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鋁合金攪拌摩擦焊的分析
一、概述
1991年英國焊接研究所（TWI）發明了攪拌摩擦焊（FSW），從此以后，基于這種固相連接技術的明顯優越性，例如：優良的接頭力學生能，不需要填充焊接材料，沒有焊接煙法和飛濺，很少的焊前準備和焊接變形等，在世界范圍內的國際合和中開展了大量的研究和開發工作。另外，攪拌摩擦焊鋁合金材料都能焊接，如應用于航空、航天領域的2000系列、5000系列和7000系列高強鋁合金，也可以利用這種先進的焊接方法得到高質量的連接。英國焊接研究所的Dave NICHOLAS訂為，攪拌摩擦焊工藝是自激光焊接問世以來 引人注目的焊接方法，它的出現將使鋁合金等有色金屬的連接技術發生革命性的進步。
2002年4月，北京航空制造工程研究所與英國焊接研究所（TWI）關于攪拌摩擦焊專利技術正式簽約，并且取得了攪拌摩擦焊專利技術的獨占性二級許可授予權，為中國市場開啟了攪拌摩擦焊技術的研究、開發以及大規模工業化應用之門。
二、鋁合金攪拌摩擦焊的應用現狀
攪拌摩擦焊技術擁有諸多獨特的優點，對于輕合金材料（如鋁、銅、鎂、鋅等）的連接在焊接方法、力學性能和生產效率上具有其他焊接方法不可比擬的優越性。攪拌摩擦焊是一種固相連接方法，焊縫接頭具有優良的力學性能和小的焊接變形，焊接過程中不需要添加保護氣和焊絲，沒有熔化、煙塵、飛濺及弧光，是一種環保型的新型連接技術。實際情況也的確如此，在FSW技術問世后的短短幾年內，在焊接機理、適用材料、焊接設備以及工程化應用方面均取得了很大的進展。攪拌摩擦焊技術 初主要用于解決鋁合金、鎂合金及鋅合金等材料的焊接。關于攪拌摩擦焊工藝的特點和應用等，英國焊接研究所進行了較多的研究，關于1993年、1995年申請了世界范圍內的專利保護。目前，該所主要是與航空、航天、船舶、高速列車及汽車等焊接設備制造廠和國際性的大公司聯合，以團體贊助或合作的形式（TWI的GSP項目）研究、開發攪拌摩擦焊技術，不斷擴大其應用范圍。
目前由工業企業贊助的研究項目包括：大厚度鋁合金的攪拌摩擦焊、鋼的攪拌摩擦焊、鈦合金的攪拌摩擦焊、汽車輕型構件的攪拌摩擦焊等。美國的愛迪生焊接研究所（EWI）與TWI密切協作，也在進行FSW工藝的研究。美國的洛克希德。馬丁航空航天公司、馬歇樂航天飛行中心、美國海軍研究年、Dartmuth大學、德國的Stuttgart大學、澳大利亞的Adelaide大學及澳大利亞焊接研究所等都有從不同的角度對攪拌摩擦焊進行了專門研究。
1 鋁合金攪拌摩擦焊在航空航天領域中的應用
隨著攪拌摩擦焊的研究進一步走向深入，攪拌摩擦焊設備也逐漸從試驗室走向商用。TWI應用此技術為波音公司生產了3個2000系列鋁合金航天飛機燃料箱；美國洛克希德。馬丁公司、波音-麥道公司、洛克韋樂集團、愛迪生焊接研究所等多家機構目前正在致力于攪拌摩擦焊接的研究、應用評估和開發。在航空航天領域適于用FSW技術焊接的結構包括：軍用或民用飛機的蒙皮、航天器中的低溫燃料箱，航空器油箱、軍用機的副油箱、軍用或科技探測火箭等；美國洛克希德。馬丁航空航天公司用該技術焊接了航天飛機外部儲存液態氧的低溫容器；在馬歇樂航天飛行中心，也已用該技術焊接了大型圓筒形容器。
