搅拌摩擦焊在民机领域应用前景浅析

孙 凯

（上海飞机制造有限公司，中国 上海 200436）

搅拌摩擦焊作为一种新型固相连接技术，自1991年由英国焊接研究所发明以来[1]，被视为航空铝合金材料连接的新研究方向。由于其在焊接过程中不发生熔化，因此能够避免熔焊过程中出现的气孔、裂纹等缺陷，并且由于其在焊接过程中，应力低、变形小、强度高，特别有利于飞机结构的制造。搅拌摩擦焊在焊接过程中，不产生飞溅、弧光等污染，其绿色、环保的特点，也有利于其在民机领域的应用。

在搅拌摩擦焊过程中，搅拌头高速旋转，压入工件，在搅拌头与被焊工件的摩擦作用以及工件材料塑性变形的产热下，工件温度升高并软化。在搅拌头的机械搅拌作用下，材料发生大规模的塑性变形和流动，并最终形成有效的连接接头。在这一过程中，材料不发生熔化，因此能够避免熔焊常见缺陷。搅拌摩擦焊特别适用于对接、搭接等在飞机结构中的常见形式。随着研究的进一步发展，搅拌摩擦焊目前已可实现所有熔焊的接头形式。同时，由于搅拌摩擦焊无需对材料进行加热熔化，因此可用于不同熔点、不同强度的异种金属焊接[2]。

搅拌摩擦焊在飞机结构上的应用，一般认为主要用于取代铆接等不可拆卸结构。佟建华等[3]采用了对比试验，比较了飞机结构中蒙皮互相搭接、蒙皮与长桁搭接等不同接头形式的搅拌摩擦焊接头与铆接接头的性能。对于破坏主要由于蒙皮受力破坏的结构，搅拌摩擦焊和铆接均对结构强度有削弱作用。由于搅拌摩擦焊过程无材料流失，仅由于热作用导致母材强度略下降，而铆接过程钻孔导致了蒙皮材料减少，因此搅拌摩擦焊对材料的强度影响较小，搅拌摩擦焊接头强度优于铆接接头。对于破坏主要产生在搭接接头剪切破坏的结构上，由于搅拌摩擦焊的连接方式为线连接，铆接接头为点连接，试验表明搅拌摩擦焊的接头性能优于铆接接头。

搅拌摩擦焊代替铆接接头，其最重要的优点在于能够减轻飞机重量。随着民机行业的竞争日益激烈、燃油价格的不断上升，航空公司处于经济性考虑，对飞机结构重量的敏感性日益增强。铆接结构由于铆钉墩头的存在，大大增加了飞机重量。采用搅拌摩擦焊进行飞机结构焊接，由于无需添加焊条等填充物，能够有效的降低结构重量。

搅拌摩擦焊在飞机结构上的另一个应用，主要可用于飞机结构的修理。在采用铆接结构时，如铆钉出现裂纹，可进行拆铆更换铆钉，但如被连接结构出现裂纹，一般只能采用安装加强片的方式进行。此种修理，其结构强度弱于原有设计强度，降低飞机性能。同时，在安装加强片时，需要增加加强片以及连接件的重量，增加飞机油耗。在更多的情况下，只能报废该局部结构，换装新零件，这将增加飞机的维修成本。对于民用飞机来说，由于可以预见的备件不足，需紧急采购等因素，会增加其修理时间，降低运营时间，影响航空公司的经济利益。采用搅拌摩擦焊进行飞机结构修理，无需增加加强片，飞机重量未发生变化。同时由于其修复速度快，可以对结构进行快速修复，有利于减少维修时间，增加飞机经济性。同时，采用搅拌摩擦焊进行维修后的结构，其再次检查时间，比采用铆接修复的再次检查时间有所延长[4]。这也有利于增加航空公司的运营时间，增加飞机经济性。

搅拌摩擦焊在国外飞机制造中已有相当的应用。美国Eclipse公司的Eclipse 500商务机，首次大量采用搅拌摩擦焊，代替了70%的铆接结构，在该机的机舱、机翼及机身结构中广泛采用了搅拌摩擦焊，生产效率提高近10倍，可以比自动铆接快6倍，比手动铆接快60倍成本节约了三分之二[5]。Eclipse 500商务机已获得美国联邦航空管理局（FAA）的适航证。目前，Eclipse已交付约260架采用搅拌摩擦焊的商务机。2013年，FAA批准延长Eclipse 500的服务时间一倍，这意味着该机型飞机在正常维护频率下可运营50年。这也提高了搅拌摩擦焊技术在航空业的应用前景。

