焊接技術(shù)在輕金屬航空機(jī)體制造中的應(yīng)用
航空輕金屬的焊接已由傳統(tǒng)氣體保護(hù)焊電弧焊（GTAW/GMAW）及激光焊（LW）過渡發(fā)展到攪拌摩擦焊（FSW）等固相連接新技術(shù)伟叛，攪拌摩擦焊將航空輕金屬的焊接制造推動到了一個(gè)嶄新的時(shí)代，航空制造領(lǐng)域中攪拌摩擦焊技術(shù)的應(yīng)用將會越來越多，輕金屬在航空制造領(lǐng)域的應(yīng)用也會更加深入藤瞪。
隨著我國航空航天等國家重大項(xiàng)目的實(shí)施，輕金屬（鋁合金吴爵、鈦合金等）在減輕結(jié)構(gòu)重量讽噪、降低能耗、提高裝備性價(jià)比等方面獨(dú)具優(yōu)勢股背，成為航空領(lǐng)域重點(diǎn)發(fā)展與應(yīng)用的先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料渠吮。在航空機(jī)體制造中客止，焊接始終處于至關(guān)重要的地位，隨著日益嚴(yán)格的服役環(huán)境和高可靠性要求僻绸，對航空輕金屬焊接技術(shù)的同步發(fā)展也提出了更高的要求巾甲。
航空輕金屬應(yīng)用及焊接難點(diǎn)
輕金屬結(jié)構(gòu)的早期焊接工藝研究多集中于采用傳統(tǒng)的電弧焊，但焊接缺陷（氣孔以及熱裂紋）和較低的接頭強(qiáng)度問題一直未能得到徹底解決蛀醉。隨著攪拌摩擦焊技術(shù)的問世悬襟，輕金屬的電弧焊連接逐漸轉(zhuǎn)向攪拌摩擦焊研究，攪拌摩擦焊技術(shù)在航空航天機(jī)體制造中的成功應(yīng)用彰顯了其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢以及巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益 [1-3]拯刁。
由于輕金屬自身的特點(diǎn)及性能
優(yōu)勢脊岳，發(fā)達(dá)國家已將輕金屬焊接技術(shù)應(yīng)用于大型飛行器和高速列車的制造中。我國對輕金屬焊接的研究也取得了長足發(fā)展垛玻，但總體來說割捅，輕金屬焊接技術(shù)依然是我國大型機(jī)體輕金屬結(jié)構(gòu)制造的瓶頸所在，仍制約著輕金屬焊接結(jié)構(gòu)制造水平的發(fā)展和應(yīng)用帚桩。
（1）鋁合金亿驾。鋁合金在飛機(jī)制造中是主要的結(jié)構(gòu)材料，它約占骨架重量的 55%账嚎，且大部分關(guān)鍵部分莫瞬，如渦輪發(fā)動機(jī)軸向壓縮機(jī)葉片、機(jī)翼郭蕉、骨架疼邀、外殼、尾翼等是由鋁合金制造的召锈，部分變形鋁合金在飛機(jī)上的典型應(yīng)用如表 1 所示 [4]褥辰。 鋁合金由于自身化學(xué)性質(zhì)活潑，對氧的親和力很強(qiáng)麸河，在空氣中很容易氧化成致密難熔的氧化膜力邻。鋁及鋁合金在熔化焊時(shí)有以下難點(diǎn)：鋁合金焊接熱影響區(qū)易發(fā)生軟化；鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)較高冰枯，針對硬鋁和超硬鋁焊接有時(shí)要求預(yù)熱并使用能量集中的熱源认平；鋁的線脹系數(shù)和凝固時(shí)收縮率都比較大，焊接變形大庵窄，易產(chǎn)生裂紋弃净；焊后焊縫易產(chǎn)生氣孔；鋁合金焊縫易產(chǎn)生熱裂紋炉展。
（2）鈦合金绩罩。自從20世紀(jì)50年代以來，世界上許多國家都認(rèn)識到鈦合金材料的重要性，相繼對其進(jìn)行了研究開發(fā)咽娃，并得到實(shí)際應(yīng)用 [5]塑验。美國開發(fā)了第一種真正用于飛行的鈦合金（Ti-13V-11Cr-3Al），這種高強(qiáng)可熱處理的鈦合金在高速預(yù)警機(jī)中得到了應(yīng)用 [6]彤敛。近年來与帆，歐美發(fā)達(dá)國家以及日本在飛機(jī)上鈦合金的使用量在逐年增加。鈦合金被大量應(yīng)用于飛機(jī)骨架中承受大應(yīng)力墨榄、要求嚴(yán)格的部件玄糟，主要用作壓氣機(jī)盤、渦輪盤袄秩、葉片和機(jī)匣等阵翎，在發(fā)動機(jī)減重中起到了舉足輕重的作用 [7-9]。圖 1 為采用Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn 鈦合金制造的正弦波翼梁結(jié)構(gòu)之剧，主要應(yīng)用在 B-1B轟炸機(jī)尾翼上 [10]郭卫。
