搅拌摩擦焊的原理.工艺特点.装备特点及飞机制造中的应用

西北工业大学 机电学院 飞行器制造工程专业

搅拌摩擦焊的原理、工艺特点、装备特点及

飞机制造中的应用

一．搅拌摩擦焊的原理

搅拌摩擦焊（简称：FSW）是利用一种非损耗的特殊形状的搅拌头，旋转着插入被焊零件，然后被焊零件的待焊界面向前移动，通过搅拌头对材料的搅拌，摩擦，使待焊材料加热至热塑性状态，在搅拌头高速旋转的带动下，处于塑性状态的材料环绕搅拌头由前向后转移，同时结合搅拌头对焊缝金属的挤压作用，在热-机联合作用下材料扩散连接形成致密的金属间固相连接。

搅拌摩擦焊原理图

二．搅拌摩擦焊的工艺特点

搅拌摩擦焊的原理决定了它有完全不同于传统熔焊的焊接工艺。与其它焊 接方法相比,搅拌摩擦焊具有以下显著特点：

1)不需要氢、氦等保护气体和填充材料,节约资源。不产生弧光、烟尘、噪声以及任何有害的烟雾气体,减少了对人体危害,属于绿色环保高技术。

2)焊前不需要对被焊接材料进行严格清理、打磨和加工开剖口,大大降低了劳动强度,提高了工作效率。

3)依赖人的控制参数小,易于实现自动化生产,采用立式,卧式工装均可实现焊接,焊接质量的一致性高。

4)可以实现传统焊接难以焊接的铝合金材料,也可以焊接异种金属。

5)由于焊接温度相对较低,焊接大尺寸工件变形很小,焊接区的残余应力和残余变形也显著减少。

6)焊接装配要求低,焊件结合面的装配间隙小于焊件厚度的10%时,不会影响接

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头质量。

FSW技术的主要工艺参数是摩擦速度及时间,关键技术问题在于特殊结构形状的搅拌头。对于不同的待焊材料,接头形式,搅拌头的材料和形状及搅拌摩擦焊的工艺都应不同。

三.搅拌摩擦焊的装备特点

搅拌摩擦焊的搅拌头由特殊形状的搅拌指棒和轴肩组成，轴肩的直径大于搅拌指棒的直径，在焊接过程中轴肩和被焊材料的表面紧密接触，防止塑化金属材料的挤出和氧化。同时，搅拌轴肩还可以提供部分焊接所需要的搅拌摩擦热，搅拌指棒的形状比较特殊，焊接过程中搅拌指棒要旋转着插入被焊材料的结合界面处，并且沿着待焊界面向前移动。对于对接焊缝，搅拌指棒的插入深度一般要略小于被焊材料的厚度。搅拌摩擦焊要求的特殊形状的搅拌指棒一般要具有良好的耐高温力学和物理特性的抗磨损材料制造。对于铝合金等轻型合金材料，在焊接过程中搅拌头的磨损程度很小；焊接过程中，搅拌头对焊接区域的材料具有向下挤压的倾向，所以被焊工件要夹装背垫和夹紧固定，以便承受搅拌头施加的轴向力、纵向力（沿着焊接方向）以及侧向力。

平面曲线搅拌摩擦焊设备相对比较复杂。普通数控铣床只要有 2个坐标轴联动就可以实现平面加工，但搅拌摩擦焊必须有 3 个坐标轴在同一个平面内插补联动才能实现平面曲线轨迹的跟踪，同时还要加上主轴的旋转和高度方向的调节才能实现焊接。

四．搅拌摩擦焊在飞机制造中的应用

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。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。目前国内能够满足大型飞机地板结构产品制造的宽幅型材壁板搅拌摩擦焊设备能够适应多种截面结构型材产品的搅拌摩擦焊制造，焊接厚度可以达到15mm,有效焊接长度达到 18000mm，能够实现尺寸为18m×6m 的宽幅型材壁板的搅拌摩擦焊接。 2 平面曲线对接搅拌摩擦焊技术

对于飞机口盖类结构产品和中空散热器结构产品一般需要平面曲线搅拌摩擦焊技术进行焊接。该技术的关键是能够在工件厚度范围内保持搅拌工具尖部沿着曲线焊缝聚焦，并且在焊接过程中能够使搅拌工具实现0～5°焊接倾角范围

