孫 凱

（上海飛機(jī)制造有限公司，中國(guó) 上海 200436）

攪拌摩擦焊作為一種新型固相連接技術(shù)，自1991年由英國(guó)焊接研究所發(fā)明以來[1]，被視為航空鋁合金材料連接的新研究方向。由于其在焊接過程中不發(fā)生熔化，因此能夠避免熔焊過程中出現(xiàn)的氣孔、裂紋等缺陷，并且由于其在焊接過程中，應(yīng)力低、變形小、強(qiáng)度高，特別有利于飛機(jī)結(jié)構(gòu)的制造。攪拌摩擦焊在焊接過程中，不產(chǎn)生飛濺、弧光等污染，其綠色、環(huán)保的特點(diǎn)，也有利于其在民機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用。

在攪拌摩擦焊過程中，攪拌頭高速旋轉(zhuǎn)，壓入工件，在攪拌頭與被焊工件的摩擦作用以及工件材料塑性變形的產(chǎn)熱下，工件溫度升高并軟化。在攪拌頭的機(jī)械攪拌作用下，材料發(fā)生大規(guī)模的塑性變形和流動(dòng)，并最終形成有效的連接接頭。在這一過程中，材料不發(fā)生熔化，因此能夠避免熔焊常見缺陷。攪拌摩擦焊特別適用于對(duì)接、搭接等在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的常見形式。隨著研究的進(jìn)一步發(fā)展，攪拌摩擦焊目前已可實(shí)現(xiàn)所有熔焊的接頭形式。同時(shí)，由于攪拌摩擦焊無(wú)需對(duì)材料進(jìn)行加熱熔化，因此可用于不同熔點(diǎn)、不同強(qiáng)度的異種金屬焊接[2]。

攪拌摩擦焊在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用，一般認(rèn)為主要用于取代鉚接等不可拆卸結(jié)構(gòu)。佟建華等[3]采用了對(duì)比試驗(yàn)，比較了飛機(jī)結(jié)構(gòu)中蒙皮互相搭接、蒙皮與長(zhǎng)桁搭接等不同接頭形式的攪拌摩擦焊接頭與鉚接接頭的性能。對(duì)于破壞主要由于蒙皮受力破壞的結(jié)構(gòu)，攪拌摩擦焊和鉚接均對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有削弱作用。由于攪拌摩擦焊過程無(wú)材料流失，僅由于熱作用導(dǎo)致母材強(qiáng)度略下降，而鉚接過程鉆孔導(dǎo)致了蒙皮材料減少，因此攪拌摩擦焊對(duì)材料的強(qiáng)度影響較小，攪拌摩擦焊接頭強(qiáng)度優(yōu)于鉚接接頭。對(duì)于破壞主要產(chǎn)生在搭接接頭剪切破壞的結(jié)構(gòu)上，由于攪拌摩擦焊的連接方式為線連接，鉚接接頭為點(diǎn)連接，試驗(yàn)表明攪拌摩擦焊的接頭性能優(yōu)于鉚接接頭。

攪拌摩擦焊代替鉚接接頭，其最重要的優(yōu)點(diǎn)在于能夠減輕飛機(jī)重量。隨著民機(jī)行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)日益激烈、燃油價(jià)格的不斷上升，航空公司處于經(jīng)濟(jì)性考慮，對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量的敏感性日益增強(qiáng)。鉚接結(jié)構(gòu)由于鉚釘墩頭的存在，大大增加了飛機(jī)重量。采用攪拌摩擦焊進(jìn)行飛機(jī)結(jié)構(gòu)焊接，由于無(wú)需添加焊條等填充物，能夠有效的降低結(jié)構(gòu)重量。