氣體保護(hù)焊（GTAW/GMAW）和攪拌摩擦焊（FSW）技術(shù)擁有各自獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，對于航空輕金屬材料的連接具有其他焊接方法不可比擬的優(yōu)越性荸速。特別是攪拌摩擦焊是固相連接方法穆惩，具有較小的焊接變形，焊接中不需要添加保護(hù)氣和焊絲穴阱，沒有熔化咖自、煙塵、飛濺及弧光爱蚣，是一種環(huán)保型的新型連接技術(shù)逼渤。FSW 技術(shù)在問世后的短短幾年內(nèi)，在焊接機(jī)理间炮、適用材料焙厂、焊接設(shè)備以及工程化應(yīng)用方面均取得了很大的進(jìn)展 [11-13]。
航空輕金屬氣體保護(hù)焊（GTAW/GMAW）和激光焊（LW）
1 氣體保護(hù)焊（GTAW/GMAW）
鋁合金的鎢極氬弧焊（GTAW）和熔化極保護(hù)焊（GMAW）是目前最常用的鋁合金焊接方法卫银，具有設(shè)備簡單扫钝、成形好、電弧穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)掐边。自動化熔化極氬弧焊（GMAW）具有高的靈活性刁祸，對表面母材氧化膜有陰極霧化處理作用，在輕金屬焊接中得到廣泛應(yīng)用。
鋁合金傳統(tǒng)氣體保護(hù)焊（GTAW/GMAW）的工藝創(chuàng)新研究已取得很快的進(jìn)展倔约。例如秃殉，近年來發(fā)展的雙旁路耦合電弧熔化極惰性氣體保護(hù)（DB-MIG），耦合電弧由主欢逯辍（傳統(tǒng) MIG 電桓幢簟）與旁路電弧（兩路電流可控的非熔化極電黄故 ）相互耦合而形成巧颈。旁路電弧對降低母材輸入電流和促進(jìn)熔滴過渡有著重要影響 [14]。雙絲 GMAW 工藝也是傳統(tǒng)氣體保護(hù)的工藝創(chuàng)新研究成果袖扛，雙絲分別通過不同的送絲機(jī)而進(jìn)入同一個(gè)熔池砸泛，雙絲 GMAW 具有生產(chǎn)效率高、飛濺少蛆封、形成的熱影響區(qū)小以及熱應(yīng)力和熱應(yīng)變小等優(yōu)點(diǎn)唇礁，同時(shí)雙絲窄間隙焊在厚板焊接時(shí)更能顯示出其獨(dú)有的優(yōu)勢 [15]。
2 激光焊接（LW）
激光焊接作為一種高效精密焊接方法惨篱，以其高能量密度盏筐、深穿透、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)在航空鋁合金的焊接制造中得到廣泛應(yīng)用令掠。但鋁及鋁合金激光焊的主要困難是對激光束的反射率較高规学，焊接過程開始時(shí)對激光的實(shí)際吸收率較低，這就要求很高的輸入功率以保證焊接開始時(shí)對反射率的彌補(bǔ)辫扯。同時(shí)橡周，激光焊接鋁合金時(shí)合金元素的燒損以及氣孔和熱裂紋的產(chǎn)生也是導(dǎo)致鋁合金激光焊接頭力學(xué)性能降低的重要原因 [16-19]。
鋁及鋁合金對輸入能量強(qiáng)度和焊接參數(shù)很敏感侄突。在鋁合金的激光焊接時(shí)膊向，用 8kW 的激光功率可焊透12.7mm 的試板，焊透率達(dá)到 1.5mm/kW涎狐。連續(xù)激光焊可以實(shí)現(xiàn)鋁合金從薄板精密焊到板厚 50mm 深熔焊的各種焊接 [20]糙娃。
對鈦合金進(jìn)行激光焊接時(shí)接頭區(qū)的溫度較高（＞ 600℃），容易引起接頭吸氫脆化以及氣孔的產(chǎn)生赐汤，通常鈦合金激光焊接時(shí)需預(yù)先形成惰性氣體保護(hù)氣氛或?qū)⒑讣糜谡婵帐抑性髀眨话愣嗖捎酶呒儦鍤獗Ｗo(hù) [21-23]。
激光焊接比傳統(tǒng)的焊接技術(shù)具有明顯的高效螺谅、可控和優(yōu)質(zhì)的特點(diǎn)腹忽，有關(guān)其缺陷的形成機(jī)理和預(yù)防措施也有不同之處。目前砚作，防治鋁合金激光焊接缺陷的研究工作已從常規(guī)的預(yù)防措施方面深入到小孔行為的研究方面窘奏。
航空輕金屬的攪拌摩擦焊（FSW）
