技术 | 搅拌摩擦焊在大型运输机和新型战斗机中的应用

前言

近几十年飞机先进制造技术的变革主要有复合材料、数字化自动装配技术及金属结构整体化的制造。铝合金和镁合金为代表的轻质合金是航空器和航天器的主要结构材料之一。然而这些轻质合金的可焊性都很差，在飞机中应用搅拌摩擦焊技术是飞机制造技术发展的趋势之一，同时，搅拌摩擦焊也将在自动化、数字化和柔性化方面得到突破。今年12月，中国兵器工业集团武汉重工集团也于近日与航天科技集团首都航天机械公司签订了重型运载火箭大型薄壁贮箱的搅拌摩擦焊设备订单。这标志着在经历了15年的漫长积累之后，我国的搅拌摩擦焊技术从实验室走向了实践。

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搅拌摩擦焊的应用发展现状

传统飞机结构中主要是采用铆接和螺栓连接，只有少数结构才使用焊接技术，因为传统飞机上使用的材料多以轻金属铝合金为首，而铝合金使用钎焊或氩弧焊等传统焊接技术得到的接头强度较低或容易出现裂纹等缺陷，因此焊接结果不理想。

为了能提高飞机的质量和性能，需要开发出新的连接技术用来代替传统的焊接技术应用在航空上。1991 年英国焊接研究所(TWI)发明了搅拌摩擦焊技术，该技术在焊接科学技术的发展史上具有重要的意义。搅拌摩擦焊技术的出现，消除了铝合金等其它不能被电弧焊所焊接的缺点，其技术特点和潜在的经济效益已经在航空航天等很多领域发挥了作用。在搅拌摩擦焊的基础研究方面，全球范围内都在迅速开展。

搅拌摩擦焊作为实现金属结构整体化制造方法之一得到了深入研究和开发，已经在飞机制造中得到应用，如波音公司用搅拌摩擦焊实现了C17 和 C130 大型军用运输机货舱地板的制造，空客公司在 A320 中央翼盒、A340 机翼承力墙、A350 飞机机身蒙皮等结构中应用了搅拌摩擦焊技术。美国月蚀公司甚至制造出了全搅拌摩擦焊商务飞机。搅拌摩擦焊技术在飞机翼盒、地板、密封舱、机翼壁板等零部件制造中的应用，对于提高飞机性能和降低生产成本发挥了作用。在此我们简要谈谈搅拌摩擦焊物理过程，搅拌摩擦焊接头强度性能，然后重点讨论搅拌摩擦焊变形控制技术和新型运输机和新一代战斗机结构零件的搅拌摩擦焊技术。

新型运输机和新一代战斗机的机身、机翼结构使用的材料多为高强铝合金，如 2A14、2024、2524、7050和 7075 等，为了掌握这些飞机铝合金材料的焊接性，研究中对这些材料进行了搅拌摩擦焊对接强度性能试验研究，取得了系列化的性能数据。表 1（表中部分数据还在试验、分析和不断提高中）为部分典型铝合金材料搅拌摩擦焊接头和母材力学性能测试对比。从表 1 中可以看出，搅拌摩擦焊接头性能优异，部分接头性能接近或超过母材，如 2524 铝合金和 7A52 铝合金的搅拌摩擦焊接头在进行拉伸强度测试时，断裂位置均发生在母材上，表示采用 FSW 技术焊接后2524 以 及 7A52 铝 合金可以达到与母材等强的效果；表 1 中 2A14、2024 以及 7050 材料属于热处理时效沉淀强化铝合金，由于受到焊接热循环作用导致强化相脱溶，接头强度指标低于母材，但通过焊后针对性的热处理，接头强度可以恢复到与母材等强。

表1 典型铝合金材料搅拌摩擦焊接头强度和断裂位置对比

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飞机结构搅拌摩擦焊关键技术研究

要实现大型运输机和新型战斗机等飞机结构的搅拌摩擦焊接，需要针对飞机典型结构开展搅拌摩擦焊工艺技术研究，掌握搅拌摩擦焊对飞机结构，尤其是壁板类结构的适应性，其中对搅拌摩擦焊工具的优化设计和焊接变形控制是飞机结构搅拌摩擦焊关键技术。而焊接变形行为搅拌摩擦焊变形控制技术研究的重点。

 

3.1 搅拌摩擦焊变形控制技术研究

搅拌摩擦焊要在飞机结构上得到应用，必须解决保持结构零件的尺寸完整性以及减少焊接应力和变形的问题。飞机零件经过焊接热循环和焊接力的作用，结构会产生收缩变形和残余内应力。图1显示出了常规搅拌摩擦焊和动态射流冲击搅拌摩擦焊的对比结果，这种动态变形控制技术应用在壁板类零件上，能使变形量降低到 1/10，甚至更小。

图1 3.5mm厚5083铝合金变形控制比较

焊接压紧方案为腹板、竖板、U框板焊接，采用双滚轮＋槽形压板压紧，L 型材焊接时采用单滚轮压紧。焊前对工艺参数和搅拌头进行了优化，焊接过程加动态气雾随动冷却，焊后采用了滚压校形，零件焊后整体变形量仅为 1mm，在搅拌摩擦焊工程化应用方面取得较大突破，其实物图如图2所示。

图2 驾驶舱背板零件搅拌摩擦焊实物

3.2 新型运输机和新一代战斗机结构零件的搅拌摩擦焊

目前，通过典型飞机结构零件的搅拌摩擦焊制造，北京航空制造工程研究所已经在搅拌摩擦焊工艺优化和控制、搅拌工具、特殊焊接工装夹具的设计制造、搅拌摩擦焊接过程控制、零件变形控制和校正等方面积累了技术经验。目前搅拌摩擦焊正在多个飞机型号产品中得到技术攻关和应用，如某型军用运输机货舱地板和斜台地板的搅拌摩擦焊、新一代战斗机驾驶舱背板、仪器舱地板和口盖以及新型大客机机身蒙皮对接和筋条的搭接焊接。图3为北京航空制造工程研究所首次利用搅拌摩擦焊制造的大飞机地板结构件，在飞机制造领域又向前迈进了坚实的一步，是搅拌摩擦焊发展史上又一块闪亮的里程碑。这些应用将促进搅拌摩擦焊在焊接变形控制、收缩量控制、复杂工装夹具设计、适时工艺自适应控制、缺陷检测和质量控制等方面得到快速发展，同时也促进了中国飞机制造技术的进步和发展。

 

图3 利用FSW制造的飞机货舱地板结构件

结语

欧美国家的搅拌摩擦焊技术已经飞速发展了十多年，在航空及其它制造领域的工业化进程中得到了良好的成绩。而我国开展搅拌摩擦焊技术的研究和开发以及推广应用都还刚刚开始。经过多年努力，搅拌摩擦焊技术已经取得了一定的成绩。但中国在航空工业制造领域还有很大的发展空间。希望中国的焊接技术在未来会有更精彩的明天。