铝合金搅拌摩擦焊的应用现状及发展趋势

搅拌摩擦焊(FSW)是由焊接研究所(TWI)于1991年发明的。此后，基于这种固态连接技术具有接头强度优异、无需填充焊接材料、无焊接烟尘和飞溅、焊前准备和焊接变形小等明显优势，世界各国在国际合作中开展了大量的研发工作。此外，搅拌摩擦焊还可以焊接铝合金材料，如航空、航天领域使用的2000系、5000系、7000系高强度铝合金，采用这种先进的焊接方法也可以获得高质量的连接。焊接研究所的戴夫·尼古拉斯(Dave NICHOLAS)认为，搅拌摩擦焊是激光焊接问世以来最引人注目的焊接方法，它的出现将使铝合金等有色金属的连接技术发生革命性的变化。

2002年4月，北京航空制造工程学院与焊接所(TWI)就搅拌摩擦焊专利技术签订正式合同，获得搅拌摩擦焊专利技术独家二级许可权，开启了搅拌摩擦焊技术在中国市场的研发和大规模工业应用的大门。

二、铝合金搅拌摩擦焊的应用现状

搅拌摩擦焊技术具有许多独特的优点，对于轻合金材料(如铝、铜、镁、锌等)的连接，在焊接方法、力学性能和生产效率方面具有其他焊接方法不可比拟的优势。).搅拌摩擦焊(FSW)是一种固态连接方法。焊接接头力学性能优良，焊接变形小。焊接过程中不需要添加保护气体和焊丝，没有熔化、冒烟、飞溅和弧光。是一种环保的新型连接技术。实际情况也是如此。FSW技术问世后短短几年内，在焊接机理、适用材料、焊接设备和工程应用等方面都取得了很大进展。搅拌摩擦焊技术最初主要用于解决铝合金、镁合金和锌合金的焊接。焊接所对搅拌摩擦焊技术的特点和应用做了大量的研究，并为1993和1995申请了世界范围的专利保护。目前，该所主要与航空、航天、船舶、高速列车、汽车等焊接设备制造商和国际大公司合作，以集团赞助或合作(TWI的GSP项目)的形式研发搅拌摩擦焊技术，并不断扩大其应用范围。

目前工业企业赞助的研究项目有:厚铝合金搅拌摩擦焊、钢的搅拌摩擦焊、钛合金的搅拌摩擦焊、汽车轻构件的搅拌摩擦焊等。美国的爱迪生焊接研究所(EWI)与TWI密切合作，也在进行FSW技术的研究。美国洛克希德公司。马丁航空航天公司、马歇尔航天飞行中心、美国海军研究年、德国达特姆思大学、斯图加特大学、澳大利亚阿德莱德大学、澳大利亚焊接研究所等都从不同角度对搅拌摩擦焊进行了专题研究。

1铝合金搅拌摩擦焊在航空航天领域的应用随着搅拌摩擦焊研究的进一步发展，搅拌摩擦焊设备逐渐从实验室走向商用。TWI利用这项技术为波音公司生产了三个2000系列铝合金航天飞机燃料箱。美国洛克希德公司。马丁公司、波音-麦道公司、洛克维尔集团、爱迪生焊接研究所等多家机构目前都致力于搅拌摩擦焊的研究、应用评价和开发。适用于航空航天领域FSW技术焊接的结构包括:军用或民用飞机的蒙皮、航天器中的低温燃料箱、飞机燃料箱、军用飞机的副油箱、军用或科技探索火箭等。美国洛克希德公司。马丁航空航天公司利用这项技术在航天飞机外部焊接了储存液氧的低温容器。这项技术也被马歇尔航天中心用于焊接大型圆柱形容器。

