飞机制造中的搅拌摩擦焊技术及其发展

《飞机制造中的搅拌摩擦焊技术及其发展》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、飞机制造中的搅拌摩擦焊技术及其发展21世纪国内外多种新型飞机的研制，如国内的新一代战机、舰载机、大型运输机和大型客机等，国外的第5代战斗机、远程轰炸机、新型客机和无人机等，促进了飞机制造技术的飞速发展。其中，搅拌摩擦焊技术就是先进飞机制造技术中的一个新亮点，并且已经在多种新型号飞机制造中得到应用。在众多先进飞机制造技术中，针对飞机金属材料（铝合金、钛合金）的连接，搅拌摩擦焊具有焊接材料兼容性好、接头性能高等特点；针对飞机薄壁复杂金属结构，可以利用平直缝焊、点焊、胶接复合焊、函数曲线焊和空间轨迹焊等众多搅拌摩擦焊方法，实现新

2、型飞机的整体化制造和装配，甚至可以实现在役飞机结构零件的修理和恢复。迄今为止，利用搅拌摩擦焊技术已经实现了飞机机翼、机身、翼盒、地板、密封舱以及加强筋板等零部件的制造，对于提高飞机性能和生产效率以及降低生产成本有着显著作用。本文将对适合飞机结构制造的的搅拌摩擦焊技术进行较详细的论述和介绍，并且对其工程化应用和发展进行阐述。搅拌摩擦焊技术特点和优势搅拌摩擦焊是一种类机械加工的固相焊接新方法。搅拌摩擦焊过程中，搅拌头旋转着插入被焊接工件的界面处，由于搅拌头的轴肩和搅拌针与被焊接工件材料密切接触并持续摩擦，产生的摩擦热使搅拌头附

3、近的被焊接金属材料温度升高并热塑化，当搅拌头沿着焊接界面向前旋转移动时，热塑化金属被搅拌头向后转移同时被实施动态顶锻压力作用，在热－力联合作用下实现材料冶金扩散连接，在搅拌头的后方形成致密的焊接接头。搅拌摩擦焊热源主要是机械摩擦热和塑化材料变形功。焊接过程是一个温度自适应动态平衡过程，焊接温度始终低于被焊材料熔点，虽然有报道发现焊接过程会产生低熔点合金的瞬时熔化，但整体而言搅拌摩擦焊接仍是一个固态焊接过程。同时由于焊接温度低，搅拌摩擦焊对材料和结构的适应性好、接头性能高、变形小，它还具有节能、环保和宜人化等特点。表1为典型

4、铝合金材料搅拌摩擦焊接头和母材机械性能测试对比。从表中可以看出，搅拌摩擦焊接头性能优异，有时接头性能接近或超过母材，如5A06铝合金和7A52铝合金的搅拌摩擦焊接头在进行拉伸强度测试时，断裂位置均发生在母材上，表示采用FSW技术焊接5A06和7A52铝合金可以达到与母材等强度的目标；在塑性指标（延伸率）方面，5A06铝合金FSW接头的延伸率几乎与母材相同。当然表中所示2A14、2219和6063材料属于热处理时效沉淀强化铝合金，焊接过程由于受到热循环的作用导致强化相脱溶，接头强度指标低于母材，但是研究表明通过后期热处理，接

5、头强度可以恢复到与母材等强度的状态针对飞机结构，利用搅拌摩擦焊实现飞机制造具有明显的技术和经济优势。首先，搅拌摩擦焊可以为飞机设计提供新的方法和思路。例如飞机设计师可以优先考虑商业化的高强铝合金材料代替昂贵的复合材料，并且利用搅拌摩擦焊实现不同种类铝合金甚至铝锂合金的焊接，从而降低材料费用和成本。其次，利用缝焊、点焊和胶接复合焊等不同种类的搅拌摩擦焊技术可以实现飞机壁板类结构的“无铆”和“无损”制造，维持飞机材料性能的一致性和结构的整体性，同时还具有密封和减重的效果。第三，飞机中大量使用了带筋壁板结构。传统的制造方法是铆接

6、和胶接，现在可以利用搅拌摩擦焊焊接批量化的铝合金挤压型材实现飞机带筋壁板结构的高效、低成本制造。第四，利用大型精密数控搅拌摩擦焊设备可以实现飞机结构零件的标准化和数字化制造。利用搅拌摩擦点焊机器人等可以实现飞机零部件的“流水线”制造和装配，提高飞机制造的自动化水平。飞机制造中的搅拌摩擦焊技术搅拌摩擦焊非常适合平直长焊缝的连接，具有性能稳定效率高的特点，但是为了适应不同材料和结构的需要，经过十多年的研究开发，已经发展出具有不同特点的多种搅拌摩擦焊技术，如搅拌摩擦焊环缝焊接技术、点焊技术和空间曲线技术等。针对飞机结构和特点，下

7、面将对适合飞机制造的搅拌摩擦焊技术分别进行介绍。1平直对接搅拌摩擦焊技术普通搅拌摩擦焊一般是指能够实现平直对接焊缝的搅拌摩擦焊，这种纵缝焊接技术简单实用、搅拌工具（搅拌头）简单、控制参数少，对设备的功能要求低。宽幅型材壁板搅拌摩擦焊制造，只要焊接垫板的平面度在0.2mm以内，对接间隙少于板厚度的1/10，且工件的厚度差在0.5mm以内，只需要简单平直夹具就可以实现焊接，一般适合于平板和型材的平直对接结构焊接，如在飞机制造中，飞机机身蒙皮平直结构的纵缝对接、大型飞机型材地板结构等。图1所示为平直对接搅拌摩擦焊制造的飞机带筋壁

8、板结构产品。图1平直对接搅拌摩擦焊制造飞机带筋壁板平直对接纵缝搅拌摩擦焊设备种类很多，有针对研究教学用的小型台式搅拌摩擦焊设备，有针对薄壁筒体结构的悬臂式搅拌摩擦焊设备，有针对航天燃料贮箱的垂直立式搅拌摩擦焊设备，以及针对高速列车车身壁板的大型龙门式搅拌摩擦焊设备。图2所示为目前国内能够满足大型飞机地板