本文關(guān)鍵詞：攪拌摩擦焊工藝研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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國產(chǎn)客機機身壁板攪拌摩擦焊工藝研究

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攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding，F(xiàn)SW）技術(shù)以其可靠、綠色、高效的特點，在飛機鋁合金壁板結(jié)構(gòu)件連接中具有獨特的優(yōu)勢和廣闊的應(yīng)用前景，為國產(chǎn)大型客機的安全使用、高效生產(chǎn)、環(huán)境保護提供了嶄新的技術(shù)選擇。鋁鋰合金具有密度低、比強度高、耐腐等優(yōu)點，應(yīng)用于機身壁板制造時，結(jié)構(gòu)件可減重約10%。目前，第三代鋁鋰合金（如AlLiS4 等）很有可能取代現(xiàn)用的2XXX 系和7XXX 系列鋁合金成為國產(chǎn)客機使用材料。客機機身壁板結(jié)構(gòu)通常是“Z”或“L”形長桁與蒙皮鉚釘連接結(jié)構(gòu)形式，但是鉚釘連接工序復(fù)雜，生產(chǎn)效率很低，受操作工人經(jīng)驗影響較大。此外，大量鉚釘還增加結(jié)構(gòu)件重量，降低有效承載面積，導(dǎo)致壁板結(jié)構(gòu)件承載能力減弱。使用FSW代替鉚接能夠顯著降低結(jié)構(gòu)重量、提高結(jié)構(gòu)件整體性能。但是，目前關(guān)于第三代鋁鋰合金的FSW報道較少。經(jīng)過3年多的努力、多個科研項目的合作，北京航空制造工程研究所北京賽福斯特技術(shù)有限公司、中國商飛上海飛機制造有限公司、上海飛機設(shè)計研究院建立了緊密的伙伴關(guān)系。各方以提升國產(chǎn)客機制造工藝為目標，驗證機身壁板FSW制造技術(shù)為手段，針對國產(chǎn)客機第三代鋁鋰合金機身整體壁板，在滿足整體結(jié)構(gòu)設(shè)計要求的前提下，系統(tǒng)地開展了機身整體壁板FSW技術(shù)的基礎(chǔ)工藝試驗、接頭基礎(chǔ)性能評價、缺陷監(jiān)測、質(zhì)量評定、焊接變形控制、焊接及鉚接典型件力學(xué)性能對比、模擬段制造等一系列研究，掌握了相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，初步驗證了FSW技術(shù)應(yīng)用于國產(chǎn)客機機身整體壁板結(jié)構(gòu)制造的可行性。本文簡要介紹了近年來中航工業(yè)北京航空制造工程研究所在國產(chǎn)客機機身壁板攪拌摩擦焊工藝方面的研究歷程和技術(shù)成果。

FSW基礎(chǔ)工藝研究

基礎(chǔ)工藝性能研究是焊接技術(shù)應(yīng)用過程的第一步。FSW 基礎(chǔ)工藝研究包括焊接工具優(yōu)化、工藝優(yōu)化、接頭微觀組織觀察分析、缺陷檢測方法及表征技術(shù)、缺陷控制技術(shù)等。在焊接工具優(yōu)化中，分別針對AlLiS4鋁鋰合金板材對接、AlLiS4板材與2099鋁鋰合金型材搭接接頭設(shè)計了3種攪拌頭，通過對焊接接頭力學(xué)性能的測試，分別優(yōu)化出一種形式的攪拌頭。測試結(jié)果顯示：在使用優(yōu)化出的攪拌頭焊接時，所選9種對接、搭接參數(shù)中，6種對接接頭靜強度能夠超過母材的80%。全部搭接接頭靜強度能夠超過母材的80%，其中7種參數(shù)超過85%。試驗結(jié)果說明AlLiS4 鋁鋰合金對FSW 具有很好的適應(yīng)性，工藝窗口較寬。再經(jīng)過參數(shù)復(fù)驗，分別從對接、搭接參數(shù)中篩選出3組工藝，其靜強度均能夠穩(wěn)定超過母材的80%。微觀組織分析顯示，力學(xué)性能較好的參數(shù)接頭焊核區(qū)發(fā)生充分再結(jié)晶，熱機影響區(qū)金屬有明顯的流動痕跡，且塑性流動層厚度適中。試驗現(xiàn)象說明，接頭材料流動性能與攪拌頭的旋轉(zhuǎn)搬運速度的良好匹配，是形成組織致密、性能良好接頭的必要條件。另外，針對對接接頭、搭接焊縫的剪切、剝離性能測試結(jié)果也證實了這一點。

