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鋁合金攪拌摩擦焊接技術(shù)特點及應(yīng)用分析

來源:中國幕墻網(wǎng) 　作者:* 　日期:2010-12-23
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　　焊接過程中也不需要其它焊接消耗材料，如焊條、焊絲、焊劑及保護氣體等。唯一消耗的是焊接攪拌頭。通常在Al合金焊接時，一個工具鋼攪拌頭可焊到800m長的焊縫。

　　同時，由于攪拌摩擦焊接時的溫度相對較低，因此焊接后結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力或變形也較熔化焊小得多。特別是Al合金薄板熔化焊接時，結(jié)構(gòu)的平面外變形是非常明顯的，無論是采用無變形焊接技術(shù)還是焊后冷、熱校形技術(shù)，都是很麻煩的，而且增加　　了結(jié)構(gòu)的制造成本。

　　一、概述
　　1991年英國焊接研究所（TWI）發(fā)明了攪拌摩擦焊（FSW），從此以后，基于這種固相連接技術(shù)的明顯優(yōu)越性，例如：優(yōu)良的接頭力學(xué)生能，不需要填充焊接材料，沒有焊接煙法和飛濺，很少的焊前準備和焊接變形等，在世界范圍內(nèi)的國際合和中開展了大量的研究和開發(fā)工作。另外，攪拌摩擦焊鋁合金材料都能焊接，如應(yīng)用于航空、航天領(lǐng)域的2000系列、5000系列和7000系列高強鋁合金，也可以利用這種先進的焊接方法得到高質(zhì)量的連接。英國焊接研究所的DaveNICHOLAS訂為，攪拌摩擦焊工藝是自激光焊接問世以來最引人注目的焊接方法，它的出現(xiàn)將使鋁合金等有色金屬的連接技術(shù)發(fā)生革命性的進步。

　　2002年4月，北京航空制造工程研究所與英國焊接研究所（TWI）關(guān)于攪拌摩擦焊專利技術(shù)正式簽約，并且取得了攪拌摩擦焊專利技術(shù)的獨占性二級許可授予權(quán)，為中國市場開啟了攪拌摩擦焊技術(shù)的研究、開發(fā)以及大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用之門。

　　二、鋁合金攪拌摩擦焊的應(yīng)用現(xiàn)狀
　　攪拌摩擦焊技術(shù)擁有諸多獨特的優(yōu)點，對于輕合金材料（如鋁、銅、鎂、鋅等）的連接在焊接方法、力學(xué)性能和生產(chǎn)效率上具有其他焊接方法不可比擬的優(yōu)越性。攪拌摩擦焊是一種固相連接方法，焊縫接頭具有優(yōu)良的力學(xué)性能和小的焊接變形，焊接過程中不需要添加保護氣和焊絲，沒有熔化、煙塵、飛濺及弧光，是一種環(huán)保型的新型連接技術(shù)。實際情況也的確如此，在FSW技術(shù)問世后的短短幾年內(nèi)，在焊接機理、適用材料、焊接設(shè)備以及工程化應(yīng)用方面均取得了很大的進展。攪拌摩擦焊技術(shù)最初主要用于解決鋁合金、鎂合金及鋅合金等材料的焊接。關(guān)于攪拌摩擦焊工藝的特點和應(yīng)用等，英國焊接研究所進行了較多的研究，關(guān)于1993年、1995年申請了世界范圍內(nèi)的專利保護。

　　目前，該所主要是與航空、航天、船舶、高速列車及汽車等焊接設(shè)備制造廠和國際性的大公司聯(lián)合，以團體贊助或合作的形式（TWI的GSP項目）研究、開發(fā)攪拌摩擦焊技術(shù)，不斷擴大其應(yīng)用范圍。

    目前由工業(yè)企業(yè)贊助的研究項目包括：大厚度鋁合金的攪拌摩擦焊、鋼的攪拌摩擦焊、鈦合金的攪拌摩擦焊、汽車輕型構(gòu)件的攪拌摩擦焊等。美國的愛迪生焊接研究所（EWI）與TWI密切協(xié)作，也在進行FSW工藝的研究。美國的洛克希德。馬丁航空航天公司、馬歇樂航天飛行中心、美國海軍研究年、Dartmuth大學(xué)、德國的Stuttgart大學(xué)、澳大利亞的Adelaide大學(xué)及澳大利亞焊接研究所等都有從不同的角度對攪拌摩擦焊進行了專門研究。

