搅拌摩擦焊在车船制造中的应用.pdf

第5 8 卷第4 期 2 0 06 年11 月 有色金属 N o n f e r r o u sM e l c a l s V 0 1 ．5 8 ，N o ．4 N o v e m b e r2 0 06 搅拌摩擦焊在车船制造中的应用 黄华1 ，一，董仕节1 ，刘静2 1 ．湖北汽车工业学院材料工程系，湖北十堰4 4 2 0 0 2 ；2 ．武汉科技大学材料与冶金学院，武汉4 3 0 0 8 1 摘要通过一些具体应用实例，介绍搅拌摩擦焊接工艺在造船、车辆及其他工业领域方面的应用现状，分析搅拌摩擦焊接 技术的发展趋势。搅拌摩擦焊是一项具有发展潜力和工业应用前景的先进焊接技术。 关键词金属材料；搅拌摩擦焊；综述；车船制造 中图分类号T G 4 5 3 ．9 ；T G 4 5 7 ．1文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 6 0 4 0 0 2 2 一0 4 目前，基于搅拌摩擦焊 F r i c t i o nS t i rW e l d i n g 简 称F S W 在焊接方法、力学性能、制造成本以及环境 等方面的巨大优越性和潜在的工业应用前景，在许 多领域都有着广泛的应用。在船舶和海洋工业方面 用于快艇、游船等的甲板、侧板、防水隔板、船体外 壳、主体结构件、直升机平台、离岸水上观测站、船用 冷冻器、帆船桅杆和结构件的加工制作。在车辆工 业方面主要用于高速列车、轨道货车、地铁车厢、轻 轨电车的焊接。在汽车工业方面用于焊接汽车发动 机引擎、汽车底盘支架、汽车轮毂、车门预成形件、车 体框架、升降平台、燃料箱、逃生工具等。在建筑行 业方面主要用来焊接铝、铜、钛等制作的面板、门窗 框架、发电厂和化工厂的反应器、铝管道、热交换器 和空调器等。 搅拌摩擦焊应用于焊接船舶轻合金预成形结构 件上，在外观、质量、性能、成本以及制造时间上具有 明显的优越性。并且此技术不仅可以用于船舶轻合 金结构件的制造，还可以用于现场装配，为现代船舶 制造提供了新的连接方法。利用搅拌摩擦焊可以使 船舶制造的装配更加精确、容易以及节省时间，从而 使船舶制造由零件的制造装配转变为船舶甲板以及 壳体的预成型结构件的装配[ 1 ] ，可见用搅拌摩擦焊 代替熔焊实现轻合金结构件的制造，是现代焊接技 术发展的又一次飞跃【2J 。 1 搅拌摩擦焊技术在船舶制造方面的 应用 造船工业是搅拌摩擦焊最早商业化应用的领 收稿日期2 0 0 5 0 5 一t 7 作者简介黄华 1 9 8 1 ～ ．男，湖北荆州市人，硕士生，主要从事 搅拌摩擦焊工艺等方面的研究。 域。渔船上用作冷冻处理的中空铝板是搅拌摩擦焊 第一个应用实例，这些中空铝板结构由铝挤压板材 直接搅拌摩擦焊连接而成。由于焊后变形很小和良 好的工艺再现性使得搅拌摩擦焊成为生产这类刚性 板件的首选方法【3 J 。F S W 技术在船舶制造和海洋 工业中有广泛的应用前景。适于用F S W 技术焊接 的结构包括甲板、壁板、隔板等板材的拼焊、铝挤压 件的焊接、船体和加强件的焊接、直升机降落平台的 焊接等 2 ，4 一引。 在船舶制造领域里，搅拌摩擦焊得到了深入细 致的研究和开发。船舶制造不仅要求速度的增加， 而且要求单位价格载荷性能的提高，所以船舶制造 要尽可能选用高性能的铝合金材料来降低船舶质 量，采用铝合金替代原来的钢铁作为基本的造船材 料成了造船业的新趋势。欧洲、澳大利亚、美国、日 本等国的很多造船公司都在积极地采用铝合金结构 取代原来的钢结构，如挪威的船舶铝业公司 M a r i n e A l u m i n u m ，瑞典的S a p a 公司，荷兰的R o y a lH u i s ． m a n 造船厂，美国的范库弗峰造船公司、联合造船 厂、P o i n tH o p e 造船所，澳大利亚的I n c a tT a s m a n i a p t y 造船有限公司等。