波音公司也致力于将搅拌摩擦焊技术用于飞机制造当中[6]。波音公司自1995年开始，就开始研究搅拌摩擦焊来替代铆接技术。波音公司将搅拌摩擦焊用于C-17军用飞机的货仓卸货坡，节省费用并减轻重量。波音公司也将该技术用于747货机的隔板梁焊接。空客公司也采用搅拌摩擦焊技术用于A340-600客机的翼肋制造。使用搅拌摩擦焊代替传统铆接，减重效果可以达到0.9kg/m。空客公司计划将搅拌摩擦焊技术用于A350机身纵向缝的焊接，以取代传统铆接[7]。首先将搅拌摩擦焊用于飞机内部次承力结构，有利于考验该技术安全性，可以积累足够的数据，论证安全性。

搅拌摩擦焊在民机领域内的应用，目前还存在其缺陷检测技术尚不完备、工艺窗口不明确等因素。搅拌摩擦焊的缺陷主要有隧道型缺陷、孔洞缺陷、未焊透、S线缺陷等[8]。对于隧道型缺陷、孔洞缺陷，可用射线照相等无损检测方式进行检查，建立合适的扫查标准，可以有效避免其在零件中出现。但对于未焊透和S线缺陷，难以通过无损检测进行检查。特别是对于对接焊缝，由于搅拌摩擦焊过程，搅拌头不会插入到被焊对接零件的底部，底端的材料流动是通过搅拌头顶锻力的作用带动的，流动不如顶部区域和中间区域。在流动不充分的情况下，容易出现未焊透的情形。同时，该缺陷由于是线性缺陷，其尺寸很小，难以通过无损检测进行检查。S线缺陷是在搅拌摩擦焊过程中，出现在焊核区域外的弱连接现象，在不进行破坏性检查时，很难检测出此种缺陷。对于搅拌摩擦焊的焊接缺陷，国内目前尚未有成熟的检测标准，需进行进一步的研究。同时，搅拌摩擦焊对于不同种材料，在搅拌头形式不同时，其工艺窗口也有一定变化。对于民机制造来讲，建立一套工艺参数，同时能够保证该工艺参数在不同供应商处能够获得性能一致的结构连接强度，是需要进行大量的工艺试验才能完成的。而如何评判此种工艺试验的结果，目前国内尚无权威的标准。

为将搅拌摩擦焊用于民机生产，需主要着眼于解决下述问题：建立对于不同材料焊接的工艺窗口，并对其疲劳、耐腐蚀性能等进行全面考察；确定搅拌摩擦焊焊接缺陷的检测方式，保证飞机结构的安全性；搅拌摩擦焊缺陷修复的规范及效果验证等。国内的搅拌摩擦焊研究，目前主要缺乏大量的工程应用，其研究大多停留在实验室试片生产或试件生产上。如何结合实际生产情况，使搅拌摩擦焊走出实验室，将搅拌摩擦焊用于飞机结构的连接，是未来国内搅拌摩擦焊在民机领域研究发展的方向。

［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,张建欣,李士凯.国内外异种材料搅拌摩擦焊的研究现状及发展趋势[J].兵器材料科学与工程,2013,36(6)：108-113.

［3］佟建华,李从卿,张健,等.飞机铝合金搅拌摩擦焊与铆接接头力学性能对比[J].航空制造技术,2009,22：72-75.

［4］丁丽丽,何旭斌,胡进,等.搅拌摩擦焊技术在军用飞机航空修理中的应用[J].电焊机,2004,S1：130-134.

［5］方连军,刘晓娟,高献娟.搅拌摩擦焊技术在航空航天工业中的应用[J].中国新技术新产品,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,栾国红,关桥.搅拌摩擦焊在航空航天工业的应用发展现状与前景[J].焊接,2008,11：25-31.

［8］郑波.搅拌摩擦焊缺陷分析及其无损检测现状[J].黑龙江科技信息,2012,24：44-45.