波音公司投资数百万美元为德尔塔运载火箭的大型低温燃料容器制造大型专用搅拌摩擦焊机。BAE空中客车公司正在验证FSW技术的方法、性能和可行性，以便生产中型和大型商用客机。使用的搅拌摩擦焊机是Helivax的GRAWFORD-SWIFT公司生产的，据说是欧洲的动力焊机。ECLIPSE Airlines将使用FSW建造一架中型飞机，长10.86 m，翼展11.88m..该公司估计，FSW可以将机身壁上加强筋和框架的组装时间减少80%，将飞机成本降低到83.7万美元。这种飞机的主要结构件和蒙皮全部采用国际最新的连接技术——搅拌摩擦焊技术制造，客机机身基本采用搅拌摩擦焊制造，包括飞机蒙皮、翼肋、弦杆支架、飞机地板和结构件的装配。

搅拌摩擦焊的应用主要用于提高生产效率和降低制造成本。航空结构件搅拌摩擦焊技术是由美国TWI公司和ALCOA公司联合开发的，并应用于ECLIPSE500飞机结构件的焊接。2000年9月，公司通过了飞机安全委员会的初步设计评审和认证，2001年6月，确定了搅拌摩擦焊飞机制造的可行性。2001年6月，公司开始制造搅拌摩擦焊飞机结构件，并于2002年6月首飞。目前，已有数百名客户争相订购这种新型飞机。

2铝合金搅拌摩擦焊在造船领域的应用目前，搅拌摩擦焊基于其在焊接方法、力学性能、制造成本、环境等方面的巨大优势和潜在的工业应用前景，在造船领域得到了深入细致的研究和发展。造船不仅要求速度的提高，还要求单价载荷性能的提高，所以造船要尽可能使用铝合金材料，减轻船舶重量。而铝合金材料的传统连接方式是铆钉连接和电弧焊连接。铆接增加了制造时间、人力和材料消耗，而铝合金在熔焊过程中容易产生变形、缺陷和烟尘，这也限制了电弧焊在铝合金构件上的使用。因此，随着搅拌摩擦焊技术的发展，利用搅拌摩擦焊实现高集成度的预制模块化制造，取代传统的船板-加强板结构，是造船技术发展的必然和革命性进步。

搅拌摩擦焊在船舶预制轻合金结构件上的应用，在外观、重量、性能、成本和制造时间上具有明显的优势。它不仅可用于制造船舶轻合金结构件，也可用于现场组装。它为现代造船提供了一种新的连接方式，通知搅拌摩擦焊代替熔焊实现轻合金结构件的制造，是现代焊接技术发展的又一次飞跃。

FSW技术在造船、海洋工业和航空航天工业中有着广阔的应用前景。适合用FSW技术焊接的结构有:甲板、壁板、隔板的定制焊接，铝挤压件的焊接，船体与加强件的焊接，直升机起降平台的焊接等。目前，该技术已用于焊接快艇中顶部长度为20 m的铝合金结构件，总焊缝长度超过500 km。

三、铝合金搅拌摩擦焊的发展趋势

在中国，北京航空制造工程学院和中国搅拌摩擦焊中心——英国TWI搅拌摩擦焊技术合作中心，在搅拌摩擦焊基础方法研究、材料应用研发、搅拌摩擦焊设备设计、制造和销售等方面取得了很大进展。

(1)目前，该中心正在开展航天火箭筒体制造中的搅拌摩擦焊、飞机框架、蒙皮与结构的搅拌摩擦焊、船舶轻合金制造、高速列车铝合金型材快速制造等方面的综合研究和工程化研究。此外，在承担国防科研和总装项目的同时，还加强了与企业和高校的横向合作和技术合作。

(2)在搅拌摩擦焊设备制造方面，设计了三大类六种搅拌摩擦焊设备，并于2003年3月为哈尔滨工业大学和华东船舶工业学院制造并交付了两台专用搅拌摩擦焊设备。

(3)工程应用方面，铝合金搅拌摩擦焊将首先应用于输变电、高速列车、新一代战斗机和新型运载火箭。

第四，结论

搅拌摩擦焊作为一种新的焊接技术，将对铝合金等轻合金材料的连接和制造产生革命性的影响。基于这种连接技术在焊接方式上的突破，预计搅拌摩擦焊技术将从根本上改变飞机、火箭、高速列车、导弹快艇、全铝合金战车等军民用产品的设计制造基线。