建造的铝合金船舶包括快 艇、高速渡轮、双体船、游船、高速巡逻船、穿波船、海 洋观景船、运载液化天然气的铝罐船等L 6J 。然而铝 合金材料的传统连接方法为铆钉连接和弧焊连接， 铆接增加了制造时间、人力和物料的使用量，而铝合 金熔焊时容易产生变形、缺陷及烟尘等，限制了弧焊 在铝合金构件上的使用。所以，随着搅拌摩擦焊技 术的发展，用搅拌摩擦焊来实现高集成度的预成型 模块化制造来代替传统的船舶平板一加强件结构的 制造，是船舶制造技术发展的必然和革命性的进 步[ 卜2 | 。 万方数据 第4 期黄华等搅拌摩擦焊在车船制造中的应用2 3 图l双体船用预制搅拌摩擦河内挤压铝板 F i g ．1 P r e f a b r i c a t i o ne x t r u s i o na l u m i n u ms h e e t o fc a t a m a r a nw e l d e db yF S W 早在1 9 9 6 年挪威的M a r i n e 公司和M a r i t i m e 公 司就对搅拌摩擦焊船用平板和型材拼接成大型壁板 的流水生产线制造技术进行了开发研究，同时在挪 威研究委员会的帮助下，H y d r o ，K v a e r n e r ，D N V 。 S I N T E F 以及挪威科学与技术大学合作完成了搅拌 摩擦焊用于型材拼接成壁板技术的工程应 用[ 1 ，7 ～1 。目前，在造船制造领域，挪威的M a r i n e 公司已经在船舶制造中大量采用搅拌摩擦焊技术， 迄今已用该技术焊接长为2 0 m 的快艇铝合金结构 件，焊缝长度超过5 0 0 k m [ 2 ，9 - 1 2 ] 。从1 9 9 6 年1 月至 1 9 9 9 年1 2 月，挪威的H y d r oM a r i n eA l u m i n u m 已经 生产了1 7 0 0 块板材，其焊缝总长度已达 1 6 0 k m [ 3 , 1 3 】。这些板材焊后只在纵向上有刚性，因 而可以卷起来陆运，也可以堆叠在一起船运，见图 1 。澳大利亚的海洋观光船是一种2 4 m 长的全铝质 单体船 其材料为5 m m 厚的5 0 8 3 H 3 2 1 铝合金 ，可 以乘客1 1 2 名并能以超过2 5 节的速度行驶。该船 的许多平直焊缝均采用便携式搅拌摩擦焊机焊 接[ 3 , 1 3 ] 。所有焊缝的表面采用照相的方法进行备 案评估，其中有几条焊缝还采用超声波检测的方法 进行了评定。搅拌摩擦焊的最新应用是日本的 S u m i t o m o 轻金属公司采用搅拌摩擦焊生产铝质蜂 窝结构板件和耐海水的板材[ 3 ’14 l 。其中耐海水的 板材由五块宽度为2 5 0 m m 的5 0 8 3 铝合金挤压板连 接成一块尺寸为1 2 5 0 m m 5 0 0 0 m m 的铝合金扳。 由于焊缝根部和背面具有良好的平整性而被用作船 舱的壁板。图2 为一块焊好的蜂窝板。 目前用于双体快船侧板制造的搅拌摩擦焊预成 形结构件的尺寸已经达到1 3 m 1 6 m ，图3 为中国 搅拌摩擦焊中心制造的大壁板型材搅拌摩擦焊样 件[ 1 | 。 在中国，2 0 0 2 年4 月，北京航空制造工程研究 所与T W I 在全面专利许可和技术合作基础上成立 图2 采用F S W 焊接的蜂窝板 F i g ．2H o n e y c o m bb o a r dw e l d e db yF S W 图3 船用型材F S W 样件 F i g ．3S p e c i m e no fs h i pw e I d e db yF S W 的中国搅拌摩擦焊中心，标志着搅拌摩擦焊事业在 中国的正式开始，是中国焊接技术发展史上的里程 碑。