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搅拌摩擦焊技术研究与应用
搅拌摩擦焊技术研究与应用
陈湘陵 谢振中
课 题：湖南省科技厅自然科学课题，课题编号：2011CK3056。
搅拌摩擦焊技术，即Friction Stir Welding，简称FSW。其作为固态连接技术范畴内的新型焊接技术，自CJ?Dawes等科学家正式宣布发明之后，以其较好的使用性能很快被推广开，并应用于各个方面，特别是在一些重工业，例如核电核能、航空航天、车辆船舶等。由于搅拌摩擦焊接技术本身的发展需要，加之其独特性与不可替代性，都将会是未来焊接技术发展必然方向之一。本文概述搅拌摩擦焊技术相关概念，同时介绍焊接技术在国内外的发展趋势，还较为详细地分析了该技术在航天、船舶、道路交通之中的应用，为提高并强化搅拌摩擦焊技术的理论基础尽一份小小的薄力，促进搅拌摩擦焊技术的发展。
一、搅拌摩擦焊技术概述
1.搅拌摩擦焊技术简介及原理
作为新技术的搅拌摩擦焊（ 该项专利技术由T h eWelding Institute，即英国焊接研究所开发，开发时间1991年），与常规摩擦焊相比，虽然焊接热源同是利用摩擦热产生，但是其最大的不同之处就在于利用高速旋转搅拌头缓慢插入到被焊工件的待焊部位，利用搅拌头和被焊材料之间的摩擦阻力而产生的摩擦热，高温软化连接部位材料，并在搅拌头轴肩的压力作用下，达到工件间永久性连接的目的。该技术是以固相连接工艺实现的焊接技术。
2.搅拌摩擦焊技术优点
与传统焊接方法相比，搅拌摩擦焊技术具有以下几个优点。
一是焊前不需进行复杂的准备，被焊材料不熔化，焊接接头性能优良，固相连接接头强度高，可实现全方位焊接；
二是焊接过程可靠性高，尺寸精度高，生产率高，成本低且节能；
三是具有广泛的工艺适应性，能有效减小或消除冶金化学反应问题，能焊接性能差异很大的异种金属材料，亦可焊接同一台设备的金属和非金属材料；
四是安全环保，焊接过程整洁，不会产生飞溅、辐射的情况，或产生有害物质。
二、搅拌摩擦焊技术研究现状
1.国外研究现状
在国外，搅拌摩擦焊接技术的发展已是十分成熟，理论体系也较为系统。但目前的搅拌摩擦焊的研究和应用主要还是铝合金、钢材等高熔点材料。而最早提出的英国焊接研究所早已在世界各国申请专利，寻求知识产权的保护，并向世界许多机械行业的科研院、大学或公司授权搅拌摩擦焊接技术的非独占性专利许可。各国研究人员在此基础上，又加快了设备的研制和材料搅拌摩擦焊接的工程化实验技术，以及多样化焊接接头形式的研究。
例如，美国航空航天局的Delta系列火箭与Eclipse小型商务机，以及阿里亚娜火箭发动机、日本新干线等等。而在挪威，已用该技术焊接快艇的长为20m的铝合金结构件；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，在马歇尔航天飞行中心，也已用该技术焊接了大型圆筒形容器。
2.国内研究现状
早在1998年，我国就已展开了搅拌摩擦焊技术的研究，并在1999年的第九届全国焊接学术会议上，以及2001年出版的新版《焊接手册》中介绍了该项技术。此后，由关桥院士主持在航天系统开展搅拌摩擦焊技术的研究和应用；2002年4月份，“中国搅拌摩擦焊接中心”在北京饭店成立，被英国焊接研究所授予独家许可权，即拥有发放和管理中国区域的搅拌摩擦焊接技术的专利许可。直至今日，研究搅拌摩擦焊接技术与设备的学院、研究所已达到20几家单位，其中包括有清华大学、南昌航空工业学院、哈尔滨理工大学、中科院沈阳金属所等。
历经几十年的发展，该技术在国内已经具备了从工艺、设备、控制、检验等整套完备的专业技术规模，并且在基础理论研究上也形成了一定的独立体系。我国科技工作者高度重视，除了对搅拌摩擦焊的机理、力学性能、搅拌头等展开深入研究外，还先后开展了对铝合金紫铜、PVC塑料、钛合金、镁合金等材料搅拌摩擦焊工艺的研究。
三、搅拌摩擦焊技术应用现状
1.航空应用
在航空领域中，自1995年，美国、日本、英国等发达国家开展了对FSW在航天工业中的应用性研究后，便开始一系列的研究与应用。例如，飞机制造零部件的装配一改传统的铆接和螺栓连接技术，采用FSW，不仅可提高制造速度，同时又能减轻飞机结构重量。而目前波音公司已经成功实现了飞机门的曲线FSW焊接，战斗机裙翼上薄板T形接头的搅拌摩擦焊连接，并用FSW焊接生产了DeltaⅡ和Ⅲ运载火箭的贮箱等等。巴西航空工业公司采用了FSW技术为莱格赛500喷气公务机实现了首次应用。FSW技术的出现为航空航天工业设计和制造提供了一种新的方法和途径，并逐步投入到实际生产过程中。
2.船舶应用
在船舶工业中，FSW的应用主要是船舶甲板、侧板，以及水上观测站、防水壁板、船体外壳、主体结构件等的制造，还有直升机降落平台、海洋运输结构件等。此技术的应用，特别是在船舶轻合金预成形结构件上的应用，不仅能减少铆接和弧焊连接所带来的时间、人力和物力上的浪费，还能有效地减少铝合金熔焊时所产生变形、缺陷和烟尘等问题，是促使船舶制造技术发展和革命性变化的重要角色，为现代船舶制造提供了新的连接方法，也是现代焊接技术发展的又一次飞跃。例如，由挪威Gydro MarineAluminium铝板厂生产的无缺陷FSW铝板，用于船舶的甲板、壳体、船舱壁等部位的焊接；日本住友轻金属公司采用FSW生产的铝质蜂窝结构板件和耐海水板材等等。
3.陆路交通应用
在陆路交通上，FSW主要的应用领域为高速或轨道列车，以及地铁车厢、有轨电车，汽车的引擎、底盘、轮毂、车身支架、载货车尾部升降平台、汽车起重器，以及装甲车的防护甲板等等。而法国Alstom、丹麦DanStir正致力于车辆部件FSW工业化的研究；日立公司市郊特快列车车辆的单层和双层挤压件连接时也采用FSW技术；日本住友轻金属公司已将FSW工艺用于地铁车辆，并生产FSW焊接板用于日本新干线车辆的制造。
2010年，在我国，FSW在列车制造领域应用取得了突破性进展。例如，中国搅拌摩擦焊中心通过静龙门式搅拌摩擦焊设备实现车钩座的批量化焊接应用；南车集团株洲电力机车厂研制的地铁车厢侧墙壁板通过了技术鉴定，并首次在广州三号地铁车辆中投入了批量化制造。
四、结论
随着人们对搅拌摩擦焊技术认识的提高，除了在以上所述三个方面之外，在其他如铝合金桥梁、装饰板、发动机壳体、电气连接件等方面，FSW也将会有广泛的应用。因此，如何提高焊接的速度，提高接头的性能，有效地降低成本……都是我们业内人士必须要认真思考的问题。笔者相信，随着我们进一步地深入研究，FSW会朝着更为成熟、多元的方向发展，并被广泛地应用于人们日常生活、工作、学习的各个方面。
（作者单位：湖南化工职业技术学院）
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