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内沿着焊接曲线轨迹进行切线调整。平面曲线搅拌摩擦焊接头设计多为对搭接结构，工件缝隙要求紧密，高度差不超过0.5mm，焊接过程倾角的调整和跟随连续而稳定，否则容易产生隧道型和局部富聚型空洞缺陷。目前中国搅拌摩擦焊中心已经利用平面曲线搅拌摩擦焊技术实现了多个飞机口盖类产品以及电子和雷达系统的中空散热器产品的搅拌摩擦焊制造。

3 搭接函数搅拌摩擦焊技术

在大型飞机机身制造中，“工”形、“Z”形和“L”形加强筋条和蒙皮壁板之间的搭接结构非常普遍，通常用铆钉连接，制造过程需要制孔、扩孔、涂胶和铆接等多道工序，而且每个铆接点都是一个独立的操作过程，铆接点的一致性较差。在压弯试验中，飞机蒙皮和筋条铆接结构件以铆接点的整体破坏形式失效，很容易引起飞机结构的连锁破坏反应，后果是非常严重的。在新型大飞机的机身蒙皮结构制造中已经开始用搅拌摩擦焊搭接纵缝代替铆接。这种“以焊代铆”的制造方法具有减重和提高结构整体性的优势。虽然这种结构与传统的飞机铆接制造工艺相比具有优势，但是由于搭接焊缝两边具有“楔形”缺口，是潜在的裂纹源，有可能会影响飞机结构零件的疲劳性能和使用寿命。基于搭接直缝的搅拌摩擦焊具有明显的工艺不完善性，尤其是焊缝两边“楔形”缺口方向的一致性，有可能造成结构件的单向失效或性能降低。所以对于飞机薄壁搭接结构，中国搅拌摩擦焊中心开发了函数曲线搭接搅拌摩擦焊技术。函数曲线搭接搅拌摩擦焊技术就是利用平面曲线搅拌摩擦焊设备沿着搭接工件方向做几何函数轨迹搅拌摩擦焊运动的，如正弦函数曲线或余弦函数曲线。试验证明，函数曲线轨迹搅拌摩擦焊连接强度比平直焊缝强度增加 25%以上。在中国，中国搅拌摩擦焊中心正致力于该技术在飞机薄壁带筋结构中的应用研究。在国外，美国 NASA 已经把该技术应用于新一代“宇宙神”火箭的Φ5.5m燃料贮箱的搅拌摩擦焊制造；欧洲的空客公司已经开始在系列大型客机壁板结构件制造中使用函数曲线搅拌摩擦焊技术。 4 飞机装配搅拌摩擦点焊技术

对于飞机壁板结构的搅拌摩擦焊，一项新型的“搅拌摩擦焊点焊”（Friction Stir Spot Welding，FSSW）技术正在兴起，这是一种适合于飞机复杂结构制造和装配的新技术，将会对未来飞机铝合金结构制造和装配体系产生巨大影响。在传统焊接知识中，点焊主要指电阻压力点焊，其原理是利用大电流经过焊接界面形成的电阻热能使焊接界面局部熔化，在压力的作用下冷却凝固形成焊点接头。而搅拌摩擦点焊是利用搅拌头插入工件后在局部进行停留旋转摩擦一定时间后，不作横向移动，然后退出，在工件上形成点状搅拌摩擦焊接头。其原理是利用摩擦产热和搅拌头高速旋转所形成的塑性金属流动而形成焊点。搅拌摩擦点焊过程有旋转、插入、停留搅拌、退出等4个典型的阶段组成，焊接循环一般为1～5s，停留时间一般为1～3s，它是一种高效的搅拌摩擦焊方法。搅拌摩擦点焊与电阻压力点焊相比明显克服了电阻压力点焊缺点，搅拌摩擦点焊较电阻点焊电能消耗下降99%，并且不需要冷却剂、压缩空气以及电阻点焊必须的大浪涌电流，设备投资可下降40%以上，不需要进行焊前预处理，不会产生烟尘和飞溅。搅拌摩擦点焊是新型的绿色点焊技术。

