铝合金搅拌摩擦焊工艺研究.doc

南 华 大 学
毕业设计(论文)综述报告

题 目 铝合金搅拌摩擦焊工艺研究
学院名称 机械工程学院
指导教师 张元钟
职 称 副教授
班 级 材料成型及控制工程071班
学 号 20074610109
学生姓名 冯洁

年 月 日

1. 本设计（课题）研究的目的和意义
1 　搅拌摩擦焊在飞机制造中的优越性
搅拌摩擦焊技术从制造成本、重量和连接质量的角度考虑具有显著的优越性。例如 ，在飞机上的应用可以减少零件数量和库存 ，降低装配费用 ，减少设计成本 ，减少维修费用等;同时搅拌摩擦焊代替铆接可以降低接头重量;对于给定的应力水平而言，搅拌摩擦焊可以消除铆接和螺接的紧固孔引起的应力集中，提高飞机的疲劳性能和所必需的安全检验阈值以及时间间隔;消除板 - 板对接连接中的结合面 ，防止潮湿介质的入侵和腐蚀;消除不同材料紧固连接需要的紧固件和可能的电势腐蚀作用;免去密封介质和局部材料保护等。
1. 1 　降低系统制造成本
搅拌摩擦焊技术为轻型铝合金结构的低成本、无紧固件的可靠连接提供了可能性 ，而且已经在航宇飞行器的制造过程中的成本控制上得到突破性进展。目前飞机制造中零部件的装配连接使用了大量的铆接和螺栓连接结构，如在空中客车A340飞机上使用了超过100万个铆钉。如果用搅拌摩擦焊接代替铆接，一方面搅拌摩擦焊具有比铆接更快的制造速度(因为搅拌摩擦焊准备简单，装配方便，操作程序少，焊接速度快);另一方面搅拌摩擦焊不需要焊丝，不需要对接束缚条 ，不需要加强板 ，不需要粘接密封介质 ，没有紧固铆钉和高锁，在减少制造过程库存零部件的同时 ，大大减轻了飞机连接装配的重量。搅拌摩擦焊作为一种低成本的制造技术 ，用来代替气体保护熔化焊接( GMAW 和APPW) ，大幅度降低了系统费用;同时使单个燃料筒体的制造周期由原来的 23天，缩短为 6天。
1. 2 　提高飞机制造效率
传统的飞机结构多为机械连接的装配方法 ，零件多 ，速度慢 ，制造步骤复杂 ，不容易实现生产装配自动化。但搅拌摩擦焊技术在飞机制造领域的应用 ，可使飞机高成本、大件加工、机械连接方式变为低成本、小件焊接、整体成型结构方式 ，有效提高了飞机制造装配的效率，缩短了飞机零、部件的制造装配周期。另外 ，搅拌摩擦焊技术对硬件要求较低，完全可以通过对传统机床设备的改造 ，或在现有机械设计和加工能力的基础上完成。而且焊接过程没有飞溅、电弧等强烈的电磁干扰 ，易于实现过程数字控制和生产自动化。目前国外公司已经在数控多坐标铣床和焊接机器人系统上应用搅拌摩擦焊技术 ，实现搅拌摩擦焊的变截面的空间曲线轨迹的焊接。波音公司已经成功地实现了复杂结构的飞机门的曲线搅拌摩擦焊焊接;另外在战斗机的裙翼上成功地实现了薄板 T 形接头的搅拌摩擦焊连接 ，并且进行了相关飞行测试。
1. 3 　提供新的飞机结构设计可能性
搅拌摩擦焊不仅能在普通材料上得到优良的接头 ，而且在以前所谓的“难焊”和“不可焊接”铝合金材料上也能实现可靠连接 ，如可在1420、2195、2524、6013、6056、7075、AlMgSc等多种航宇合金材料上得到固相连接。同时，由于搅拌摩擦焊技术的特殊性，不同金属合金材料例如2524和7349，6065和1424，6061和2024等，也能得到可靠的焊接。对于从1 mm 到75 mm不同厚度的金属材料，基于搅拌摩擦焊不存在熔化过程，所以也能得到优良的固相连接。另外虽然原始材料的生产准备状态不同，但是搅拌摩擦焊可以实现板材件、挤压型材件以及预成型件的焊接。英国焊接研究所已经成功地把锻压板材件用搅拌摩擦焊的方法和铸态零件焊接在一起 ，同时得到非常优异的接头机械性能。搅拌摩擦焊技术为飞机结构设计中新材料、新结构的应用提供了更多的选择性和可能性。
2. 本设计（课题）国内外研究历史与现状
目前，该所主要是与航空、航天、船舶、高速列车及汽车等焊接设备制造厂和国际性的大公司联合，以团体赞助或合作的形式（TWI的GSP项目）研究、开发搅拌摩擦焊技术，不断扩大其应用范围。
目前由工业企业赞助的研究项目包括：大厚度铝合金的搅拌摩擦焊、钢的搅拌摩擦焊、钛合金的搅拌摩擦焊、汽车轻型构件的搅拌摩擦焊等。美国的爱迪生焊接研究所（EWI）与TWI密切协作，也在进行FSW工艺的研究。美国的洛克希德。马丁航空航天公司、马歇乐航天飞行中心、美国海军研究年、Dartmuth大学、德国的Stuttgart大学、澳大利亚的Adelaide大学及澳大利亚焊接研究所等都有从不同的角度对搅拌摩擦焊进行了专门研究。
1铝合金搅拌摩擦焊在航空航天领域中的应用
