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攪拌摩擦焊技術(shù)研究與應(yīng)用
攪拌摩擦焊技術(shù)研究與應(yīng)用
陳湘陵 謝振中
課 題：湖南省科技廳自然科學(xué)課題，課題編號：2011CK3056。
攪拌摩擦焊技術(shù)，即Friction Stir Welding，簡稱FSW。其作為固態(tài)連接技術(shù)范疇內(nèi)的新型焊接技術(shù)，自CJ?Dawes等科學(xué)家正式宣布發(fā)明之后，以其較好的使用性能很快被推廣開，并應(yīng)用于各個(gè)方面，特別是在一些重工業(yè)，例如核電核能、航空航天、車輛船舶等。由于攪拌摩擦焊接技術(shù)本身的發(fā)展需要，加之其獨(dú)特性與不可替代性，都將會(huì)是未來焊接技術(shù)發(fā)展必然方向之一。本文概述攪拌摩擦焊技術(shù)相關(guān)概念，同時(shí)介紹焊接技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展趨勢，還較為詳細(xì)地分析了該技術(shù)在航天、船舶、道路交通之中的應(yīng)用，為提高并強(qiáng)化攪拌摩擦焊技術(shù)的理論基礎(chǔ)盡一份小小的薄力，促進(jìn)攪拌摩擦焊技術(shù)的發(fā)展。
一、攪拌摩擦焊技術(shù)概述
1.攪拌摩擦焊技術(shù)簡介及原理
作為新技術(shù)的攪拌摩擦焊（ 該項(xiàng)專利技術(shù)由T h eWelding Institute，即英國焊接研究所開發(fā)，開發(fā)時(shí)間1991年），與常規(guī)摩擦焊相比，雖然焊接熱源同是利用摩擦熱產(chǎn)生，但是其最大的不同之處就在于利用高速旋轉(zhuǎn)攪拌頭緩慢插入到被焊工件的待焊部位，利用攪拌頭和被焊材料之間的摩擦阻力而產(chǎn)生的摩擦熱，高溫軟化連接部位材料，并在攪拌頭軸肩的壓力作用下，達(dá)到工件間永久性連接的目的。該技術(shù)是以固相連接工藝實(shí)現(xiàn)的焊接技術(shù)。
2.攪拌摩擦焊技術(shù)優(yōu)點(diǎn)
與傳統(tǒng)焊接方法相比，攪拌摩擦焊技術(shù)具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。
一是焊前不需進(jìn)行復(fù)雜的準(zhǔn)備，被焊材料不熔化，焊接接頭性能優(yōu)良，固相連接接頭強(qiáng)度高，可實(shí)現(xiàn)全方位焊接；
二是焊接過程可靠性高，尺寸精度高，生產(chǎn)率高，成本低且節(jié)能；
三是具有廣泛的工藝適應(yīng)性，能有效減小或消除冶金化學(xué)反應(yīng)問題，能焊接性能差異很大的異種金屬材料，亦可焊接同一臺設(shè)備的金屬和非金屬材料；
四是安全環(huán)保，焊接過程整潔，不會(huì)產(chǎn)生飛濺、輻射的情況，或產(chǎn)生有害物質(zhì)。
二、攪拌摩擦焊技術(shù)研究現(xiàn)狀
1.國外研究現(xiàn)狀
在國外，攪拌摩擦焊接技術(shù)的發(fā)展已是十分成熟，理論體系也較為系統(tǒng)。但目前的攪拌摩擦焊的研究和應(yīng)用主要還是鋁合金、鋼材等高熔點(diǎn)材料。而最早提出的英國焊接研究所早已在世界各國申請專利，尋求知識產(chǎn)權(quán)的保護(hù)，并向世界許多機(jī)械行業(yè)的科研院、大學(xué)或公司授權(quán)攪拌摩擦焊接技術(shù)的非獨(dú)占性專利許可。各國研究人員在此基礎(chǔ)上，又加快了設(shè)備的研制和材料攪拌摩擦焊接的工程化實(shí)驗(yàn)技術(shù)，以及多樣化焊接接頭形式的研究。
例如，美國航空航天局的Delta系列火箭與Eclipse小型商務(wù)機(jī)，以及阿里亞娜火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、日本新干線等等。而在挪威，已用該技術(shù)焊接快艇的長為20m的鋁合金結(jié)構(gòu)件；美國洛克希德-馬丁航空航天公司用該技術(shù)焊接了航天飛機(jī)外部儲存液態(tài)氧的低溫容器，在馬歇爾航天飛行中心，也已用該技術(shù)焊接了大型圓筒形容器。
2.國內(nèi)研究現(xiàn)狀
早在1998年，我國就已展開了攪拌摩擦焊技術(shù)的研究，并在1999年的第九屆全國焊接學(xué)術(shù)會(huì)議上，以及2001年出版的新版《焊接手冊》中介紹了該項(xiàng)技術(shù)。此后，由關(guān)橋院士主持在航天系統(tǒng)開展攪拌摩擦焊技術(shù)的研究和應(yīng)用；2002年4月份，“中國攪拌摩擦焊接中心”在北京飯店成立，被英國焊接研究所授予獨(dú)家許可權(quán)，即擁有發(fā)放和管理中國區(qū)域的攪拌摩擦焊接技術(shù)的專利許可。直至今日，研究攪拌摩擦焊接技術(shù)與設(shè)備的學(xué)院、研究所已達(dá)到20幾家單位，其中包括有清華大學(xué)、南昌航空工業(yè)學(xué)院、哈爾濱理工大學(xué)、中科院沈陽金屬所等。