攪拌摩擦焊在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的另一個(gè)應(yīng)用，主要可用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)的修理。在采用鉚接結(jié)構(gòu)時(shí)，如鉚釘出現(xiàn)裂紋，可進(jìn)行拆鉚更換鉚釘，但如被連接結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂紋，一般只能采用安裝加強(qiáng)片的方式進(jìn)行。此種修理，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度弱于原有設(shè)計(jì)強(qiáng)度，降低飛機(jī)性能。同時(shí)，在安裝加強(qiáng)片時(shí)，需要增加加強(qiáng)片以及連接件的重量，增加飛機(jī)油耗。在更多的情況下，只能報(bào)廢該局部結(jié)構(gòu)，換裝新零件，這將增加飛機(jī)的維修成本。對(duì)于民用飛機(jī)來說，由于可以預(yù)見的備件不足，需緊急采購(gòu)等因素，會(huì)增加其修理時(shí)間，降低運(yùn)營(yíng)時(shí)間，影響航空公司的經(jīng)濟(jì)利益。采用攪拌摩擦焊進(jìn)行飛機(jī)結(jié)構(gòu)修理，無(wú)需增加加強(qiáng)片，飛機(jī)重量未發(fā)生變化。同時(shí)由于其修復(fù)速度快，可以對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速修復(fù)，有利于減少維修時(shí)間，增加飛機(jī)經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)，采用攪拌摩擦焊進(jìn)行維修后的結(jié)構(gòu)，其再次檢查時(shí)間，比采用鉚接修復(fù)的再次檢查時(shí)間有所延長(zhǎng)[4]。這也有利于增加航空公司的運(yùn)營(yíng)時(shí)間，增加飛機(jī)經(jīng)濟(jì)性。

攪拌摩擦焊在國(guó)外飛機(jī)制造中已有相當(dāng)?shù)膽?yīng)用。美國(guó)Eclipse公司的Eclipse 500商務(wù)機(jī)，首次大量采用攪拌摩擦焊，代替了70%的鉚接結(jié)構(gòu)，在該機(jī)的機(jī)艙、機(jī)翼及機(jī)身結(jié)構(gòu)中廣泛采用了攪拌摩擦焊，生產(chǎn)效率提高近10倍，可以比自動(dòng)鉚接快6倍，比手動(dòng)鉚接快60倍成本節(jié)約了三分之二[5]。Eclipse 500商務(wù)機(jī)已獲得美國(guó)聯(lián)邦航空管理局（FAA）的適航證。目前，Eclipse已交付約260架采用攪拌摩擦焊的商務(wù)機(jī)。2013年，F(xiàn)AA批準(zhǔn)延長(zhǎng)Eclipse 500的服務(wù)時(shí)間一倍，這意味著該機(jī)型飛機(jī)在正常維護(hù)頻率下可運(yùn)營(yíng)50年。這也提高了攪拌摩擦焊技術(shù)在航空業(yè)的應(yīng)用前景。

波音公司也致力于將攪拌摩擦焊技術(shù)用于飛機(jī)制造當(dāng)中[6]。波音公司自1995年開始，就開始研究攪拌摩擦焊來替代鉚接技術(shù)。波音公司將攪拌摩擦焊用于C-17軍用飛機(jī)的貨倉(cāng)卸貨坡，節(jié)省費(fèi)用并減輕重量。波音公司也將該技術(shù)用于747貨機(jī)的隔板梁焊接。空客公司也采用攪拌摩擦焊技術(shù)用于A340-600客機(jī)的翼肋制造。使用攪拌摩擦焊代替?zhèn)鹘y(tǒng)鉚接，減重效果可以達(dá)到0.9kg/m?？湛凸居?jì)劃將攪拌摩擦焊技術(shù)用于A350機(jī)身縱向縫的焊接，以取代傳統(tǒng)鉚接[7]。首先將攪拌摩擦焊用于飛機(jī)內(nèi)部次承力結(jié)構(gòu)，有利于考驗(yàn)該技術(shù)安全性，可以積累足夠的數(shù)據(jù)，論證安全性。