　　1鋁合金攪拌摩擦焊在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用
　　隨著攪拌摩擦焊的研究進一步走向深入，攪拌摩擦焊設(shè)備也逐漸從試驗室走向商用。TWI應(yīng)用此技術(shù)為波音公司生產(chǎn)了3個2000系列鋁合金航天飛機燃料箱；美國洛克希德。馬丁公司、波音-麥道公司、洛克韋樂集團、愛迪生焊接研究所等多家機構(gòu)目前正在致力于攪拌摩擦焊接的研究、應(yīng)用評估和開發(fā)。在航空航天領(lǐng)域適于用FSW技術(shù)焊接的結(jié)構(gòu)包括：軍用或民用飛機的蒙皮、航天器中的低溫燃料箱，航空器油箱、軍用機的副油箱、軍用或科技探測火箭等；美國洛克希德。馬丁航空航天公司用該技術(shù)焊接了航天飛機外部儲存液態(tài)氧的低溫容器；在馬歇樂航天飛行中心，也已用該技術(shù)焊接了大型圓筒形容器。

    Boeing公司投資幾百萬美元，制造了用于Delta運載火箭的大型低溫燃料容器的大型專用攪拌摩擦焊機，BAE空中客車公司正在對FSW技術(shù)進行方法、性能和可行性驗證，目的是用來生產(chǎn)中型和大型商用客機，所采用的攪拌摩擦焊機由地處合利伐克斯的GRAWFORD-SWIFT公司制造，據(jù)說是歐洲功率最大的焊機。美國ECLIPSE（月蝕）航空公司將利用FSW來制造一架10.86m長、翼展11.88m的中型飛機。公司估計，采用FSW可以將機身壁板上的加強肋、框架的裝配時間減少80%，使飛機成本降低為83.7萬美元。此飛機的主要結(jié)構(gòu)件、蒙皮等全部采用國際上最新的連接技術(shù)――攪拌摩擦焊技術(shù)制造，客機的機身基本上全部利用攪拌摩擦焊制造，其中包括飛機蒙皮、翼肋、弦狀支撐、飛機地板以及結(jié)構(gòu)件的裝配等。

　　攪拌摩擦焊的應(yīng)用主要用來提高生產(chǎn)效率和降低制造成本，會對航空結(jié)構(gòu)件的攪拌摩擦焊工藝是由TWI與美國ALCOA公司聯(lián)合進行試驗開發(fā)，然后應(yīng)用于ECLIPSE500型飛機結(jié)構(gòu)件的焊接。公司在2000年9月通過了飛機安全委員會的初步設(shè)計評估和認證，2001年6月確定攪拌摩擦焊的飛機制造中的可行性，2001年開始制造攪拌摩擦焊飛機結(jié)構(gòu)件，2002年6月首飛，并在6月29日~7月1日向公眾展示了這種新型飛機的目前已經(jīng)有上百家客戶爭相訂購這種新型的謙價、切能的商務(wù)飛機，該種飛機預(yù)計2003年8月進行飛行認證，在2003年8月交會用戶使用。

　　2鋁合金攪拌摩擦焊在船舶制造領(lǐng)域中的應(yīng)用目前，基于攪拌摩擦焊在焊接方法、力學(xué)性能、制造成本以及環(huán)境等方面的巨大優(yōu)越性和潛在的工業(yè)應(yīng)用前景，在船舶制造領(lǐng)域里，攪拌摩擦焊得到了深入細致的研究和開發(fā)。船舶制造不僅要求速度的增加，而且要求單位價格載荷性能的提高，所以艦艇制造要盡可能的鋁合金材料來降低船舶重量。但鋁合金材料的傳統(tǒng)連接方法為鉚釘連接和弧焊連接，鉚接增加了制造時間、人力和物料的使用量，而鋁合金熔焊時容易產(chǎn)生變形、缺陷及煙塵等，也限制了弧焊在鋁合金構(gòu)件上的使用，所以隨著攪拌摩擦焊技術(shù)的發(fā)展，用攪拌摩擦焊來實現(xiàn)高集成度的預(yù)成型模塊化制造來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的船舶來板-加強件結(jié)構(gòu)的制造，是船舶制造技術(shù)發(fā)展的必然和革命性的進步。

