搅拌摩擦焊在中国的发展现状

搅拌摩擦焊在中国应用发展现状概述董春林栾国红北京航空制造工程研究所北京340信箱107分箱100024Tel：[phone]Fax：[phone]Email：[e-mail]摘要：搅拌摩擦焊在中国的发展已经起航，目前在基础技术研究、工程化开发、设备制造等方面已经取得一定的成绩，并正快速发展，面对中国在航空、航天、船舶、铁路、能源等领域的远景规划和长远发展，以及潜在的巨大市场需求，搅拌摩擦焊在未来几年内将迎来快速发展和应用的高峰。搅拌摩擦焊的推广应用将提升中国工业企业在铝合金、镁合金、铜合金、钛合金等轻合金金属材料的连接技术水平，并且将进一步增强中国工业产品国际竞争力。关键词：搅拌摩擦焊应用发展趋势0.前言一项新兴的金属加工技术自方法发明、原理验证、技术改进到工业化推广应用一般要经历几十年甚至更长的时间。焊接技术也是一样，如钎焊、电弧焊、激光焊、电子束焊等都经历了类似的过程。但是搅拌摩擦焊不同，1991年英国焊接研究所（TheWeldingInstitute-TWI）发明了搅拌摩擦焊（FrictionStirWelding，简称FSW），此后，搅拌摩擦焊以任何一种焊接方法无可比拟的发展速度，迅速走出实验室，在国际工业制造领域（船舶、轨道列车、航天、航空、汽车、兵器、电子电力等）得到大规模工程化应用，参见图1所示。作为一项创新的固相连接方法，搅拌摩擦焊正在大步取代传统铝合金焊接方法，在铝合金结构制造及铝型材加工领域，迎来革命性的跨越式发展。图1搅拌摩擦焊技术在国内外的应用Fig.1Schematicsofapplicationoffrictionstirweldingallovertheworld自搅拌摩擦焊发明以来，TWI在世界范围内申请了专利保护，其中1995年在中国也申请了知识产权保护，并于1999年得到了中国政府的批准。截至2006年底，全世界已经有130多家企业、公司和研究院校得到了搅拌摩擦焊专利许可。迄今多个国家的公司和科研院所致力于搅拌摩擦技术的发展、工程化及工业化应用推广，至2006年底，全世界已经公开的搅拌摩擦焊专利申请超过了1300多项。自1996年起，国内一些科研单位已经开始关注搅拌摩擦焊，并开展了探索性的试验研究。自2002年北京航空制造工程研究所与TWI签署专利许可协议成立中国搅拌摩擦焊中心以来，搅拌摩擦焊在应用基础研究、技术开发、设备和工业产品制造等领域都得到了快速发展，并且逐渐在航天、船舶、列车、电子能源等领域得到工业化推广应用。在国内已先后有二十多家单位(高等院校、企业、科研机构)获得了该项技术的专利使用权，专项的基础研究及技术应用开发正雨后春笋般地蓬勃发展。1.搅拌摩擦焊的技术优势搅拌摩擦焊自发明以来在世界工业领域得到了快速的发展和大规模推广应用，其根本在于显著的技术优势和潜在的技术推动力，主要表现为如下几个方面：z搅拌摩擦焊彻底解决了铝合金的焊接性问题无论是传统的熔焊方法还是先进的激光焊、电子束焊等特种焊接方法，都不能彻底解决铝合金的焊接性问题。尤其对于2XXX系、7XXX系等高强铝合金，任何熔焊方法都不能从根本上解决焊接气孔、热裂纹及焊后应力腐蚀裂纹等问题。采用搅拌摩擦焊可以焊接所有系列的铝合金，不存在常规熔焊缺陷，彻底解决了铝合金的焊接性问题。z搅拌摩擦焊为工业产品的设计提供了新的思路和途径由于搅拌摩擦焊本质上是固相连接技术，不仅可以实现同种材料的连接，也可以实现异种材料的焊接，如铝—镁、铝—铜、铝—钢等异种材料，甚至可以将不同状态的材料（如铸态、锻态、挤压等）焊接在一起。z搅拌摩擦焊可以提升产品质量和性能传统的熔焊方法得到的焊接接头通常为铸态组织，搅拌摩擦焊接头为致密的锻造组织，搅拌摩擦焊接头力学性能普遍优于熔焊接头，而且焊接变形小，因而可以提高产品的质量和性能。z搅拌摩擦焊可以降低产品成本、提高生产效率搅拌摩擦焊不需要填丝和保护气，焊接过程无弧光辐射、无烟雾，是真正的绿色制造技术，在批量化产品制造中可以节省焊接成本和费用；同时搅拌摩擦焊是基于标准化机床设备的焊接工艺技术，焊接过程不需要人工参与，生产效率高，焊接质量稳定性好。