攪拌摩擦焊在民機(jī)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用，目前還存在其缺陷檢測(cè)技術(shù)尚不完備、工藝窗口不明確等因素。攪拌摩擦焊的缺陷主要有隧道型缺陷、孔洞缺陷、未焊透、S線缺陷等[8]。對(duì)于隧道型缺陷、孔洞缺陷，可用射線照相等無(wú)損檢測(cè)方式進(jìn)行檢查，建立合適的掃查標(biāo)準(zhǔn)，可以有效避免其在零件中出現(xiàn)。但對(duì)于未焊透和S線缺陷，難以通過無(wú)損檢測(cè)進(jìn)行檢查。特別是對(duì)于對(duì)接焊縫，由于攪拌摩擦焊過程，攪拌頭不會(huì)插入到被焊對(duì)接零件的底部，底端的材料流動(dòng)是通過攪拌頭頂鍛力的作用帶動(dòng)的，流動(dòng)不如頂部區(qū)域和中間區(qū)域。在流動(dòng)不充分的情況下，容易出現(xiàn)未焊透的情形。同時(shí)，該缺陷由于是線性缺陷，其尺寸很小，難以通過無(wú)損檢測(cè)進(jìn)行檢查。S線缺陷是在攪拌摩擦焊過程中，出現(xiàn)在焊核區(qū)域外的弱連接現(xiàn)象，在不進(jìn)行破壞性檢查時(shí)，很難檢測(cè)出此種缺陷。對(duì)于攪拌摩擦焊的焊接缺陷，國(guó)內(nèi)目前尚未有成熟的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，需進(jìn)行進(jìn)一步的研究。同時(shí)，攪拌摩擦焊對(duì)于不同種材料，在攪拌頭形式不同時(shí)，其工藝窗口也有一定變化。對(duì)于民機(jī)制造來講，建立一套工藝參數(shù)，同時(shí)能夠保證該工藝參數(shù)在不同供應(yīng)商處能夠獲得性能一致的結(jié)構(gòu)連接強(qiáng)度，是需要進(jìn)行大量的工藝試驗(yàn)才能完成的。而如何評(píng)判此種工藝試驗(yàn)的結(jié)果，目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)權(quán)威的標(biāo)準(zhǔn)。

為將攪拌摩擦焊用于民機(jī)生產(chǎn)，需主要著眼于解決下述問題：建立對(duì)于不同材料焊接的工藝窗口，并對(duì)其疲勞、耐腐蝕性能等進(jìn)行全面考察；確定攪拌摩擦焊焊接缺陷的檢測(cè)方式，保證飛機(jī)結(jié)構(gòu)的安全性；攪拌摩擦焊缺陷修復(fù)的規(guī)范及效果驗(yàn)證等。國(guó)內(nèi)的攪拌摩擦焊研究，目前主要缺乏大量的工程應(yīng)用，其研究大多停留在實(shí)驗(yàn)室試片生產(chǎn)或試件生產(chǎn)上。如何結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況，使攪拌摩擦焊走出實(shí)驗(yàn)室，將攪拌摩擦焊用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)的連接，是未來國(guó)內(nèi)攪拌摩擦焊在民機(jī)領(lǐng)域研究發(fā)展的方向。

［1］W.M.Thomas,E.D.Nicholas,J.C.Needham,et al.Friction stir welding.Britain,International patent application,PCT/GB92102203[P].1991-12-5.

［2］郁炎,張建欣,李士凱.國(guó)內(nèi)外異種材料攪拌摩擦焊的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].兵器材料科學(xué)與工程,2013,36(6)：108-113.

［3］佟建華,李從卿,張健,等.飛機(jī)鋁合金攪拌摩擦焊與鉚接接頭力學(xué)性能對(duì)比[J].航空制造技術(shù),2009,22：72-75.

［4］丁麗麗,何旭斌,胡進(jìn),等.攪拌摩擦焊技術(shù)在軍用飛機(jī)航空修理中的應(yīng)用[J].電焊機(jī),2004,S1：130-134.

［5］方連軍,劉曉娟,高獻(xiàn)娟.攪拌摩擦焊技術(shù)在航空航天工業(yè)中的應(yīng)用[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品,2013,7(13)：89-90.

［6］W.J.Polt.A little friction at Boeing[J].Boeing Frontiers Online.2004,4(5).

［7］董春林,欒國(guó)紅,關(guān)橋.攪拌摩擦焊在航空航天工業(yè)的應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀與前景[J].焊接,2008,11：25-31.

［8］鄭波.攪拌摩擦焊缺陷分析及其無(wú)損檢測(cè)現(xiàn)狀[J].黑龍江科技信息,2012,24：44-45.