搅拌摩擦焊技术在军用飞机航空修理中的应用分

　　搅拌摩擦焊技术在军用飞机航空修理中的应用分析

　　摘要：搅拌摩擦焊技术现如今已经发展的比较完善，针对目前军用飞机在进行维修和维护的过程中仍旧存在着技术缺陷，本文提出了关于将搅拌摩擦焊技术应用于军用航空修理领域的具体方法，并具体分析了其中应该注意的技术要点。

　　关键词：搅拌摩擦焊技术；军用飞机；航空修理；应用分析

　　军用飞机是航空兵的主要技术装备，军用飞机的使用拓展了战斗的空间，也就是由地面拓展到了天空，它对军事战略技术以及军队的部署都具有非常重要的影响。保持军用飞机的战斗性能是非常重要的，随着科学技术的不断发展，军用飞机的类型更加广泛，相应的维修技术也在逐渐发生着改变，只有这样才能确保军用飞机的使用安全和强大的战斗力。

　　一、搅拌摩擦焊技术的发展现状和工作原理

　　所谓的摩擦焊技术简单来说就是利用工作过程中工件的各个端面进行相互运动和相互摩擦所产生的热量，让处于端部的材料达到一种热塑性的状态，并在这种状态下，以比较快速的时间进行顶锻，完成焊接的工作。这种技术的优越性在于它可以实现对同等或是异种材料的完美焊接，比如各种金属材料、复合型材料、塑料或是陶瓷等，这种焊接技术的工作效率较高而且焊接的质量较好，因此具有较为广泛的使用价值。

　　搅拌摩擦焊技术(Friction Stir Welding，简称FSW)是于上世纪九十年代初期由英国焊接研究所(The Welding Institute)发明的一项专利焊接技术。搅拌摩擦焊技术有效的改善了传统技术中存在的弊端，它能够通过不同种类的接头形式和在不同的焊接位置进行有效的连接。早在1998年，美国波音公司的空间和防御实验室就引进了该项技术，将其用于焊接某些火箭部件。

　　搅拌摩擦焊技术虽具有常规技术所不具备的优点，但是它的焊接热源同样来源于摩擦热和塑形变形热。在使用搅拌摩擦焊技术时，技术人员需要将圆柱形状的搅拌针（welding pin）深入到工件的接缝处，借助焊头在工作过程中所产生的高速旋转与所需焊接的工件材料之间相互摩擦所产生的高热量，对焊接的材料部位进行软化，在软化的同时对材料进行不断的搅拌直至焊接完成。在进行搅拌摩擦焊技术的过程中，焊头的高速旋转会使工件的接缝处与工件之间产生一定的位移，所以在事先一定要将所需焊接的工件牢固的固定在背垫上。将焊头的突出段伸进材料内部进行摩擦和搅拌，这时焊头的肩部与工件表面就会发生摩擦并产生一定的热量，这不仅可以避免塑性状态材料出现溢出现象，同时也可以清除表面的氧化膜。

　　目前来看，搅拌摩擦焊技术并没有对相应的操作设备提出过多的要求，只需要满足焊头的旋转运动以及工件的相对运动，所以通常情况下，一台简单的铣床就可以达到小型平板对搅拌摩擦接焊的要求。需要注意的是，在这项技术中，焊接设备及夹具的刚性是一个非常重要的指标。因此，常用的搅拌头大多采用工具钢制成，并且焊头的长度通常会短于焊接的深度。利用搅拌摩擦焊技术进行焊接之后，焊接处会残留一个匙孔，可以对其进行直接的切除处理，或者也可以用其它焊接方法对其进行焊封。

　　搅拌摩擦焊技术组最初被应用于焊机铝合等熔点较低的材料，但是经过之后的不断努力和研究，美国焊接研究所于1993年和1995年先后两次申请了这项技术的专利，到目前搅拌摩擦焊技术已经被广泛的应用于航空航天、道路交通、设备焊接等领域。2002年，我国成立了第一家专业的搅拌摩擦焊技术公司（中国搅拌摩擦焊中心即北京赛福斯特技术有限公司）。

　　搅拌摩擦焊技术的应用特点

　　搅拌摩擦焊技术比较突出的特点就是它比较节约成本，因为在进行焊接的过程中，对一些焊条、焊丝或者是一些保护性气体的消耗相对较小。此外由于对温度的要求比较低，在焊接结束之后，构件的承受能力会比较强，不会因为外界压力的变化而出现形态上的变化。

　　在进行搅拌摩擦的过程中，需要用到熔化之后温度比较低的有色金属，这样做的主要目的是将焊接头的摩擦程度降到最低，达到延长其使用寿命的目的。搅拌摩擦焊技术的焊头部位在进行运动旋转的过程中对周围组织的影响比较小，这可以有效的提高焊接部位的承受能力；同时利用这项技术，工作人员可以一次性的实现对较大面积的损伤进行焊接；搅拌摩擦焊技术在操作的过程中产生的污染比较少，不会产生烟尘和辐射等对人身造成伤害，所以它的应用安全性比较高。