预计在不远的将来，搅拌摩擦焊在中国的船舶 制造业中会有广泛的应用L 1J 。 2 搅拌摩擦焊在车辆方面的应用 随着对F S W 技术研究工作的深入，其在铁路 运输、公路运输、建筑工业、电器行业中也有着很大 的应用潜力【5J 。对于陆路交通工业，搅拌摩擦焊在 列车制造领域的应用主要为高速列车、轨道货车、地 铁车厢和有轨电车、集装箱体等。图4 所示为单层 外壳挤压型材的F S W 对接接头的剖面图，图5 为双 层中空挤压型材的F S W 对接接头的剖面图。搅拌 摩擦焊在汽车上的应用主要为引擎、底盘和车身支 架、汽车轮毂、液压成型管附件、车门预成型件、车体 空间框架、卡车车体、载货车的尾部升降平台、汽车 起重器、装甲车的防护甲板、汽车燃料箱、敞篷旅行 车、公共汽车和机场运输车、轻合金摩托车和自行 车、人工关节和零件、逃生交通工具、镁合金和铝合 图4单层外壳挤压型材的F S W 对接接头 F i g ．4 B u t tj o i n to fi n g l e - l a y e ro u t e rc o v e r i n g e x t r u s i o nm o l d i n go fF S W 万方数据 2 4有 色金属 第5 8 卷 金的连接等[ 4 ，l5 | 。 双层挤压型材 图5中空挤压型材的F S W 对接接头 №．5B u t tj o i n to fo e n t e re m p t ye x t r u s i o nm o l d i n go fF S W 机车工业中用于生产整流子和高速列车的中空 型材目前已采用搅拌摩擦焊技术生产。在瑞典的 S a p a ，搅拌摩擦焊已用于铝质汽车零部件的大规模 生产。这里安装了一台E S A B 生产的S u p e r s t i r 搅 拌摩擦焊机[ 1 2 】。该焊机具有两个搅拌机头，可以从 双面同时焊接中空的铝板型材。这台搅拌摩擦焊机 配备了一个转盘式加载和卸载装置，保证了焊接过 程中两个机头的对中。针对轻质结构的汽车车身拼 接，铝质汽车的设计者正在考虑使用不同厚度的铝 质板材，采用带有斜面肩台的搅拌头在厚板一侧进 行焊接以获得厚度平滑过渡的接头。数家汽车制造 商正在对搅拌摩擦焊工艺进行应用评价⋯3 。电机 制造中的紫铜／紫铜接头，如端环与导条、阻尼环与 阻尼杆等接头可以实现搅拌摩擦焊，并获得比钎焊 质量更好的接头E t 6 】。 在铁路行业I 中，日本已经用F S W 技术焊接高 速火车中的铝制件，油罐、货车、集装箱本体等也可 以用F S W 方法焊接。日本的日立公司已经用搅拌 摩擦焊实现了新干线高速列车、地铁列车以及通勤 列车等车体框架的门皮的焊接[ 6 - 7 】。法国阿尔斯 通公司用F S W 技术焊接了地铁车辆中的铝制 件旧] 。在公路运输行业，美国几大汽车制造商已经 投资共同研究F S W 技术的商业应用，可能的应用 领域包括发动机与底盘的托架，液压成型管道的配 件，空间构件、货车本体、吊车、燃料箱、大篷车、摩托 车与自行车框架、起重箱及镁及铝镁合金接头 等[ 5 I 。 一些典型的焊接汽车零件如图6 所示[ 8 | 。挪威 发明了一种采用搅拌摩擦焊技术制造汽车车圈的新 技术如图7 所示，并被H y d r o 公司成功用于圆形零 件的制造I s J C a 一缓冲器的F S W 焊接； b 一T o w e r 公司的F S W 焊接产品； c 一S h o w a 铝公司悬浮臂的F S W 焊接 图6F S W 焊接产品 F i g ．6 P r o d u c t sw e l d e db yF S W 领域中的应用也在不断扩大[ 1 | ，如冰箱冷却板，厨 房电器和设备，“白色”家用物品和工具，天然器、液 化气储箱和容器，家庭装饰等。