航空用铝合金搅拌摩擦焊的研究现状与趋势

王锡岭　李金燕　白小文

摘 要：在航空制造领域，铝合金的应用可以减轻结构重量、降低能耗、提高装备性价比等。随着搅拌摩擦焊焊接技术的不断发展，对于以前认为不可焊接的航空用高强铝合金都能焊接，且能形成高质量的焊缝，文章主要介绍了航空铝合金的应用，综述了航空用铝合金搅拌摩擦焊的研究现状及趋势。

关键词：航空用铝合金；搅拌摩擦焊；研究现状

中图分类号：V262 文献标志码：A 文章编号：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

铝合金具有密度低、高的比強度和比刚度、抗冲击性能良好。且制造工艺简单，耐久性，可靠性和可维修性高等一系列优点，在航空工业中用量非常大，被认为是航空工业中的理想结构材料。

1 铝合金在航空上的应用

在各种大型商务飞机和运输机中，铝合金主要用于机翼表面蒙皮、桁条、机翼前后梁、机翼肋、机身隔框、长桁、机身框、龙骨梁、座舱和货舱地板结构及紧固件等的制造。超高强度铝合金作为飞机的结构材料仍占据着非常重要的地位，在航空领域有着广阔的市场应用前景。随着飞机的发展，各种材料在飞机机体上的用量不断变化，表1为民用客机主要材料应用情况。

根据表1民用客机制造企业的机型材料可以看出：超高强度钢在今后仍然还会是起落架、主要接头、隔框等一些主要承力构件的备选材料。铝合金长期以来一直是全世界航空制造业中使用最为广泛的轻质结构材料，近年来以空客A380和波音777等为代表的新一代大型商务飞机中，铝合金的用量仍占机体结构重量的60%以上；而以波音787和空客A350为代表的最新型商务飞机中，虽然复合材料的用量大幅度上升，铝合金面临着严峻挑战，但其使用量仍要占机体结构重量的20～34%。在航空、航天等工业制造领域2XXX系列和7XXX的高强铝合金得到了越来越广泛的应用。超高强度铝合金作为飞机的结构材料仍然占据着非常重要的地位，在航空领域有着广阔的市场应用前景，在相当长的时期内，仍是飞机的主体结构材料。

2 航空用铝合金的搅拌摩擦焊

在航空制造领域，铝合金的应用可以减轻结构重量、降低能耗、提高装备性价比等，成为航空领域重点发展与应用的先进结构材料，在航空机体制造中，航空材料的连接一般采用铆接方法，但铆接接头会增加结构重量，不利于飞机结构的轻量化，而焊接技术的迅猛发展满足了飞机结构件的制造要求。

航空铝合金的焊接，传统方法采用气体保护焊电弧焊（GTAW/GMAW）及激光焊（LW）过渡，90年代以后发展到采用搅拌摩擦焊（FSW）等固相连接新技术。搅拌摩擦焊是英国焊接研究所（TWI）于1991年提出的新型压力焊技术，它采用有一定形状的搅拌针插入工件的焊缝处，通过搅拌头的高速旋转，搅拌针与母材工件材料摩擦，使连接部位的材料温度升高软化，搅拌头同时沿着焊缝处运动来完成焊接的。经过多年发展，已成功用于航空航天、汽车等制造领域。

采用搅拌摩擦焊取代传统的氩弧焊，能完成材料的对接、搭接、丁字型等多种接头方式的焊接，另外特别适合于高强铝合金、铝锂合金等宇航材料的焊接，可以大大提高了焊接接头的力学性能，消除了气孔、夹杂、凝固裂纹等材料熔焊时容易产生的多种缺陷。搅拌摩擦焊技术在航空制造中的成功应用展现了其巨大的经济和社会效益。在国外已显示出强劲的技术创新活力，和广阔的技术应用前景，搅拌摩擦焊在中国市场的应用会对传统制造工业带来革命性的进步。

作为一种固相连接手段，搅拌摩擦焊除了可以焊接用普通熔焊方法难以焊接的材料外（例如可以实现用熔焊难以保证质量的裂纹敏感性强的7000、2000系列铝合金的高质量连接）。由于搅拌摩擦焊对材料的适应性好、温度低，变形小、不产生类似熔焊接头的铸造组织缺陷、接头各种机械性能优良、焊前、焊后辅助工作减少，生产成本大幅度降低等优点已经在飞机制造中得到应用，如波音公司采用搅拌摩擦焊技术成功实现了C17和C130大型军用运输机货舱地板的焊接，空客公司在A320客机中央翼盒、A340机翼承力墙、A350飞机机身蒙皮等结构中应用了搅拌摩擦焊技术，美国月蚀公司采用搅拌摩擦焊技术代替了商务飞机70%的铆钉连接，此项技术改进可节约成本60%，生产效率可提高6倍。搅拌摩擦焊可提高飞机制造装配的生产效率，缩短飞机零、部件的制造装配周期。

3 铝合金搅拌摩擦焊接头的研究现状