搅拌摩擦焊在船用铝合金结构中的应用

第３９卷第１期 ２０１０年２月

船海工程

ＳＨＩＰ＆ｏＣＥＡＮ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ

ＶｏＬ ３９ Ｎｏ．１ Ｆｅｂ．２０１０

ＤＯＩ：１０．３９６３／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１—７９５３．２０１０．０１．０１６

搅拌摩擦焊在船用铝合金结构中的应用

曾 平

（武汉船舶职业技术学院，武汉４３００５０）

摘 要：介绍搅拌摩擦焊的原理及特点，根据铝合金作为造船材料的优点，分析船用铝合金采用搅拌摩擦 焊的优势，探讨铝合金搅拌摩擦焊在船体结构中的应用，指ｆＩ｛今后搅拌摩擦焊技术的研究重点将是对搅拌头 进行改进与创新。

关键词：搅拌摩擦焊；船用铝合金；船体结构；应用

中图分类号：Ｕ６７１．８ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７１—７９５３（２０１０）Ｏ卜００５５一０３

造船业发展迅猛，船舶的轻量化越来越被重 视，铝合金在船舶上的应用口益广泛。铝合金材 料的传统连接方法为铆接和弧焊连接。铆接增加 了制造时间、人力和物料的使用量；铝合金弧焊则 需要添加大量价格昂贵的填允填料（即焊丝），而 且焊接变形大，易产生裂纹、气孔等缺陷，对焊工 的要求也较高。为此，寻找新的销合金材料高效 焊接ｊ二艺，是当前铝合金船舶建造亟须解决的问 题，搅拌摩擦焊的发明和发展为解决这一难题提 供了最佳方案。

１搅拌摩擦焊的原理及特点

搅拌摩擦焊ｒ１１是一种在机械力和摩擦热作用 下的固相连接方法。如图１所示，搅拌摩擦焊过

图１搅拌摩擦焊原理

程中，一个柱形带特殊轴肩和针凸的搅拌头旋转 着缓慢插入被焊接工件，搅拌头和被焊接材料之 间的摩擦剪切阻力产生了摩擦热，使搅拌头邻近

收稿日期：２００９－１２－１５ 修回日期：２０１０－０１—１２

作者简介：曾平（１９６１一），女，学士，副教授。

研究方向：船舶焊接技术。

Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｅｎｇｐｉｎ９９１ １＠１６３．ｔｏｍ

区域的材料热塑化（焊接温度一般不会达到和超 过被焊接材料的熔点），当搅拌头旋转着向前移动 时，热塑化的金属材料从搅拌头的前沿向后沿转 移，并且在搅拌头轴肩与工件表层摩擦产热和锻 压共同作用下，形成致密固相连接接头。

搅拌摩擦焊与普通弧焊相比拥有诸多独特的 优点。

１）固相焊接，不存在热裂纹和气孔等熔焊缺 陷；焊接过程不需要焊丝和保护气体，没有材料熔 化，可以实现任意位置焊接。

２）接头变形小、应力低，焊接质量优良，对铝 合金材料来说搅拌摩擦焊优于任何其他焊接方 法。

３）绿色环保，没有烟尘、飞溅和弧光辐射。

非常节能，能源消耗为普通焊接的１％～２０％。

４）容易实现自动焊，不需要特殊的技术培洲 和认证。

但是，搅拌摩擦焊目前尚存在局限性，如焊接 尾端通常存在“匙孔”；焊接过程需要较大的顶锻 力和驱动力；欠缺普通弧焊和手工焊所具备的过 程柔性。

２铝合金作为造船材料的优点

铝合金具有相对密度和弹性摸量小、耐腐蚀、

可焊接，易加工、无磁性和低温性能好等特点［２］，

用于造船，有如下优点。

１）船体自重减轻，可以增加载重量，提高营 运效率。

２）可减小发动机单机容量，节省燃油。

３）抗腐蚀性能好，使用年限长，能减少涂漆

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第１期 船海工程 第３９卷

等维修费用。

４）加工成形性能好，易于进行切割、冲压、冷 弯，成形和切削等各种形式的加工，适合船体的流 线化；町挤压出大型宽幅薄壁型材，减少焊缝数量 和使船体结构合理化；焊接性能好，能较容易地进 行焊接。