基于搅拌摩擦焊在飞机制造和装配中的诸多优点，世界范围内的飞机制造公司如空客、波音、月蚀和德宇航等，一方面在开发适合飞机结构和材料的新型搅拌摩擦焊工艺方法，另一方面针对飞机特殊零部件开展搅拌摩擦焊应用研究和装机飞行试验，以确定搅拌摩擦焊连接技术在飞机制造中的实用性、可靠性和安全性等。

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首先，大型民用客机和大型军用运输机的主体舱段就是飞机机身。飞机机身尤其是中机身主要由平直带筋壁板和小曲率弧形壁板组成，这些结构可以用搅拌摩擦焊实现加强筋和机身蒙皮的连接以及蒙皮和蒙皮的对接。这样的飞机搅拌摩擦焊结构已经在空客A350-800和900型飞机中得到应用，甚至正在尝试在新型A380飞机中同时应用搅拌摩擦焊和激光焊实现机身带筋壁板制造。另外，飞机机身蒙皮的环向对接和框段之间的装配制造也可以应用搅拌摩擦焊。目前机身的环向连接主要是精密铆接结构，根据连接部位载荷的大小，每个接头需要4～ 8排铆钉及高锁连接，接头包括加强板、束缚条、结合板和界面框架。现在主要研究和应用目标是用框架间搅拌摩擦焊连接代替铆钉连接。对于环向蒙皮的对接 ,可以用空间曲线搅拌摩擦焊实现，也可以用搅拌摩擦点焊实现框架间的装配，在中国已经具有类似的技术基础，

其次，大飞机机翼结构制造也可以应用搅拌摩擦焊。先进宽幅翼面壁板结构制造工艺为数控机械加工和喷丸成型，这样的大型工件整体制造成本很高，目前波音和空客公司正在尝试用搅拌摩擦焊实现小型壁板的连接，以期降低生产成本和提高制造效率。对于机翼内部数量众多的承力墙结构也用搅拌摩擦焊实现边框和腹板的连接，从而降低数控加工的时间和提高原材料的使用效率。在新型战斗机的机翼制造中考虑到机翼油箱的强度和密封要求，现在正在采用搅拌摩擦焊实现厚度 70mm 高强铝合金的连接，以期达到机翼油箱结构整体制造的目的，但是对结构的疲劳性能提出了严格的要求，目前测试工作正在进行中。

第三，飞机的舱门和口盖的搅拌摩擦焊制造。飞机机体和机翼上含有多个舱门、检修和维护窗口以及操作口盖，所有机身开口的部位都需要预成型件来增强开口部位的强度和刚性 ,这些舱门和口盖外形一般有气动要求 ,内部往往有复杂的刚性支撑，利用搅拌摩擦焊与超塑成型复合工艺可以实现此类零件的无铆接头的制造。如飞机舱门、窗口、检修和维护口盖等都可以使用搭接搅拌摩擦焊和搅拌摩擦点焊制造，也可以使用5坐标复杂搅拌摩擦焊设备实现空间复杂结构的搅拌摩擦焊整体制造。

第四，飞机货舱地板、仪器舱壁板和斜台等型材搅拌摩擦焊制造。大型运输机和客机中的货舱地板、战斗机的驾驶舱以及仪器舱壁板等现在的制造工艺一般是铝合金型材结构加搅拌摩擦焊接，这种工艺技术有助于节省材料和提高生产效率，并且可以大幅度降低制造成本。在国外，美国波音公司Ｃ-17 和Ｃ-130 大型军用运输机的货舱地板、斜台地板和货物滑板等已经开始采用铝合金型材和搅拌摩擦焊实现该类结构的制造。目前我国正在开发的大型军用运输机的货舱地板和装卸斜台等结构、新一代战斗机的座舱背板、仪器舱地板以及隔板等也正在开发利用搅拌摩擦焊实现高质量、低成本制造，在该类飞机型材结构制造中，搅拌摩擦焊可以代替 90％的铆接接头，生产效率可以提高60%，综合成本可以降低 30%以上。

第五，飞机方向舵等中空夹心结构搅拌摩擦焊。在中小型飞机的中空夹心结构中，尽管复合材料的应用渐成时尚，但是还有很多产品继续采用低成本的铝合金材料，此类结构的连接工艺已经逐渐采用搅拌摩擦焊，如尾翼方向舵、腹翼以及襟翼等都可以利用搅拌摩擦焊实现封闭式结构的整体制造。