搅拌摩擦焊在航天航空工业中的应用
搅拌摩擦焊镁铝异种材料研究现状
随着现代制造技术的不断进步，材料焊接技术也在不断发展。
搅拌摩擦焊作为一种新型的焊接方法，因其低能耗、无污染、高效率等优点而备受关注。
在工业界和学术界，对搅拌摩擦焊技术的研究也越来越深入。
一、搅拌摩擦焊简介1. 搅拌摩擦焊的原理和特点搅拌摩擦焊是一种无熔金属的固态焊接方法，通过机械搅拌和摩擦加热的方式将材料焊接在一起。
与传统的熔化焊接方法相比，搅拌摩擦焊具有温度低、热影响区小、焊接变形小等优点。
2. 搅拌摩擦焊的应用领域搅拌摩擦焊技术已广泛应用于航空航天、汽车制造、铁路交通等领域，尤其在焊接铝合金、镁合金等轻金属材料方面具有独特优势。
二、搅拌摩擦焊镁铝异种材料研究现状1. 镁铝异种材料的特点镁铝异种材料因其密度低、强度高、耐腐蚀等特点，被广泛应用于航空航天、汽车制造等领域。
然而，由于镁铝材料的化学性质和熔点差异较大，传统的焊接方法往往难以实现良好的焊接效果。
2. 搅拌摩擦焊镁铝异种材料的研究现状为解决镁铝异种材料的焊接难题，学术界和工业界进行了大量的研究。
目前，搅拌摩擦焊镁铝异种材料的研究已取得了一定进展，但仍存在一些挑战。
3. 研究现状的主要问题（1）焊接接头的组织和性能不稳定，需要进一步优化工艺参数和焊接头形貌。
（2）搅拌摩擦焊镁铝材料的金属间化合物生成机理和影响因素尚不清楚，需要深入研究。
（3）焊接接头的力学性能、耐腐蚀性能等方面还需要进一步评估和提升。
三、未来研究方向1. 优化焊接工艺参数针对搅拌摩擦焊镁铝异种材料存在的问题，未来研究可以进一步优化焊接工艺参数，包括搅拌转速、下压力、焊接速度等，以获得更稳定的焊接接头组织和性能。
2. 深入研究金属间化合物形成机理金属间化合物的生成对搅拌摩擦焊接头的性能具有重要影响，未来的研究可以针对金属间化合物的形成机理和影响因素进行深入探讨，为优化焊接工艺提供理论依据。
3. 综合评价焊接接头性能未来的研究还可以从焊接接头的力学性能、耐腐蚀性能等方面进行综合评价，探索提升镁铝异种材料搅拌摩擦焊接头综合性能的途径。
搅拌摩擦焊的特点及应用
搅拌摩擦焊的特点及应用搅拌摩擦焊是一种利用摩擦加工热和塑性变形原理实现的焊接方法。
它的特点在于焊接过程中不使用传统的焊接热源，而是通过直接对工件施加摩擦力来产生焊接热量。
下面将分别从特点和应用两个方面对搅拌摩擦焊进行详细介绍。
搅拌摩擦焊的特点如下：1. 无熔化和溶合：搅拌摩擦焊不需要熔化焊接材料，而是通过摩擦热和塑性变形来实现焊接。
因此，焊接过程中没有熔化和溶合现象，可以避免焊接材料的氧化、烧损和变质。
同时，焊接接头的化学成分保持不变，焊接区域不会出现气孔和夹杂物。
2. 低热输入和变形小：搅拌摩擦焊的焊接热输入相对较低，对于焊接材料的热影响区域较小。
因此，焊接过程中产生的热应力和残余应力较小，可以有效控制焊接接头的变形。
此外，由于焊接过程中材料处于固态状态，不会出现晶粒长大和固溶体析出的问题。
3. 高焊接质量和可靠性：由于搅拌摩擦焊焊接过程中不会出现气孔、夹杂物和缺陷等问题，因此焊接接头的质量较高。
同时，由于焊接接头的机械性能与基材的一致性较好，焊缝区域的强度通常高于基材的强度。
对于特殊材料，如铝合金、镁合金等，搅拌摩擦焊能够实现高强度焊接，提高焊接接头的可靠性。
4. 适应范围广：搅拌摩擦焊适用于多种材料的焊接，包括金属和非金属材料。
金属材料如铝合金、镁合金、钢材等可以通过搅拌摩擦焊实现焊接。
非金属材料如塑料、复合材料、陶瓷等也可以进行搅拌摩擦焊。
这种特性使得搅拌摩擦焊在航空航天、汽车制造、轨道交通等领域具有广阔的应用前景。
搅拌摩擦焊的应用主要包括以下几个方面：1. 铝合金焊接：铝合金是航空航天和汽车等行业常用的材料，传统焊接方法在焊接铝合金时存在困难。
而搅拌摩擦焊能够实现高强度、无缺陷的铝合金焊接，因此被广泛应用于铝合金结构件的制造。
2. 钢材焊接：搅拌摩擦焊也可以用于焊接钢材。
虽然钢材的焊接温度较高，但由于搅拌摩擦焊的热输入较低，因此不会产生较大的热影响区域和热应力。
同时，焊接接头的力学性能较好，适用于特殊场合对焊接接头强度和可靠性要求较高的钢材焊接。
焊接技术在航空航天工业中的应用
焊接技术在航空航天工业中的应用
焊接是通过加热、加压，或两者并用，使同性或异性两工件产生原子间结合的加工工艺和联接方式。
焊接既可用于金属，也可用于非金属。
在航空航天装备和材料加工过程中，焊接技术有着举足轻重的地位。
