攪拌摩擦焊接技術(shù)的應(yīng)用及存在的問(wèn)題

劉昊含

摘 要 隨著我國(guó)自主研發(fā)的商用客機(jī)C919首飛成功，大型客機(jī)先進(jìn)制造技術(shù)也廣受關(guān)注。本文對(duì)攪拌摩擦焊這一新進(jìn)制造技術(shù)進(jìn)行了研究，從該技術(shù)的工藝特征、在航空制造中的應(yīng)用和發(fā)展情況以及該技術(shù)應(yīng)用時(shí)產(chǎn)生的問(wèn)題進(jìn)行了簡(jiǎn)單的總結(jié)。

關(guān)鍵詞 攪拌摩擦焊；工藝特征；航空制造

中圖分類號(hào) TG45 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2095-6363（2017）15-0046-01

隨著C919國(guó)產(chǎn)大型商用客機(jī)的首飛成功，大型商用客機(jī)關(guān)鍵制造技術(shù)引起了廣泛的關(guān)注。傳統(tǒng)飛機(jī)制造技術(shù)中，一般采用螺栓連接以及鉚釘連接作為飛機(jī)結(jié)構(gòu)連接的主要方法，然而，隨著航空工業(yè)的不斷發(fā)展，采用先進(jìn)焊接方法取代傳統(tǒng)鉚接等機(jī)械緊固連接方式已成為先進(jìn)飛行器通過(guò)減重來(lái)降低成本的主要工藝之一。攪拌摩擦焊技術(shù)因其具有良好的機(jī)械性能、可直接焊接異種材料等優(yōu)點(diǎn)而得到了飛速發(fā)展，受到了航空航天工業(yè)的關(guān)注。

1 攪拌摩擦焊技術(shù)工藝特征

攪拌摩擦焊技術(shù)是英國(guó)焊接研究所在1991年發(fā)明的新型焊接技術(shù)[1]，靠攪拌工具（攪拌頭）與待焊件之間的相對(duì)摩擦運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生熱量而實(shí)現(xiàn)焊接。攪拌頭通常是利用耐高溫硬質(zhì)材料制成，焊接過(guò)程中，將攪拌頭旋轉(zhuǎn)插入被焊工件接縫處，攪拌頭高速旋轉(zhuǎn)時(shí)與被焊工件材料摩擦產(chǎn)生熱，導(dǎo)致焊縫處材料溫度升高而發(fā)生塑性軟化，軟化的材料在攪拌頭的作用下進(jìn)行融合，從而實(shí)現(xiàn)焊接。

影響攪拌摩擦焊質(zhì)量的工藝參數(shù)很多[1]，主要包括：攪拌頭的傾角、插入深度和速度、旋轉(zhuǎn)速度，焊接速度、停留時(shí)間、焊接壓力等。研究表明：對(duì)于薄板，攪拌頭采用小傾角（1°～2°），對(duì)于中厚板，傾角為3°～5°；攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度由被焊材料的特性決定；攪拌頭插入深度與攪拌針長(zhǎng)度有關(guān)，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(guān)；焊接速度通常由被焊工件厚度決定，可根據(jù)生產(chǎn)效率等要求而調(diào)整；焊接壓力的大小由被焊工件的剛度、強(qiáng)度等參數(shù)與其余部分焊接工藝參數(shù)決定，通常情況下采用恒壓控制。停留時(shí)間是影響焊接質(zhì)量的重要參數(shù)，若停留時(shí)間過(guò)短，被焊工件未完全達(dá)到熱塑性狀態(tài)時(shí)會(huì)在焊縫出現(xiàn)孔洞；而過(guò)長(zhǎng)的停留時(shí)間會(huì)使得焊縫表面出現(xiàn)雜質(zhì)，影響焊接質(zhì)量。

2 攪拌摩擦焊在航空制造中的應(yīng)用

攪拌摩擦焊作為一種新型的焊接技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)多種熱塑性異種材料的焊接，特別是對(duì)于航空鋁合金、鈦合金等；通過(guò)控制工藝參數(shù)，還可大幅提高焊接接頭的力學(xué)性能，消除傳統(tǒng)焊接技術(shù)存在的夾雜等多種缺陷，因而在先進(jìn)航空制造工業(yè)中具有很大的應(yīng)用潛力。

在國(guó)外，歐洲、美國(guó)、英國(guó)等國(guó)家的航空公司均投入了大量的人力、財(cái)力研究攪拌摩擦焊技術(shù)在飛機(jī)制造過(guò)程中的應(yīng)用[2]。

歐洲航空工業(yè)公司開(kāi)展了“飛機(jī)框架結(jié)構(gòu)的攪拌摩擦焊”以及“宇航工業(yè)近期上木目標(biāo)技術(shù)應(yīng)用”兩個(gè)研究項(xiàng)目，總投資超過(guò)了9 000萬(wàn)歐元，歷時(shí)4年多。研究的具體內(nèi)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(yīng)力和腐蝕影響的最小化等，開(kāi)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(jī)身研究項(xiàng)目中，對(duì)3塊板材件采用了攪拌摩擦焊連接。

