搅拌摩擦焊技术的强度分析方法研究

林祥烽 葛建彪 薄晓莉

【关键词】钛合金;搅拌摩擦焊;航空;强度分析

1991年英国焊接研究所（The Welding Institute，TWI）发明搅拌摩擦焊技术（Friction Stir Welding，FSW）[1]。在搅拌摩擦焊中，搅拌头与被焊工件表面有一定的角度，从而使搅拌头在快速旋转的同时能够沿着垂直于被焊工件厚度方向向下进给。当搅拌头在被焊工件内部有一定的距离后，搅拌头会以一定的焊接速度进行水平运动，待被焊工件在搅拌针和轴肩摩擦产生的焊接热作用下软化并发生塑性变形，在流动过程中形成焊接接头，具体的原理如图1所示[2]。搅拌摩擦焊在焊接过程中如果输入较低，焊接温度低于被焊工件的材料熔点，在实现异种金属的可靠连接和金属间化合物的控制方面具有十分巨大的优势。经过20年来的高速发展，FSW已经在航空航天、轨道交通和船舶等领域得到了广泛应用[3]。目前中国在航空航天领域有着高速发展的需求和规划，搅拌摩擦焊将迎来发展和应用的高峰，因此对于搅拌摩擦焊的强度分析方法的研究显得尤为重要[4][5][6]。本文将对航空领域常用的三个强度研究领域展开介绍。

一、静强度分析方法研究

对于焊缝的分析方法，现有的飞机设计手册中的关于焊接的分析方法主要适用于传统的熔焊，如激光焊（LBW）和搅拌摩擦焊（FSW）分析采用将过于保守。拟通过一系列的焊缝试片试验，得到相应的焊缝强度系数用于焊缝的静强度分析。最终通过部件的验证试验对分析方法进行试验验证。

二、疲劳分析方法研究

拟采用细节疲劳额定值法，通过疲劳性能试验确定焊接工艺以及材料的疲劳性能参数：细节疲劳额定值的截止值、细节疲劳额定值的基本值、光洁度系数B和粗糙度系数F等。利用S-N曲線经验公式、累积损伤理论和有限元进行焊接结构细节部位的疲劳分析。

三、损伤容限分析方法研究

损伤容限分析包括裂纹扩展分析和剩余强度分析。

裂纹扩展分析目的是：确定使用载荷环境下，带损伤结构的裂纹扩展寿命，包括检查门槛值和重复检查间隔。

裂纹扩展分析研究主要从裂纹扩展分析模型确定、裂纹的开裂模式选择以及裂纹扩展材料常数处理的等方面进行。

开裂模式是指飞机结构中主、副裂纹的起始、连续扩展至破坏的过程描述。它是确定初始裂纹大小以及裂纹连续扩展形式，建立合理的裂纹扩展计算几何模型的基础;焊接结构的开裂模式可能会是多种的，我们将根据试验结果从可能出现的开裂模式中选择出最典型的和最具危险性的一到两种进行研究。

裂纹扩展分析模型从现有计算模型中选取，尽可能使用裂纹扩展分析软件“NASGRO”计算。

带裂纹结构的强度会大大低于未损伤结构的强度，为了防止灾难性破坏的发生，必须分析开裂结构在整个服役目标期内的承载能力，也就是剩余强度能力。焊接结构作为单路传力结构，其剩余强度分析以摸索能够达到“两跨准则”的最低剩余强度水平为主。

四、总结和展望

搅拌摩擦焊技术自发明以来，因其独特的优势得到了广泛地应用。针对搅拌摩擦焊的结构，如果在静强度分析、疲劳强度分析和损伤容限分析方面得到了充分的验证，有可能发展成为航空金属材料主导的先进制造技术。