攪拌摩擦焊在民機領域應用前景淺析

孫 凱

（上海飛機制造有限公司，中國 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，應力低、變形小、強度高，特別有利于飛機結(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，也有利于其在民機領域的應用。

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。在攪拌頭的機械攪拌作用下，材料發(fā)生大規(guī)模的塑性變形和流動，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接、搭接等在飛機結(jié)構(gòu)中的常見形式。隨著研究的進一步發(fā)展，攪拌摩擦焊目前已可實現(xiàn)所有熔焊的接頭形式。同時，由于攪拌摩擦焊無需對材料進行加熱熔化，因此可用于不同熔點、不同強度的異種金屬焊接[2]。

攪拌摩擦焊在飛機結(jié)構(gòu)上的應用，一般認為主要用于取代鉚接等不可拆卸結(jié)構(gòu)。佟建華等[3]采用了對比試驗，比較了飛機結(jié)構(gòu)中蒙皮互相搭接、蒙皮與長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結(jié)構(gòu)強度有削弱作用。由于攪拌摩擦焊過程無材料流失，僅由于熱作用導致母材強度略下降，而鉚接過程鉆孔導致了蒙皮材料減少，因此攪拌摩擦焊對材料的強度影響較小，攪拌摩擦焊接頭強度優(yōu)于鉚接接頭。對于破壞主要產(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，鉚接接頭為點連接，試驗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)點在于能夠減輕飛機重量。隨著民機行業(yè)的競爭日益激烈、燃油價格的不斷上升，航空公司處于經(jīng)濟性考慮，對飛機結(jié)構(gòu)重量的敏感性日益增強。鉚接結(jié)構(gòu)由于鉚釘墩頭的存在，大大增加了飛機重量。采用攪拌摩擦焊進行飛機結(jié)構(gòu)焊接，由于無需添加焊條等填充物，能夠有效的降低結(jié)構(gòu)重量。

攪拌摩擦焊在飛機結(jié)構(gòu)上的另一個應用，主要可用于飛機結(jié)構(gòu)的修理。在采用鉚接結(jié)構(gòu)時，如鉚釘出現(xiàn)裂紋，可進行拆鉚更換鉚釘，但如被連接結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂紋，一般只能采用安裝加強片的方式進行。此種修理，其結(jié)構(gòu)強度弱于原有設計強度，降低飛機性能。同時，在安裝加強片時，需要增加加強片以及連接件的重量，增加飛機油耗。在更多的情況下，只能報廢該局部結(jié)構(gòu)，換裝新零件，這將增加飛機的維修成本。對于民用飛機來說，由于可以預見的備件不足，需緊急采購等因素，會增加其修理時間，降低運營時間，影響航空公司的經(jīng)濟利益。采用攪拌摩擦焊進行飛機結(jié)構(gòu)修理，無需增加加強片，飛機重量未發(fā)生變化。同時由于其修復速度快，可以對結(jié)構(gòu)進行快速修復，有利于減少維修時間，增加飛機經(jīng)濟性。同時，采用攪拌摩擦焊進行維修后的結(jié)構(gòu)，其再次檢查時間，比采用鉚接修復的再次檢查時間有所延長[4]。這也有利于增加航空公司的運營時間，增加飛機經(jīng)濟性。

攪拌摩擦焊在國外飛機制造中已有相當?shù)膽?。美國Eclipse公司的Eclipse 500商務機，首次大量采用攪拌摩擦焊，代替了70%的鉚接結(jié)構(gòu)，在該機的機艙、機翼及機身結(jié)構(gòu)中廣泛采用了攪拌摩擦焊，生產(chǎn)效率提高近10倍，可以比自動鉚接快6倍，比手動鉚接快60倍成本節(jié)約了三分之二[5]。Eclipse 500商務機已獲得美國聯(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機。2013年，F(xiàn)AA批準延長Eclipse 500的服務時間一倍，這意味著該機型飛機在正常維護頻率下可運營50年。這也提高了攪拌摩擦焊技術(shù)在航空業(yè)的應用前景。

波音公司也致力于將攪拌摩擦焊技術(shù)用于飛機制造當中[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軍用飛機的貨倉卸貨坡，節(jié)省費用并減輕重量。波音公司也將該技術(shù)用于747貨機的隔板梁焊接?？湛凸疽膊捎脭嚢枘Σ梁讣夹g(shù)用于A340-600客機的翼肋制造。使用攪拌摩擦焊代替?zhèn)鹘y(tǒng)鉚接，減重效果可以達到0.9kg/m?？湛凸居媱潓嚢枘Σ梁讣夹g(shù)用于A350機身縱向縫的焊接，以取代傳統(tǒng)鉚接[7]。首先將攪拌摩擦焊用于飛機內(nèi)部次承力結(jié)構(gòu)，有利于考驗該技術(shù)安全性，可以積累足夠的數(shù)據(jù)，論證安全性。

攪拌摩擦焊在民機領域內(nèi)的應用，目前還存在其缺陷檢測技術(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]。對于隧道型缺陷、孔洞缺陷，可用射線照相等無損檢測方式進行檢查，建立合適的掃查標準，可以有效避免其在零件中出現(xiàn)。但對于未焊透和S線缺陷，難以通過無損檢測進行檢查。特別是對于對接焊縫，由于攪拌摩擦焊過程，攪拌頭不會插入到被焊對接零件的底部，底端的材料流動是通過攪拌頭頂鍛力的作用帶動的，流動不如頂部區(qū)域和中間區(qū)域。在流動不充分的情況下，容易出現(xiàn)未焊透的情形。同時，該缺陷由于是線性缺陷，其尺寸很小，難以通過無損檢測進行檢查。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，在不進行破壞性檢查時，很難檢測出此種缺陷。對于攪拌摩擦焊的焊接缺陷，國內(nèi)目前尚未有成熟的檢測標準，需進行進一步的研究。同時，攪拌摩擦焊對于不同種材料，在攪拌頭形式不同時，其工藝窗口也有一定變化。對于民機制造來講，建立一套工藝參數(shù)，同時能夠保證該工藝參數(shù)在不同供應商處能夠獲得性能一致的結(jié)構(gòu)連接強度，是需要進行大量的工藝試驗才能完成的。而如何評判此種工藝試驗的結(jié)果，目前國內(nèi)尚無權(quán)威的標準。

為將攪拌摩擦焊用于民機生產(chǎn)，需主要著眼于解決下述問題：建立對于不同材料焊接的工藝窗口，并對其疲勞、耐腐蝕性能等進行全面考察；確定攪拌摩擦焊焊接缺陷的檢測方式，保證飛機結(jié)構(gòu)的安全性；攪拌摩擦焊缺陷修復的規(guī)范及效果驗證等。國內(nèi)的攪拌摩擦焊研究，目前主要缺乏大量的工程應用，其研究大多停留在實驗室試片生產(chǎn)或試件生產(chǎn)上。如何結(jié)合實際生產(chǎn)情況，使攪拌摩擦焊走出實驗室，將攪拌摩擦焊用于飛機結(jié)構(gòu)的連接，是未來國內(nèi)攪拌摩擦焊在民機領域研究發(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.國內(nèi)外異種材料攪拌摩擦焊的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].兵器材料科學與工程,2013,36(6)：108-113.

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

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

［5］方連軍,劉曉娟,高獻娟.攪拌摩擦焊技術(shù)在航空航天工業(yè)中的應用[J].中國新技術(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,欒國紅,關(guān)橋.攪拌摩擦焊在航空航天工業(yè)的應用發(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損檢測現(xiàn)狀[J].黑龍江科技信息,2012,24：44-45.