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攪拌摩擦焊技術研究與應用
攪拌摩擦焊技術研究與應用
陳湘陵 謝振中
課 題：湖南省科技廳自然科學課題，課題編號：2011CK3056。
攪拌摩擦焊技術，即Friction Stir Welding，簡稱FSW。其作為固態連接技術范疇內的新型焊接技術，自CJ?Dawes等科學家正式宣布發明之后，以其較好的使用性能很快被推廣開，并應用于各個方面，特別是在一些重工業，例如核電核能、航空航天、車輛船舶等。由于攪拌摩擦焊接技術本身的發展需要，加之其獨特性與不可替代性，都將會是未來焊接技術發展必然方向之一。本文概述攪拌摩擦焊技術相關概念，同時介紹焊接技術在國內外的發展趨勢，還較為詳細地分析了該技術在航天、船舶、道路交通之中的應用，為提高并強化攪拌摩擦焊技術的理論基礎盡一份小小的薄力，促進攪拌摩擦焊技術的發展。
一、攪拌摩擦焊技術概述
1.攪拌摩擦焊技術簡介及原理
作為新技術的攪拌摩擦焊（ 該項專利技術由T h eWelding Institute，即英國焊接研究所開發，開發時間1991年），與常規摩擦焊相比，雖然焊接熱源同是利用摩擦熱產生，但是其最大的不同之處就在于利用高速旋轉攪拌頭緩慢插入到被焊工件的待焊部位，利用攪拌頭和被焊材料之間的摩擦阻力而產生的摩擦熱，高溫軟化連接部位材料，并在攪拌頭軸肩的壓力作用下，達到工件間永久性連接的目的。該技術是以固相連接工藝實現的焊接技術。
2.攪拌摩擦焊技術優點
與傳統焊接方法相比，攪拌摩擦焊技術具有以下幾個優點。
一是焊前不需進行復雜的準備，被焊材料不熔化，焊接接頭性能優良，固相連接接頭強度高，可實現全方位焊接；
二是焊接過程可靠性高，尺寸精度高，生產率高，成本低且節能；
三是具有廣泛的工藝適應性，能有效減小或消除冶金化學反應問題，能焊接性能差異很大的異種金屬材料，亦可焊接同一臺設備的金屬和非金屬材料；
四是安全環保，焊接過程整潔，不會產生飛濺、輻射的情況，或產生有害物質。
二、攪拌摩擦焊技術研究現狀
1.國外研究現狀
在國外，攪拌摩擦焊接技術的發展已是十分成熟，理論體系也較為系統。但目前的攪拌摩擦焊的研究和應用主要還是鋁合金、鋼材等高熔點材料。而最早提出的英國焊接研究所早已在世界各國申請專利，尋求知識產權的保護，并向世界許多機械行業的科研院、大學或公司授權攪拌摩擦焊接技術的非獨占性專利許可。各國研究人員在此基礎上，又加快了設備的研制和材料攪拌摩擦焊接的工程化實驗技術，以及多樣化焊接接頭形式的研究。
例如，美國航空航天局的Delta系列火箭與Eclipse小型商務機，以及阿里亞娜火箭發動機、日本新干線等等。而在挪威，已用該技術焊接快艇的長為20m的鋁合金結構件；美國洛克希德-馬丁航空航天公司用該技術焊接了航天飛機外部儲存液態氧的低溫容器，在馬歇爾航天飛行中心，也已用該技術焊接了大型圓筒形容器。
2.國內研究現狀
早在1998年，我國就已展開了攪拌摩擦焊技術的研究，并在1999年的第九屆全國焊接學術會議上，以及2001年出版的新版《焊接手冊》中介紹了該項技術。此后，由關橋院士主持在航天系統開展攪拌摩擦焊技術的研究和應用；2002年4月份，“中國攪拌摩擦焊接中心”在北京飯店成立，被英國焊接研究所授予獨家許可權，即擁有發放和管理中國區域的攪拌摩擦焊接技術的專利許可。直至今日，研究攪拌摩擦焊接技術與設備的學院、研究所已達到20幾家單位，其中包括有清華大學、南昌航空工業學院、哈爾濱理工大學、中科院沈陽金屬所等。