此外，在FSW基礎(chǔ)工藝研究中規(guī)劃了焊接缺陷的無損檢測試驗。試驗通過調(diào)節(jié)攪拌摩擦焊焊接參數(shù)及焊接方法，在焊縫內(nèi)部人為制造隧道型缺陷，利用X射線檢測、超聲波檢測以及工業(yè)CT測試等綜合手段，結(jié)合對缺陷的金相組織觀察，確定缺陷的位置、形狀，并建立無損檢測信號與實際缺陷的關(guān)系。結(jié)果顯示，超聲波難以有效檢測出尺度小于0.3mm的隧道型缺陷，而工業(yè)CT和普通X射線技術(shù)能夠有效檢測出尺度在0.15mm左右的隧道型缺陷。對接FSW中，增大對接焊縫間隙至某一臨界值時，接頭中形成隧道型缺陷，而且隨著間隙寬度的增大，隧道直徑尺度線性增長。另外，對缺陷邊緣的EDS 成分分析顯示，AlLiS4鋁鋰合金FSW 接頭隧道型缺陷部位分布著SiO2、MgO 以及Al2O3等化合物，這些雜質(zhì)元素的存在主要與焊接熱量導(dǎo)致材料氧化以及表面殘留物有關(guān)。由此可見，焊前清理、降低焊接間隙、優(yōu)化攪拌頭形貌、選擇能夠使材料流動性能與攪拌頭的旋轉(zhuǎn)搬運速度相匹配的焊接參數(shù)，是避免FSW接頭出現(xiàn)孔洞或隧道型缺陷、提高焊接質(zhì)量最直接的手段。

FSW接頭基礎(chǔ)性能評定

FSW基礎(chǔ)性能評定包括接頭的靜力拉伸、疲勞性能、應(yīng)力腐蝕、剝層腐蝕及晶間腐蝕性能。在充分掌握AlLiS4 對接、AlLiS4/2099 搭接接頭靜力拉伸性能的基礎(chǔ)上，針對2種結(jié)構(gòu)形式分別初選出3種靜力性能較優(yōu)的參數(shù)進行疲勞測試，通過不同應(yīng)力水平下的疲勞壽命測試對比，分別優(yōu)化出一種疲勞性能較優(yōu)的參數(shù)進行S-N曲線的繪制，并與母材的疲勞性能對比。結(jié)果顯示，在優(yōu)選參數(shù)下，對接接頭達200萬次疲勞壽命時的最高應(yīng)力水平為母材200萬次疲勞壽命最高應(yīng)力水平的85%。搭接接頭的靜力拉伸性能雖然普遍高于對接接頭，但是疲勞性能較低，試樣均從焊接接頭前進側(cè)“Y”形交界點處生成裂紋源，如圖1所示。分析顯示，在疲勞實驗過程中，“Y”形交界點容易形成應(yīng)力集中，萌生裂紋并迅速擴展，導(dǎo)致樣品很快發(fā)生斷裂，因此疲勞壽命顯著降低。

客機在越洋飛行過程中，機身結(jié)構(gòu)必將受到海洋環(huán)境的腐蝕，因此，考察接頭的耐蝕性能是FSW 技術(shù)應(yīng)用于機身結(jié)構(gòu)的必要環(huán)節(jié)。針對客機攪拌摩擦焊對接焊縫的耐蝕性研究包括剝層腐蝕、晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕性能測試。對接接頭剝層腐蝕測試結(jié)果顯示，F(xiàn)SW接頭腐蝕均由點蝕開始，隨著時間的延長逐漸演變?yōu)閯兾g，所選3種工藝接頭焊接區(qū)域的耐蝕性明顯優(yōu)于母材，如圖2所示。焊核耐蝕性優(yōu)于熱機影響區(qū)及熱影響區(qū)，但隨著浸泡時間的推移，腐蝕程度趨于一致。晶間腐蝕測試結(jié)果顯示，各參數(shù)接頭均以點蝕為主，未見有晶間腐蝕傾向。應(yīng)力腐蝕試驗采用腐蝕環(huán)境下慢速拉伸的方式執(zhí)行，拉伸速度為1×10-6，分別記錄焊接試樣在腐蝕及惰性環(huán)境下的應(yīng)力- 應(yīng)變曲線，根據(jù)所測數(shù)據(jù)，計算出A、B、C 這3種接頭的應(yīng)力腐蝕指數(shù)ISSRT 分別為0.01、0.1、0，斷面收縮率分別為106%、83%、127%，其中應(yīng)力腐蝕指數(shù)越小、斷面收縮率越大則說明接頭應(yīng)力腐蝕傾向越低。綜合兩種參數(shù)評定可以看出，C工藝接頭在所執(zhí)行的試驗條件下，無應(yīng)力腐蝕傾向。由剝層腐蝕、晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕的試驗結(jié)果可以看出，AlLiS4 對接FSW 接頭具有良好的耐腐蝕性能。搭接FSW 接頭為AlLiS4/2099 雙層結(jié)構(gòu)，考核區(qū)在層間縫隙內(nèi)部，不適于采用對接焊縫的腐蝕評定標準，相關(guān)評定方法有待進一步探索。

