状态下进行的，其显微组织为细晶组织与母材的锻态组织非常接近。焊接后焊缝组织的力学性能与母材相当甚至
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要超过母材的原有力学性能。固态焊接的另一个优势在于焊接过程的机械化、自动化程度高，不需要特殊的焊接技术人员，固态焊接包括摩擦焊和扩散焊，在民用航空发动机的结构整体化设计及制造中，固态焊接作为一种先进的焊接技术，正发挥着越来越重要的作用。
搅拌摩擦焊主要是依靠旋转和工件的相对运动来完成，相对于惯性摩擦焊与线性摩擦焊高昂的设备来说，搅拌摩擦焊对设备的要求不高，只要具备以上两种运动即可，如一台铣床就可以完成简单的小型平板搅拌摩擦焊，专业的搅拌摩擦焊设备的可靠性更高，焊接过程的可重复性更好好。
2.2 广泛的应用范围
搅拌摩擦焊在焊接过程中，材料不会融化，因此接头不会产生粗大的柱状晶、偏析、夹杂、裂纹和气孔等与熔化和凝固冶金有关的焊接缺陷及焊接脆化等现象；轴向压力和扭矩共同作用下焊接材料会产生晶粒细化、组织致密等力学冶金效应，同时具备自清洁的功能，以上因素决定了搅拌摩擦焊工艺不但性能优异，而且应用广泛，，除传统的金属焊接外，还可进行粉未合金、复合材料、功能材料、难熔材料等新型材料的焊接，尤其适用于铝—铜、铜—钢、高速钢—碳钢、高温合金—碳钢等异种材料的焊接，甚至如陶瓷—金属、硬质合金—碳钢、钨铜粉末合金—铜等性能差异非常大的异种材料也可连接。
同时，搅拌摩擦焊还具有广泛的结构尺寸以及接头形式适应性。可用于棒对棒、管对管、管对棒、管（棒）对板等的焊接，在任何位置几乎都可以实现准确的定位。 2.3 绿色、清洁的焊接工艺
搅拌摩擦焊在焊接过程中火花、无弧光、无飞溅、无辐射无烟雾、高频以及害气体等对环境产生影响的污染源，是一种绿色、清洁的焊接工艺。 3 搅拌摩擦焊技术在航空航天工业中的应用
在航空航天领域里，新材料、此工艺大量使用，世界范围内的相关公司都对搅拌摩擦焊做了大量的研究，如飞机机身的纵向、环向、预成形件的搅拌摩擦焊连接、飞机起落架传动支承门、飞机方向翼板、飞机中心翼盒盖板、飞机蒙皮制造、飞机机翼蒙皮结构的修理、飞机地板搅拌摩擦焊以及新型商业飞机的搅拌摩擦焊等。
美国 Eclipse公司在Eclipse N500型商务飞机制造中首次大规模成功运用了 FSW技术， 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基本上都采用搅拌摩擦焊技术制造，其中70%的铆接被焊缝替代，这不仅极大地提高了连接质量，而且使生产效率提高了近10倍，可以比自动铆接快6倍，比手动铆接快60倍，共计节省成本约2/3。波音公司将搅拌摩擦焊技术用于C-17和C-130运输机地板的制造，利用搅拌摩擦焊代替紧固件连接，简化了地板结构设计并提高了构件的生产效率，生产成本降低了20%。总之，FSW技术正处于深入研究和推广应用阶段，存在着巨大的应用发展潜力。
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总之，搅拌摩擦焊接是一种优质、高效、低耗、清洁的先进焊接制造工艺，在航空航天工业领域中具有巨大的技术潜力和广阔的市场应用前景。通过与计算机、信息处理、软件、自动控制、过程模拟、虚拟制造等高技术的紧密结合，搅拌摩擦焊接正在以高新技术面貌展现在人们面前。 参考文献
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