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摘 要 随着我国自主研发的商用客机C919首飞成功，大型客机先进制造技术也广受关注。本文对搅拌摩擦焊这一新进制造技术进行了研究，从该技术的工艺特征、在航空制造中的应用和发展情况以及该技术应用时产生的问题进行了简单的总结。
关键词 搅拌摩擦焊；工艺特征；航空制造
中图分类号 TG45 文献标识码 A 文章编号 2095-6363（2017）15-0046-01
随着C919国产大型商用客机的首飞成功，大型商用客机关键制造技术引起了广泛的关注。传统飞机制造技术中，一般采用螺栓连接以及铆钉连接作为飞机结构连接的主要方法，然而，随着航空工业的不断发展，采用先进焊接方法取代传统铆接等机械紧固连接方式已成为先进飞行器通过减重来降低成本的主要工艺之一。搅拌摩擦焊技术因其具有良好的机械性能、可直接焊接异种材料等优点而得到了飞速发展，受到了航空航天工业的关注。
1 搅拌摩擦焊技术工艺特征
搅拌摩擦焊技术是英国焊接研究所在1991年发明的新型焊接技术[1]，靠搅拌工具（搅拌头）与待焊件之间的相对摩擦运动产生热量而实现焊接。搅拌头通常是利用耐高温硬质材料制成，焊接过程中，将搅拌头旋转插入被焊工件接缝处，搅拌头高速旋转时与被焊工件材料摩擦产生热，导致焊缝处材料温度升高而发生塑性软化，软化的材料在搅拌头的作用下进行融合，从而实现焊接。
影响搅拌摩擦焊质量的工艺参数很多[1]，主要包括：搅拌头的倾角、插入深度和速度、旋转速度，焊接速度、停留时间、焊接压力等。研究表明：对于薄板，搅拌头采用小倾角（1°～2°），对于中厚板，倾角为3°～5°；搅拌头的旋转速度由被焊材料的特性决定；搅拌头插入深度与搅拌针长度有关，通常略小于后者；搅拌头插入速度与搅拌针类型和被焊工件厚度有关；焊接速度通常由被焊工件厚度决定，可根据生产效率等要求而调整；焊接压力的大小由被焊工件的剛度、强度等参数与其余部分焊接工艺参数决定，通常情况下采用恒压控制。停留时间是影响焊接质量的重要参数，若停留时间过短，被焊工件未完全达到热塑性状态时会在焊缝出现孔洞；而过长的停留时间会使得焊缝表面出现杂质，影响焊接质量。
2 搅拌摩擦焊在航空制造中的应用
搅拌摩擦焊作为一种新型的焊接技术，能实现多种热塑性异种材料的焊接，特别是对于航空铝合金、钛合金等；通过控制工艺参数，还可大幅提高焊接接头的力学性能，消除传统焊接技术存在的夹杂等多种缺陷，因而在先进航空制造工业中具有很大的应用潜力。
在国外，欧洲、美国、英国等国家的航空公司均投入了大量的人力、财力研究搅拌摩擦焊技术在飞机制造过程中的应用[2]。
欧洲航空工业公司开展了“飞机框架结构的搅拌摩擦焊”以及“宇航工业近期上木目标技术应用”两个研究项目，总投资超过了9 000万欧元，历时4年多。研究的具体内容包括同种和异种材料的焊接性能及焊接特征、焊接残余应力和腐蚀影响的最小化等，开展了2XXX系、6XXX系、7XXX系部分铝合金的搅拌摩擦焊工作；并在金属机身研究项目中，对3块板材件采用了搅拌摩擦焊连接。
美国波音公司对搅拌摩擦焊进行了系统的工程应用开发，探索将该技术应用于战斗机、空间飞行器等。目前已完成了采用搅拌摩擦焊技术制造的战斗机零部件的静力和疲劳性能测试，对薄板、厚板对接接头的搅拌摩擦焊的研究成果已应用于航空制造工业中；采用该技术制作的方向舵经过无损检测后装机试飞，完成了6个周期的飞行试验。
英国宇航空中客车公司进行了飞机机翼结构的搅拌摩擦焊应用方面的评价，指出该技术的应用取决于多角度制造方法的集成；对搅拌摩擦焊和螺栓以及铆接连接的设计、制造、维修等问题进行了对比研究；将搅拌摩擦焊应用于飞机机翼设计和制造上的研究成果表明，利用该技术可以得到比现有飞机翼盒的设计和制造更优越的性能。
国内的搅拌摩擦焊技术发展较晚，在飞机制造中的研究以中国搅拌摩擦焊中心的研究成果为代表[3]。该中心开发了函数曲线搭接搅拌摩擦焊技术，用于替代铆接技术制造新型大飞机的机身蒙皮结构；该中心还采用搅拌摩擦点焊技术实现了运载火箭燃料贮箱的空间曲线纵缝以及环缝的焊接，为飞机机身的环向连接奠定了技术基础。