　　但是任何一项技术都不是完美的，搅拌摩擦焊技术同样具有一定的缺点。比如，对焊头的磨损程度较大，导致其使用寿命较低；为了对需要焊接的构件进行刚性固定，在反面一定要配有底板；在焊接结束之后，焊缝的接口处会形成一个键孔，对其进行修复是比较困难的；搅拌摩擦焊技术的工具设计、过程参数以及机械性能数据需要进行仔细的考量，因为这些数据只有在一定的范围内才可以得出结论，当这种条件范围发生变化时，就无法得到准确的参数，这就会对具体的焊接技术产生不良的影响。因此，这项技术仍然存在着技术层面的一些瓶颈需要突破。

　　三、军用飞机维修和维护中存在的技术缺陷

　　目前广泛使用的军用飞机焊接技术主要是钨极氩弧焊技术和电弧焊技术，但是在使用这种技术对军用飞机的金属油箱、起落架等构件进行焊接的过程中，在焊接缝出经常会出现气孔、裂纹或者是焊接不牢靠导致重新焊接等问题的发生。同时，传统的军用飞机焊接方法的焊缝强度相对较低，非常容易发生受热、变形等问题，由于操作难度较大在进行焊接的过程中不仅要求技术人员拥有非常精准的专业技能，也要求其必须保持注意力的高度集中，总体来说对操作人员的要求相当严格。

　　铝合金材料是常见的军用飞机使用材料，但是部分型号的铝合金材料很难进行焊接，传统技术无法对其进行有效的处理。所以经常会对这些铝合金构件进行铆接、螺接等技术处理，有时也会直接将出现问题的构件换掉，这不仅费时费力，也极大的浪费了维修成本。

　　四、将搅拌摩擦焊技术应用于军用飞机维修的优越性

　　军用飞机的使用领域比较特殊，在进行侦查或是战斗的过程中，一旦出现问题，不仅对飞行员的人身安全造成极大的威胁，也会对国家安全造成较大的威胁。因此，保障军用飞机的安全性和稳定性具有非常重大的意义。搅拌摩擦焊技术（FSW）的操作原理和特点与军用飞机航空修理的要求互相使用，在这个领域中的应用具有较高的应用价值。

　　第一，搅拌摩擦焊技术（FSW）利用焊头在运动时所产生的极快的转速与焊接材料进行摩擦所产生的高温使材料软化，这有效的实现了对一些具有“不可焊接性”的军用飞机铝合金材料进行焊接，代替了创痛工艺中所使用的铆接、螺接或者是换件等技术，不经缩短饿维修所用的时间，提高了去维修效率，也有效的节省了换件所需花费的过多的成本，同时这种焊接方法更加牢固，可以有效提高军用飞机的使用安全。

　　第二，搅拌摩擦焊技术（FSW）的焊缝更加稳固，结构更加牢靠。在进行焊接的过程中，需要对构件的材料进行软化处理。因此在进行焊接时，材料都是在其熔点之下的，搅拌头会对其进行不断的摩擦、挤压和顶锻，这样一来材料的内部组织结构就会发生一定的变化，新的构件材料可能比之前的材料更加坚固，质地更加细腻。因此在焊接缝处，不会出现传统技术中存在的裂纹和气孔等焊接缺陷。通过大量的实践研究表明，FSW技术的抗疲劳性能更强，也会更加坚固。

　　第三，技术人员可以通过对搅拌摩擦焊技术（FSW）的热输入过程进行控制，对航空维修过程中比较常见的铝合金材料的参数进行调节，接头的力学性能指标得到进一步的提升，这样一来材料的力学性能指标就基本上就可以尽量恢复到与母材相同。比如，一项实践结果表明在对AL6060型号的铝合金材料进行FSW焊接处理之后，它的基本的力学性能指标可以接近到母材的90%左右。由于这项技术优势，使得焊接材料的强度可以有效的达到军用飞机的机体对于材料前度的使用要求。这样一来，机体的平均故障翻修时间（MTBF）以及返修的时限（time between overhauls）都会得到延长，并且大大降低了再次出现故障的风险。

　　第四，搅拌摩擦焊技术（FSW）在进行焊接之前，不需要对所需焊接的材料进行开破口或者对其表面的氧化层进行特殊的处理。在进行焊接的过程中，也无需对焊件进行填充材料和填充气体的处理，对温度的掌控也比较随意。这样一来，操作的难度就被大幅的降低，对技术人员的操作要求也随之降低，所以，搅拌摩擦焊技术的使用更加容易，应用的范围也会更加广泛。