1电子束焊
2激光焊
3搅拌摩擦焊
4线性摩擦焊
线性摩擦焊是一种在焊接压力作用下，利用被焊工件相对做线性往复摩擦运动产生热量，从而实现焊接的固态连接方法。
它具有优质、高效、节能、环保的优点。
20世纪80年代后期，mtu公司与罗罗公司合作，成功的将线性摩擦焊用于发动机整体钛合金叶盘的制造。
目前，线性摩擦焊已经广泛应用于塑料工程和航空发动机叶盘式转子的制造。
5扩散焊
扩散焊又称扩散连接，是把两个或两个以上的固相材料紧压在一起，置于真空或保护气氛中加热至母材熔点以下温度，对其施加压力使连接界面微观塑性变形达到紧密接触，再经保温、原子相互扩散而形成牢固结合的一种连接方法。
它具有接头质量好，焊后无需机加工，焊件变形量小，一次可焊多个接头等优点。
扩散焊已在直升飞机上钛合金旋翼桨毂、飞机大梁、发动机机匣以及整体涡轮等方面试用，涡轮叶片、钛合金宽叶弦蜂窝夹层风扇叶片等的扩散焊已应用于生产。
焊接技术是航空航天领域的重要连接技术，它在促进航空航天制造技术的发展、实现飞行器的减重、高效中发挥着越来越重要的作用。
可以预见，我国航空航天工业在突飞猛进的焊接技术的推动下定将取得快速发展。
焊接技术在航空航天工业中的应用
航空航天科学技术DOI：10.16660/ki.1674-098X.2005-1012-9786焊接技术在航空航天工业中的应用冯瑞(中国航空工业集团公司西安航空计算技术研究所 陕西西安 710000)摘 要：随着国家经济实力不断增强，在科学技术不断发展的双重保障下，我国焊接技术发展越来越成熟。
航空航天工业一直是作为国家实力的一项重要象征存在的，并且在整个航空航天工业中，焊接技术的应用是非常重要的一环，它是制造技术的主要组成部分。
因此本文的探析重点就放在焊接技术与航空航天工业之间的应用关系上，以此来进行深入研究。
关键词：焊接技术 航空航天工业 应用 分类中图分类号：G623 文献标识码：A 文章编号：1674-098X(2020)10(b)-0004-03Application of Welding Technology in Aerospace IndustryFENG Rui(AVIC, Xi'an Institute of Aeronautical Computing Technology, Xi'an, Shaanxi Province, 710000China)Abstract:With the increasing national economic strength, under the double guarantee of continuous development of science and technology, China's welding technology development is becoming more and more mature.The aerospace industry has always been an important symbol of national strength and in the entire aerospace industry., The application of welding technology is a very important link., It is the main component of manufacturing technology. Therefore, this paper focuses on the application of welding technology and aerospace industry in order to carry out in-depth research.Key Words: Welding technology; Aerospace industry; Application; Classification从技术品种来看，焊接技术属于链接技术中的一环。
搅拌摩擦焊技术应用现状和发展趋势
搅拌摩擦焊技术应用现状和发展趋势
北京航空制造工程 研究所 （０ ０ ４ 栾国红 １０ ２ ） 柴 鹏
［ 摘要］文章对搅拌摩擦焊技术概况和技术特点进行了简要介绍，对搅拌摩擦焊 技术在国内外的应用现状进行了分析，并预测了搅拌摩擦焊技术的发展趋势。文章认 为，铝合金等轻金属连接是搅拌摩擦焊技术的主要应用领域。同时，在搅拌摩擦焊技 术的基础上进行新技术 （ 如表面改性、材料制备和搅拌摩擦点焊等）的开发，是该技