焊接、鉚接典型性能對比研究
典型件選取2060鋁鋰合金蒙皮、2099鋁鋰合金長桁材料的機身壁板等比例帶格框的真實結(jié)構(gòu)，采用FSW技術(shù)及傳統(tǒng)鉚接工藝制造，分別進行了壁板級試驗件的靜力拉伸（焊、鉚各3 件）、拉伸疲勞（各5件）、剪切（各3 件）、壓損（各3 件）承載能力測試，試驗件尺寸分別達到300mm×800mm、300mm×800mm、950mm×950mm、1000mm×600mm，每件試驗件所使用的應(yīng)變片數(shù)量分別達到12 片、12 片、60 片、60片，焊接、鉚接測試試驗件的結(jié)構(gòu)尺寸、試驗條件、貼片位置、加載過程均相同，試驗過程詳細記錄了加載過程中試驗件各考核點的受力及變形情況。圖3展示了加載中的試驗件。

靜力拉伸試驗結(jié)果顯示，F(xiàn)SW試驗件在焊縫前進側(cè)附近斷裂，鉚接件在釘孔處斷裂，焊接件平均承載能力比鉚接件高出23MPa ；拉伸疲勞實驗結(jié)果顯示，焊接件大部分斷裂于母材，鉚接件均在釘孔處斷裂，同等應(yīng)力水平下焊接件拉伸疲勞平均壽命比鉚接件高出約35000次；剪切實驗結(jié)果顯示，焊接件最大剪切力比鉚接件高出約40kN，鉚接件的破壞形式表現(xiàn)為蒙皮皺曲、鉚釘拉斷、長桁與蒙皮在波谷處分離、長桁扭轉(zhuǎn)彎曲等，焊接件的破壞形式表現(xiàn)為蒙皮皺曲、格框鉚釘拉斷/拉脫、長桁彎曲變形。由此可見，此類結(jié)構(gòu)件的強度薄弱點主要為鉚釘本身。壓損試驗結(jié)果顯示，焊接及鉚接件均表現(xiàn)出整體屈曲的特點，結(jié)構(gòu)件的受力薄弱點位于長桁腹板根部及部分鉚釘位置，兩種類型試驗件的承載能力相差不大，約為360kN。綜合上述試驗結(jié)果可以看出，相比傳統(tǒng)鉚接工藝，采用FSW技術(shù)的典型件壁板，從靜力拉伸、疲勞、剪切性能方面體現(xiàn)出明顯的穩(wěn)定優(yōu)勢。此外，在后續(xù)工作中，項目組還將通過數(shù)值模擬、局部解剖分析等手段進一步探究該類型結(jié)構(gòu)件的受力及破壞規(guī)律，從而獲得體系性的研究成果。

大尺寸壁板模擬件的FSW制造

制造模擬之前首先通過典型件的焊接考察大尺寸FSW件的變形控制方法。典型件宏觀尺寸為600mm×600mm，表面均布3條長桁。試驗分別考察了焊縫熱沉冷卻法、焊后焊縫滾壓法、噴丸等方法對焊接變形的控制效果，并與常規(guī)焊接狀態(tài)進行比較。焊接件變形量評定方法為：將焊接后典型件長桁向上平置于檢測平臺，測量壁板邊緣10個固定位置考察點與平臺面之間的間隙，計算得出平均值，值越高則說明焊件變形量大，反之亦然。試驗結(jié)果顯示，自由焊接狀態(tài)下，焊接件變形量最大，變形量均值達到2.33mm，采用熱沉冷卻后，變形量均值降至1.78mm，由此可見，雖然焊接過程施加冷卻能夠在一定程度上降低典型件的宏觀變形，但是控制效果有限，仍然不能滿足實際裝機要求。采用滾壓法對常規(guī)焊接件進行矯形，測得處理后焊件的變形量均值為1.09mm，變形控制效果好于熱沉法，但是并未消除變形，典型件的尺寸精度仍然不高，不能滿足裝機要求。實施噴丸矯形后，將典型件壁板放置于檢測平臺之上，板面與平貼合緊密，實測平均變形量均值僅為0.15mm，可見噴丸對AlLiS4+2099 壁板的矯形效果明顯好于焊縫熱沉冷卻法、焊后焊縫滾壓法，矯形后的典型件能夠達到使用要求。

