攪拌摩擦焊在船舶制造工業(yè)中的應(yīng)用

前言

攪拌摩擦焊（FSW）是一種新型固相連接技術(shù)，由英國(guó)焊接研究所（TWI）于1991年發(fā)明，其優(yōu)點(diǎn)在于焊接過(guò)程不需要填絲、不需要保護(hù)氣、也不需要昂貴的專(zhuān)用供電設(shè)備。焊接過(guò)程無(wú)弧光、無(wú)輻射、無(wú)煙塵、無(wú)有毒氣體、機(jī)械自動(dòng)化程度高，并且對(duì)于操作者的要求不高。

基于FSW諸多優(yōu)點(diǎn)，F(xiàn)SW已成功應(yīng)用到航空、造船、高速列車(chē)、汽車(chē)等工業(yè)領(lǐng)域，而造船工業(yè)的應(yīng)用主要在：甲板、側(cè)板、船底外板、舷墻、防水壁板、地板、船體外殼和主要結(jié)構(gòu)件、直升機(jī)降落平臺(tái)、帆船桅桿及結(jié)構(gòu)件、漁船用冷凍中空板等，其應(yīng)用范圍仍然在不斷擴(kuò)展。用攪拌摩擦焊來(lái)實(shí)現(xiàn)高集成度的預(yù)成型模塊化制造船舶平板-加強(qiáng)件結(jié)構(gòu)，是船舶制造領(lǐng)域革命性的進(jìn)步。

在國(guó)外船舶制造領(lǐng)域，攪拌摩擦焊已得到了成功的應(yīng)用。在挪威、日本以及澳大利亞已經(jīng)有多個(gè)船舶制造公司利用攪拌摩擦焊技術(shù)來(lái)制造大型船舶鋁合金結(jié)構(gòu)件，這些預(yù)成型結(jié)構(gòu)件一般為板材或擠壓型材，實(shí)現(xiàn)了船舶結(jié)構(gòu)的合理化和輕量化。利用攪拌摩擦焊可以使船舶制造的裝配更加精確、容易以及節(jié)省時(shí)間，從而使船舶制造由零件的制造裝配轉(zhuǎn)變?yōu)榇凹装逡约皻んw的預(yù)成型結(jié)構(gòu)件的裝配。

在中國(guó)，基于攪拌摩擦焊在焊接方法、力學(xué)性能、制造成本以及環(huán)境等方面的巨大優(yōu)越性和潛在的工業(yè)應(yīng)用前景，在2002年4月，北京航空制造工程研究所與TWI在全面專(zhuān)利許可和技術(shù)合作基礎(chǔ)上成立的中國(guó)攪拌摩擦焊中心，標(biāo)志著攪拌摩擦焊事業(yè)在中國(guó)的正式開(kāi)始，是中國(guó)焊接技術(shù)發(fā)展史上又一塊嶄新的里程碑；預(yù)計(jì)在不遠(yuǎn)的將來(lái)，攪拌摩擦焊在中國(guó)的船舶制造業(yè)中會(huì)有廣泛的應(yīng)用。

1攪拌摩擦焊原理

攪拌摩擦焊是利用特殊形狀的攪拌頭，旋轉(zhuǎn)著插入被焊零件，然后沿著待焊零件的待焊界面移動(dòng)，通過(guò)攪拌頭對(duì)材料的摩擦，使處于熱塑性狀態(tài)的材料，在熱和壓力的聯(lián)合作用下形成致密的固相接頭;這就是攪拌摩擦焊的原理。

2船用鋁合金材料的攪拌摩擦焊

攪拌摩擦焊適用于鋁、鎂、銅、鋅、鈦、鉛等金屬及其合金，使用FSW焊接鋁合金，在焊接方法、接頭性能和生產(chǎn)效率上具有其他焊接方法不可比擬的優(yōu)越性。攪拌摩擦焊對(duì)于幾乎所有系列的鋁合金材料的焊接都很優(yōu)秀。而對(duì)于船舶制造，因?yàn)?XXX系合金既有相當(dāng)好的抗蝕性，又具有一定的強(qiáng)度與抗沖擊性，因此船舶艦艇所用鋁合金厚板當(dāng)前使用最多的就是5083、5086、5456等鋁合金。對(duì)于5XXX系列鋁合金，攪拌摩擦焊的表現(xiàn)極其出色。以5083鋁合金為例，F(xiàn)SW接頭抗拉強(qiáng)度性能。

經(jīng)過(guò)多年研究，目前攪拌摩擦焊可以焊接厚度為0.8~75mm的鋁合金材料，焊接速度從5mm/min到2000mm/min，在厚板焊接的效率和質(zhì)量方面，F(xiàn)SW具有其他焊接方法不可超越的優(yōu)勢(shì)。FSW可以實(shí)現(xiàn)對(duì)接、搭接、角接等多種結(jié)構(gòu)形式的連接，其在輕合金結(jié)構(gòu)件的制造中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

3利用攪拌摩擦焊制造壁板構(gòu)件

鋁合金具有比重和彈性模量小、耐腐蝕、易加工、無(wú)磁性和低溫性能好等特點(diǎn)，非常適合用作造船，但鋁合金材料的傳統(tǒng)連接方法為鉚接和弧焊連接，鉚接增加了制造時(shí)間、人力和物料的使用量；弧焊易造成鋁合金焊后變形大、耗材昂貴，并且對(duì)焊接操作者的要求高，使得鋁合金的應(yīng)用大打折扣。