　　第五，在对军用飞机进行航空修理的过程中，搅拌摩擦焊技术可以实现对其进行全位置的焊接，因为FSW属于一种固相连接技术，在进行焊接的过程中不需要对材料进行彻底的熔化，软化处理可以让焊接部位的组织尽量避免重力的影响，实现对其进行平焊、立焊、仰焊等多种焊缝连接，这种多样化的焊接方式刚好满足了现代化航空修理中的原位修理原理。

　　FSW技术在民用飞机的结构修理过程中已经发挥出了实际价值，在军用飞机的修理过程中，它同样具有较高的使用价值，它对处理裂纹、破孔以及断裂等方面都有着比较良好的修复效果。

　　在进行航空修理的过程中，裂纹是一种常见的问题，它主要出现于一些需要承载较多重力的构件中，比如发动机叶片。FSW技术可以有效的解决传统焊接方法中所存在的缺陷，对机翼等部分的裂纹具有更高的消除能力。实践表明，借用FSW技术可以有效的延长蒙皮进行第一次安检的时间，并且也可以减少之后进行检查的次数。

　　破孔也是军用飞机比较常见的损伤形式，当出现这种损伤时，可以从破孔出的结构以及气动性能两个方面进行处理，在利用搅拌摩擦焊技术对破孔问题进行处理的过程中，既可以节省维修时间也可以节省维修成本，而且在进行维修的过程中，可以根据不同的损伤位置和损伤情况设定不同的修复方案，这种具有较高针对性的维修方法，可以为军用飞机的稳定性和耐用性提供进一步的保障。

　　军用飞机的翼梁、翼肋等构件经常会出现各种缺口损伤，而且这些部位是飞机承重的关键性部位，采用FSW技术可以有效的简化维修过程，满足飞机对这些关键部位的承重要求。

　　五、搅拌摩擦焊技术在应用过程中应该注意的问题

　　军用飞机特殊的工作性质决定其内部的基本构成相对复杂，距离来说，一般飞机的构件壁大约在1-3mm之间，关键部位的承力构件应该在7-9mm左右，但是军用飞机的构件壁却比较薄。而且其实用的构件的材料的密度比较小，强度较高，这就对焊接技术提出了更高的要求，因此FSW技术在民用飞机和军用飞机中的应用应该有所区别，将搅拌摩擦焊技术应用于军用飞机的航空修理中，有以下问题需要注意。

　　首先，在进行焊接之前，技术人员要对需要进行修理的飞机所使用的各种航空材料以及焊接工艺的参数进行仔细的分析和研究，焊接工艺的参数基本包括焊头的旋转速度、前进速度，以及锻压力。其次，要对焊缝设备和飞机构件的空间曲线的有连接性进行研究。近些年来，军用飞机中使用钛合金以及其它复合材料的情况越来越多，因此FSW技术对这些材料的焊接技术也要进行不断的提升。为了提高军用飞机的战斗性能，技术人员需要对航空维修的原理进行进一步的研究和分析。并且在维修结束之后，需要对焊接的情况以及焊接的质量进行全面的评估。

　　结语：

　　综上所述，将搅拌摩擦焊技术应用于军用飞机的航空修理过程中可以进一步的提升军用飞机的使用性能，增强其安全性和稳定性。随着科学技术的不断发展，FSW技术也将摆脱技术层面的瓶颈，不断的朝着多功能、智能化的方向发展，对军用飞机中的各种损伤及材料的参数进行更加准确的测量与处理，进一步提高对军用飞机进行维修的效率，也为我国的国防安全提供更加有力的保障。

　　参考文献：

　　[1]方连军,阚田田,刘晓娟,高献娟.浅谈航空航天中的铝合金焊接工艺[J].科技创新与应用,2015(17).

　　[2]孙凯.搅拌摩擦焊在民机领域应用前景浅析[J].科技视界,2014(27).

　　[3]陈祥.摩擦液柱成形的关键技术研究[D].南京航空航天大学,2014.

　　[4]张亚飞.TA2薄板搅拌摩擦焊接及温度场研究[D].江苏科技大学,2014.

　　[5]刘善国,李晶,程志军.航空制造技术学科发展报告[A].航空科学技术学科发展报告[C]:2014:15.

　　[6]《航空制造技术》2013年第1~24期(总第421~444期)主要文章索引[J].航空制造技术,2013(Z2).

　　[7]方连军,刘晓娟,高献娟.焊接技术在航空航天工业中的应用[J].中国新技术新产品,2013(01).

　　[8]肖尧.AA7050-T7451铝合金搅拌摩擦焊接头的疲劳特性分析[D].沈阳航空航天大学,2013.

　　[9]马小革.AA7050/AA2024异种铝合金搅拌摩擦焊疲劳特性研究[D].沈阳航空航天大学,2013.