　　攪拌摩擦焊在船舶輕合金預(yù)成形結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用，在外觀、重量、性能、成本以及制造時間上具有明顯的優(yōu)越性，不僅可以用于船舶輕合金結(jié)構(gòu)件的制造，還可以用于現(xiàn)場裝配，為現(xiàn)代船舶制造提供了新的連接方法通知攪拌摩擦焊代替熔焊實現(xiàn)輕合金結(jié)構(gòu)件的制造，是現(xiàn)代焊接技術(shù)發(fā)展的又一次飛躍。

    FSW技術(shù)在船舶制造、海洋工業(yè)和宇航工業(yè)中有廣泛的應(yīng)用前景，適于用FSW技術(shù)焊接的結(jié)構(gòu)包括：甲板、壁板、隔板等板材的拼焊、鋁擠壓件的焊接、船體和加強件的焊接、直升機降落平臺的焊接等。目前已用該技術(shù)焊接快艇中上長為20m的鋁合金結(jié)構(gòu)件，焊縫總長度超過500km。

　　三、鋁合金攪拌摩擦焊的發(fā)展趨勢
　　在中國，北京航空制造工程研究所和英國TWI的攪拌試探焊技術(shù)合作中心――中國攪拌摩擦焊中心在攪拌摩擦焊的基礎(chǔ)方法研究，材料應(yīng)用研究、開發(fā)，攪拌摩擦焊設(shè)備的設(shè)計、制造和銷售等方面，都取得很大的進展。

　　（1）目前，中心正在針對攪拌摩擦焊在航天火箭筒體制造，航空飛機框架、蒙皮和結(jié)構(gòu)間的攪拌摩擦焊制造，船舶輕合金制造以及高速列車的鋁合金型材的快速制造等方面正在展開全面的研究和工程攻關(guān)。另外，在承攬國防科研和總裝課題的同時，還加強了和企業(yè)、大學(xué)的橫向聯(lián)合及技術(shù)合作。

　　（2）在攪拌摩擦焊設(shè)備的制造方面已經(jīng)設(shè)計出3大類6類種形式的攪拌摩擦焊設(shè)備，并且在2003年3月為哈爾濱工業(yè)大學(xué)和華東船舶工業(yè)學(xué)院制造交付了2臺專業(yè)化的攪拌摩擦焊設(shè)備。

　　（3）在工程應(yīng)用方面，鋁合金攪拌摩擦焊將在輸變電、高速列車、新一代戰(zhàn)斗機及新型運載火箭等方面首先得到應(yīng)用。

　　四、結(jié)語
　　攪拌摩擦焊作為一種新型的焊接技術(shù)將對鋁合金等輕合金材料的連接制造產(chǎn)生革命性的影響，基于這種連接技術(shù)在焊接方法的突破，預(yù)計攪拌摩擦焊技術(shù)將對飛機、火箭、高速列車、導(dǎo)彈快艇、全鋁合金戰(zhàn)車等軍、民品的設(shè)計和制造基線產(chǎn)生根本上的變革。

　　另外，攪拌摩擦焊作為一種固相焊接方法，焊接前及焊接過程中對環(huán)境的污染小。焊前工件無需嚴格的表面清理準備要求，焊接過程中的摩擦和攪拌可以去除焊件表面的氧化膜，焊接過程中也無煙塵和飛濺．同時噪聲低。由于攪拌摩擦焊僅僅是靠焊頭旋轉(zhuǎn)并移動，逐步實現(xiàn)整條焊縫的焊接，所以比熔化焊甚至常規(guī)摩擦焊更節(jié)省能源。

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