2.搅拌摩擦焊在国内的应用现状2.1船舶制造行业船舶和海洋工业是国际上最早将搅拌摩擦焊用于产品制造生产的行业，搅拌摩擦焊用于铝合金型材制造已经通过DNV、RINA、Germanischer和Lloyds等多家船级社认证。迄今，国外主要船舶制造厂已经将搅拌摩擦焊应用于船舶甲板、侧墙、内外隔墙壁板和地板、生活舱体、上层建筑、直升机升降平台、离岸建筑等结构的制造。由于搅拌摩擦焊在大型船舶壁板拼接制造中的巨大优势，并有可能形成新兴制造产业，中国搅拌摩擦焊中心大力发展铝合金型材壁板的搅拌摩擦焊制造，在工艺、设备及批量化生产等技术环节上已经取得一定成果。2006年4月，设计制造了国内第一台用于大型船用型材拼焊的搅拌摩擦焊设备，该设备能够实现1～6mm厚度铝合金型材的焊接，可焊型材长度达到12米，拼接后型材宽度达到5米。自2006年8月开始，中国搅拌摩擦焊中心已经批量化制造宽幅铝合金型材带筋板，部分产品已经在国产新型导弹快艇以及出口舰船上得到应用。图2为采用搅拌摩擦焊制造的长12米、宽5米的铝合金型材壁板，这些产品的搅拌摩擦焊接头性能优异，焊缝正弯和背弯均能达到180°，通过了国内军工产品质量评审，并且达到了国际船级社认证标准。图2采用搅拌摩擦焊焊接的铝合金型材壁板Fig.2WidealuminumpanelmadebyFSW2.2航天制造工业当前，越来越多的国家都在竭尽全力发展太空交通工具，如太空飞机、运载火箭等。这些太空交通运载工具的燃料贮箱大都采用2000系列、7000系列及铝锂合金等材料，其首选的连接方法就是搅拌摩擦焊。自1998年开始，美国波音公司首先将搅拌摩擦焊应用在DeltaII型运载火箭的中间舱段的连接，2001年4月火星奥德赛航天器由DeltaII型火箭发射升空。目前，波音公司系列火箭燃料贮箱的主要连接技术已经从弧焊改变为搅拌摩擦焊，在DeltaIV型火箭中心助推器上的应用使焊缝接头强度增加了30~50%，制造周期降低了大约80%，生产周期有原来的23天减少为6天。基于搅拌摩擦焊在航天铝合金结构产品制造上的优越性和新型空间运载工具发展的需要，中国搅拌摩擦焊中心于‘十五’期间重点对航天运载火箭结构搅拌摩擦焊开展了系统的科研攻关，同时为了适应国际航天焊接技术发展趋势，国内的航天制造工业企业也积极采用搅拌摩擦焊用于运载火箭贮箱结构的制造，图3左图为2004年中国搅拌摩擦焊中心焊接的铝合金燃料贮箱筒段模拟测试件，右图为2005年制造的铝合金燃料贮箱筒段，并且均通过燃料贮箱压力测试，满足了设计和使用要求。搅拌摩擦焊在航天工业上的应用和推广，有助于航天运载工具制造技术的革新，必将为我国载人航天及探月工程做出贡献。图3搅拌摩擦焊燃料贮箱筒段模拟件Fig.3FSWoffueltankfordemonstration2.3轨道交通行业与船舶及海洋制造工业相似，搅拌摩擦焊在轨道交通制造行业中也得到成功的推广和应用。自1997年，日本日立公司首次将搅拌摩擦焊用于铝合金列车车体制造，现在新型在役列车全部转变为“搅拌摩擦焊+中空型材”的A-Train模式。实际生产过程中发现，利用搅拌摩擦焊接列车车体可以提高结构的连接性能和生产效率，甚至可以直接实现终端产品制造。在欧洲及其它国家，如法国的阿尔斯通公司、德国的西门子公司及加拿大的庞巴迪公司等，已经在新型列车车体制造中采用搅拌摩擦焊。自2005年起，在国内搅拌摩擦焊逐渐在列车小尺寸零件和辅助结构上得到开发应用，图4所示为采用搅拌摩擦焊焊接的列车换热器零件。预计3-5年后，搅拌摩擦焊在国内轨道列车制造行业中会得到大规模应用。图4列车换热器搅拌摩擦焊零件产品Fig.4TrainheatexchangermadebyFSW2.4汽车制造行业随着社会的发展和人们环境保护意识的加强，欧美等发达国家制订了越来越严格的汽车尾气排放标准，为此，各汽车制造企业需要严格控制其汽车产品的燃油消耗和废气排放，否则将面临失去竞争力、失去市场的危险，研究表明，汽车重量每降低100公斤，每百公里油耗可减少0.7升；汽车自重每降低10%，燃油效率可以提高5.5%，所以汽车轻量化是汽车工业发展的必由之路。