（1）鋁合金的攪拌摩擦焊嘹锁。
攪拌摩擦焊（FSW）技術(shù)是由英國焊接研究所（TWI）針對鋁合金、鎂合金等輕金屬開發(fā)的一種固相連接技術(shù)着裹，因其焊接變形小领猾，無裂紋、氣孔骇扇、夾渣等優(yōu)點(diǎn)摔竿，被譽(yù)為“繼激光焊后又一次革命性的焊接技術(shù)”。攪拌摩擦焊不需填充材料和保護(hù)氣體少孝，能耗低继低，對環(huán)境無污染，是一種綠色連接技術(shù)稍走。攪拌摩擦焊技術(shù)一出現(xiàn)就受到航空界的青睞袁翁，已在火箭推進(jìn)器貯箱制造、飛行器輕金屬連接等方面得到應(yīng)用 [24]现辰。
攪拌摩擦焊技術(shù)的基本原理及工藝過程如圖 2 所示盔雷，其過程可分為3 個(gè)階段：攪拌針插入母材，攪拌頭移動焊接托捆，攪拌針拔出篱汤。第二個(gè)階段為穩(wěn)定的焊接過程，為 3 個(gè)過程中最為重要的部分媒卑。摩擦產(chǎn)生的熱量對整個(gè)攪拌摩擦焊過程影響最大铃越。攪拌摩擦焊過程的產(chǎn)熱主要依靠攪拌頭與母材作用界面摩擦，包括軸肩下表面產(chǎn)熱及攪拌針表面產(chǎn)熱熄自，焊縫區(qū)塑性變形產(chǎn)熱也占一部分驻碟；而散熱過程主要是向攪拌頭仪从、母材以及墊板的熱傳導(dǎo)散熱专菠，以及向工件端面及表面的對流輻射散熱。對攪拌摩擦焊過程中材料流動及接頭成形的研究主要包括材料流動的可視化和計(jì)算機(jī)模擬潜狭，目前常用的試驗(yàn)手段主要有“急停技術(shù)”（攪拌針冷凍技術(shù)）茄敲、嵌入標(biāo)記材料等。
攪拌摩擦焊可實(shí)現(xiàn)管 / 管喘垂、板 /板的可靠連接，接頭形式可以設(shè)計(jì)為對接绍撞、搭接正勒，可進(jìn)行直焊縫、角焊縫以及環(huán)焊縫的焊接，可以進(jìn)行單層或多層一次焊接成形章贞，由于攪拌摩擦焊過程自身特性祥绞，可以將氧化膜破碎、擠出鸭限，焊前表面清理不如熔焊要求的嚴(yán)格蜕径。表 2 所示是幾種鋁合金攪拌摩擦焊所用的焊接速度。對于鋁合金的焊接败京，攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度可以從幾百到上千 r/min兜喻。焊接速度一般在1~15mm/s。攪拌摩擦焊的焊接速度與攪拌頭轉(zhuǎn)速密切相關(guān)冒侧，攪拌頭的轉(zhuǎn)速與焊接速度可在較大范圍內(nèi)選擇圣辩，只有焊接速度與攪拌頭旋轉(zhuǎn)相互配合才能獲得良好的焊縫。攪拌摩擦焊可以方便地實(shí)現(xiàn)自動控制岛盗，在攪拌摩擦焊過程中攪拌頭要壓緊工件匆罗。 近年來，攪拌摩擦焊研究的迅速發(fā)展得益于其設(shè)備的不斷設(shè)計(jì)和研制萄尽。瑞典 ESAB 公司設(shè)計(jì)制造的攪拌摩擦焊設(shè)備可以焊接長度達(dá) 16m的焊縫记辖。在此基礎(chǔ)上，ESAB 公司又研制開發(fā)了基于數(shù)控技術(shù)的具有 5個(gè)自由度的更小巧輕便的設(shè)備 [25]倡照。這臺設(shè)備焊接厚度為 5mm 的 6000系鋁板時(shí)焊接速度可達(dá) 750mm/min苗圃。還可以焊接非線性焊縫。英國焊接研究所安裝了一臺 ESAB SuperStirTM攪拌摩擦焊設(shè)備声屯。這臺設(shè)備裝備有真空夾緊工作臺惫饲，可以焊接非線性接頭 [26]，可以焊接的鋁板厚度為1~25mm去园，工作空間為 5m×8m×1m裤础，最大壓緊力為 60kN，最大旋轉(zhuǎn)速度5000r/min[27]蜓谋。
我國已經(jīng)開發(fā)出了用于不同規(guī)格產(chǎn)品焊接用的C型梦皮、龍門式、懸臂式 3 個(gè)系列的攪拌摩擦焊設(shè)備以及多個(gè)系列的攪拌頭桃焕。比較典型的攪拌摩擦焊設(shè)備工作臺規(guī)格為 1500mm×920mm剑肯，是中國自行研制的第一臺攪拌摩擦焊接設(shè)備，可用于直縫和環(huán)縫焊接观堂，焊接最大板厚為 15mm让网。焊接過程中采用數(shù)字控制，具有控制精度高师痕、焊接工藝重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)溃睹。焊接速度和旋轉(zhuǎn)速度均可無級調(diào)節(jié)荐虐，調(diào)節(jié)范圍分別為0~1330mm/min 和 100~3000r/min。焊接壓力根據(jù)攪拌頭插入深度進(jìn)行調(diào)節(jié)丸凭。傾斜角可調(diào)范圍為 0°~5°[28-29]福扬。
