航空用鋁合金攪拌摩擦焊的研究現(xiàn)狀與趨勢

王錫嶺　李金燕　白小文

摘 要：在航空制造領(lǐng)域，鋁合金的應(yīng)用可以減輕結(jié)構(gòu)重量、降低能耗、提高裝備性價比等。隨著攪拌摩擦焊焊接技術(shù)的不斷發(fā)展，對于以前認為不可焊接的航空用高強鋁合金都能焊接，且能形成高質(zhì)量的焊縫，文章主要介紹了航空鋁合金的應(yīng)用，綜述了航空用鋁合金攪拌摩擦焊的研究現(xiàn)狀及趨勢。

關(guān)鍵詞：航空用鋁合金；攪拌摩擦焊；研究現(xiàn)狀

中圖分類號：V262 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）30-0050-02

Abstract： In the field of aviation manufacturing， the application of aluminum alloy can reduce the weight of structure， reduce energy consumption， improve the cost performance ratio of equipment and so on. With the development of friction stir welding （FSW） technology， the application of aviation aluminum alloy is introduced in this paper， which can weld high strength aluminum alloy which can not be welded， and can form high quality weld. The research status and trend of friction stir welding for aluminum alloys used in aviation are reviewed in this paper.

Keywords： aviation aluminum alloy； friction stir welding； research status

鋁合金具有密度低、高的比強度和比剛度、抗沖擊性能良好。且制造工藝簡單，耐久性，可靠性和可維修性高等一系列優(yōu)點，在航空工業(yè)中用量非常大，被認為是航空工業(yè)中的理想結(jié)構(gòu)材料。

1 鋁合金在航空上的應(yīng)用

在各種大型商務(wù)飛機和運輸機中，鋁合金主要用于機翼表面蒙皮、桁條、機翼前后梁、機翼肋、機身隔框、長桁、機身框、龍骨梁、座艙和貨艙地板結(jié)構(gòu)及緊固件等的制造。超高強度鋁合金作為飛機的結(jié)構(gòu)材料仍占據(jù)著非常重要的地位，在航空領(lǐng)域有著廣闊的市場應(yīng)用前景。隨著飛機的發(fā)展，各種材料在飛機機體上的用量不斷變化，表1為民用客機主要材料應(yīng)用情況。

根據(jù)表1民用客機制造企業(yè)的機型材料可以看出：超高強度鋼在今后仍然還會是起落架、主要接頭、隔框等一些主要承力構(gòu)件的備選材料。鋁合金長期以來一直是全世界航空制造業(yè)中使用最為廣泛的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，近年來以空客A380和波音777等為代表的新一代大型商務(wù)飛機中，鋁合金的用量仍占機體結(jié)構(gòu)重量的60%以上；而以波音787和空客A350為代表的最新型商務(wù)飛機中，雖然復(fù)合材料的用量大幅度上升，鋁合金面臨著嚴峻挑戰(zhàn)，但其使用量仍要占機體結(jié)構(gòu)重量的20～34%。在航空、航天等工業(yè)制造領(lǐng)域2XXX系列和7XXX的高強鋁合金得到了越來越廣泛的應(yīng)用。超高強度鋁合金作為飛機的結(jié)構(gòu)材料仍然占據(jù)著非常重要的地位，在航空領(lǐng)域有著廣闊的市場應(yīng)用前景，在相當(dāng)長的時期內(nèi)，仍是飛機的主體結(jié)構(gòu)材料。

2 航空用鋁合金的攪拌摩擦焊

在航空制造領(lǐng)域，鋁合金的應(yīng)用可以減輕結(jié)構(gòu)重量、降低能耗、提高裝備性價比等，成為航空領(lǐng)域重點發(fā)展與應(yīng)用的先進結(jié)構(gòu)材料，在航空機體制造中，航空材料的連接一般采用鉚接方法，但鉚接接頭會增加結(jié)構(gòu)重量，不利于飛機結(jié)構(gòu)的輕量化，而焊接技術(shù)的迅猛發(fā)展?jié)M足了飛機結(jié)構(gòu)件的制造要求。

航空鋁合金的焊接，傳統(tǒng)方法采用氣體保護焊電弧焊（GTAW/GMAW）及激光焊（LW）過渡，90年代以后發(fā)展到采用攪拌摩擦焊（FSW）等固相連接新技術(shù)。攪拌摩擦焊是英國焊接研究所（TWI）于1991年提出的新型壓力焊技術(shù)，它采用有一定形狀的攪拌針插入工件的焊縫處，通過攪拌頭的高速旋轉(zhuǎn)，攪拌針與母材工件材料摩擦，使連接部位的材料溫度升高軟化，攪拌頭同時沿著焊縫處運動來完成焊接的。經(jīng)過多年發(fā)展，已成功用于航空航天、汽車等制造領(lǐng)域。

采用攪拌摩擦焊取代傳統(tǒng)的氬弧焊，能完成材料的對接、搭接、丁字型等多種接頭方式的焊接，另外特別適合于高強鋁合金、鋁鋰合金等宇航材料的焊接，可以大大提高了焊接接頭的力學(xué)性能，消除了氣孔、夾雜、凝固裂紋等材料熔焊時容易產(chǎn)生的多種缺陷。攪拌摩擦焊技術(shù)在航空制造中的成功應(yīng)用展現(xiàn)了其巨大的經(jīng)濟和社會效益。在國外已顯示出強勁的技術(shù)創(chuàng)新活力，和廣闊的技術(shù)應(yīng)用前景，攪拌摩擦焊在中國市場的應(yīng)用會對傳統(tǒng)制造工業(yè)帶來革命性的進步。

作為一種固相連接手段，攪拌摩擦焊除了可以焊接用普通熔焊方法難以焊接的材料外（例如可以實現(xiàn)用熔焊難以保證質(zhì)量的裂紋敏感性強的7000、2000系列鋁合金的高質(zhì)量連接）。由于攪拌摩擦焊對材料的適應(yīng)性好、溫度低，變形小、不產(chǎn)生類似熔焊接頭的鑄造組織缺陷、接頭各種機械性能優(yōu)良、焊前、焊后輔助工作減少，生產(chǎn)成本大幅度降低等優(yōu)點已經(jīng)在飛機制造中得到應(yīng)用，如波音公司采用攪拌摩擦焊技術(shù)成功實現(xiàn)了C17和C130大型軍用運輸機貨艙地板的焊接，空客公司在A320客機中央翼盒、A340機翼承力墻、A350飛機機身蒙皮等結(jié)構(gòu)中應(yīng)用了攪拌摩擦焊技術(shù)，美國月蝕公司采用攪拌摩擦焊技術(shù)代替了商務(wù)飛機70%的鉚釘連接，此項技術(shù)改進可節(jié)約成本60%，生產(chǎn)效率可提高6倍。攪拌摩擦焊可提高飛機制造裝配的生產(chǎn)效率，縮短飛機零、部件的制造裝配周期。

3 鋁合金攪拌摩擦焊接頭的研究現(xiàn)狀