汽车轻量化是通过两个方面达到的：一是在汽车制造中采用轻质材料，二是改变汽车结构设计；目前汽车工业中所使用的材料呈现多样化、轻量化、高强度化的发展趋势。新材料、新结构的使用，需要采用新的连接技术，搅拌摩擦焊的发明恰好满足了这种需求。搅拌摩擦焊技术在汽车制造业中的应用主要包括以下几个方面：铝合金车圈的制造、大型挤压成形件的拼接、缝合坯料的焊接、泡沫铝材的焊接以及一般汽车零部件的装配等。具体应用主要包括：发动机与底盘的托架、液压成形管道的配件、空间构件、货车本体、吊车、燃料箱、大棚车、摩托车与自行车框架、起重箱及镁及铝镁美合金接头等。图5为中国搅拌摩擦焊中心开发的搅拌摩擦焊汽车空调压缩机发动机转子部件。图5搅拌摩擦焊汽车空调压缩机发动机转子部件Fig.5AutomobileairconditioningcompressorenginerotorpartsmadebyFSW2.5电子电力能源行业在电子制造行业，搅拌摩擦焊中心与中国电子科技集团南京某研究所合作，开发成功蛇形盖板6063、LD10和LF5等铝合金散热器的搅拌摩擦焊接工艺，这些散热器已经在飞机、导弹、火箭等具有控制电路板外接液冷散热须要求的系统中，以保证电子元器件正常的工作温度。图6为搅拌摩擦焊接的电子散热箱。2003年，中国搅拌摩擦焊中心开发成功国内首台二维搅拌摩擦焊设备，并且实现了电力热沉器的搅拌摩擦焊制造。产品质量和性能远远超过设计和检验指标。图6搅拌摩擦焊电子散热箱Fig.6FSWofelectroniccoolingbox3.搅拌摩擦焊的研究发展现状国内自1996年开始，在搅拌摩擦焊基础研究及工艺技术开发等方面也开展了大量研究工作，主要研究方向有：¾铝合金FSW的接头性能及缺陷形成机制¾2xxx,7xxx系列”难焊”材料FSW接头性能提高的工艺措施¾搅拌头的选材与结构设计优化¾FSW过程热塑性金属的迁移规律认知¾FSW的产热机理及热过程及焊后热处理规范¾FSW的焊接残余应力与变形¾金属基复合材料的连接¾其它轻金属、铸锻材料、塑料的连接;¾FSW接头的质量检测与工艺标准的制订等随着搅拌摩擦焊基础研究、技术开发与应用推广的不断深入，基于搅拌摩擦的基本原理形成了材料连接、材料改性、材料成形等多种创新性的材料加工方法，衍生出诸多新工艺技术，如搅拌摩擦点焊、搅拌摩擦塞焊、搅拌摩擦材料改性与制备等等,参见图7。这些相关技术的开发同样会促进搅拌摩擦焊的不断完善和技术的精细化发展。搅拌摩擦焊（FSW）连接（Joining）改性（Modification）成形（Forming）搅拌摩擦点焊搅拌摩擦塞焊双轴肩搅拌摩擦焊材料制备表面改性材料超塑性缺陷修复快速成形隧道成形微成形耗材搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊（FSW）连接（Joining）改性（Modification）成形（Forming）搅拌摩擦点焊搅拌摩擦塞焊双轴肩搅拌摩擦焊材料制备表面改性材料超塑性缺陷修复快速成形隧道成形微成形耗材搅拌摩擦焊图7搅拌摩擦加工技术的发展Fig.7Developmentoffrictionstirprocessing结束语在国际上，搅拌摩擦焊已经经历了十多年的发展，在航空、航天、铁路、船舶、电力、能源、电子及家电等方面的工业化应用，取得了辉煌的成绩，并且正在进一步普及和日趋完善。在中国，搅拌摩擦焊的研究、开发及推广应用刚刚起步，在市场化的环境下，通过引进、消化、吸收及技术创新，搅拌摩擦焊得到了快速发展，尤其在航空、航天、兵器等军工制造领域，在国家政策和项目的支持下，搅拌摩擦焊必将在我国其它工业领域得到较快的推广应用。面对中国在航空、航天、船舶、铁路、能源等领域的远景规划和长远发展，以及潜在的巨大