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．
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搅 拌摩 擦焊 接过 程 中 ，接 头温 度峰值 始终 处于 材 料熔化 点以 下 （ 为材料熔 点的０８ 约 ．），不 会 出现 材料 熔化 ，从而避 免 了常规 熔焊 工艺 中因熔化一 固现 象的 凝 存在所造成的各种焊接缺 陷。所以 ，搅拌摩擦焊是一种 固相焊接技术 。接头材料在高温软化状 态下 ，由于搅拌
１ 所示 ，可以分解为４ 个不同阶段 ：旋转 、插入 、焊接以
金车体 的制造 中。 １９ 年 ，英 国焊 接研 究所在 中国 申请 了搅拌 摩擦 ９５
焊技 术发 明专 利 ，并 于 １ ９ 年正 式获 得 国家专利 局批 ９９
及离 开 。搅拌 头旋转 启动 后 ，以一 定速 度插入 待焊 零
一
泛 的应用 ，同时在高熔 点材料领域也获得 了一定发展 。 搅拌摩 擦焊 技术 最早被 挪威 的Ｓ ｐ 公司 、瑞典 的 ａａ
Ｈｙ ｒ ｒｎ 公司等用于船舶制造领域 。并先后被 美国 ｄｏｍａｉｅ
的波音 公司 、洛克希 德－ 马丁公 司和 月蚀公 司、欧洲 的 空 中客车 公司以及 日本的三菱重工和富士重工等企业推
搅拌摩擦焊技术
搅拌摩擦焊技术。
搅拌摩擦焊技术是一种热焊接技术，它主要是通过搅拌、摩擦和挤压来达到焊接的目的。
它具有热焊接技术的优点，如高焊接速度、高焊接品质、低焊接温度等，还可以用于接合非金属材料，因此被广泛应用于航空、航天、军事、汽车、机械制造和其它行业。
搅拌摩擦焊技术的原理是将两块金属材料用搅拌器旋转，形成一定的摩擦力和温度，使材料表面上的金属熔池中形成汇聚成一体，从而达到焊接的目的。
该技术的优点是焊接温度较低，可以避免温度过高时对金属材料造成的损伤，焊接速度也很快，可以省去许多焊接时间。
搅拌摩擦焊技术的应用非常广泛，可以用于各种金属材料的焊接，如钢材、铝材、铜材、锡材、镍材、钛材等，也可用于接合非金属材料，如塑料、橡胶等。
此外，搅拌摩擦焊技术还可以用于制作各种尺寸和形状复杂的零件，例如汽车、航空、航天、军事和机械等行业的零件。
搅拌摩擦焊技术具有高焊接速度、高焊接品质、低焊接温度、可用于接合非金属材料等优点，可以应用于各种金属材料和非金属材料的焊接，因此，在航空、航天、军事、汽车、机械等行业中应用十分广泛。
搅拌摩擦焊在航天航空工业中的应用
２ 搅拌摩擦焊焊接原理及 工艺特性
２ ． １ 搅拌摩擦焊 （ ｖ ｓ ｗ） 焊接原理 Ｆ Ｓ Ｗ 焊接过程是 由一个高速旋转的 圆柱体焊头伸人 工件的接缝 处与工件摩擦 ， 使连接部位的材料温度 升高软化 ． 进行搅拌摩擦 来完 另相关试 验发现 ： Ｆ Ｓ Ｗ 焊缝的宏观组织有 明显 的塑变 流线 ， 呈 同 成焊接的 ， 即防止了塑性状态材料 的溢 出 ． 同时又起到清 除表 面氧化 心状 以７ ０ ７ ５ 一 Ｔ ６ （ Ａ Ｉ Ｚ ｎ ５ ． ６ Ｍ ｇ ２ ． ５ Ｃ ｕ １ ． ６ ） 铝合金为例 ． 板厚６ ． ３ ５ ａ ｒ ｍ ， 焊接 膜的作用 。如 图 １ 所示 。 速度 ２ ． １ ｍｍ／ ｓ ， 焊缝有再结 晶， 是细小等轴晶组织 ． 直径约 ２ － ４ ｔ ｘ ｍ， 位错 密度 比母材低 。 母 材中非常细小的晶内析出质点 （ 约 １ Ｏ ｈ ｍ ） ． 在焊缝 中 已看不到 这是 由于焊缝的温度没达 到材料 的熔点 ． 但超过 了偏析硬 化质点的溶解 温度。 在搅拌影响区 ． 严重 的塑性变形使母材晶粒拉长 ， 但透射 电镜下看不到再结晶
２ ． ２ ． ２ Ｆ Ｓ Ｗ 焊接接头性能 在Ｆ ｓ Ｗ 接头 中， 除了包括常见 的焊缝 区（ 搅拌 区） ， 热影 响区和母 材 外 ．还 存 在 一 个 搅 拌 影 响 区 现选用试 件材料 为 ６ ０ ６ １ 一 Ｔ ６ （ Ａ １ Ｍ ｇ ｌ Ｓ ｉ Ｃ ｕ ） 为冷轧时效强化铝合金 ． 试验 中随着温度 的升高会造成 材 料硬度 和强度 的降低 ． 但 由于搅拌 的影 响 ． 使得近邻焊缝 区域 的材 料发生变形强化 ． 从而形成搅拌影响 区 该试件的 Ｆ Ｓ Ｗ 温度场测试表 明 ．焊缝 中心最高温度 为 ４ ５ ０ ￣ Ｃ 左右 （ 铝合金母 材 的熔 化温度约 为 ５ ８ ２ ℃） ．相 应 的材 料屈 服 强度 将 由常 温下 的约 ２ ８ ０ Ｍ Ｐ ａ 下降 到 约 ２ ０ ＭＰ ａ ， 搅拌高温足 以使铝合金达到塑性流变状态而形成高塑变搅拌 层 通过对 ６ ０ ６ １ 一 Ｔ ６ 铝合金接头拉伸试验结果 （ 表２ ） 表 明接头最薄弱 的 环节 不 在焊 缝 表２ ６ ０ ６ １ 一 Ｔ ６母 材 与焊 接 接头 力 学 性 能