歷經(jīng)幾十年的發(fā)展，該技術(shù)在國內(nèi)已經(jīng)具備了從工藝、設(shè)備、控制、檢驗(yàn)等整套完備的專業(yè)技術(shù)規(guī)模，并且在基礎(chǔ)理論研究上也形成了一定的獨(dú)立體系。我國科技工作者高度重視，除了對攪拌摩擦焊的機(jī)理、力學(xué)性能、攪拌頭等展開深入研究外，還先后開展了對鋁合金紫銅、PVC塑料、鈦合金、鎂合金等材料攪拌摩擦焊工藝的研究。
三、攪拌摩擦焊技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀
1.航空應(yīng)用
在航空領(lǐng)域中，自1995年，美國、日本、英國等發(fā)達(dá)國家開展了對FSW在航天工業(yè)中的應(yīng)用性研究后，便開始一系列的研究與應(yīng)用。例如，飛機(jī)制造零部件的裝配一改傳統(tǒng)的鉚接和螺栓連接技術(shù)，采用FSW，不僅可提高制造速度，同時(shí)又能減輕飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量。而目前波音公司已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)門的曲線FSW焊接，戰(zhàn)斗機(jī)裙翼上薄板T形接頭的攪拌摩擦焊連接，并用FSW焊接生產(chǎn)了DeltaⅡ和Ⅲ運(yùn)載火箭的貯箱等等。巴西航空工業(yè)公司采用了FSW技術(shù)為萊格賽500噴氣公務(wù)機(jī)實(shí)現(xiàn)了首次應(yīng)用。FSW技術(shù)的出現(xiàn)為航空航天工業(yè)設(shè)計(jì)和制造提供了一種新的方法和途徑，并逐步投入到實(shí)際生產(chǎn)過程中。
2.船舶應(yīng)用
在船舶工業(yè)中，F(xiàn)SW的應(yīng)用主要是船舶甲板、側(cè)板，以及水上觀測站、防水壁板、船體外殼、主體結(jié)構(gòu)件等的制造，還有直升機(jī)降落平臺、海洋運(yùn)輸結(jié)構(gòu)件等。此技術(shù)的應(yīng)用，特別是在船舶輕合金預(yù)成形結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用，不僅能減少鉚接和弧焊連接所帶來的時(shí)間、人力和物力上的浪費(fèi)，還能有效地減少鋁合金熔焊時(shí)所產(chǎn)生變形、缺陷和煙塵等問題，是促使船舶制造技術(shù)發(fā)展和革命性變化的重要角色，為現(xiàn)代船舶制造提供了新的連接方法，也是現(xiàn)代焊接技術(shù)發(fā)展的又一次飛躍。例如，由挪威Gydro MarineAluminium鋁板廠生產(chǎn)的無缺陷FSW鋁板，用于船舶的甲板、殼體、船艙壁等部位的焊接；日本住友輕金屬公司采用FSW生產(chǎn)的鋁質(zhì)蜂窩結(jié)構(gòu)板件和耐海水板材等等。
3.陸路交通應(yīng)用
在陸路交通上，F(xiàn)SW主要的應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)楦咚倩蜍壍懒熊�，以及地鐵車廂、有軌電車，汽車的引擎、底盤、輪轂、車身支架、載貨車尾部升降平臺、汽車起重器，以及裝甲車的防護(hù)甲板等等。而法國Alstom、丹麥DanStir正致力于車輛部件FSW工業(yè)化的研究；日立公司市郊特快列車車輛的單層和雙層擠壓件連接時(shí)也采用FSW技術(shù)；日本住友輕金屬公司已將FSW工藝用于地鐵車輛，并生產(chǎn)FSW焊接板用于日本新干線車輛的制造。
2010年，在我國，F(xiàn)SW在列車制造領(lǐng)域應(yīng)用取得了突破性進(jìn)展。例如，中國攪拌摩擦焊中心通過靜龍門式攪拌摩擦焊設(shè)備實(shí)現(xiàn)車鉤座的批量化焊接應(yīng)用；南車集團(tuán)株洲電力機(jī)車廠研制的地鐵車廂側(cè)墻壁板通過了技術(shù)鑒定，并首次在廣州三號地鐵車輛中投入了批量化制造。
四、結(jié)論
隨著人們對攪拌摩擦焊技術(shù)認(rèn)識的提高，除了在以上所述三個(gè)方面之外，在其他如鋁合金橋梁、裝飾板、發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、電氣連接件等方面，F(xiàn)SW也將會(huì)有廣泛的應(yīng)用。因此，如何提高焊接的速度，提高接頭的性能，有效地降低成本……都是我們業(yè)內(nèi)人士必須要認(rèn)真思考的問題。筆者相信，隨著我們進(jìn)一步地深入研究，F(xiàn)SW會(huì)朝著更為成熟、多元的方向發(fā)展，并被廣泛地應(yīng)用于人們?nèi)粘Ｉ�、工作、學(xué)習(xí)的各個(gè)方面。
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