铝合金搅拌磨擦焊接应用现状与发展趋势(上)

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一、概述
    1991年英国焊接研究所（TWI）发明了搅拌磨擦焊（FSW），从此以后，基于这种固相连接技术的明显优越性，例如：优良的接头力学生能，不需要填充焊接材料，没有焊接烟飞溅，很少的焊前准备和焊接变形等，在世界范围内的国际合和中,开展了大量的研究和开发工作。另外，搅拌磨擦焊铝合金材料都能焊接，如应用于航空、航天领域的2000系列、5000系列和7000系列高强铝合金，也可以利用这种先进的焊接方法得到高质量的连接。英国焊接研究所的Dave NICHOLAS订为，搅拌磨擦焊工艺是自激光焊接问世以来最引人注目的焊接方法，它的出现将使铝合金等有色金属的连接技术发生革命性的进步。
    2002年4月，北京航空制造工程研究所与英国焊接研究所（TWI）关于搅拌磨擦焊专利技术正式签约，并且取得了搅拌磨擦焊专利技术的独占性二级许可授予权，为中国市场开启了搅拌磨擦焊技术的研究、开发以及大规模工业化应用之门。 
二、铝合金搅拌磨擦焊的应用现状
    搅拌磨擦焊技术拥有诸多独特的优点，对于轻合金材料（如铝、铜、镁、锌等）的连接在焊接方法、力学性能和生产效率上具有其他焊接方法不可比拟的优越性。搅拌磨擦焊是一种固相连接方法，焊缝接头具有优良的力学性能和小的焊接变形，焊接过程中不需要添加保护气和焊丝，没有熔化、烟尘、飞溅及弧光，是一种环保型的新型连接技术。实际情况也的确如此，在FSW技术问世后的短短几年内，在焊接机理、适用材料、焊接设备以及工程化应用方面均取得了很大的进展。搅拌磨擦焊技术最初主要用于解决铝合金、镁合金及锌合金等材料的焊接。关于搅拌磨擦焊工艺的特点和应用等，英国焊接研究所进行了较多的研究，关于1993年、1995年申请了世界范围内的专利保护。目前，该所主要是与航空、航天、船舶、高速列车及汽车等焊接设备制造厂和国际性的大公司联合，以团体赞助或合作的形式（TWI的GSP项目）研究、开发搅拌磨擦焊技术，不断扩大其应用范围。
    目前由工业企业赞助的研究项目包括：大厚度铝合金的搅拌磨擦焊、钢的搅拌磨擦焊、钛合金的搅拌磨擦焊、汽车轻型构件的搅拌磨擦焊等。美国的爱迪生焊接研究所（EWI）与TWI密切协作，也在进行FSW工艺的研究。美国的洛克希德。马丁航空航天公司、马歇乐航天飞行中心、美国海军研究年、Dartmuth大学、德国的Stuttgart大学、澳大利亚的Adelaide大学及澳大利亚焊接研究所等都有从不同的角度对搅拌磨擦焊进行了专门研究。
    1 铝合金搅拌磨擦焊在航空航天领域中的应用
    随着搅拌磨擦焊的研究进一步走向深入，搅拌磨擦焊设备也逐渐从试验室走向商用。TWI应用此技术为波音公司生产了3个2000系列铝合金航天飞机燃料箱；美国洛克希德。马丁公司、波音-麦道公司、洛克韦乐集团、爱迪生焊接研究所等多家机构目前正在致力于搅拌磨擦焊接的研究、应用评估和开发。在航空航天领域适于用FSW技术焊接的结构包括：军用或民用飞机的蒙皮、航天器中的低温燃料箱，航空器油箱、军用机的副油箱、军用或科技探测火箭等；美国洛克希德。马丁航空航天公司用该技术焊接了航天飞机外部储存液态氧的低温容器；在马歇乐航天飞行中心，也已用该技术焊接了大型圆筒形容器。
    Boeing公司投资几百万美元，制造了用于Delta运载火箭的大型低温燃料容器的大型专用搅拌磨擦焊机，BAE空中客车公司正在对FSW技术进行方法、性能和可行性验证，目的是用来生产中型和大型商用客机，所采用的搅拌磨擦焊机由地处合利伐克斯的GRAWFORD-SWIFT公司制造，据说是欧洲功率最大的焊机。美国ECLIPSE（月蚀）航空公司将利用FSW来制造一架10.86 m长、翼展11.88 m的中型飞机，图1就是美国ECLIPSE公司耗资3亿美元研制成功的E500型新型节能小型喷气高务飞机。公司估计，采用FSW可以将机身壁板上的加强肋、框架的装配时间减少80%，使飞机成本降低为83.7万美元。此飞机的主要结构件、蒙皮等全部采用国际上最新的连接技术——搅拌磨擦焊技术制造，客机的机身基本上全部利用搅拌磨擦焊制造，其中包括飞机蒙皮、翼肋、弦状支撑、飞机地板以及结构件的装配等。
    搅拌磨擦焊的应用主要用来提高生产效率和降低制造成本，会对航空结构件的搅拌磨擦焊工艺是由TWI与美国ALCOA公司联合进行试验开发，然后应用于ECLIPSE500型飞机结构件的焊接。公司在2000年9月通过了飞机安全委员会的初步设计评估和认证，2001年6月确定搅拌磨擦焊的飞机制造中的可行性，2001年开始制造搅拌磨擦焊飞机结构件，2002年6月首飞，并在6月29日~7月1日向公众展示了这种新型飞机的目前已经有上百家客户争相订购这种新型的谦价、切能的商务飞机，该种飞机预计2003年8月进行飞行认证，在2003年8月交会用户使用。