近期的研究報(bào)道，美國將攪拌摩擦焊技術(shù)成功應(yīng)用在軍用運(yùn)輸機(jī)C-17 的艙內(nèi)地板以及載貨斜坡地板的制造上惜犀，不僅實(shí)現(xiàn)良好的減重效果铛碑，還大大降低了制造成本（300 多萬美元）。波音公司在 F-15 戰(zhàn)斗機(jī)尾翼整流罩結(jié)構(gòu)上采了用攪拌摩擦焊實(shí)現(xiàn)薄壁 T 形接頭的焊接势纺∩饷蹋空客在大型民用客機(jī)的翼肋制造中采用了攪拌摩擦焊技術(shù)。攪拌摩擦焊技術(shù)在航空機(jī)體制造中減重效果明顯演茂，有研究指出灼址，可實(shí)現(xiàn)減重 0.9kg/m[30]。
大厚度鋁合金結(jié)構(gòu)的攪拌摩擦焊主要難點(diǎn)在于焊縫表層及次表層金屬的力學(xué)性能較低件银，焊縫沿板厚方向上抗拉強(qiáng)度性能差別較大肤轿。不同的工藝參數(shù)對焊縫沿板厚方向的溫度梯度影響較大，而焊縫沿板厚方向上力學(xué)性能的差異正是由于焊縫組織沿板厚方向上的溫度梯度較大造成的 [31]郊片。
在鋁合金厚板焊接中度籍，為了減小攪拌工具的軸向壓力，一般采用錐形攪拌針焚惰。鋁合金的攪拌摩擦焊如圖 3 所示碌掩。減小焊縫下層攪拌針作用區(qū)域，與周圍金屬產(chǎn)生的熱量也較少蛆存，出現(xiàn)焊縫底部熱輸入不足步氏，可能導(dǎo)致未焊合等缺陷。因此徒爹，大厚板的焊接荚醒，既要保證焊縫底部產(chǎn)生足夠的熱量，又要控制焊縫表層的熱輸入不能太大瀑焦，減小焊縫沿板厚方向的溫度梯度是保證大厚度鋁合金攪拌摩擦焊接頭質(zhì)量的關(guān)鍵 [31]腌且。
（2）鈦合金的攪拌摩擦焊粹懒。
由于航空航天技術(shù)的需求重付，鈦及鈦合金得到了迅速的發(fā)展，作為新型航空輕金屬凫乖，鈦合金在未來飛機(jī)制造中有廣闊的應(yīng)用前景和巨大的性能潛力 [13]涵店。針對鈦及鈦合金采用常規(guī)熔化焊方法焊接時(shí)，易出現(xiàn)焊件變形大馅拥、組織粗化卫跺、產(chǎn)生氣孔等缺陷，攪拌摩擦焊接技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢可進(jìn)一步擴(kuò)大鈦合金在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用 [32]肯窜。
近年來已開始探索鈦及鈦合金等高熔點(diǎn)材料的攪拌摩擦焊技術(shù)钥忌，并取得了一定的研究成果 [33-35]。針對鈦及鈦合金攪拌摩擦焊過程的特點(diǎn)纹茫，攪拌頭材料需要具有良好的高溫性能虏爸，目前的研究主要集中在鎢合金和多晶立方氮化硼（PCBN）兩種材料上，針對鈦合金的攪拌頭如圖 4 所示自古。相對于鋁合金角雅，鈦合金的攪拌摩擦焊難度較大。鈦合金攪拌摩擦焊接頭強(qiáng)度可以達(dá)到母材強(qiáng)度 90% 以上价秉，但塑性有待提高 [36]沪翔。
結(jié)束語
航空輕金屬的焊接已由傳統(tǒng)氣體保護(hù)焊電弧焊（GTAW/GMAW ）及激光焊（LW）過渡發(fā)展到攪拌摩擦焊（FSW）等固相連接新技術(shù)思恐，攪拌摩擦焊將航空輕金屬的焊接制造推動到了一個(gè)嶄新的時(shí)代，航空制造領(lǐng)域中攪拌摩擦焊技術(shù)的應(yīng)用將會越來越多膊毁，輕金屬在航空制造領(lǐng)域的應(yīng)用也會更加深入胀莹。同時(shí)，航空裝備制造的需求也必將促進(jìn)輕金屬焊接技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展婚温。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步描焰，傳統(tǒng)焊接工藝的改進(jìn)與創(chuàng)新仍然具有必要性和很大的發(fā)展空間，攪拌摩擦焊先進(jìn)技術(shù)與傳統(tǒng)焊接技術(shù)的結(jié)合將會在航空機(jī)體制造中再創(chuàng)多種新技術(shù)齊放的新景象栅螟。