歷經幾十年的發展，該技術在國內已經具備了從工藝、設備、控制、檢驗等整套完備的專業技術規模，并且在基礎理論研究上也形成了一定的獨立體系。我國科技工作者高度重視，除了對攪拌摩擦焊的機理、力學性能、攪拌頭等展開深入研究外，還先后開展了對鋁合金紫銅、PVC塑料、鈦合金、鎂合金等材料攪拌摩擦焊工藝的研究。
三、攪拌摩擦焊技術應用現狀
1.航空應用
在航空領域中，自1995年，美國、日本、英國等發達國家開展了對FSW在航天工業中的應用性研究后，便開始一系列的研究與應用。例如，飛機制造零部件的裝配一改傳統的鉚接和螺栓連接技術，采用FSW，不僅可提高制造速度，同時又能減輕飛機結構重量。而目前波音公司已經成功實現了飛機門的曲線FSW焊接，戰斗機裙翼上薄板T形接頭的攪拌摩擦焊連接，并用FSW焊接生產了DeltaⅡ和Ⅲ運載火箭的貯箱等等。巴西航空工業公司采用了FSW技術為萊格賽500噴氣公務機實現了首次應用。FSW技術的出現為航空航天工業設計和制造提供了一種新的方法和途徑，并逐步投入到實際生產過程中。
2.船舶應用
在船舶工業中，FSW的應用主要是船舶甲板、側板，以及水上觀測站、防水壁板、船體外殼、主體結構件等的制造，還有直升機降落平臺、海洋運輸結構件等。此技術的應用，特別是在船舶輕合金預成形結構件上的應用，不僅能減少鉚接和弧焊連接所帶來的時間、人力和物力上的浪費，還能有效地減少鋁合金熔焊時所產生變形、缺陷和煙塵等問題，是促使船舶制造技術發展和革命性變化的重要角色，為現代船舶制造提供了新的連接方法，也是現代焊接技術發展的又一次飛躍。例如，由挪威Gydro MarineAluminium鋁板廠生產的無缺陷FSW鋁板，用于船舶的甲板、殼體、船艙壁等部位的焊接；日本住友輕金屬公司采用FSW生產的鋁質蜂窩結構板件和耐海水板材等等。
3.陸路交通應用
在陸路交通上，FSW主要的應用領域為高速或軌道列車，以及地鐵車廂、有軌電車，汽車的引擎、底盤、輪轂、車身支架、載貨車尾部升降平臺、汽車起重器，以及裝甲車的防護甲板等等。而法國Alstom、丹麥DanStir正致力于車輛部件FSW工業化的研究；日立公司市郊特快列車車輛的單層和雙層擠壓件連接時也采用FSW技術；日本住友輕金屬公司已將FSW工藝用于地鐵車輛，并生產FSW焊接板用于日本新干線車輛的制造。
2010年，在我國，FSW在列車制造領域應用取得了突破性進展。例如，中國攪拌摩擦焊中心通過靜龍門式攪拌摩擦焊設備實現車鉤座的批量化焊接應用；南車集團株洲電力機車廠研制的地鐵車廂側墻壁板通過了技術鑒定，并首次在廣州三號地鐵車輛中投入了批量化制造。
四、結論
隨著人們對攪拌摩擦焊技術認識的提高，除了在以上所述三個方面之外，在其他如鋁合金橋梁、裝飾板、發動機殼體、電氣連接件等方面，FSW也將會有廣泛的應用。因此，如何提高焊接的速度，提高接頭的性能，有效地降低成本……都是我們業內人士必須要認真思考的問題。筆者相信，隨著我們進一步地深入研究，FSW會朝著更為成熟、多元的方向發展，并被廣泛地應用于人們日常生活、工作、學習的各個方面。
（作者單位：湖南化工職業技術學院）
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