攪拌摩擦焊接技術的應用及存在的問題

劉昊含

摘 要 隨著我國自主研發的商用客機C919首飛成功，大型客機先進制造技術也廣受關注。本文對攪拌摩擦焊這一新進制造技術進行了研究，從該技術的工藝特征、在航空制造中的應用和發展情況以及該技術應用時產生的問題進行了簡單的總結。

關鍵詞 攪拌摩擦焊；工藝特征；航空制造

中圖分類號 TG45 文獻標識碼 A 文章編號 2095-6363（2017）15-0046-01

隨著C919國產大型商用客機的首飛成功，大型商用客機關鍵制造技術引起了廣泛的關注。傳統飛機制造技術中，一般采用螺栓連接以及鉚釘連接作為飛機結構連接的主要方法，然而，隨著航空工業的不斷發展，采用先進焊接方法取代傳統鉚接等機械緊固連接方式已成為先進飛行器通過減重來降低成本的主要工藝之一。攪拌摩擦焊技術因其具有良好的機械性能、可直接焊接異種材料等優點而得到了飛速發展，受到了航空航天工業的關注。

1 攪拌摩擦焊技術工藝特征

攪拌摩擦焊技術是英國焊接研究所在1991年發明的新型焊接技術[1]，靠攪拌工具（攪拌頭）與待焊件之間的相對摩擦運動產生熱量而實現焊接。攪拌頭通常是利用耐高溫硬質材料制成，焊接過程中，將攪拌頭旋轉插入被焊工件接縫處，攪拌頭高速旋轉時與被焊工件材料摩擦產生熱，導致焊縫處材料溫度升高而發生塑性軟化，軟化的材料在攪拌頭的作用下進行融合，從而實現焊接。

影響攪拌摩擦焊質量的工藝參數很多[1]，主要包括：攪拌頭的傾角、插入深度和速度、旋轉速度，焊接速度、停留時間、焊接壓力等。研究表明：對于薄板，攪拌頭采用小傾角（1°～2°），對于中厚板，傾角為3°～5°；攪拌頭的旋轉速度由被焊材料的特性決定；攪拌頭插入深度與攪拌針長度有關，通常略小于后者；攪拌頭插入速度與攪拌針類型和被焊工件厚度有關；焊接速度通常由被焊工件厚度決定，可根據生產效率等要求而調整；焊接壓力的大小由被焊工件的剛度、強度等參數與其余部分焊接工藝參數決定，通常情況下采用恒壓控制。停留時間是影響焊接質量的重要參數，若停留時間過短，被焊工件未完全達到熱塑性狀態時會在焊縫出現孔洞；而過長的停留時間會使得焊縫表面出現雜質，影響焊接質量。

2 攪拌摩擦焊在航空制造中的應用

攪拌摩擦焊作為一種新型的焊接技術，能實現多種熱塑性異種材料的焊接，特別是對于航空鋁合金、鈦合金等；通過控制工藝參數，還可大幅提高焊接接頭的力學性能，消除傳統焊接技術存在的夾雜等多種缺陷，因而在先進航空制造工業中具有很大的應用潛力。

在國外，歐洲、美國、英國等國家的航空公司均投入了大量的人力、財力研究攪拌摩擦焊技術在飛機制造過程中的應用[2]。

歐洲航空工業公司開展了“飛機框架結構的攪拌摩擦焊”以及“宇航工業近期上木目標技術應用”兩個研究項目，總投資超過了9 000萬歐元，歷時4年多。研究的具體內容包括同種和異種材料的焊接性能及焊接特征、焊接殘余應力和腐蝕影響的最小化等，開展了2XXX系、6XXX系、7XXX系部分鋁合金的攪拌摩擦焊工作；并在金屬機身研究項目中，對3塊板材件采用了攪拌摩擦焊連接。

