鋁合金攪拌摩擦焊的分析

來(lái)源:中鋁網(wǎng) 　作者:* 　日期:2010-12-15 　頁(yè)面功能 [字體：大 中 小] [ 打印 ] [ 投稿 ] [ 評(píng)論 ] [ 啄木鳥(niǎo) ]

　　【中國(guó)幕墻網(wǎng)】一、概述　1991年英國(guó)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(méi)有焊接煙法和飛濺，很少的焊前準(zhǔn)備和焊接變形等，在世界范圍內(nèi)的國(guó)際合和中開(kāi)展了大量的研究和開(kāi)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(qiáng)鋁合金，也可以利用這種先進(jìn)的焊接方法得到高質(zhì)量的連接。英國(guó)焊接研究所的Dave NICHOLAS訂為，攪拌摩擦焊工藝是自激光焊接問(wèn)世以來(lái)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(jìn)步。

　　2002年4月，北京航空制造工程研究所與英國(guó)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(dú)占性二級(jí)許可授予權(quán)，為中國(guó)市場(chǎng)開(kāi)啟了攪拌摩擦焊技術(shù)的研究、開(kāi)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(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)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(guò)程中不需要添加保護(hù)氣和焊絲，沒(méi)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(shí)際情況也的確如此，在FSW技術(shù)問(wèn)世后的短短幾年內(nèi)，在焊接機(jī)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(jìn)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(diǎn)和應(yīng)用等，英國(guó)焊接研究所進(jìn)行了較多的研究，關(guān)于1993年、1995年申請(qǐng)了世界范圍內(nèi)的專利保護(hù)。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(guó)際性的大公司聯(lián)合，以團(tuán)體贊助或合作的形式（TWI的GSP項(xiàng)目）研究、開(kāi)發(fā)攪拌摩擦焊技術(shù)，不斷擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。

　　目前由工業(yè)企業(yè)贊助的研究項(xiàng)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(guó)的愛(ài)迪生焊接研究所（EWI）與TWI密切協(xié)作，也在進(jìn)行FSW工藝的研究。美國(guó)的洛克希德。馬丁航空航天公司、馬歇樂(lè)航天飛行中心、美國(guó)海軍研究年、Dartmuth大學(xué)、德國(guó)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(duì)攪拌摩擦焊進(jìn)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(jìn)一步走向深入，攪拌摩擦焊設(shè)備也逐漸從試驗(yàn)室走向商用。TWI應(yīng)用此技術(shù)為波音公司生產(chǎn)了3個(gè)2000系列鋁合金航天飛機(jī)燃料箱；美國(guó)洛克希德。馬丁公司、波音-麥道公司、洛克韋樂(lè)集團(tuán)、愛(ài)迪生焊接研究所等多家機(jī)構(gòu)目前正在致力于攪拌摩擦焊接的研究、應(yīng)用評(píng)估和開(kāi)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(jī)的蒙皮、航天器中的低溫燃料箱，航空器油箱、軍用機(jī)的副油箱、軍用或科技探測(cè)火箭等；美國(guó)洛克希德。馬丁航空航天公司用該技術(shù)焊接了航天飛機(jī)外部?jī)?chǔ)存液態(tài)氧的低溫容器；在馬歇樂(lè)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(wàn)美元，制造了用于Delta運(yùn)載火箭的大型低溫燃料容器的大型專用攪拌摩擦焊機(jī)，BAE空中客車公司正在對(duì)FSW技術(shù)進(jìn)行方法、性能和可行性驗(yàn)證，目的是用來(lái)生產(chǎn)中型和大型商用客機(jī)，所采用的攪拌摩擦焊機(jī)由地處合利伐克斯的GRAWFORD-SWIFT公司制造，據(jù)說(shuō)是歐洲功率最大的焊機(jī)。美國(guó)ECLIPSE（月蝕）航空公司將利用FSW來(lái)制造一架10.86 m長(zhǎng)、翼展11.88 m的中型飛機(jī)，圖1就是美國(guó)ECLIPSE公司耗資3億美元研制成功的E500型新型節(jié)能小型噴氣高務(wù)飛機(jī)。公司估計(jì)，采用FSW可以將機(jī)身壁板上的加強(qiáng)肋、框架的裝配時(shí)間減少80%，使飛機(jī)成本降低為83.7萬(wàn)美元。此飛機(jī)的主要結(jié)構(gòu)件、蒙皮等全部采用國(guó)際上最新的連接技術(shù)――攪拌摩擦焊技術(shù)制造，客機(jī)的機(jī)身基本上全部利用攪拌摩擦焊制造，其中包括飛機(jī)蒙皮、翼肋、弦狀支撐、飛機(jī)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(lái)提高生產(chǎn)效率和降低制造成本，會(huì)對(duì)航空結(jié)構(gòu)件的攪拌摩擦焊工藝是由TWI與美國(guó)ALCOA公司聯(lián)合進(jìn)行試驗(yàn)開(kāi)發(fā)，然后應(yīng)用于ECLIPSE500型飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的焊接。公司在2000年9月通過(guò)了飛機(jī)安全委員會(huì)的初步設(shè)計(jì)評(píng)估和認(rèn)證，2001年6月確定攪拌摩擦焊的飛機(jī)制造中的可行性，2001年開(kāi)始制造攪拌摩擦焊飛機(jī)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(jī)的目前已經(jīng)有上百家客戶爭(zhēng)相訂購(gòu)這種新型的謙價(jià)、切能的商務(wù)飛機(jī)，該種飛機(jī)預(yù)計(jì)2003年8月進(jìn)行飛行認(rèn)證，在2003年8月交會(huì)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(xì)致的研究和開(kāi)發(fā)。船舶制造不僅要求速度的增加，而且要求單位價(jià)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(lái)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(shí)間、人力和物料的使用量，而鋁合金熔焊時(shí)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(lái)實(shí)現(xiàn)高集成度的預(yù)成型模塊化制造來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的船舶來(lái)板-加強(qiáng)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(jìn)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(shí)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(chǎng)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(shí)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(qiáng)件的焊接、直升機(jī)降落平臺(tái)的焊接等。目前已用該技術(shù)焊接快艇中上長(zhǎng)為20 m的鋁合金結(jié)構(gòu)件，焊縫總長(zhǎng)度超過(guò)500 km。

　　三、鋁合金攪拌摩擦焊的發(fā)展趨勢(shì)

　　在中國(guó)，北京航空制造工程研究所和英國(guó)TWI的攪拌試探焊技術(shù)合作中心――中國(guó)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(kāi)發(fā)，攪拌摩擦焊設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造和銷售等方面，都取得很大的進(jìn)展。

　　（1）目前，中心正在針對(duì)攪拌摩擦焊在航天火箭筒體制造，航空飛機(jī)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(kāi)全面的研究和工程攻關(guān)。另外，在承攬國(guó)防科研和總裝課題的同時(shí)，還加強(qiáng)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(jì)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(tái)專業(yè)化的攪拌摩擦焊設(shè)備（圖2為中國(guó)攪拌摩擦焊中心設(shè)計(jì)制造的中國(guó)首臺(tái)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(jī)及新型運(yùn)載火箭等方面首先得到應(yīng)用。

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