航空用鋁合金攪拌摩擦焊的研究現狀與趨勢

王錫嶺　李金燕　白小文

摘 要：在航空制造領域，鋁合金的應用可以減輕結構重量、降低能耗、提高裝備性價比等。隨著攪拌摩擦焊焊接技術的不斷發展，對于以前認為不可焊接的航空用高強鋁合金都能焊接，且能形成高質量的焊縫，文章主要介紹了航空鋁合金的應用，綜述了航空用鋁合金攪拌摩擦焊的研究現狀及趨勢。

關鍵詞：航空用鋁合金；攪拌摩擦焊；研究現狀

中圖分類號：V262 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）30-0050-02

Abstract： In the field of aviation manufacturing， the application of aluminum alloy can reduce the weight of structure， reduce energy consumption， improve the cost performance ratio of equipment and so on. With the development of friction stir welding （FSW） technology， the application of aviation aluminum alloy is introduced in this paper， which can weld high strength aluminum alloy which can not be welded， and can form high quality weld. The research status and trend of friction stir welding for aluminum alloys used in aviation are reviewed in this paper.

Keywords： aviation aluminum alloy； friction stir welding； research status

鋁合金具有密度低、高的比強度和比剛度、抗沖擊性能良好。且制造工藝簡單，耐久性，可靠性和可維修性高等一系列優點，在航空工業中用量非常大，被認為是航空工業中的理想結構材料。

1 鋁合金在航空上的應用

在各種大型商務飛機和運輸機中，鋁合金主要用于機翼表面蒙皮、桁條、機翼前后梁、機翼肋、機身隔框、長桁、機身框、龍骨梁、座艙和貨艙地板結構及緊固件等的制造。超高強度鋁合金作為飛機的結構材料仍占據著非常重要的地位，在航空領域有著廣闊的市場應用前景。隨著飛機的發展，各種材料在飛機機體上的用量不斷變化，表1為民用客機主要材料應用情況。

根據表1民用客機制造企業的機型材料可以看出：超高強度鋼在今后仍然還會是起落架、主要接頭、隔框等一些主要承力構件的備選材料。鋁合金長期以來一直是全世界航空制造業中使用最為廣泛的輕質結構材料，近年來以空客A380和波音777等為代表的新一代大型商務飛機中，鋁合金的用量仍占機體結構重量的60%以上；而以波音787和空客A350為代表的最新型商務飛機中，雖然復合材料的用量大幅度上升，鋁合金面臨著嚴峻挑戰，但其使用量仍要占機體結構重量的20～34%。在航空、航天等工業制造領域2XXX系列和7XXX的高強鋁合金得到了越來越廣泛的應用。超高強度鋁合金作為飛機的結構材料仍然占據著非常重要的地位，在航空領域有著廣闊的市場應用前景，在相當長的時期內，仍是飛機的主體結構材料。

2 航空用鋁合金的攪拌摩擦焊

在航空制造領域，鋁合金的應用可以減輕結構重量、降低能耗、提高裝備性價比等，成為航空領域重點發展與應用的先進結構材料，在航空機體制造中，航空材料的連接一般采用鉚接方法，但鉚接接頭會增加結構重量，不利于飛機結構的輕量化，而焊接技術的迅猛發展滿足了飛機結構件的制造要求。

航空鋁合金的焊接，傳統方法采用氣體保護焊電弧焊（GTAW/GMAW）及激光焊（LW）過渡，90年代以后發展到采用攪拌摩擦焊（FSW）等固相連接新技術。攪拌摩擦焊是英國焊接研究所（TWI）于1991年提出的新型壓力焊技術，它采用有一定形狀的攪拌針插入工件的焊縫處，通過攪拌頭的高速旋轉，攪拌針與母材工件材料摩擦，使連接部位的材料溫度升高軟化，攪拌頭同時沿著焊縫處運動來完成焊接的。經過多年發展，已成功用于航空航天、汽車等制造領域。

采用攪拌摩擦焊取代傳統的氬弧焊，能完成材料的對接、搭接、丁字型等多種接頭方式的焊接，另外特別適合于高強鋁合金、鋁鋰合金等宇航材料的焊接，可以大大提高了焊接接頭的力學性能，消除了氣孔、夾雜、凝固裂紋等材料熔焊時容易產生的多種缺陷。攪拌摩擦焊技術在航空制造中的成功應用展現了其巨大的經濟和社會效益。在國外已顯示出強勁的技術創新活力，和廣闊的技術應用前景，攪拌摩擦焊在中國市場的應用會對傳統制造工業帶來革命性的進步。

作為一種固相連接手段，攪拌摩擦焊除了可以焊接用普通熔焊方法難以焊接的材料外（例如可以實現用熔焊難以保證質量的裂紋敏感性強的7000、2000系列鋁合金的高質量連接）。由于攪拌摩擦焊對材料的適應性好、溫度低，變形小、不產生類似熔焊接頭的鑄造組織缺陷、接頭各種機械性能優良、焊前、焊后輔助工作減少，生產成本大幅度降低等優點已經在飛機制造中得到應用，如波音公司采用攪拌摩擦焊技術成功實現了C17和C130大型軍用運輸機貨艙地板的焊接，空客公司在A320客機中央翼盒、A340機翼承力墻、A350飛機機身蒙皮等結構中應用了攪拌摩擦焊技術，美國月蝕公司采用攪拌摩擦焊技術代替了商務飛機70%的鉚釘連接，此項技術改進可節約成本60%，生產效率可提高6倍。攪拌摩擦焊可提高飛機制造裝配的生產效率，縮短飛機零、部件的制造裝配周期。

3 鋁合金攪拌摩擦焊接頭的研究現狀