隨著我國航空航天等國家重大項(xiàng)目的實(shí)施，輕金屬（鋁合金吴爵、鈦合金等）在減輕結(jié)構(gòu)重量讽噪、降低能耗、提高裝備性價(jià)比等方面獨(dú)具優(yōu)勢股背，成為航空領(lǐng)域重點(diǎn)發(fā)展與應(yīng)用的先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料渠吮。在航空機(jī)體制造中客止，焊接始終處于至關(guān)重要的地位，隨著日益嚴(yán)格的服役環(huán)境和高可靠性要求僻绸，對航空輕金屬焊接技術(shù)的同步發(fā)展也提出了更高的要求巾甲。
航空輕金屬應(yīng)用及焊接難點(diǎn)
輕金屬結(jié)構(gòu)的早期焊接工藝研究多集中于采用傳統(tǒng)的電弧焊，但焊接缺陷（氣孔以及熱裂紋）和較低的接頭強(qiáng)度問題一直未能得到徹底解決蛀醉。隨著攪拌摩擦焊技術(shù)的問世悬襟，輕金屬的電弧焊連接逐漸轉(zhuǎn)向攪拌摩擦焊研究，攪拌摩擦焊技術(shù)在航空航天機(jī)體制造中的成功應(yīng)用彰顯了其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢以及巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益 [1-3]拯刁。
由于輕金屬自身的特點(diǎn)及性能
優(yōu)勢脊岳，發(fā)達(dá)國家已將輕金屬焊接技術(shù)應(yīng)用于大型飛行器和高速列車的制造中。我國對輕金屬焊接的研究也取得了長足發(fā)展垛玻，但總體來說割捅，輕金屬焊接技術(shù)依然是我國大型機(jī)體輕金屬結(jié)構(gòu)制造的瓶頸所在，仍制約著輕金屬焊接結(jié)構(gòu)制造水平的發(fā)展和應(yīng)用帚桩。
（1）鋁合金亿驾。鋁合金在飛機(jī)制造中是主要的結(jié)構(gòu)材料，它約占骨架重量的 55%账嚎，且大部分關(guān)鍵部分莫瞬，如渦輪發(fā)動機(jī)軸向壓縮機(jī)葉片、機(jī)翼郭蕉、骨架疼邀、外殼、尾翼等是由鋁合金制造的召锈，部分變形鋁合金在飛機(jī)上的典型應(yīng)用如表 1 所示 [4]褥辰。 鋁合金由于自身化學(xué)性質(zhì)活潑，對氧的親和力很強(qiáng)麸河，在空氣中很容易氧化成致密難熔的氧化膜力邻。鋁及鋁合金在熔化焊時(shí)有以下難點(diǎn)：鋁合金焊接熱影響區(qū)易發(fā)生軟化；鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)較高冰枯，針對硬鋁和超硬鋁焊接有時(shí)要求預(yù)熱并使用能量集中的熱源认平；鋁的線脹系數(shù)和凝固時(shí)收縮率都比較大，焊接變形大庵窄，易產(chǎn)生裂紋弃净；焊后焊縫易產(chǎn)生氣孔；鋁合金焊縫易產(chǎn)生熱裂紋炉展。
（2）鈦合金绩罩。自從20世紀(jì)50年代以來，世界上許多國家都認(rèn)識到鈦合金材料的重要性，相繼對其進(jìn)行了研究開發(fā)咽娃，并得到實(shí)際應(yīng)用 [5]塑验。美國開發(fā)了第一種真正用于飛行的鈦合金（Ti-13V-11Cr-3Al），這種高強(qiáng)可熱處理的鈦合金在高速預(yù)警機(jī)中得到了應(yīng)用 [6]彤敛。近年來与帆，歐美發(fā)達(dá)國家以及日本在飛機(jī)上鈦合金的使用量在逐年增加。鈦合金被大量應(yīng)用于飛機(jī)骨架中承受大應(yīng)力墨榄、要求嚴(yán)格的部件玄糟，主要用作壓氣機(jī)盤、渦輪盤袄秩、葉片和機(jī)匣等阵翎，在發(fā)動機(jī)減重中起到了舉足輕重的作用 [7-9]。圖 1 為采用Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn 鈦合金制造的正弦波翼梁結(jié)構(gòu)之剧，主要應(yīng)用在 B-1B轟炸機(jī)尾翼上 [10]郭卫。
圖1 Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn鈦合金制造的正弦波翼梁結(jié)構(gòu)
