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1、72航空制造技术2009 年第22 期搅拌摩擦焊FRICTION STIR WELDING飞机铝合金搅拌摩擦焊与铆接 接头力学性能对比由于传统焊接对 2000 及 7000 系航空铝合金材料具有 “难焊性” 和 “不可焊性” ， 目前飞机制造中零部件 的装配连接使用了大量的铆接和螺 栓连接结构。搅拌摩擦焊 （FSW） 技 术很好地解决了 2000 及 7000 系铝 合金的焊接问题。与铆接相比， 搅拌北京航空制造工程研究所佟建华 李从卿 张 健 郭晓娟中 国 搅 拌 摩 擦 焊 中 心佟建华 毕业于北京科技大学， 现就职于北 京航空制造工程研究所中国搅拌摩擦 焊中心， 主要从事搅拌摩擦焊技术工
2、艺 及机理方面的研究。总工程师 Daniela Lohwasser 称， 对 于 机 身 材 料 中 AA 6056/AA6013- T6, FSW 连 接 强 度 是 母 材 的 80% 90% ；疲劳性能是母材的 90%， 是 铆接接头的 150%。 波音公司在航空领域首先将搅 拌摩擦焊应用于美国空军现役 T45 教练机起落架制造， 其后将搅拌摩 擦焊应用于 C-17 军用运输机舱内 地板的制造。Eclipse 公司制造的 N500 型全 FSW 商务飞机采用 FSW 技术代替 70% 的铆钉连接， 节约成 本2/3， 相对于自动铆接速度快6倍， 相对于手动铆接快 60 倍。Eclipse
3、 公司对 FSW 焊接的机身舱段在模 拟环境下进行了 46 万个循环、 相当 于 23 次飞行周期的压力循环测试， 测试结果表明， FSW 焊接的机身性在搅拌摩擦焊接头与铆接接头力学性能对比试验 中， 所有试样均在铆接处发生失效断裂， 而搅拌摩擦焊焊 缝完好无损， 这说明搅拌摩擦焊接头静态力学性能明显 优于铆接接头， 为搅拌摩擦焊代替铆接提供了有力依据。Mechanical Property Comparison Between FSW and Rivet Joints of Aircraft Aluminum摩擦焊一方面具有更快的制造速度， 另一方面在减少制造过程库存零部 件的同时可大大减轻
4、飞机连接装配 的重量， 使飞机高成本、 大件加工、 机 械连接方式变为低成本、 小件焊接、 整体成型结构方式， 有效提高飞机制 造装配的效率。 针对飞机零部件， 世界范围内开展 了搅拌摩擦焊研究， 并取得广泛应用。 Bryant Tweedy等分别采用 FSW 及 铆 接 技 术 将 2 条 1mm 的 7050-T6 肋 条 搭 接 在 1mm 的 2024-T3 蒙 皮 上制成试验件。对其进行抗拉、 剪切 测试分析， 结果表明 FSW 结构较铆 接结构抗拉强度提高 10%， 剪切承载 能力增加 8%， 拉伸极限变形能力增 大 41%， 剪切拉伸极限变形能力增大 33%。德国 Airbus
5、材料和连接技术2009 年第22 期航空制造技术73FRICTION STIR WELDING搅拌摩擦焊能优异。空客公司将搅拌摩擦焊应 用于大型飞机机身蒙皮制造。A350 机身蒙皮数量由 A330 的 7 块变为 4 块， 连接长度减重 0.9kg/m， 结构连 接重量减少了 40%， 制造周期减少了20%。国际上， 搅拌摩擦焊技术应用 于航空制造中已趋于成熟。在国内， 北京航空制造工程研究所中国搅拌 摩擦焊中心开展了相关研究， 现已采 用搅拌摩擦焊完成了飞机薄壁结构件的制造。 搅拌摩擦焊在工艺上取代铆接 是可行的， 为直观比较搅拌摩擦焊接 头与铆接接头性能， 本课题首次将搅 拌摩擦焊接头与铆
6、接接头置于同一搅拌摩擦焊接头与铆接接头设计形式（a）A组222.5102.592205205(125)28528512.512.512.512.5 102.5102.5102.51010101092103021080801530101010095100(1.6)(1.6)1020(2.6)(2.6)(1.6)(1.6)(1.6)2012.5251077.577.5 (87.5)4A1-115-3.594A1-115-3.584A1-115-3-584A1-115-3.59（c）C组（b）B组（d）D组12.5(1.6)951025注： 1lbs=0.4536kg;1in=2.45cm;1psi