攪拌摩擦焊在工業(yè)制造領(lǐng)域的成功應(yīng)用為船舶制造中鋁合金結(jié)構(gòu)件的連接提供了最佳方案。

3.1型材拼接壁板結(jié)構(gòu)件

挪威的Marine公司和Maritime公司對(duì)攪拌摩擦焊船用平板和型材拼接成大型壁板的生產(chǎn)流水線(xiàn)制造技術(shù)進(jìn)行了開(kāi)發(fā)研究；在挪威研究委員會(huì)的幫助下，Hydro、Kvaerner、DNV、SINTEF、以及挪威科學(xué)與技術(shù)大學(xué)合作，使攪拌摩擦焊在型材拼接成壁板技術(shù)的應(yīng)用上實(shí)現(xiàn)了工程化。

鋁合金擠壓型材是市場(chǎng)上成熟的工業(yè)化產(chǎn)品，鋁合金型材在船舶制造中的使用可以有效提高船舶制造的標(biāo)準(zhǔn)化、批量化和節(jié)省時(shí)間。

3.2攪拌摩擦焊預(yù)成形結(jié)構(gòu)件應(yīng)用

由于受到制造技術(shù)的限制，市場(chǎng)上的擠壓型材的尺寸一般不會(huì)很大。結(jié)構(gòu)件在船廠需要進(jìn)一步的裝配、固定以及適時(shí)拼接成形。對(duì)于船廠來(lái)說(shuō)預(yù)制結(jié)構(gòu)件的成形程度越高意味著船廠工作量的減少和裝配時(shí)間的縮短。利用攪拌摩擦焊將小尺寸的鋁合金型材連接成船舶制造所需要的大型預(yù)成形壁板構(gòu)件，已成為輕合金船舶制造的主要手段。

在國(guó)外已利用攪拌摩擦焊實(shí)現(xiàn)了船用大型集成化預(yù)成形鋁合金構(gòu)件制造的批量化和工業(yè)化，通過(guò)對(duì)型材結(jié)構(gòu)和制造成本的優(yōu)化，尺寸為12.5m×2.8m的鋁合金預(yù)成形結(jié)構(gòu)件已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了批量化生產(chǎn)。越來(lái)越多的生產(chǎn)廠家要求盡可能寬的預(yù)成形板材，以減少船舶制造過(guò)程中的裝配工作量。目前用于雙體快船側(cè)板制造的攪拌摩擦焊預(yù)成形結(jié)構(gòu)件的尺寸已經(jīng)達(dá)到13m×16m。

造船廠采用的標(biāo)準(zhǔn)尺寸鋁合金預(yù)制型材，其連接都是通過(guò)攪拌摩擦焊。這些預(yù)制型材的應(yīng)用使得造船廠不必再對(duì)一些周期要求嚴(yán)格的項(xiàng)目進(jìn)行分包，也不會(huì)因?yàn)榫纫蠖绊懽罱K裝配。采用攪拌摩擦焊預(yù)制板材使船體裝配過(guò)程更精確、更簡(jiǎn)單。造船廠的角色發(fā)生了轉(zhuǎn)變，不再考慮全過(guò)程的鋁合金連接問(wèn)題，而僅僅是改造流水線(xiàn)來(lái)適應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)制板材組裝船體。

挪威Marine公司生產(chǎn)的雙體快艇和巡航輪，從設(shè)計(jì)開(kāi)始就大量采用了攪拌摩擦焊預(yù)成形（A）FSW預(yù)制板材用于游輪上層建筑部分(B)采用FSW預(yù)制板材制造船體的雙體船結(jié)構(gòu)件和模塊，所采用的鋁合金攪拌摩擦焊預(yù)制板占船體總用鋁量的25％，通過(guò)采用攪拌摩擦焊預(yù)制板，使整船的生產(chǎn)成本降低了5％。

4攪拌摩擦焊設(shè)備

迄今，不同型號(hào)、不同用途的攪拌摩擦焊設(shè)備已經(jīng)在航空、航天、高速列車(chē)、船舶以及汽車(chē)等工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。中國(guó)攪拌摩擦焊中心（CFSWC）已獲得制造攪拌摩擦焊設(shè)備的專(zhuān)利許可，有能力設(shè)計(jì)并制造多種類(lèi)型攪拌摩擦焊設(shè)備并提供相關(guān)技術(shù)支持。圖7所示為中國(guó)攪拌摩擦焊中心為江蘇鎮(zhèn)江華東船舶工業(yè)學(xué)院制造的一臺(tái)攪拌摩擦焊設(shè)備，這臺(tái)設(shè)備具有4軸3坐標(biāo)數(shù)控焊接功能，可以焊接長(zhǎng)度為1000mm的平板結(jié)構(gòu)件和直徑為800mm筒形件，于2003年4月已交付華東船舶工業(yè)學(xué)院使用。

結(jié)論

(1)攪拌摩擦焊為現(xiàn)代船舶制造提供了新的連接方法，并且已經(jīng)在船舶制造上得到成功應(yīng)用。

(2)攪拌摩擦焊在船舶制造中可以提高質(zhì)量、降低成本、縮短周期。

(3)隨著對(duì)船舶結(jié)構(gòu)的合理化和輕量化的重視，攪拌摩擦焊在現(xiàn)代船舶制造工業(yè)中的應(yīng)用將進(jìn)入更深更廣的領(lǐng)。