氣體保護(hù)焊（GTAW/GMAW）和攪拌摩擦焊（FSW）技術(shù)擁有各自獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，對于航空輕金屬材料的連接具有其他焊接方法不可比擬的優(yōu)越性荸速。特別是攪拌摩擦焊是固相連接方法穆惩，具有較小的焊接變形，焊接中不需要添加保護(hù)氣和焊絲穴阱，沒有熔化咖自、煙塵、飛濺及弧光爱蚣，是一種環(huán)保型的新型連接技術(shù)逼渤。FSW 技術(shù)在問世后的短短幾年內(nèi)，在焊接機(jī)理间炮、適用材料焙厂、焊接設(shè)備以及工程化應(yīng)用方面均取得了很大的進(jìn)展 [11-13]。
航空輕金屬氣體保護(hù)焊（GTAW/GMAW）和激光焊（LW）
1 氣體保護(hù)焊（GTAW/GMAW）
鋁合金的鎢極氬弧焊（GTAW）和熔化極保護(hù)焊（GMAW）是目前最常用的鋁合金焊接方法卫银，具有設(shè)備簡單扫钝、成形好、電弧穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)掐边。自動化熔化極氬弧焊（GMAW）具有高的靈活性刁祸，對表面母材氧化膜有陰極霧化處理作用，在輕金屬焊接中得到廣泛應(yīng)用。
鋁合金傳統(tǒng)氣體保護(hù)焊（GTAW/GMAW）的工藝創(chuàng)新研究已取得很快的進(jìn)展倔约。例如秃殉，近年來發(fā)展的雙旁路耦合電弧熔化極惰性氣體保護(hù)（DB-MIG），耦合電弧由主欢逯辍（傳統(tǒng) MIG 電桓幢簟）與旁路電弧（兩路電流可控的非熔化極電黄故 ）相互耦合而形成巧颈。旁路電弧對降低母材輸入電流和促進(jìn)熔滴過渡有著重要影響 [14]。雙絲 GMAW 工藝也是傳統(tǒng)氣體保護(hù)的工藝創(chuàng)新研究成果袖扛，雙絲分別通過不同的送絲機(jī)而進(jìn)入同一個(gè)熔池砸泛，雙絲 GMAW 具有生產(chǎn)效率高、飛濺少蛆封、形成的熱影響區(qū)小以及熱應(yīng)力和熱應(yīng)變小等優(yōu)點(diǎn)唇礁，同時(shí)雙絲窄間隙焊在厚板焊接時(shí)更能顯示出其獨(dú)有的優(yōu)勢 [15]。
2 激光焊接（LW）
激光焊接作為一種高效精密焊接方法惨篱，以其高能量密度盏筐、深穿透、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)在航空鋁合金的焊接制造中得到廣泛應(yīng)用令掠。但鋁及鋁合金激光焊的主要困難是對激光束的反射率較高规学，焊接過程開始時(shí)對激光的實(shí)際吸收率較低，這就要求很高的輸入功率以保證焊接開始時(shí)對反射率的彌補(bǔ)辫扯。同時(shí)橡周，激光焊接鋁合金時(shí)合金元素的燒損以及氣孔和熱裂紋的產(chǎn)生也是導(dǎo)致鋁合金激光焊接頭力學(xué)性能降低的重要原因 [16-19]。
鋁及鋁合金對輸入能量強(qiáng)度和焊接參數(shù)很敏感侄突。在鋁合金的激光焊接時(shí)膊向，用 8kW 的激光功率可焊透12.7mm 的試板，焊透率達(dá)到 1.5mm/kW涎狐。連續(xù)激光焊可以實(shí)現(xiàn)鋁合金從薄板精密焊到板厚 50mm 深熔焊的各種焊接 [20]糙娃。
對鈦合金進(jìn)行激光焊接時(shí)接頭區(qū)的溫度較高（＞ 600℃），容易引起接頭吸氫脆化以及氣孔的產(chǎn)生赐汤，通常鈦合金激光焊接時(shí)需預(yù)先形成惰性氣體保護(hù)氣氛或?qū)⒑讣糜谡婵帐抑性髀眨话愣嗖捎酶呒儦鍤獗Ｗo(hù) [21-23]。
激光焊接比傳統(tǒng)的焊接技術(shù)具有明顯的高效螺谅、可控和優(yōu)質(zhì)的特點(diǎn)腹忽，有關(guān)其缺陷的形成機(jī)理和預(yù)防措施也有不同之處。目前砚作，防治鋁合金激光焊接缺陷的研究工作已從常規(guī)的預(yù)防措施方面深入到小孔行為的研究方面窘奏。
航空輕金屬的攪拌摩擦焊（FSW）
（1）鋁合金的攪拌摩擦焊嘹锁。