3 搅拌摩擦焊技术的问题
搅拌摩擦焊技术在先进制造技术中尽管有着较明显的优势，然而，与其他焊接技术一样，仍有很多问题在持续研究之中。比如焊接残余应力的产生和对焊接件疲劳断裂性能的影响、焊缝周围组织结构变化对焊接件性能的影响[4]。
对搅拌摩擦焊接残余应力的研究结果均表明，焊缝上表面平行于焊缝方向的纵向残余应力呈双峰形式分布，分布规律为搅拌带内为拉应力，搅拌带外为压应力，且压应力值迅速降低以满足自平衡。产生的残余应力对焊接工件疲劳性能有较大影响，通常情况下，残余拉应力会降低疲劳寿命，而残余压应力对疲劳寿命的提高有帮助。此外，焊缝处残余应力作用下可能更容易产生疲劳裂纹，残余应力对工件断裂力学性能的影响仍处于研究之中。
关于搅拌摩擦焊焊缝组织结构特征，目前最普遍的研究成果表明，焊缝内存在有明显微观组织结构特征的3个区域，即焊核区、热—机影响区、热影响区。焊缝区通常为细小的等轴晶，热-机影响区的微观组织特征与焊核区类似，热影响区在前进侧方向有晶粒被拉长的现象。有研究表明，焊核区的强度与母材的类似，而另外两个区域的材料强度略低于母材的。对于不同区域的疲劳断裂力学性能的研究较少，有学者发现空气中焊核区的裂纹扩展速率比母材的稍高；大气环境下的裂纹扩展速率比盐水腐蚀环境下的高；腐蚀环境下热影响区的裂纹扩展速率很低。也有学者指出焊接接头的腐蚀行为与母材的相同。
4 结论
随着新装备的研发和工业化程度的提高，国内外对搅拌摩擦焊技术的研究和应用也在不断的深入，开展更多的理论和试验研究是推进该技术产业化应用的基础和前提，系统的研究将推进该技术的普及，该技术的发展也将有助于大型客机先进制造技术的提升。
参考文献
[1]搅拌摩擦焊工艺参数[J].现代焊接，2006（9）.
[2]栾国红，郭德伦，关桥，等.飞机制造工业中的搅拌摩擦焊研究[J].航空制造技术，2002（10）：43-46.
[3]栾国红.飞机制造中的搅拌摩擦焊技术及其发展[J].航空制造技术，2009（20）：26-31.
[4]周才智，杨新岐，栾国红.搅拌摩擦焊接头疲劳行为研究现状[J].稀有金属材料与工程，2006，35（7）：1172-1176.
关键词 搅拌摩擦焊；工艺特征；航空制造
中图分类号 TG45 文献标识码 A 文章编号 2095-6363（2017）15-0046-01
随着C919国产大型商用客机的首飞成功，大型商用客机关键制造技术引起了广泛的关注。传统飞机制造技术中，一般采用螺栓连接以及铆钉连接作为飞机结构连接的主要方法，然而，随着航空工业的不断发展，采用先进焊接方法取代传统铆接等机械紧固连接方式已成为先进飞行器通过减重来降低成本的主要工艺之一。搅拌摩擦焊技术因其具有良好的机械性能、可直接焊接异种材料等优点而得到了飞速发展，受到了航空航天工业的关注。
1 搅拌摩擦焊技术工艺特征
搅拌摩擦焊技术是英国焊接研究所在1991年发明的新型焊接技术[1]，靠搅拌工具（搅拌头）与待焊件之间的相对摩擦运动产生热量而实现焊接。搅拌头通常是利用耐高温硬质材料制成，焊接过程中，将搅拌头旋转插入被焊工件接缝处，搅拌头高速旋转时与被焊工件材料摩擦产生热，导致焊缝处材料温度升高而发生塑性软化，软化的材料在搅拌头的作用下进行融合，从而实现焊接。
影响搅拌摩擦焊质量的工艺参数很多[1]，主要包括：搅拌头的倾角、插入深度和速度、旋转速度，焊接速度、停留时间、焊接压力等。研究表明：对于薄板，搅拌头采用小倾角（1°～2°），对于中厚板，倾角为3°～5°；搅拌头的旋转速度由被焊材料的特性决定；搅拌头插入深度与搅拌针长度有关，通常略小于后者；搅拌头插入速度与搅拌针类型和被焊工件厚度有关；焊接速度通常由被焊工件厚度决定，可根据生产效率等要求而调整；焊接压力的大小由被焊工件的剛度、强度等参数与其余部分焊接工艺参数决定，通常情况下采用恒压控制。停留时间是影响焊接质量的重要参数，若停留时间过短，被焊工件未完全达到热塑性状态时会在焊缝出现孔洞；而过长的停留时间会使得焊缝表面出现杂质，影响焊接质量。