５）由于非磁性，罗盘不受影响；全铝船可以 避免水雷攻击，适合作扫雷艇；弹性模量小，吸收 冲击应力的能力大，有较大的安全性。

６）铝废料容易回收，可以循环使用，绿色环 保。

总之，使用铝合金作为造船材料，不但可以节 约资源和能源，保护环境，获得巨大的社会效益，

而且可以带来可观的经济效益。

３船用铝合金结构采用搅拌摩擦焊 的优势

搅拌摩擦焊在焊接过程中无金属熔化，属固 相焊接工艺。船用铝合金采用搅拌摩擦焊可以克 服其在熔焊时产生气孔、裂纹等缺陷且获得优良 的焊接接头。目前搅拌摩擦焊在船用铝合金的焊 接方面研究应用较多，几乎可以焊接所有系列的 铝合金材料［３］，已经成功地进行了搅拌摩擦焊的 铝合金材料包括２０００系列、５０００系列、６０００系 列、７０００系列、８０００系列等。对于异种材料的连 接，如２０２４／６０６１、２０４０／７０７５等不同牌号铝合金 材料，搅拌摩擦焊也具有较大的优越性，还可以实 现铝合金与铜合金、铝合金与镁合金等不同材料 的焊接。另外，搅拌摩擦焊与普通摩擦焊相比，因 不受轴类零件的限制，可焊接直焊缝、角焊缝。传 统焊接工艺焊接铝合金时要求对表面进行去除氧 化膜处理，并要求在４８ ｈ内进行焊接，而搅拌摩 擦焊工艺只要在焊前去除油污即呵，并对装配要 求不高。凶此，搅拌摩擦焊是船用铝合金结构首 选的连接技术。

４铝合金搅拌摩擦焊在船体结构中

的应用

国内各种中、小型高速船舶，如高速巡逻船、

缉私船、高速客船、高速穿浪双体船及高速小水线 面双体船、气垫船，等，其上层建筑、主船体结构均 采用铝合金材料。目前国内船厂在铝合金船舶的 制造上已开始采用搅拌摩擦焊技术并获得成功。

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４．１ 甲板、壁板、隔板等拼板的搅拌摩擦焊 在船体结构中的甲板、壁板、隔板等都是板一 板拼焊连接。在大连、武汉、上海、广州及广西等 多家造船厂已经采用搅拌摩擦焊对铝合金船体结 构的甲板、壁板、隔板等进行拼焊，船舶制造的总 体质量和生产效率明显提高。尤其是我国研制的 第一艘“双体穿浪艇”其宽幅铝合金壁板的拼焊成 功应用了搅拌摩擦焊技术，提升了我国的铝合金 船舶制造能力。

４．２宽幅铝合金型材的搅拌摩擦焊

对于铝合金船舶的内外肇板、甲板和上层建 筑等船体结构，焊接接头的没计主要考虑结构的 强度和重量，所以一般采用铝合金挤压剖材。由 于铝合金挤压型材受制造技术的局限其尺寸不会 很大，所以专业制造企业利用搅拌摩擦焊技术把 小尺寸的铝合金挤压型材连接成船体结构所需的 大型预成形壁板结构，最后在造船厂根据结构的 需要进一步装配、固定以及实时拼接成形。采用 搅拌摩擦焊实现高集成度的预成形模块化制造来 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。宽幅铝 合金型材的搅拌摩擦焊已经成为轻合金船舶制造 的主要手段。