攪拌摩擦焊（FSW）技術(shù)是由英國焊接研究所（TWI）針對鋁合金、鎂合金等輕金屬開發(fā)的一種固相連接技術(shù)着裹，因其焊接變形小领猾，無裂紋、氣孔骇扇、夾渣等優(yōu)點(diǎn)摔竿，被譽(yù)為“繼激光焊后又一次革命性的焊接技術(shù)”。攪拌摩擦焊不需填充材料和保護(hù)氣體少孝，能耗低继低，對環(huán)境無污染，是一種綠色連接技術(shù)稍走。攪拌摩擦焊技術(shù)一出現(xiàn)就受到航空界的青睞袁翁，已在火箭推進(jìn)器貯箱制造、飛行器輕金屬連接等方面得到應(yīng)用 [24]现辰。
攪拌摩擦焊技術(shù)的基本原理及工藝過程如圖 2 所示盔雷，其過程可分為3 個(gè)階段：攪拌針插入母材，攪拌頭移動焊接托捆，攪拌針拔出篱汤。第二個(gè)階段為穩(wěn)定的焊接過程，為 3 個(gè)過程中最為重要的部分媒卑。摩擦產(chǎn)生的熱量對整個(gè)攪拌摩擦焊過程影響最大铃越。攪拌摩擦焊過程的產(chǎn)熱主要依靠攪拌頭與母材作用界面摩擦，包括軸肩下表面產(chǎn)熱及攪拌針表面產(chǎn)熱熄自，焊縫區(qū)塑性變形產(chǎn)熱也占一部分驻碟；而散熱過程主要是向攪拌頭仪从、母材以及墊板的熱傳導(dǎo)散熱专菠，以及向工件端面及表面的對流輻射散熱。對攪拌摩擦焊過程中材料流動及接頭成形的研究主要包括材料流動的可視化和計(jì)算機(jī)模擬潜狭，目前常用的試驗(yàn)手段主要有“急停技術(shù)”（攪拌針冷凍技術(shù)）茄敲、嵌入標(biāo)記材料等。
圖2 攪拌摩擦焊原理及工藝過程
攪拌摩擦焊可實(shí)現(xiàn)管 / 管喘垂、板 /板的可靠連接，接頭形式可以設(shè)計(jì)為對接绍撞、搭接正勒，可進(jìn)行直焊縫、角焊縫以及環(huán)焊縫的焊接，可以進(jìn)行單層或多層一次焊接成形章贞，由于攪拌摩擦焊過程自身特性祥绞，可以將氧化膜破碎、擠出鸭限，焊前表面清理不如熔焊要求的嚴(yán)格蜕径。表 2 所示是幾種鋁合金攪拌摩擦焊所用的焊接速度。對于鋁合金的焊接败京，攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度可以從幾百到上千 r/min兜喻。焊接速度一般在1~15mm/s。攪拌摩擦焊的焊接速度與攪拌頭轉(zhuǎn)速密切相關(guān)冒侧，攪拌頭的轉(zhuǎn)速與焊接速度可在較大范圍內(nèi)選擇圣辩，只有焊接速度與攪拌頭旋轉(zhuǎn)相互配合才能獲得良好的焊縫。攪拌摩擦焊可以方便地實(shí)現(xiàn)自動控制岛盗，在攪拌摩擦焊過程中攪拌頭要壓緊工件匆罗。 近年來，攪拌摩擦焊研究的迅速發(fā)展得益于其設(shè)備的不斷設(shè)計(jì)和研制萄尽。瑞典 ESAB 公司設(shè)計(jì)制造的攪拌摩擦焊設(shè)備可以焊接長度達(dá) 16m的焊縫记辖。在此基礎(chǔ)上，ESAB 公司又研制開發(fā)了基于數(shù)控技術(shù)的具有 5個(gè)自由度的更小巧輕便的設(shè)備 [25]倡照。這臺設(shè)備焊接厚度為 5mm 的 6000系鋁板時(shí)焊接速度可達(dá) 750mm/min苗圃。還可以焊接非線性焊縫。英國焊接研究所安裝了一臺 ESAB SuperStirTM攪拌摩擦焊設(shè)備声屯。這臺設(shè)備裝備有真空夾緊工作臺惫饲，可以焊接非線性接頭 [26]，可以焊接的鋁板厚度為1~25mm去园，工作空間為 5m×8m×1m裤础，最大壓緊力為 60kN，最大旋轉(zhuǎn)速度5000r/min[27]蜓谋。
我國已經(jīng)開發(fā)出了用于不同規(guī)格產(chǎn)品焊接用的C型梦皮、龍門式、懸臂式 3 個(gè)系列的攪拌摩擦焊設(shè)備以及多個(gè)系列的攪拌頭桃焕。比較典型的攪拌摩擦焊設(shè)備工作臺規(guī)格為 1500mm×920mm剑肯，是中國自行研制的第一臺攪拌摩擦焊接設(shè)備，可用于直縫和環(huán)縫焊接观堂，焊接最大板厚為 15mm让网。焊接過程中采用數(shù)字控制，具有控制精度高师痕、焊接工藝重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)溃睹。焊接速度和旋轉(zhuǎn)速度均可無級調(diào)節(jié)荐虐，調(diào)節(jié)范圍分別為0~1330mm/min 和 100~3000r/min。焊接壓力根據(jù)攪拌頭插入深度進(jìn)行調(diào)節(jié)丸凭。傾斜角可調(diào)范圍為 0°~5°[28-29]福扬。