Boeing公司投資幾百萬美元，制造了用于Delta運載火箭的大型低溫燃料容器的大型專用攪拌摩擦焊機，BAE空中客車公司正在對FSW技術進行方法、性能和可行性驗證，目的是用來生產中型和大型商用客機，所采用的攪拌摩擦焊機由地處合利伐克斯的GRAWFORD-SWIFT公司制造，據說是歐洲功率 大的焊機。美國ECLIPSE（月蝕）航空公司將利用FSW來制造一架10.86 m長、翼展11.88 m的中型飛機，圖1就是美國ECLIPSE公司耗資3億美元研制成功的E500型新型節能小型噴氣高務飛機。公司估計，采用FSW可以將機身壁板上的加強肋、框架的裝配時間減少80%，使飛機成本降低為83.7萬美元。此飛機的主要結構件、蒙皮等全部采用國際上 新的連接技術――攪拌摩擦焊技術制造，客機的機身基本上全部利用攪拌摩擦焊制造，其中包括飛機蒙皮、翼肋、弦狀支撐、飛機地板以及結構件的裝配等。
攪拌摩擦焊的應用主要用來提高生產效率和降低制造成本，會對航空結構件的攪拌摩擦焊工藝是由TWI與美國ALCOA公司聯合進行試驗開發，然后應用于ECLIPSE500型飛機結構件的焊接。公司在2000年9月通過了飛機安全委員會的初步設計評估和認證，2001年6月確定攪拌摩擦焊的飛機制造中的可行性，2001年開始制造攪拌摩擦焊飛機結構件，2002年6月首飛，并在6月29日~7月1日向公眾展示了這種新型飛機的目前已經有上百家客戶爭相訂購這種新型的謙價、切能的商務飛機，該種飛機預計2003年8月進行飛行認證，在2003年8月交會用戶使用。
2 鋁合金攪拌摩擦焊在船舶制造領域中的應用目前，基于攪拌摩擦焊在焊接方法、力學性能、制造成本以及環境等方面的巨大優越性和潛在的工業應用前景，在船舶制造領域里，攪拌摩擦焊得到了深入細致的研究和開發。船舶制造不僅要求速度的增加，而且要求單位價格載荷性能的提高，所以艦艇制造要盡可能的鋁合金材料來降低船舶重量。但鋁合金材料的傳統連接方法為鉚釘連接和弧焊連接，鉚接增加了制造時間、人力和物料的使用量，而鋁合金熔焊時容易產生變形、缺陷及煙塵等，也限制了弧焊在鋁合金構件上的使用，所以隨著攪拌摩擦焊技術的發展，用攪拌摩擦焊來實現高集成度的預成型模塊化制造來代替傳統的船舶來板-加強件結構的制造，是船舶制造技術發展的必然和革命性的進步。
攪拌摩擦焊在船舶輕合金預成形結構件上的應用，在外觀、重量、性能、成本以及制造時間上具有明顯的優越性，不僅可以用于船舶輕合金結構件的制造，還可以用于現場裝配，為現代船舶制造提供了新的連接方法通知攪拌摩擦焊代替熔焊實現輕合金結構件的制造，是現代焊接技術發展的又一次飛躍。
FSW技術在船舶制造、海洋工業和宇航工業中有廣泛的應用前景，適于用FSW技術焊接的結構包括：甲板、壁板、隔板等板材的拼焊、鋁擠壓件的焊接、船體和加強件的焊接、直升機降落平臺的焊接等。目前已用該技術焊接快艇中上長為20 m的鋁合金結構件，焊縫總長度超過500 km。
三、鋁合金攪拌摩擦焊的發展趨勢
在中國，北京航空制造工程研究所和英國TWI的攪拌試探焊技術合作中心――中國攪拌摩擦焊中心在攪拌摩擦焊的基礎方法研究，材料應用研究、開發，攪拌摩擦焊設備的設計、制造和銷售等方面，都取得很大的進展。
�。�1）目前，中心正在針對攪拌摩擦焊在航天火箭筒體制造，航空飛機框架、蒙皮和結構間的攪拌摩擦焊制造，船舶輕合金制造以及高速列車的鋁合金型材的快速制造等方面正在展開全面的研究和工程攻關。另外，在承攬國防科研和總裝課題的同時，還加強了和企業、大學的橫向聯合及技術合作。
�。�2）在攪拌摩擦焊設備的制造方面已經設計出3大類6類種形式的攪拌摩擦焊設備，并且在2003年3月為哈爾濱工業大學和華東船舶工業學院制造交付了2臺專業化的攪拌摩擦焊設備（圖2為中國攪拌摩擦焊中心設計制造的中國首臺專業化的攪拌摩擦焊設備）。
�。�3）在工程應用方面，鋁合金攪拌摩擦焊將在輸變電、高速列車、新一代戰斗機及新型運載火箭等方面首先得到應用
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