随着搅拌摩擦焊的研究进一步走向深入，搅拌摩擦焊设备也逐渐从试验室走向商用。TWI应用此技术为波音公司生产了3个2000系列铝合金航天飞机燃料箱；美国洛克希德。马丁公司、波音-麦道公司、洛克韦乐集团、爱迪生焊接研究所等多家机构目前正在致力于搅拌摩擦焊接的研究、应用评估和开发。在航空航天领域适于用FSW技术焊接的结构包括：军用或民用飞机的蒙皮、航天器中的低温燃料箱，航空器油箱、军用机的副油箱、军用或科技探测火箭等；美国洛克希德。马丁航空航天公司用该技术焊接了航天飞机外部储存液态氧的低温容器；在马歇乐航天飞行中心，也已用该技术焊接了大型圆筒形容器。
Boeing公司投资几百万美元，制造了用于Delta运载火箭的大型低温燃料容器的大型专用搅拌摩擦焊机，BAE空中客车公司正在对FSW技术进行方法、性能和可行性验证，目的是用来生产中型和大型商用客机，所采用的搅拌摩擦焊机由地处合利伐克斯的GRAWFORD-SWIFT公司制造，据说是欧洲功率最大的焊机。美国ECLIPSE（月蚀）航空公司将利用FSW来制造一架10.86m长、翼展11.88m的中型飞机。公司估计，采用FSW可以将机身壁板上的加强肋、框架的装配时间减少80%，使飞机成本降低为83.7万美元。此飞机的主要结构件、蒙皮等全部采用国际上最新的连接技术――搅拌摩擦焊技术制造，客机的机身基本上全部利用搅拌摩擦焊制造，其中包括飞机蒙皮、翼肋、弦状支撑、飞机地板以及结构件的装配等
搅拌摩擦焊的应用主要用来提高生产效率和降低制造成本，会对航空结构件的搅拌摩擦焊工艺是由TWI与美国ALCOA公司联合进行试验开发，然后应用于ECLIPSE500型飞机结构件的焊接。公司在2000年9月通过了飞机安全委员会的初步设计评估和认证，2001年6月确定搅拌摩擦焊的飞机制造中的可行性，2001年开始制造搅拌摩擦焊飞机结构件，2002年6月首飞，并在6月29日~7月1日向公众展示了这种新型飞机的目前已经有上百家客户争相订购这种新型的谦价、切能的商务飞机，该种飞机预计2003年8月进行飞行认证，在2003年8月交会用户使用。
2铝合金搅拌摩擦焊在船舶制造领域中的应用
目前，基于搅拌摩擦焊在焊接方法、力学性能、制造成本以及环境等方面的巨大优越性和潜在的工业应用前景，在船舶制造领域里，搅拌摩擦焊得到了深入细致的研究和开发。船舶制造不仅要求速度的增加，而且要求单位价格载荷性能的提高，所以舰艇制造要尽可能的铝合金材料来降低船舶重量。但铝合金材料的传统连接方法为铆钉连接和弧焊连接，铆接增加了制造时间、人力和物料的使用量，而铝合金熔焊时容易产生变形、缺陷及烟尘等，也限制了弧焊在铝合金构件上的使用，所以随着搅拌摩擦焊技术的发展，用搅拌摩擦焊来实现高集成度的预成型模块化制造来代替传统的船舶来板-加强件结构的制造，是船舶制造技术发展的必然和革命性的进步。
搅拌摩擦焊在船舶轻合金预成形结构件上的应用，在外观、重量、性能、成本以及制造时间上具有明显的优越性，不仅可以用于船舶轻合金结构件的制造，还可以用于现场装配，为现代船舶制造提供了新的连接方法通知搅拌摩擦焊代替熔焊实现轻合金结构件的制造，是现代焊接技术发展的又一次飞跃。FSW技术在船舶制造、海洋工业和宇航工业中有广泛的应用前景，适于用FSW技术焊接的结构包括：甲板、壁板、隔板等板材的拼焊、铝挤压件的焊接、船体和加强件的焊接、直升机降落平台的焊接等。目前已用该技术焊接快艇中上长为20m的铝合金结构件，焊缝总长度超过500km。
3. 目前存在的主要问题
随着搅拌摩擦焊技术的研究和发展，搅拌摩擦焊在应用领域的限制得到很好解决，但是尽管搅拌摩擦焊目前可以单道完成厚度为50mm 铝合金材料的焊接，但与某些弧焊技术相比（如薄板的激光焊）焊接速度还相对较慢；另外，基于搅拌摩擦焊本身的特点，被焊零件需要由一定的结构刚性或被牢固固定来实现焊接；焊接结束由于搅拌头的回抽，焊缝的末端留有“匙孔”，所以必要时，焊接工艺上需要添加“引焊板或出焊板”；搅拌摩擦焊过程中需要对焊缝施加巨大的顶锻压力，这也限制了搅拌摩擦焊技术在机器人等设备上的应用。
4. 本设计（课题）拟解决的关键问题和研究方法
1）搅拌指棒因工作时旋转摩擦产生大量的热，所以其需选定良好的耐高温力学和物理特性的抗磨损材料制造；
2）不同焊接方法及设备、焊接工艺等对焊接接头的性能影响；
3）使铝合金材料形成良好可靠的接头工艺参数的确定；
4）根据焊接试验，对焊接结构进行金相分析，优化焊缝的工艺设计。
5. 参考文献
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