近期的研究報(bào)道，美國將攪拌摩擦焊技術(shù)成功應(yīng)用在軍用運(yùn)輸機(jī)C-17 的艙內(nèi)地板以及載貨斜坡地板的制造上惜犀，不僅實(shí)現(xiàn)良好的減重效果铛碑，還大大降低了制造成本（300 多萬美元）。波音公司在 F-15 戰(zhàn)斗機(jī)尾翼整流罩結(jié)構(gòu)上采了用攪拌摩擦焊實(shí)現(xiàn)薄壁 T 形接頭的焊接势纺∩饷蹋空客在大型民用客機(jī)的翼肋制造中采用了攪拌摩擦焊技術(shù)。攪拌摩擦焊技術(shù)在航空機(jī)體制造中減重效果明顯演茂，有研究指出灼址，可實(shí)現(xiàn)減重 0.9kg/m[30]。
大厚度鋁合金結(jié)構(gòu)的攪拌摩擦焊主要難點(diǎn)在于焊縫表層及次表層金屬的力學(xué)性能較低件银，焊縫沿板厚方向上抗拉強(qiáng)度性能差別較大肤轿。不同的工藝參數(shù)對焊縫沿板厚方向的溫度梯度影響較大，而焊縫沿板厚方向上力學(xué)性能的差異正是由于焊縫組織沿板厚方向上的溫度梯度較大造成的 [31]郊片。
在鋁合金厚板焊接中度籍，為了減小攪拌工具的軸向壓力，一般采用錐形攪拌針焚惰。鋁合金的攪拌摩擦焊如圖 3 所示碌掩。減小焊縫下層攪拌針作用區(qū)域，與周圍金屬產(chǎn)生的熱量也較少蛆存，出現(xiàn)焊縫底部熱輸入不足步氏，可能導(dǎo)致未焊合等缺陷。因此徒爹，大厚板的焊接荚醒，既要保證焊縫底部產(chǎn)生足夠的熱量，又要控制焊縫表層的熱輸入不能太大瀑焦，減小焊縫沿板厚方向的溫度梯度是保證大厚度鋁合金攪拌摩擦焊接頭質(zhì)量的關(guān)鍵 [31]腌且。
圖3 鋁合金的攪拌摩擦焊
（2）鈦合金的攪拌摩擦焊粹懒。
由于航空航天技術(shù)的需求重付，鈦及鈦合金得到了迅速的發(fā)展，作為新型航空輕金屬凫乖，鈦合金在未來飛機(jī)制造中有廣闊的應(yīng)用前景和巨大的性能潛力 [13]涵店。針對鈦及鈦合金采用常規(guī)熔化焊方法焊接時(shí)，易出現(xiàn)焊件變形大馅拥、組織粗化卫跺、產(chǎn)生氣孔等缺陷，攪拌摩擦焊接技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢可進(jìn)一步擴(kuò)大鈦合金在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用 [32]肯窜。
近年來已開始探索鈦及鈦合金等高熔點(diǎn)材料的攪拌摩擦焊技術(shù)钥忌，并取得了一定的研究成果 [33-35]。針對鈦及鈦合金攪拌摩擦焊過程的特點(diǎn)纹茫，攪拌頭材料需要具有良好的高溫性能虏爸，目前的研究主要集中在鎢合金和多晶立方氮化硼（PCBN）兩種材料上，針對鈦合金的攪拌頭如圖 4 所示自古。相對于鋁合金角雅，鈦合金的攪拌摩擦焊難度較大。鈦合金攪拌摩擦焊接頭強(qiáng)度可以達(dá)到母材強(qiáng)度 90% 以上价秉，但塑性有待提高 [36]沪翔。
圖4 鈦合金攪拌摩擦焊的攪拌頭
結(jié)束語
航空輕金屬的焊接已由傳統(tǒng)氣體保護(hù)焊電弧焊（GTAW/GMAW ）及激光焊（LW）過渡發(fā)展到攪拌摩擦焊（FSW）等固相連接新技術(shù)思恐，攪拌摩擦焊將航空輕金屬的焊接制造推動到了一個(gè)嶄新的時(shí)代，航空制造領(lǐng)域中攪拌摩擦焊技術(shù)的應(yīng)用將會越來越多膊毁，輕金屬在航空制造領(lǐng)域的應(yīng)用也會更加深入胀莹。同時(shí)，航空裝備制造的需求也必將促進(jìn)輕金屬焊接技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展婚温。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步描焰，傳統(tǒng)焊接工藝的改進(jìn)與創(chuàng)新仍然具有必要性和很大的發(fā)展空間，攪拌摩擦焊先進(jìn)技術(shù)與傳統(tǒng)焊接技術(shù)的結(jié)合將會在航空機(jī)體制造中再創(chuàng)多種新技術(shù)齊放的新景象栅螟。
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