搅拌摩擦点焊在航空领域的应用

搅拌摩擦焊ＦＲｌｃＴ俐ｓＴＩＲｗＥＬＤＩＮＧ

搅拌摩擦点焊在航空领域

的应用

ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＦｒｉｃｔｉｏｎＳｔｉｒＳｐｏｔＷｅｌｄｉｎｇｉｎＡｖｉａｔｉｏｎＩｎｄｕｓｔｒｙ

苎黧量罂管张健董春林李光栾国红

中国搅拌摩擦焊中心“、”一９””３～１、９一

搅拌摩擦点焊作为在搅拌摩擦焊基础上发展起来

的一种新型固相焊接技术，由于其接头质量高、变形小．

焊接质量稳定以及节省能源等一系列优点，在航空结构

制造领域具有不可比拟的优势。

员的重视。然而，对于在航空结构中

广泛应用的２ｘｘｘ和７ｘｘｘ高强铝合

金而言，传统的熔焊工艺很难获得综

合性能优异的可靠连接，所以在航空

结构制造领域传统的熔焊技术并没有

。。

得到广泛应用。搅拌摩擦点焊作为在

”盂士，２００７年毕业于天津大学材料搅拌摩擦焊基础上发展起来的一种

加工工程专业．现在北京航空制造工程新型固相焊接技术，由于其接头质量

研究所中国搅拌摩擦焊中心工作，主要高、变形小、焊接质量稳定以及节省

竺！翼拌摩擦焊工艺开发和材料焊接性能源等一系列优点，在航空结构制造

能研冤。

领域具有不可比拟的优势。

在航空领域飞行器的结构设计与制造工程中，如何减轻结构重量和降低制造成本已成为航空工业制造领域普遍关注的问题。由于传统的铆接／紧固连接工艺在航空结构制造方面存在一定的局限性，焊接工艺作为结构组装的关键技术就越来越受到航空制造领域工程技术人

７０航空翩造技术・２００９年第１６期

搅拌摩擦点焊原理

搅拌摩擦点焊采用与搅拌摩擦

焊相同的技术原理，将旋转的搅拌头

插入被焊的２层工件，利用摩擦产

热和搅拌头带动的塑性金属的流动

形成焊点。目前搅拌摩擦点焊主要

分为３种形式：常规ＦＳＳＷ、回填式

ＦＳＳＷ及摆动式ＦＳＳＷ。表ｌ为３

种搅拌摩擦点焊焊接过程示意图及

得到的焊点成形。其中常规ＦＳＳＷ

焊接过程最简单，由搅拌头旋转、插

入、搅拌和回撤４阶段组成。搅拌头

在不断旋转的过程中，通过施加顶锻

力插入待焊工件中，在压力作用下工

件与搅拌头之间产生摩擦热，使周围

材料软化，继续旋转一定时间完成连

接后，搅拌头从工件中退出，点焊缝

中心会留下匙孔。

回填式ＦＳＳＷ采用了特殊形

式的搅拌头，搅拌针和轴肩可单独

运动，具体焊接过程如下：开始焊接

时，轴肩和搅拌针同时下压，板材表

面由于摩擦而温度升高，接下来轴肩

不断下压，而搅拌针开始回抽，轴肩

向下运动时会推动塑性材料发生相

互搅拌和运动，当下压到下层工件一

定深度后，轴肩向上回抽，同时搅拌

针开始下压，塑性材料进一步进行融

ＦＲＩｃＴｌｏＮｓＴＩＲｗＥＬＤ｛ＮＧ搅拌摩擦焊表１３种形式ＦＳＳＷ过程示意图及焊点成形１１－”

合、搅拌。当搅拌针和轴肩达到焊接前的平面时，主轴停止旋转，搅拌头从工件上移走，完成焊接，最终形成一个完整的没有匙孔的焊点。

摆动式ＦＳＳＷ的最大特点是，搅拌头除以一定速度旋转、对工件摩擦产热外，还在一个圆形的轨道区域内移动，最后回到中心。这种方法的优点是增加了焊点截面积，从而增加了点焊接头的剪切力。

搅拌摩擦点焊的优点

１与电阻点焊（ＲＳＷ）对比

（１）生产成本与能源消耗。传统电阻点焊焊接铝合金时，需要大功率电源，还需要添加冷却水和压缩空气装置，且电极寿命短，因此它有能源消耗大，投资成本高的缺点。采用ＦＳＳＷ完全克服了传统电阻点焊的缺点。马自达汽车公司最新型的全铝结构跑车ＭａｚｄａＲＸ－８就采用了ＦＳＳＷ技术来进行铝合金车门和车体的焊接Ｈ。１。马自达汽车公司称，采用这种新的焊接方法使得电能消耗比以往下降了９９％。一般焊接铝合金的电阻焊机的功率为１０００ｋＶＡ，而搅拌摩擦焊只需要１０ｋＶＡ，并且不需要冷却剂、压缩空

气以及电阻焊的大电流。而且与传

统电阻焊相比，其设备的投资也下降

了４０％。ＦＳＳＷ焊接单点所用费用

仅为ＲＳＷ的１／５左右ｕ１。

（２）接头质量。电阻点焊属于

熔焊，接头中易出现气孔、裂纹和虚

焊等缺陷，接头强度可靠性低，且焊

后易发生翘曲变形。而ＦＳＳＷ属

于固相连接，在搅拌头旋转、挤压和

粉碎等机械力的作用下，形成致密

的组织结构，使ＦＳＳＷ接头具有优

异的机械性能。川崎重工公司对ｌ

～３ｍｍ厚的６０６１铝合金

ＲＳＷ接头和ＦＳＳＷ接头

的拉伸剪切强度进行了对

比，结果如图１所示…。图

中蓝色柱形高度表示ＲＳＷ

接头剪切强度，灰色柱形高

度表示ＦＳＳＷ接头剪切强

度。经对比研究发现，同厚

度材料的ＦＳＳＷ接头拉伸

剪切强度约为ＲＳＷ接头

的１．５～２倍，明显高于

ＲＳＷ接头。ＦＳＳＷ接头

除具有良好的静强度外，还

具有较好的疲劳性能。日

本岐阜大学的ＹｏｓｈｉｈｉｋｏＵｅｍａｔｓｕ

等人怕１对Ａ卜Ｍｇ—Ｓｉ系合金ＦＳＳＷ

和ＲＳＷ接头的疲劳性能进行了对

比（见图２）。等面积连接的２种接头，

在同水平应力载荷下，ＦＳＳＷ接头疲

劳寿命高于Ｒｓｗ。其中ＦＳＳＷ疲

劳曲线中实心圆和空心圆分别表示

２种不同的断裂模式（见图３）。在高

载荷下，断裂发生在混合区，以Ａ模

式断裂。最大载荷较低时，以Ｂ模

式断裂，裂纹起始于焊核区边缘，并

沿厚度方向扩展。

２与铆接对比

（１）生产成本与能源消耗。铆

接是飞行器制造中使用较普遍的一

种连接方法。铆接最主要的一个特

点是需要在铝合金板中加入铆钉、

螺栓和螺母等紧固件，不但消耗了

大量材料，还大大增加了结构件的

图１不同厚度６０６１铝合金ＲＳＷ与ＦＳＳＷ接

头拉伸剪切强度对比

疲劳寿命Ｎ，／次

图２ＡＩ－Ｍｇ－Ｓｉ系铝合金ＲＳＷ与ＦＳＳＷ接头疲劳性能对比

２００９年第１６期・航空嗣造技术７１