攪拌摩擦焊技術的強度分析方法研究

林祥烽 葛建彪 薄曉莉

【關鍵詞】鈦合金;攪拌摩擦焊;航空;強度分析

1991年英國焊接研究所（The Welding Institute，TWI）發明攪拌摩擦焊技術（Friction Stir Welding，FSW）[1]。在攪拌摩擦焊中，攪拌頭與被焊工件表面有一定的角度，從而使攪拌頭在快速旋轉的同時能夠沿著垂直于被焊工件厚度方向向下進給。當攪拌頭在被焊工件內部有一定的距離后，攪拌頭會以一定的焊接速度進行水平運動，待被焊工件在攪拌針和軸肩摩擦產生的焊接熱作用下軟化并發生塑性變形，在流動過程中形成焊接接頭，具體的原理如圖1所示[2]。攪拌摩擦焊在焊接過程中如果輸入較低，焊接溫度低于被焊工件的材料熔點，在實現異種金屬的可靠連接和金屬間化合物的控制方面具有十分巨大的優勢。經過20年來的高速發展，FSW已經在航空航天、軌道交通和船舶等領域得到了廣泛應用[3]。目前中國在航空航天領域有著高速發展的需求和規劃，攪拌摩擦焊將迎來發展和應用的高峰，因此對于攪拌摩擦焊的強度分析方法的研究顯得尤為重要[4][5][6]。本文將對航空領域常用的三個強度研究領域展開介紹。

一、靜強度分析方法研究

對于焊縫的分析方法，現有的飛機設計手冊中的關于焊接的分析方法主要適用于傳統的熔焊，如激光焊（LBW）和攪拌摩擦焊（FSW）分析采用將過于保守。擬通過一系列的焊縫試片試驗，得到相應的焊縫強度系數用于焊縫的靜強度分析。最終通過部件的驗證試驗對分析方法進行試驗驗證。

二、疲勞分析方法研究

擬采用細節疲勞額定值法，通過疲勞性能試驗確定焊接工藝以及材料的疲勞性能參數：細節疲勞額定值的截止值、細節疲勞額定值的基本值、光潔度系數B和粗糙度系數F等。利用S-N曲線經驗公式、累積損傷理論和有限元進行焊接結構細節部位的疲勞分析。

三、損傷容限分析方法研究

損傷容限分析包括裂紋擴展分析和剩余強度分析。

裂紋擴展分析目的是：確定使用載荷環境下，帶損傷結構的裂紋擴展壽命，包括檢查門檻值和重復檢查間隔。

裂紋擴展分析研究主要從裂紋擴展分析模型確定、裂紋的開裂模式選擇以及裂紋擴展材料常數處理的等方面進行。

開裂模式是指飛機結構中主、副裂紋的起始、連續擴展至破壞的過程描述。它是確定初始裂紋大小以及裂紋連續擴展形式，建立合理的裂紋擴展計算幾何模型的基礎;焊接結構的開裂模式可能會是多種的，我們將根據試驗結果從可能出現的開裂模式中選擇出最典型的和最具危險性的一到兩種進行研究。

裂紋擴展分析模型從現有計算模型中選取，盡可能使用裂紋擴展分析軟件“NASGRO”計算。

帶裂紋結構的強度會大大低于未損傷結構的強度，為了防止災難性破壞的發生，必須分析開裂結構在整個服役目標期內的承載能力，也就是剩余強度能力。焊接結構作為單路傳力結構，其剩余強度分析以摸索能夠達到“兩跨準則”的最低剩余強度水平為主。

四、總結和展望

攪拌摩擦焊技術自發明以來，因其獨特的優勢得到了廣泛地應用。針對攪拌摩擦焊的結構，如果在靜強度分析、疲勞強度分析和損傷容限分析方面得到了充分的驗證，有可能發展成為航空金屬材料主導的先進制造技術。