搅拌摩擦焊在航空航天工业的应用发展现状与前景
步增 强 中 国 工 业 产 品 国
际竞争力
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关键 词
：
搅 拌摩 擦 焊
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航空
航天
应用
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言
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种 新 的 焊 接 方 法 自发 现 原 理 验 证 技 术 实 现 与
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革新 中国载人 航 天 工 程 完成
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从 而 形 成 致 密 可 靠 的 固相 连 接
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搅拌 摩擦 焊 的原 理 示
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意 如 图 2 所 示 主 要 由搅 拌 头 的旋 转 插 入 热 塑 化 和
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搅拌摩擦焊 专利许 可 参 见 图
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1 所示
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起 以北 京航 空 制造 工 程 研 究 所 (原 北 京航 空 工 艺研 究 所 或航空 部 6 2 5 所 ) 为代 表 的
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些 科研 单位也 启 动 了
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要 经 历 几 十年甚 至 更长 的时 问
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搅拌摩擦焊在航天航空工业中的应用
【摘要】本文分析了搅拌摩擦焊（FSW）这项创新的焊接新技术的工艺特性及在航天、航空结构制造领域的应用，同时介绍了国内搅拌摩擦焊发展现状及对航空制造焊接教学实训的指导意义。
【关键词】摩擦焊的定义及分类；FSW原理及工艺特性；FSW在航天航空工业中的应用；国内发展现状
1991年，英国焊接研究所（TWI）发明了搅拌摩擦焊（FSW），这项杰出的焊接技术发明正在为世界制造技术的进步做出贡献。
在国外，FSW已在船舶、轨道车辆、汽车工业、轻型商用飞机、世界宇航等诸多制造领域达到规模化、工业化的应用水平。
作为一种新型制造产业，FSW正在世界范围内兴起！
1 摩擦焊的定义及分类
在压力作用下，通过待焊工件的摩擦界面及其附近温度升高，材料的变形抗力降低、塑性提高、界面氧化膜破碎，伴随着材料产生塑性流变，通过界面的分子扩散和再结晶而实现焊接的固态焊接方法，叫做摩擦焊。
按与工件的相对运动形式可分为惯性摩擦焊、径向摩擦焊、搅拌摩擦焊、轨道摩擦焊、线性摩擦焊、摩擦堆焊等。
2 搅拌摩擦焊焊接原理及工艺特性
2.1 搅拌摩擦焊（FSW）焊接原理
FSW焊接过程是由一个高速旋转的圆柱体焊头伸入工件的接缝处与工件摩擦，使连接部位的材料温度升高软化，进行搅拌摩擦来完成焊接的，即防止了塑性状态材料的溢出，同时又起到清除表面氧化膜的作用。
如图1所示。
2.2 搅拌摩擦焊（FSW）的工艺特性
2.2.1 FSW工艺参数