宽幅铝合金型材的搅拌摩擦焊主要特点表现 在：①彻底解决ｒ铝合金焊接方法问题，船舶结构 设计不冉需要考虑材料、焊丝等兼容性Ｉ’Ⅱｊ题，甚至 可以把铝合会和钢合金、薄板和厚板、锻压板材和 铸造结构焊接在一起；②减少了船舶结构制造的 焊接１＿作量，实现了由现场制造方式向标准化的 车间流水线制造和现场装配方式过渡，船舶制造 的生产率大幅度提高；③由于搅拌摩擦焊的焊接 接头变形小、应力低，船体制造的装配更加精确和 容易且节省时间，使船舶的整体外形尺寸形面和 精度有质的飞跃；④宽幅铝合金型材可以根据船 体结构的需要向专门进行搅拌摩擦焊的工厂进行 预制及预汀，并与船厂的生产进度相衔接，既节省 了造船厂的场地，又节省了工时、设备、材料等，缩 短了整个船舶建造的周期，可为造船厂带来巨大 的经济效益。

４．３其他船舶构件中的搅拌摩擦焊

日本ＳＬＭ公司利用搅拌摩擦焊技术完成了 夹层结构件和海水防护平板的制造，后者由５块 宽２５０ ｍｌ－ｎ的５０８３一Ｈ１１２铝合金材料挤压型

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搅拌摩擦焊在船用铝合金结构中的应用——曾 平

材，用搅拌摩擦焊来制成１ ^{２５０ ｍｍＸ５００} ｍｍ的 船舱用海水防护壁板嘲。瑞典Ｓａｐａ公司利用搅 拌摩擦焊技术完成了渔船深度冷却需要的中空铝 合金壁板结构件的焊接，这些壁板由铝合金挤压 型材连接而成。澳大利亚Ａｄａｌａｉｄｅ大学与英国 ＴＷＩ合作开发了一种轻便的搅拌摩擦焊设备，用 于轻型高速海洋游船的曲面壁板的焊接，船体材 料为厚度５ｍｍ的５０８３一Ｈ３２１销合金板材。搅 拌摩擦焊由于其本身具有焊接变形小、制造重复 性高、稳定性好等特点成为这种刚性结构件制造 方法的首选。

５

结束语

搅拌摩擦焊作为一种新型的摩擦焊接方法，

在船用铝合金材料的连接中得到成功的应用。搅 拌摩擦焊技术目前尚存在局限性，搅拌头还需进 行改进与创新。随着搅拌摩擦焊技术日趋完善，

可采用搅拌摩擦焊的结构和部位会更多，其应用 将更加广泛，从而进一步提高铝合金船舶制造的 质量与水平。

参考文献

Ｅ１３栾国红．中国搅拌摩擦焊船舶制造已经扬帆起航［Ｊ］．

机械工人，２００７（２）：１７－２１．

［２３王珏．铝合金在造船中的应用与发展［Ｊ］．轻金属，

１９９４（４）：４９－５４．

［３］栾国红，南利辉，孙成彬，等．新型船舶制造技术——

搅拌摩擦焊［Ｊ］．热／ｍｌ－＿工艺，２００４（１）：５３－５５．

Ｔｈｅ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ Ｆｒｉｃｔｉｏｎ Ｓｔｉｒ

Ｗｅｌｄｉｎｇ

Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ

Ａｌｕｍｉｎｕｍ

ＺＥＮＧ Ｐｉｎｇ

（ＷｕｈａｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＳｈｉｐｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ４３００５０，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｓｔｉｒ ｗｅｌｄｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ^ｗｅｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆ ｔｈｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ｔｈｅａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌｌｏｙ ^{ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ}ｏｆｓｈｉｐ ｗｅｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ａｂｏｕｔ．Ｔｈｅ ａｕｔｈｏｒｐｏｉｎｔｅｄ ^ｏｕｔｔｈａｔ ｔｈｅ^ｒｅ－

ｓｅａｒｃｈ ｅｍｐｈａｓｉｓ ｏｆ ｆｒｉｃｔｉｏｎｓｔｉｒ ｗｅｌｄｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ ｉｓ ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｉｒｎｅｅｄｌｅ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｓｔｉｒ ｗｅｌｄｉｎｇ；ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙ ｉｎｓｈｉｐｂｕｉｌｄｉｎｇ；ｈｕｌｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ

