搅拌摩擦焊技术应用现状和发展趋势

万方数据
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（约为材料熔点的０．８），不会出现材料熔化，从而避免了常规熔焊工艺中因熔化一凝固现象的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
图１
搅拌摩擦焊基本原理及工艺过程
头的挤压而形成牢固的锻造细晶组织（与此不同的是，熔焊接头通常为晶粒粗大的铸造组织）。

与其他焊接方法相比，搅拌摩擦焊具有以下特点：
（１）搅拌摩擦焊是一种固相连接技术，接头性能优
异。

（２）焊前不需要开坡口，可以节省焊前准备工时。

（３）焊接过程中不需要保护气，也不需要填充材料。

（４）焊接过程容易实现自动化，可以实现全位置焊
接，接头质量一致性好。

（５）焊接热输入小，从而导致焊接变形小、接头残
余应力水平低，是一种低应力，小变形焊接技术。

（６）焊接过程中无飞溅、无弧光，无辐射，是一种绿色焊接技术。

（７）焊接效率高、能耗低，是一种高效焊接技术。

搅拌摩擦焊技术的这一系列特点使其对于以铝合金为代表的轻金属结构焊接具有非常重要的意义，在航空、航天、船舶、列车、汽车以及电力、电子等领域具有非常广阔的应用前景。

：．搅拌摩擦焊技术应用现状
搅拌摩擦焊作为一种轻合金材料连接的优选焊接
Ｅ口！唑堡笙！塑壁董皇塑型
参磊加工热加工
ｗｗｗ，ｍａｃｈｉｎｉｓｔ．ｃｏｍ，ｃｎ
技术，已经从技术研究迈向高层次的工程化和工业化应用阶段，如在美国的宇航制造工业、北欧的船舶制造工业和日本的高速列车制造等领域，搅拌摩擦焊技术都得到了广泛应用。

搅拌摩擦焊技术１９９５年（通过申请专
利）进入中国，但是这项技术在中国真正获得发展却是在２００２年以后——中心成立以来的这几年时间，它是以
中国自主研制的第一台专机搅拌摩擦焊设备的交付使用为标志的。

２００２年以来，搅拌摩擦焊技术已被迅速推广到国内的航空、航天、船舶、电力、电子以及汽车等领域，并在几十种产品型号中得到应用。

１．搅拌摩擦焊技术在航天型号产品研制中的应用
由于轻量化的需要，航天领域大量采用了铝合金
结构——最适合采用搅拌摩擦焊技术，从而使搅拌摩擦
焊技术最早在火箭、航天飞机等宇航产品中得到推广。

国内则是首先在一些火箭、导弹等新型号武器装备研制中采用了搅拌摩擦焊技术，并配备了中国搅拌摩擦焊中
心自主研制的搅拌摩擦焊专机设备。

出于减重、减少成本和提高性能等方面的考虑，
我国导弹武器舱段的设计拟由原来的防锈铝（女１１５Ａ０６铝合金）改为高强铝合金（女ＩＩＬＹｌ２），但是这些材料采用熔焊的方法很难实现焊接，整体成形的成本又很
高，因此迫切需要像搅拌摩擦焊这样的新型固相焊接技术。

２００４～２００５年，中国搅拌摩擦焊中心与某航天制
造基地合作开展了这方面的研究，分别对与导弹武器整体舱段制造的纵缝连接，环缝连接等进行了应用开发，试制了多个型号的产品（图２所示为工艺验证模拟结构
件）并成功试飞。

目前，搅拌摩擦焊技术已准备用于相
关军工产品的工业化生产。

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图２模拟导弹舱段结构的搅拌摩擦焊制造鉴于波音公司、洛克希德·马丁公司等均已将搅拌摩擦焊技术用于火箭燃料贮箱和航天飞机外挂燃料贮箱的焊接，中国搅拌摩擦焊中心与国内航天领域运载火箭制造厂的合作非常成功。

２００６年，完成了新型运载火箭燃料贮箱筒段的搅拌摩擦焊技术的研究和专机设备的研制；２００７年，完成了运载火箭燃料贮箱箱底结构的搅拌摩擦焊技术攻关和试验验证。

图３所示为运载火箭燃料贮箱箱底焊接所采用的多轴数控搅拌摩擦焊设备。

该设备共有７个运动轴，可以实现４轴联动，能够完成垂直平面（ｙ－ｚ平面）内的二维曲线焊接，是国内自主开发研制的最先进的搅拌摩擦焊设备之一。

图３多轴数控搅拌摩擦焊设备
２．船舶制造中的搅拌摩擦焊技术应用
铝合金船舶的种类很多，从十几米的军用导弹快艇，到２００多米长的大型豪华游轮。

所以船ｔｆｌ带ｉｌ造需要的宽幅铝合金壁板种类较多，搅拌摩擦焊技术因其制造接头性能高，变形小、效率高等特点在这种宽幅铝合金壁板的制造中具有很强的竞争力。

２００６年中国搅拌摩擦焊中心自主设计制造了国内第一台宽幅船舶壁板结构型材搅拌摩擦焊设备；２００７年，同类型搅拌摩擦焊设备出
口至国外ｌ２００８年，第１Ｉ代改进型型材搅拌摩擦焊设备
已经用于新的铝合金型材拼接生产线，把我国型材搅拌
摩擦焊的制造能力由３００Ｉ／年提高到了１５０（０年。