7、=6.895kPa74航空制造技术2009 年第22 期搅拌摩擦焊FRICTION STIR WELDING试件中， 对其整体结构进行拉伸测试， 为搅拌摩擦焊取代铆接提供依据。试验材料试验材料选用航空工业中常用 的 2024-T3 及 2524-T3 铝 合 金 材 料， 材料厚度均为 1.6mm， 其化学成 分如表 1 所示。试验设计与方法飞机结构中， 铆接方式主要有 2 种， 一种是蒙皮与蒙皮的搭接， 一种 是长桁与蒙皮的搭接。搅拌摩擦焊 搭接与铆接搭接形式类似。根据不 同的接头形式， 将搅拌摩擦焊接头与 铆接接头置于同一试件中。对比试 验分 4 组进行，A组模拟蒙皮与蒙皮 搭接， 考察连
8、接面的剪切受力， 材料 为 2024-T3 ；B组模拟长衍与蒙皮 搭接， 下板蒙皮承受主要载荷， 主要 考察焊接与铆接对蒙皮的削弱作用， 搭接材料与蒙皮材料均为 2024-T3 ； C、D组分别为搅拌摩擦焊蒙皮对接 与 2 种不同的铆接形式， 搅拌摩擦焊 处为对接， 铆接处均为 3 排铆钉， 只是改变了铆接处两板的上下位置， 以 考察搅拌摩擦焊对接是否能取代铆 接搭接， 材料分为 2024-T3、 2524- T3 两种， 同一试件中材料相同。在每一组试验中， 各制造 3 个 试样。其中搅拌摩擦焊由北京航空 制造工程研究所中国搅拌摩擦焊中 心 按 Q/9S103-2004 标 准 完 成， 焊
9、表2 搅拌摩擦焊接头与铆接接头拉伸对比试验结果材料SiFeCuMnMgCrZnTiAl2024-T30.0440.364.240.61.340.010.0760.034余2524-T30.0220.0843.690.51.160.010.0180.027余表1 2024-T3、2524-T3铝合金化学成分 w/%拉伸测试过程C型二维搅拌摩擦焊设备FSW2-4CX-006北京赛福斯特技术有限公司生产的 XX型号飞机前机身下舱壁板模拟件2009 年第22 期航空制造技术75FRICTION STIR WELDING搅拌摩擦焊接设备为中心自主生产的 C 型二维 搅 拌 摩 擦 焊 设 备 FSW2-
10、4CX-006， 对接用搅拌头轴肩直径 8mm， 搅拌 针长 1.5mm， 焊接参数为旋转速度 1000r/min， 焊接速度 200mm/min ； 搭接用搅拌头轴肩直径 10mm， 搅拌 针长 1.9mm， 焊接参数为旋转速度 800r/min， 焊接速度 150mm/min。 铆接由中航工业西安飞机工业 （集 团） 有限责任公司按 XPS12003 标准 完成。正式试件在静态力学拉伸测 试机上进行室温拉伸。试验结果表 2 为搅拌摩擦焊接头与铆接 接头拉伸对比试验结果。可以看出， 所有试样均在铆接处发生失效断裂。 对于A组试样， 主要对焊缝和铆钉连接处进行剪切拉伸， 铆接由一组 5 个铆钉
11、相连， 在拉伸过程中， 铆钉发 生逐个断裂， 剪切力较小， 只有 9kN ； B组试样铆接也由一组 5 个铆钉相连， 但在拉伸过程中， 受力主要在平 板上， 拉伸力达到 50kN 左右， 铆接 处基体材料沿铆钉撕裂；C、D组为 搅拌摩擦焊对接与铆接对比试样， 均 为 3 排铆钉结构， 铆接板的上下位置 有所差别， 拉伸结果均为铆钉脱落， 而搅拌摩擦焊焊缝完好无损， 最大拉 断力为 25.4kN。B组形式的铆接接 头性能最高， 达到了 50kN，A组单排 铆钉的接头性能最差， 仅 9kN。分析与讨论本试验拉伸过程中， 对于蒙皮与 蒙皮搭接形式， 主要为搭接处承受的 剪切力； 对于长桁与蒙皮搭接形
12、式， 主要为蒙皮承受的拉力。在试验A中， 载荷通过搭接板传递， 搅拌摩擦 焊搭接处与铆接处均承受剪切力， 铆 接为点接触， 而搅拌摩擦焊为线接 触， 接触面积的增大大大增加了接头 承载能力； 试验B中， 受力主要在平 板上， 焊接及铆接均对试板产生了削弱作用， 铆接时需在试板上钻孔， 对 试板削弱作用较为明显， 而搅拌摩擦 焊只对试板母材组织产生了影响， 没 有材料的流失， 故削弱作用较小； 试 验C、D中， 搅拌摩擦焊缝受拉应力， 而铆接处受剪切应力， 而经过参数优 选， 20mm 宽 的 2024-T3 搅 拌 摩 擦 焊对接接头最大抗拉力可达 13kN， 简单折算成 100mm 宽试样， 大约可 承受 65kN 的力， 这远远超出了铆接 接头所能承受的最大力， 所以搅拌摩 擦焊接头在测试过程中完好无损。结束语在搅拌摩擦焊接头与铆接接头 力学性能对比试验中， 所有试样均在 铆接处发生失效断裂， 而搅拌摩擦焊 焊缝完好无损， 这说明搅拌摩擦焊接 头静态力学性能明显优于铆接接头， 为搅拌摩擦焊代替铆接提供了有力依 据。（责编 小颖）
