前言

近幾十年飛機先進制造技術的變革主要有復合材料、數字化自動裝配技術及金屬結構整體化的制造。鋁合金和鎂合金為代表的輕質合金是航空器和航天器的主要結構材料之一。然而這些輕質合金的可焊性都很差，在飛機中應用攪拌摩擦焊技術是飛機制造技術發展的趨勢之一，同時，攪拌摩擦焊也將在自動化、數字化和柔性化方面得到突破。今年12月，中國兵器工業集團武漢重工集團也于近日與航天科技集團首都航天機械公司簽訂了重型運載火箭大型薄壁貯箱的攪拌摩擦焊設備訂單。這標志著在經歷了15年的漫長積累之后，我國的攪拌摩擦焊技術從實驗室走向了實踐。

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攪拌摩擦焊的應用發展現狀

傳統飛機結構中主要是采用鉚接和螺栓連接，只有少數結構才使用焊接技術，因為傳統飛機上使用的材料多以輕金屬鋁合金為首，而鋁合金使用釬焊或氬弧焊等傳統焊接技術得到的接頭強度較低或容易出現裂紋等缺陷，因此焊接結果不理想。

為了能提高飛機的質量和性能，需要開發出新的連接技術用來代替傳統的焊接技術應用在航空上。1991 年英國焊接研究所(TWI)發明了攪拌摩擦焊技術，該技術在焊接科學技術的發展史上具有重要的意義。攪拌摩擦焊技術的出現，消除了鋁合金等其它不能被電弧焊所焊接的缺點，其技術特點和潛在的經濟效益已經在航空航天等很多領域發揮了作用。在攪拌摩擦焊的基礎研究方面，全球范圍內都在迅速開展。

攪拌摩擦焊作為實現金屬結構整體化制造方法之一得到了深入研究和開發，已經在飛機制造中得到應用，如波音公司用攪拌摩擦焊實現了C17 和 C130 大型軍用運輸機貨艙地板的制造，空客公司在 A320 中央翼盒、A340 機翼承力墻、A350 飛機機身蒙皮等結構中應用了攪拌摩擦焊技術。美國月蝕公司甚至制造出了全攪拌摩擦焊商務飛機。攪拌摩擦焊技術在飛機翼盒、地板、密封艙、機翼壁板等零部件制造中的應用，對于提高飛機性能和降低生產成本發揮了作用。在此我們簡要談談攪拌摩擦焊物理過程，攪拌摩擦焊接頭強度性能，然后重點討論攪拌摩擦焊變形控制技術和新型運輸機和新一代戰斗機結構零件的攪拌摩擦焊技術。

新型運輸機和新一代戰斗機的機身、機翼結構使用的材料多為高強鋁合金，如 2A14、2024、2524、7050和 7075 等，為了掌握這些飛機鋁合金材料的焊接性，研究中對這些材料進行了攪拌摩擦焊對接強度性能試驗研究，取得了系列化的性能數據。表 1（表中部分數據還在試驗、分析和不斷提高中）為部分典型鋁合金材料攪拌摩擦焊接頭和母材力學性能測試對比。從表 1 中可以看出，攪拌摩擦焊接頭性能優異，部分接頭性能接近或超過母材，如 2524 鋁合金和 7A52 鋁合金的攪拌摩擦焊接頭在進行拉伸強度測試時，斷裂位置均發生在母材上，表示采用 FSW 技術焊接后2524 以 及 7A52 鋁 合金可以達到與母材等強的效果；表 1 中 2A14、2024 以及 7050 材料屬于熱處理時效沉淀強化鋁合金，由于受到焊接熱循環作用導致強化相脫溶，接頭強度指標低于母材，但通過焊后針對性的熱處理，接頭強度可以恢復到與母材等強。

表1 典型鋁合金材料攪拌摩擦焊接頭強度和斷裂位置對比

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飛機結構攪拌摩擦焊關鍵技術研究

要實現大型運輸機和新型戰斗機等飛機結構的攪拌摩擦焊接，需要針對飛機典型結構開展攪拌摩擦焊工藝技術研究，掌握攪拌摩擦焊對飛機結構，尤其是壁板類結構的適應性，其中對攪拌摩擦焊工具的優化設計和焊接變形控制是飛機結構攪拌摩擦焊關鍵技術。而焊接變形行為攪拌摩擦焊變形控制技術研究的重點。

 

3.1 攪拌摩擦焊變形控制技術研究

攪拌摩擦焊要在飛機結構上得到應用，必須解決保持結構零件的尺寸完整性以及減少焊接應力和變形的問題。飛機零件經過焊接熱循環和焊接力的作用，結構會產生收縮變形和殘余內應力。圖1顯示出了常規攪拌摩擦焊和動態射流沖擊攪拌摩擦焊的對比結果，這種動態變形控制技術應用在壁板類零件上，能使變形量降低到 1/10，甚至更小。

圖1 3.5mm厚5083鋁合金變形控制比較

焊接壓緊方案為腹板、豎板、U框板焊接，采用雙滾輪＋槽形壓板壓緊，L 型材焊接時采用單滾輪壓緊。焊前對工藝參數和攪拌頭進行了優化，焊接過程加動態氣霧隨動冷卻，焊后采用了滾壓校形，零件焊后整體變形量僅為 1mm，在攪拌摩擦焊工程化應用方面取得較大突破，其實物圖如圖2所示。

圖2 駕駛艙背板零件攪拌摩擦焊實物

3.2 新型運輸機和新一代戰斗機結構零件的攪拌摩擦焊

目前，通過典型飛機結構零件的攪拌摩擦焊制造，北京航空制造工程研究所已經在攪拌摩擦焊工藝優化和控制、攪拌工具、特殊焊接工裝夾具的設計制造、攪拌摩擦焊接過程控制、零件變形控制和校正等方面積累了技術經驗。目前攪拌摩擦焊正在多個飛機型號產品中得到技術攻關和應用，如某型軍用運輸機貨艙地板和斜臺地板的攪拌摩擦焊、新一代戰斗機駕駛艙背板、儀器艙地板和口蓋以及新型大客機機身蒙皮對接和筋條的搭接焊接。圖3為北京航空制造工程研究所首次利用攪拌摩擦焊制造的大飛機地板結構件，在飛機制造領域又向前邁進了堅實的一步，是攪拌摩擦焊發展史上又一塊閃亮的里程碑。這些應用將促進攪拌摩擦焊在焊接變形控制、收縮量控制、復雜工裝夾具設計、適時工藝自適應控制、缺陷檢測和質量控制等方面得到快速發展，同時也促進了中國飛機制造技術的進步和發展。

 

圖3 利用FSW制造的飛機貨艙地板結構件

結語

歐美國家的攪拌摩擦焊技術已經飛速發展了十多年，在航空及其它制造領域的工業化進程中得到了良好的成績。而我國開展攪拌摩擦焊技術的研究和開發以及推廣應用都還剛剛開始。經過多年努力，攪拌摩擦焊技術已經取得了一定的成績。但中國在航空工業制造領域還有很大的發展空間。希望中國的焊接技術在未來會有更精彩的明天。