电子工业对搅拌摩 擦焊的兴趣也在增加[ 4 ，1 5 ] ，主要应用于壳体、电器 连接件、电器封装等。建筑业的铝合金桥梁，铝合 金、铜合金、镁合金装饰板，门窗框架、铝合金管线， 电厂和化学工厂的铝合金反应器、热交换器、中央空 调、管状结构件制造等都采用搅拌摩擦焊[ 4 , 1 5 ] 。 图7 采用F S W 制造的轮毂 F i g ．7W h e e lh u bm a n u f a c t u r e db yF S W 3 搅拌摩擦焊在其他工业中的应用 随着对F S W 技术研究与推广，其在其他工业 4结语 基于搅拌摩擦焊技术在铝合金焊接方面所存在 的优势，搅拌摩擦焊在许多工业领域有着广泛的工 业应用前景。目前，搅拌摩擦焊技术的开发和应用 万方数据 第4 期黄华等搅拌摩擦焊在车船制造中的应用2 5 在中国刚刚开始，但由于搅拌摩擦焊技术在成本、连 接质量、环境等方面的优越性，在这么短的时闻内已 经在军工、列车和电力三个工业领域得到应用[ 1 5 1 。 迄今，已经正式得到中国搅拌摩擦焊中心授权的搅 拌摩擦焊专利技术二级许可单位已有5 家[ 15 l 。随 参考文献 着对搅拌摩擦焊技术认识的提高，预计在不远的将 来，铝合金、镁合金、锌合金、钛合金等轻金属材料的 连接将主要由搅拌摩擦焊来完成，尤其在运载火箭、 高速铝合金列车、铝合金高速快艇、全铝合金汽车等 项目中搅拌摩擦焊技术将会占到主导地位[ 4 , 1 5 】。 [ 1 ] 栾国红，南利辉，孙成彬，等．新型船舶制造技术一搅拌摩擦焊[ J ] ．热加工工艺，2 0 0 4 ， 1 5 3 5 5 ． [ 2 ] 栾国红．铝合金搅拌摩擦焊的应用现状与发展趋势[ J ] ．机械工人 热加工 ，2 0 0 3 ， 5 2 9 3 0 ． [ 3 ] 姚君山，张彦华，王国庆，等．搅拌摩擦焊技术研究进展[ J ] ．宇航材料工艺，2 0 0 3 ，3 3 4 2 4 2 9 ． [ 4 ] 张彦华，刘雪梅．从搅拌摩擦焊及相关技术的发展看技术创新[ J ] ．电焊机，2 0 0 4 ，3 4 1 1 2 1 4 ． [ 5 ] 栾国红，郭德伦，关桥，等．飞机制造工业中的搅拌摩擦焊研究[ J ] ．航空制造技术，2 0 0 2 ， 1 0 4 3 4 6 ． [ 6 ] 杨宗辉，孙孝纯，王笑川，等．搅拌摩擦焊与铝船制造革命[ J ] ．电焊机，2 0 0 4 ，3 4 2 9 一1 3 ． [ 7 ] 栾国红．轻型快速舰船的搅拌摩擦焊[ J ] ．航空制造技术，2 0 0 2 ， 9 9 1 3 ． [ 8 ] 栾国红，柴鹏，孙成彬，等．汽车制造驶上搅拌摩擦焊之路[ J ] ．电焊机，2 0 0 4 ，3 4 1 1 6 ． [ 9 ] 张田仓，栾国红，陈沁刚．搅拌摩擦焊技术的发展[ J ] ．先进制造与材料应用技术，1 9 9 8 ， 5 1 6 ． [ 1 0 ] 陈家本．搅拌摩擦焊行业动态[ J ] ．上海机电进出口贸易，2 0 0 2 ， 3 1 6 ． [ 1 1 ] 柯黎明，邢丽，刘鸽平．搅拌摩擦焊工艺及其应用[ J ] ．南昌航空工业学院学报，1 9 9 9 ，1 3 3 1 ～4 ． [ 1 2 ] 张华，林三宝，吴林，等．搅拌摩擦焊研究进展及前景展望[ J ] ．焊接学报，2 0 0 3 ，2 4 3 9 1 9 5 ． [ 1 3 ] K a r E r i kK n i p s t i m ，P e k a r iB e r t i l ．F r i c a t i o ns t i rw e l d i n gp r o c e s sg o e sc o m m e r c i a l [ J ] ．W e l d i n gJ o u r n a l ，1 9 9 7 ，7 6 9 5 5 5 6 ． [ 1 4 ] C a m p b e l lG ，S t o t l e rT ．