美國波音公司對攪拌摩擦焊進行了系統的工程應用開發，探索將該技術應用于戰斗機、空間飛行器等。目前已完成了采用攪拌摩擦焊技術制造的戰斗機零部件的靜力和疲勞性能測試，對薄板、厚板對接接頭的攪拌摩擦焊的研究成果已應用于航空制造工業中；采用該技術制作的方向舵經過無損檢測后裝機試飛，完成了6個周期的飛行試驗。

英國宇航空中客車公司進行了飛機機翼結構的攪拌摩擦焊應用方面的評價，指出該技術的應用取決于多角度制造方法的集成；對攪拌摩擦焊和螺栓以及鉚接連接的設計、制造、維修等問題進行了對比研究；將攪拌摩擦焊應用于飛機機翼設計和制造上的研究成果表明，利用該技術可以得到比現有飛機翼盒的設計和制造更優越的性能。

國內的攪拌摩擦焊技術發展較晚，在飛機制造中的研究以中國攪拌摩擦焊中心的研究成果為代表[3]。該中心開發了函數曲線搭接攪拌摩擦焊技術，用于替代鉚接技術制造新型大飛機的機身蒙皮結構；該中心還采用攪拌摩擦點焊技術實現了運載火箭燃料貯箱的空間曲線縱縫以及環縫的焊接，為飛機機身的環向連接奠定了技術基礎。

3 攪拌摩擦焊技術的問題

攪拌摩擦焊技術在先進制造技術中盡管有著較明顯的優勢，然而，與其他焊接技術一樣，仍有很多問題在持續研究之中。比如焊接殘余應力的產生和對焊接件疲勞斷裂性能的影響、焊縫周圍組織結構變化對焊接件性能的影響[4]。

對攪拌摩擦焊接殘余應力的研究結果均表明，焊縫上表面平行于焊縫方向的縱向殘余應力呈雙峰形式分布，分布規律為攪拌帶內為拉應力，攪拌帶外為壓應力，且壓應力值迅速降低以滿足自平衡。產生的殘余應力對焊接工件疲勞性能有較大影響，通常情況下，殘余拉應力會降低疲勞壽命，而殘余壓應力對疲勞壽命的提高有幫助。此外，焊縫處殘余應力作用下可能更容易產生疲勞裂紋，殘余應力對工件斷裂力學性能的影響仍處于研究之中。

關于攪拌摩擦焊焊縫組織結構特征，目前最普遍的研究成果表明，焊縫內存在有明顯微觀組織結構特征的3個區域，即焊核區、熱—機影響區、熱影響區。焊縫區通常為細小的等軸晶，熱-機影響區的微觀組織特征與焊核區類似，熱影響區在前進側方向有晶粒被拉長的現象。有研究表明，焊核區的強度與母材的類似，而另外兩個區域的材料強度略低于母材的。對于不同區域的疲勞斷裂力學性能的研究較少，有學者發現空氣中焊核區的裂紋擴展速率比母材的稍高；大氣環境下的裂紋擴展速率比鹽水腐蝕環境下的高；腐蝕環境下熱影響區的裂紋擴展速率很低。也有學者指出焊接接頭的腐蝕行為與母材的相同。

4 結論

隨著新裝備的研發和工業化程度的提高，國內外對攪拌摩擦焊技術的研究和應用也在不斷的深入，開展更多的理論和試驗研究是推進該技術產業化應用的基礎和前提，系統的研究將推進該技術的普及，該技術的發展也將有助于大型客機先進制造技術的提升。

參考文獻

[1]攪拌摩擦焊工藝參數[J].現代焊接，2006（9）.

[2]欒國紅，郭德倫，關橋，等.飛機制造工業中的攪拌摩擦焊研究[J].航空制造技術，2002（10）：43-46.

[3]欒國紅.飛機制造中的攪拌摩擦焊技術及其發展[J].航空制造技術，2009（20）：26-31.

[4]周才智，楊新岐，欒國紅.攪拌摩擦焊接頭疲勞行為研究現狀[J].稀有金屬材料與工程，2006，35（7）：1172-1176.endprint