（上接第５４页）

Ｏｐｔｉｍｕｍ

Ｆｒａｉｎｅｄ

Ｄｏｕｂｌｅ—ｈｕｌｌ Ｓａｎｄ Ｄｒｅｄｇｅ

ＹＡＮＨｕｉ－ｍｉｎｌ，ＬＩＰｅｉ－ｙｏｎ９１，ＹＡＮＧＨｕｉ－ｊｉｄ，ＷＡＮＧ^Ｍｉｎ３

（１ ＳｃｈｏｏｌｏｆＴｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ，Ｗｕｈａｎ ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ ４３００６３，Ｃｈｉｎａ；

２ＨｕｚｈｏｕＨａｒｂｏｒ ａｎｄＷａｔｅｒｗａｙ ＭａｎａｇｅｍｅｎｔＢｕｒｅａｕ，Ｈａｎｚｈｏｕ３１００１４，Ｃｈｉｎａ；

３ Ｈｏｎｇｑｉａｏ ＳｈｉｐＢｕｉｌｄｉｎｇ ａｎｄ Ｒｅｐａｉｒ Ｃｏ．Ｌｔｄ．，ＣｈｕｎＡｎＺｈｅｊｉａｎｇ^３１１７１５，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄｏｎ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｍｏｄａｌｉｎ ＡＮＳＹＳ，ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ_{ｄｅｓｉｇｎ}ｆｏｒｔｈｅｐｏｒｔａｌ^{ｆｒａｍｅｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅ}ｏｆ^ａｄｏｕｂ—

ｌｅ－ｈｕｌｌ ｓａｎｄ ｄｒｅｄｇｅ ｗａｓｏｐｔｉｍｉｚｅｄ．Ｔｈｅ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｒｔａｌ^{ｆｒａｍｅｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｔｈｅ}ｂｏｕｎｄａｒｙ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｂｙ ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇｔｈｅ ｃｒｏｓｓ－ｓｅｃｔｉｏｎ ｓｉｚｅｓｏｆｔｈｅｐｏｒｔａｌ ^{ｆｒａｍｅｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅ}ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ，ｔｈｅｗｅｉｇｈｔｏｆ ｔｈｅｐｏｒｔａｌ^{ｆｒａｍｅｄ}

ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｈａｄ ｂｅｅｎｄｅｃｒｅａｓｅｄｗｈｅｎ ｉｔ ｍｅｅｔｓ ｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｓｔｒｅｎｇｔｈ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｏｒｔａｌｆｒａｍｅｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ；ｄｏｕｂｌｅ－ｈｕｌｌ ｓａｎｄ ｄｒｅｄｇｅ

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万方数据

搅拌摩擦焊在船用铝合金结构中的应用

作者： 曾平， ZENG Ping

作者单位： 武汉船舶职业技术学院,武汉,430050

刊名： 船海工程

英文刊名： SHIP & OCEAN ENGINEERING 年，卷(期)： 2010,39(1)

被引用次数： 3次

参考文献(3条)

1.栾国红中国搅拌摩擦焊船舶制造已经扬帆起航[期刊论文]

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3.栾国红;南利辉;孙成彬新型船舶制造技术--搅拌摩擦焊[期刊论文]

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3.巴西航空工业公司.Embraer搅拌摩擦焊技术在巴西航空工业公司的应用[期刊论文]-航空制造技术2010(9) 4.徐春容.王世忠.徐蒋明.XU Chunrong.WANG Shizhong.XU Jiangming搅拌摩擦焊技术在核工业中的应用[期刊论 文]-热加工工艺2008,37(13)

5.董春林.栾国红.关桥.Dong Chunlin.LUAN Guohong.GUAN Qiao搅拌摩擦焊在航空航天工业的应用发展现状与前 景[期刊论文]-焊接2008(11)

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