制造模擬件是驗證攪拌摩擦焊技術(shù)應(yīng)用可行性的重要手段。在國產(chǎn)客機機身壁板攪拌摩擦焊技術(shù)研究中，大尺寸壁板模擬件定義為單曲率蒙皮/ 長桁結(jié)構(gòu)，目標尺寸超過2000mm×1000mm，表面均布8條長桁。模擬件的焊接制造分為焊接和成形兩段工序，通過攪拌摩擦焊技術(shù)實現(xiàn)蒙皮與長桁的連接，焊后試驗件為平板結(jié)構(gòu)，然后使用噴丸成形技術(shù)實現(xiàn)平面帶筋壁板的單曲率成形。制造過程中為了降低焊接變形對后續(xù)噴丸成形工藝的影響，焊接時采用特殊的變形控制技術(shù)，使板面各條焊縫的殘余應(yīng)力及焊接變形均勻分布于整個焊接件，從而有效地降低了模擬件焊接的宏觀變形，焊后模擬件實物如圖4所示。從圖中可以看出，模擬件長桁平直、分布均勻、蒙皮平整，放置于檢測平臺，試驗件邊緣與平臺間隙較小，測量值在10mm左右，說明焊接變形控制工藝起到了良好的效果。

焊接模擬件的噴丸成形加工使用專用模具，利用超音速噴丸設(shè)備進行噴丸成形。將噴丸成形后的模擬件放置于檢測模具內(nèi)，對模擬件典型位置點進行貼模間隙測量，根據(jù)測量結(jié)果對貼模間隙超標位置進行修型。圖5給出了自由狀態(tài)下噴丸成形模擬件實物照片。從圖中可以看出，模擬件長桁平直、蒙皮曲率均勻，與檢測模具貼合緊密，即使在自由狀態(tài)下也具有良好的貼模狀態(tài)。測量結(jié)果顯示，模擬件各部位貼模間隙均小于0.8mm，能夠滿足實際使用要求。此由可見，采用FSW 焊接結(jié)合噴丸成形的方案，能夠制造出符合實際使用要求的大尺寸攪拌摩擦焊接帶筋壁板。此外，對于FSW焊接件也可采用時效蠕變的方式進行矯形或成形，但需要制造夾具、摸索工藝等大量研究和準備，相關(guān)研究將在后續(xù)工作中深入開展。

結(jié)束語

通過對鋁鋰合金的FSW試片級試驗件靜力性能、疲勞測試、微觀組織及織構(gòu)分析、焊縫性能評定、壁板級試驗件的力學(xué)性能測試、大尺寸模擬件焊接等一系列試驗驗證，項目組已經(jīng)掌握了AlLiS4鋁鋰合金的攪拌摩擦焊核心工藝技術(shù)，初步形成了攪拌摩擦焊機身整體壁板的測試設(shè)計、制造及測試技術(shù)體系。但是，現(xiàn)有研究對于實際應(yīng)用而言還不夠全面，尤其是在焊接結(jié)構(gòu)完整性、FSW 接頭成形機理、結(jié)構(gòu)件受力及破壞分析等方面還有待于開展更加深入、系統(tǒng)的研究工作。

飛機結(jié)構(gòu)采用攪拌摩擦焊連接可以以小拼大、以焊代鉚、節(jié)材減重、降低成本，同時能夠很好地解決氣密、腐蝕等問題。作為一項先進的焊接技術(shù)，F(xiàn)SW 的優(yōu)勢還體現(xiàn)在連接過程的快速、高效，經(jīng)過焊接參數(shù)優(yōu)化，，對機身結(jié)構(gòu)件的焊接速度可達到300~500mm/min。同時，通過對焊接設(shè)備和工裝卡具的進一步專業(yè)化優(yōu)化設(shè)計，實際焊接生產(chǎn)效率將比鉚接高出數(shù)倍甚至數(shù)十倍。

可以看出，對于飛機壁板結(jié)構(gòu)件的制造而言，攪拌摩擦焊技術(shù)從接頭性能可靠性、焊接工藝的高效率以及先進性等各方面，都體現(xiàn)出傳統(tǒng)鉚接技術(shù)不可比擬的優(yōu)勢。將攪拌摩擦焊技術(shù)應(yīng)用于國產(chǎn)客機的生產(chǎn)制造中，無疑將實現(xiàn)結(jié)構(gòu)性能、生產(chǎn)效率、工業(yè)效益的完美結(jié)合，顯著提升產(chǎn)品的品質(zhì)和競爭力，也必將惠及其他各類型號飛行器。(end)

  本文關(guān)鍵詞：攪拌摩擦焊工藝研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：188546