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) 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(zhuān)利技術(shù)正式簽約，并且取得了攪拌摩擦焊專(zhuān)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(mén)。

　　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) 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(zhuān)利保護(hù)。目前，該所主要是與航空、航天、船舶、高速列車(chē)及汽車(chē)等焊接設(shè)備制造廠(chǎng)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(chē)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(zhuān)門(mén)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(zhuān)用攪拌摩擦焊機(jī)，BAE空中客車(chē)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 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 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(hù)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(hù)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(xiāo)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(chē)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(lèi)6類(lèi)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(zhuān)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(zhuān)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(chē)、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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