图４所示搅拌摩擦焊设备，采用了分体方梁设计
模式，焊接设备主体和液压压紧横粱分离，零件的夹紧
力不会影响主体设备的工作精度。

自主开发的数控系统
可以实现焊接参数的设定和适时调整，并且系统集成了
多种工艺控制模式，可以根据零件种类以及结构不同分
别实现恒位置控制或恒压力柔性控制。

该设备可以焊接２～６ｍｍ接头厚度的铝合金板材和型材，焊接产品尺寸
可以达到６０ｍ２（１２ｍ×５ｍ，见图５）。

图４中国第一台１２ｍ长宽幅型材搅拌摩擦焊设备
图５中国搅拌摩擦焊中心制造的宽幅
搅拌摩擦焊铝合金船舶壁板（６０ｍ２）
３．电力、电子产品搅拌摩擦焊制造
电力，电子行业中使用的冷却器产品多为复杂的
平面曲线结构。

图６ａｆｔ）ｉ：示为某电子产品上的冷却器，
需要解决的是冷却通道的密封及焊接问题。

以前该产品
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¨—州ｍａｃｈｉｎｉｓｔ．ｃｏｒｎ
万方数据
采用的是钎焊方法，但次品率高达３０％以上，不仅生产效率低，生产成本高，而且还在一定程度上降低了结构的可靠性。

采用搅拌摩擦焊技术后，成品率提高到了９０％以上，并且对缺陷结构的二次维修式焊接也很方便，进一步降低了产品报废率。

图６ｂ所示为由中国搅拌摩擦焊中心设计制造的用于平面（．］ｒ吵平面）二维搅拌摩擦焊接的专用设备。

该设备可以随着ｘ、ｙ平面焊接轨迹的变化自动调整焊接倾角方向，从而克服ｒ平面复杂轨迹的搅拌摩擦焊难题。

目前在国内，搅拌摩擦焊技术主要应用于航天、船舶及电力、电子等领域，而在航空、兵器和列车等其他领域的应用研究进展也很顺利，为在这些行业的进一步推广应用打下了良好基础。

图６电子散热器产品的搅拌摩擦焊接及设备
三．搅拌摩擦焊技术发展展望
搅拌摩擦焊是一种非常优秀的固相焊接技术，对于解决铝合金（尤其是２０００系列和７０００系列铝合金）等轻质合金的焊接难题具有重要意义。

国际上主要的工业发达国家已将该技术广泛用于航空、航天等领域的产品
Ｅ囝！竺生箜！兰塑壁鲎复塑型参磊加工热加工
ｗｗｗ．ｍａｃｈｉｎｉｓｔ，ｃｏｍ．ｃｎ制造。

国内的起步虽然比较晚，但是发展速度很快，自发明至今在基础研究和工程化应用方面均取得了丰硕成果，星星之火已成燎原之势。

在完成了技术基础研究和型号产品的试验验证之后，搅拌摩擦焊技术应用于航天飞行器产品已经没有太大技术障碍。

在完成标准制定和工艺方法评定之后，就可以进行进一步的生产线改造和产品制造。

在航空方面，由于长寿命、高可靠性等要求，搅拌摩擦焊技术的研究尚有许多工作要做。

首先，需要对接头进行全方位性能评定，包括常规力学性能、疲劳性能、抗腐蚀性能以及断裂韧性等；其次，需要进行元件级设计和试验验证，如针对机翼壁板、机身舱段等进行搅拌摩擦焊技术验证和铆接技术对比；然后，还要进行试飞考核和适航论证。

在基础研究方面，搅拌摩擦焊技术的机理始终是一项重要课题：搅拌摩擦焊接头的接合机制、接头材料的转移特点和影响因素等方面虽然获得了一系列研究成果，但距离真正透彻地解释和利用这项技术尚有一定距离。

铝合金等轻金属结构是搅拌摩擦焊技术的主要应用领域，但在钢等高熔点结构中也有一定的应用前景。

如针对双相不锈钢、超细晶粒钢等，采用熔焊技术容易导致其相成分或相组织的改变。

而搅拌摩擦焊由于其连接温度低，比较适合类似材料的焊接，所以近年来，对钢等高熔点材料搅拌摩擦焊技术的研究会成为一个新的热点。

搅拌摩擦焊技术不仅可以用于材料连接，也可以用于细晶材料制备和材料表面改性。

这主要是由于搅拌摩擦焊接头属于锻造的细晶组织，相对于接头材料本身具有很多不同的特点，所以搅拌摩擦焊技术在材料研究领域也具有一定的用武之地，可能会成为一种新材料制备技术。

根据搅拌摩擦焊技术机理，在搅拌摩擦焊技术基础上可以产生许多衍生技术，如摩擦塞焊、摩擦点焊、断续焊及双轴肩搅拌摩擦焊等。

其中尤其值得一提的是摩擦点焊，这项技术已被马自达等汽车制造企业所采用，中国搅拌摩擦焊中心正在全力开发搅拌摩擦焊点焊技术。

该技术的推广应用将对汽车制造、飞机制造等产
生革命性的影响。

（２００８１２１０）ＭＷ万方数据
搅拌摩擦焊技术应用现状和发展趋势
作者：栾国红， 柴鹏， Luan Guohong， Chai Peng
作者单位：北京航空制造工程研究所,100024
刊名：
金属加工（热加工）
英文刊名：MW METAL FORMING
年，卷(期)：2008(24)
被引用次数：5次
1.袁鸽成.李仲华.朱振华.路浩东.吴其光5083铝合金搅拌摩擦焊缝应力腐蚀行为[期刊论文]-材料研究与应用2010(4)
2.李仲华.袁鸽成.朱振华.路浩东.曾国勋搅拌摩擦焊接5083铝合金焊缝缺陷分析[期刊论文]-材料研究与应用2010(4)
3.朱向东.刘力琼.蒲宏佐铝合金搅拌摩擦焊工艺研究及在城轨车辆上的应用[期刊论文]-机车车辆工艺 2011(5)
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本文链接：/Periodical_jxgr-rjg200824008.aspx。