2 搅拌摩擦焊在航空制造中的应用
搅拌摩擦焊作为一种新型的焊接技术，能实现多种热塑性异种材料的焊接，特别是对于航空铝合金、钛合金等；通过控制工艺参数，还可大幅提高焊接接头的力学性能，消除传统焊接技术存在的夹杂等多种缺陷，因而在先进航空制造工业中具有很大的应用潜力。
在国外，欧洲、美国、英国等国家的航空公司均投入了大量的人力、财力研究搅拌摩擦焊技术在飞机制造过程中的应用[2]。
欧洲航空工业公司开展了“飞机框架结构的搅拌摩擦焊”以及“宇航工业近期上木目标技术应用”两个研究项目，总投资超过了9 000万欧元，历时4年多。研究的具体内容包括同种和异种材料的焊接性能及焊接特征、焊接残余应力和腐蚀影响的最小化等，开展了2XXX系、6XXX系、7XXX系部分铝合金的搅拌摩擦焊工作；并在金属机身研究项目中，对3块板材件采用了搅拌摩擦焊连接。
美国波音公司对搅拌摩擦焊进行了系统的工程应用开发，探索将该技术应用于战斗机、空间飞行器等。目前已完成了采用搅拌摩擦焊技术制造的战斗机零部件的静力和疲劳性能测试，对薄板、厚板对接接头的搅拌摩擦焊的研究成果已应用于航空制造工业中；采用该技术制作的方向舵经过无损检测后装机试飞，完成了6个周期的飞行试验。
英国宇航空中客车公司进行了飞机机翼结构的搅拌摩擦焊应用方面的评价，指出该技术的应用取决于多角度制造方法的集成；对搅拌摩擦焊和螺栓以及铆接连接的设计、制造、维修等问题进行了对比研究；将搅拌摩擦焊应用于飞机机翼设计和制造上的研究成果表明，利用该技术可以得到比现有飞机翼盒的设计和制造更优越的性能。
国内的搅拌摩擦焊技术发展较晚，在飞机制造中的研究以中国搅拌摩擦焊中心的研究成果为代表[3]。该中心开发了函数曲线搭接搅拌摩擦焊技术，用于替代铆接技术制造新型大飞机的机身蒙皮结构；该中心还采用搅拌摩擦点焊技术实现了运载火箭燃料贮箱的空间曲线纵缝以及环缝的焊接，为飞机机身的环向连接奠定了技术基础。
3 搅拌摩擦焊技术的问题
搅拌摩擦焊技术在先进制造技术中尽管有着较明显的优势，然而，与其他焊接技术一样，仍有很多问题在持续研究之中。比如焊接残余应力的产生和对焊接件疲劳断裂性能的影响、焊缝周围组织结构变化对焊接件性能的影响[4]。
对搅拌摩擦焊接残余应力的研究结果均表明，焊缝上表面平行于焊缝方向的纵向残余应力呈双峰形式分布，分布规律为搅拌带内为拉应力，搅拌带外为压应力，且压应力值迅速降低以满足自平衡。产生的残余应力对焊接工件疲劳性能有较大影响，通常情况下，残余拉应力会降低疲劳寿命，而残余压应力对疲劳寿命的提高有帮助。此外，焊缝处残余应力作用下可能更容易产生疲劳裂纹，残余应力对工件断裂力学性能的影响仍处于研究之中。
关于搅拌摩擦焊焊缝组织结构特征，目前最普遍的研究成果表明，焊缝内存在有明显微观组织结构特征的3个区域，即焊核区、热—机影响区、热影响区。焊缝区通常为细小的等轴晶，热-机影响区的微观组织特征与焊核区类似，热影响区在前进侧方向有晶粒被拉长的现象。有研究表明，焊核区的强度与母材的类似，而另外两个区域的材料强度略低于母材的。对于不同区域的疲劳断裂力学性能的研究较少，有学者发现空气中焊核区的裂纹扩展速率比母材的稍高；大气环境下的裂纹扩展速率比盐水腐蚀环境下的高；腐蚀环境下热影响区的裂纹扩展速率很低。也有学者指出焊接接头的腐蚀行为与母材的相同。
4 结论
随着新装备的研发和工业化程度的提高，国内外对搅拌摩擦焊技术的研究和应用也在不断的深入，开展更多的理论和试验研究是推进该技术产业化应用的基础和前提，系统的研究将推进该技术的普及，该技术的发展也将有助于大型客机先进制造技术的提升。
参考文献
[1]搅拌摩擦焊工艺参数[J].现代焊接，2006（9）.
[2]栾国红，郭德伦，关桥，等.飞机制造工业中的搅拌摩擦焊研究[J].航空制造技术，2002（10）：43-46.
[3]栾国红.飞机制造中的搅拌摩擦焊技术及其发展[J].航空制造技术，2009（20）：26-31.
[4]周才智，杨新岐，栾国红.搅拌摩擦焊接头疲劳行为研究现状[J].稀有金属材料与工程，2006，35（7）：1172-1176.