F r i c a t i o ns t i rw e l d i n go fa r m o rg r a d ea l u m i n u mp l a t e [ J ] ．W e l d i n gJ o u r n a l ，1 9 9 9 ，7 8 1 2 4 5 4 7 ． [ 1 5 ] 栾国红，关桥．搅拌摩擦焊革命性的宇航制造新技术[ J ] ．航天制造技术，2 0 0 3 ， 4 1 6 2 3 ． [ 1 6 ] 黄朝晖．搅拌摩擦焊在电机制造中的应用前景[ J ] ．洪都科技，2 0 0 2 ， 4 1 5 一1 7 ． A p p l i c a t i o no fF r i c t i o nS t i rW e l d i n gi nV e h i c l ea n dW a t e r c r a f tM a n u f a c t u r e H U A N GH u a l 一，D O N GS h i - j i e l ，L I Ur i n 9 2 1 ．D e p a r t m e m to fM a t e r i a lE n g i n e e r i n g ，H u b e iA u t o m o t i v eI n d u s t r i e sI n s t i t u t e ，S h o a n4 4 2 0 0 2 ，H u b e i ，C h i n a ； 2 ．C o l l e g eo fM a t e r i a la n dM m e t a l l u r g y ，W u h a nU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，W u h a n4 3 0 0 8 1 ，C h i n a A b s t r a c t T h ea p p l i c a t i o ns t a t u so ft h ef r i c t i o ns t i rw e l d i n gt e c h n o l o g yi nv e h i c l ea n dw a t e r c r a f tm a n u f a c t u r ea n ds o m e o t h e ri n d u s t r i a la s p e c t si sd e s c r i b e db ya n a l y s i so fs o m ep r a c t i c a le x a m p l e s ．T h ed e v e l o p m e n tf o r e g r o u n do ft h e f r i c t i o ns t i rw e l d i n gt e c h n o l o g yi sp r o s p e c t e d ．I ti so b v i o u st h a tf r i c t i o ns t i rw e l d i n gi sa d v a n c e dt e c h n o l o g yw i t h d e v e l o pp o t e n t i a la n di n d u s t r ya p p l yf o r e g r o u n d ． K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l ；f r i c t i o ns t i rw e l d i n g ；r e v i e w ；v e h i c l ea n dw a t e r c r a f tm a n u f a c t u r e 万方数据