最重要的参数是：搅拌头的尺寸、圆周速度及与工件的相对移动速度。
表1是几种有色金属常用的焊接速度。
对于铝合金的焊接，焊头的旋转速度可以从几百～几千r/min。
焊接速度在1～15mm/s之间。
所以FSW可以很方便地实现自动控制。
例如，对1100和6061冷轧板进行FSW，板厚6.3mm。
搅拌头的直径为 6.3mm，长度为 5.8mm。
当焊接速度为1～4mm/s，搅拌头的转速在200～2000r/min的范围改变时，形成优质焊缝的最佳转速是400r/min。
在转速超过10000r/min，引进材料应变速率增加，会影响焊缝的再结晶过程，使其强度降低。
2.2.2 FSW焊接接头性能
在FSW接头中，除了包括常见的焊缝区（搅拌区），热影响区和母材外，还存在一个搅拌影响区。
现选用试件材料为6061-T6（A1Mg1SiCu）为冷轧时效强化铝合金，试验中随着温度的升高会造成材料硬度和强度的降低，但由于搅拌的影响，使得近邻焊缝区域的材料发生变形强化，从而形成搅拌影响区。
该试件的FSW温度场测试表明，焊缝中心最高温度为450℃左右（铝合金母材的熔化温度约为582℃），相应的材料屈服强度将由常温下的约280MPa下降到约20MPa，搅拌高温足以使铝合金达到塑性流变状态而形成高塑变搅拌层。
通过对6061-T6铝合金接头拉伸试验结果（表2）表明接头最薄弱的环节不在焊缝。
表2 6061-T6母材与焊接接头力学性能
另相关试验发现：FSW焊缝的宏观组织有明显的塑变流线，呈同心状。
以7075-T6（AlZn5.6Mg2.5Cu1.6）铝合金为例，板厚6.35mm，焊接速度2.1mm/s，焊缝有再结晶，是细小等轴晶组织，直径约2～4μm，位错密度比母材低。
母材中非常细小的晶内析出质点（约10nm），在焊缝中已看不到。
这是由于焊缝的温度没达到材料的熔点，但超过了偏析硬化质点的溶解温度。
在搅拌影响区，严重的塑性变形使母材晶粒拉长，但透射电镜下看不到再结晶。
3 FSW在航天航空工业中的应用
波音公司最早将FSW应用于Delta II运载火箭4.8m高的中间舱段的制造（纵缝，厚度22.22mm，2014铝合金），该运载火箭于1999年8月17日成功发射升空。
2001年4月7日成功发射的“火星探索号”的压力贮箱焊缝接头也采用FSW 技术，强度提高了30%，FSW技术首次在压力结构件上得到可靠地应用。
后波音公司又将FSW技术用于制造Delta IV运载火箭中心助推器。
该火箭贮箱直径为5m，采用2219-T87铝合金FSW技术，节约了60﹪的成本，制造周期由23天降低为6天。
欧洲Fokker宇航公司将FSW技术用于Ariane 5发动机主承力框的制造，承力框的材料为7075-T7351，主体结构由12块整体加工的带翼状加强的平板连接而成，结构制造中用FSW代替了螺栓连接，为零件之间的连接和装配提供了较大的裕度，减轻了结构重量。
FSW在飞机制造领域的开发和应用还处于验证阶段，主要利用FSW实现了飞机蒙皮和衍樑、筋条、加强件之间的连接，框架之间的连接、飞机预成型件的安装、飞机壁板和地板的焊接、飞机结构件和蒙皮的在役修理等。
如波音公司成功地实现了飞机起落架舱门复杂曲线的FSW焊接。
美国Eclipse飞机制造公司制造的第一架采用FSW技术的商用喷气客机（Eclipse500）于2002年8月进行了首飞测试。
其机身蒙皮、翼肋、弦状支撑、飞机地板以及结构件的装配等铆接工序均由FSW替代，节约了制造成本并且减轻了机身重量。
4 国内搅拌摩擦焊发展现状
北京赛福斯特技术有限公司（中国FSW中心）是中国地区唯一得到英国TWI 授权的专业化FSW技术开发与设备制造企业，为FSW技术在中国地区的发展、推广和工业化应用打开了大门。
国内一些高等院校及科研、生产单位，相继通过中国FSW中心，正式获取了英国TWI专利使用许可证，开展了不少科学试验研究工作及产品开发应用，并且已经开始在我国航空、航天、船舶、列车、电力等工业制造行业中大规模工程化应用，正在推动着中国轻合金结构制造业连接技术的加速发展。
5 结束语
FSW在方法、材料、性能和效率、成本、环保等方面的优越性，正被广泛应用于铝合金结构件的连接制造并大面积取代熔焊方法。
作为航空机械制造类高职院校，探讨FSW的焊接工艺对焊接教学实训是十分必要的。
【参考文献】
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