美國(guó)波音公司對(duì)攪拌摩擦焊進(jìn)行了系統(tǒng)的工程應(yīng)用開(kāi)發(fā)，探索將該技術(shù)應(yīng)用于戰(zhàn)斗機(jī)、空間飛行器等。目前已完成了采用攪拌摩擦焊技術(shù)制造的戰(zhàn)斗機(jī)零部件的靜力和疲勞性能測(cè)試，對(duì)薄板、厚板對(duì)接接頭的攪拌摩擦焊的研究成果已應(yīng)用于航空制造工業(yè)中；采用該技術(shù)制作的方向舵經(jīng)過(guò)無(wú)損檢測(cè)后裝機(jī)試飛，完成了6個(gè)周期的飛行試驗(yàn)。

英國(guó)宇航空中客車公司進(jìn)行了飛機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)的攪拌摩擦焊應(yīng)用方面的評(píng)價(jià)，指出該技術(shù)的應(yīng)用取決于多角度制造方法的集成；對(duì)攪拌摩擦焊和螺栓以及鉚接連接的設(shè)計(jì)、制造、維修等問(wèn)題進(jìn)行了對(duì)比研究；將攪拌摩擦焊應(yīng)用于飛機(jī)機(jī)翼設(shè)計(jì)和制造上的研究成果表明，利用該技術(shù)可以得到比現(xiàn)有飛機(jī)翼盒的設(shè)計(jì)和制造更優(yōu)越的性能。

國(guó)內(nèi)的攪拌摩擦焊技術(shù)發(fā)展較晚，在飛機(jī)制造中的研究以中國(guó)攪拌摩擦焊中心的研究成果為代表[3]。該中心開(kāi)發(fā)了函數(shù)曲線搭接攪拌摩擦焊技術(shù)，用于替代鉚接技術(shù)制造新型大飛機(jī)的機(jī)身蒙皮結(jié)構(gòu)；該中心還采用攪拌摩擦點(diǎn)焊技術(shù)實(shí)現(xiàn)了運(yùn)載火箭燃料貯箱的空間曲線縱縫以及環(huán)縫的焊接，為飛機(jī)機(jī)身的環(huán)向連接奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

3 攪拌摩擦焊技術(shù)的問(wèn)題

攪拌摩擦焊技術(shù)在先進(jìn)制造技術(shù)中盡管有著較明顯的優(yōu)勢(shì)，然而，與其他焊接技術(shù)一樣，仍有很多問(wèn)題在持續(xù)研究之中。比如焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生和對(duì)焊接件疲勞斷裂性能的影響、焊縫周圍組織結(jié)構(gòu)變化對(duì)焊接件性能的影響[4]。

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

關(guān)于攪拌摩擦焊焊縫組織結(jié)構(gòu)特征，目前最普遍的研究成果表明，焊縫內(nèi)存在有明顯微觀組織結(jié)構(gòu)特征的3個(gè)區(qū)域，即焊核區(qū)、熱—機(jī)影響區(qū)、熱影響區(qū)。焊縫區(qū)通常為細(xì)小的等軸晶，熱-機(jī)影響區(qū)的微觀組織特征與焊核區(qū)類似，熱影響區(qū)在前進(jìn)側(cè)方向有晶粒被拉長(zhǎng)的現(xiàn)象。有研究表明，焊核區(qū)的強(qiáng)度與母材的類似，而另外兩個(gè)區(qū)域的材料強(qiáng)度略低于母材的。對(duì)于不同區(qū)域的疲勞斷裂力學(xué)性能的研究較少，有學(xué)者發(fā)現(xiàn)空氣中焊核區(qū)的裂紋擴(kuò)展速率比母材的稍高；大氣環(huán)境下的裂紋擴(kuò)展速率比鹽水腐蝕環(huán)境下的高；腐蝕環(huán)境下熱影響區(qū)的裂紋擴(kuò)展速率很低。也有學(xué)者指出焊接接頭的腐蝕行為與母材的相同。

4 結(jié)論

隨著新裝備的研發(fā)和工業(yè)化程度的提高，國(guó)內(nèi)外對(duì)攪拌摩擦焊技術(shù)的研究和應(yīng)用也在不斷的深入，開(kāi)展更多的理論和試驗(yàn)研究是推進(jìn)該技術(shù)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的基礎(chǔ)和前提，系統(tǒng)的研究將推進(jìn)該技術(shù)的普及，該技術(shù)的發(fā)展也將有助于大型客機(jī)先進(jìn)制造技術(shù)的提升。

參考文獻(xiàn)

[1]攪拌摩擦焊工藝參數(shù)[J].現(xiàn)代焊接，2006（9）.

[2]欒國(guó)紅，郭德倫，關(guān)橋，等.飛機(jī)制造工業(yè)中的攪拌摩擦焊研究[J].航空制造技術(shù)，2002（10）：43-46.

[3]欒國(guó)紅.飛機(jī)制造中的攪拌摩擦焊技術(shù)及其發(fā)展[J].航空制造技術(shù)，2009（20）：26-31.

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