激光焊和搅拌摩擦焊在飞机铝合金结构焊接中的应用

    在航空领域，飞机结构的设计与制造始终围绕着一个核心目标——在保证性能的前提下实现结构减重。机身材料主要分为复合材料和金属材料，其中高强度铝合金凭借其良好的可回收性，在飞机制造中占据着举足轻重的地位。然而，传统的铆接工艺在飞机制造中逐渐暴露出诸多问题，如材料用量大、成本高、自动化改进空间有限等。为解决这些问题，激光焊（LBW）和搅拌摩擦焊（FSW）这两种先进的焊接工艺应运而生，为飞机铝合金结构的制造带来了新的思路和方法。

    一、飞机结构常用高强铝合金
    飞机结构中常用的高强铝合金种类繁多，既包括传统的铝合金，如AA2024（在T351状态下常用于机身蒙皮）、AA7075（T6511状态下用于桁条等结构部件）；也有新型铝合金，如AA6013与AA6110的组合适用于机身下部面板的激光焊接；AA2139是专为激光焊接开发的铝合金，焊接后接头性能能够达标；第三代Al-Li合金，像AA2198、AA2196等，具有密度低、强度高的特点，在飞机减重方面优势显著；Al-Mg-Sc合金强度和焊接性能良好；Al-Mg-Si合金焊接性良好，AA6013有望替代AA2024。

    二、机身铝合金结构焊接-激光焊（LBW）
    1.工艺原理与激光器
    激光焊具有能量密度高的特点，这使得它在焊接过程中变形小、强度高、焊接速度快，常采用深熔焊模式。在实际应用中，常用的激光器有固体激光器（如Nd:YAG激光器、CO2激光器）、光纤激光器、碟片激光器等。其中，光纤激光器在国内的应用较为广泛。
    2.焊接接头几何形状
    激光焊可实现多种接头形式，包括对接接头、T型接头等。不同的铝合金在焊接时，接头形状也会有所不同。
    3.不同铝合金焊接特性
    不同的铝合金在激光焊过程中展现出各异的特性。Al-Cu-Mg合金焊接时容易出现开裂现象，不过可以通过使用填充焊丝来改善；Al-Cu-Mg-Ag合金性能优良但成本较高，AA2139的焊接性良好；Al-Cu-Li合金激光焊接时容易出现孔隙和热裂纹，可通过填充焊丝等方法来改善；Al-Mg-Li合金密度低但延展性较差，焊接时存在裂纹问题，并且缺乏商用的填充焊丝；Al-Mg-Si合金激光焊时，使用AA4047填充焊丝可以抑制热裂纹，但会出现孔隙问题，采用高功率平顶光束激光器能够降低孔隙率；Al-Zn-Mg-Cu合金激光焊接时容易产生缺陷，锌的挥发会降低接头的硬度。

    三、铝合金搅拌摩擦焊（FSW）
    1.技术原理
    搅拌摩擦焊是一种固相连接技术，它通过旋转的搅拌头与工件之间的摩擦产生热量，同时使材料发生塑性变形，从而实现连接。这种焊接技术能够避免凝固缺陷，减少变形和残余应力。不过，它对工装的要求较高，并且接头的几何形状受到一定限制。
    2.接头结构
    在搅拌摩擦焊中，对接接头的应用最为广泛。对于T型接头，常规的搅拌摩擦焊很难获得全熔透且无缺陷的接头，而搭接接头在特定工艺下可以实现无表面缺陷。
    3.高强铝合金FSW焊接特性
    以Al-Cu-Mg合金为例，在搅拌摩擦焊接后，其强化相会发生溶解或粗化，从而导致硬度下降。

    四、激光焊VS搅拌摩擦焊
    1.微观组织
    激光焊接头的焊缝区是经过熔化再凝固形成的枝晶结构，其组织与母材存在较大差异；而搅拌摩擦焊的搅拌区则是通过动态再结晶形成细小的等轴晶，组织更加均匀细小。
    2.疲劳性能
    两种焊接工艺接头的疲劳强度与传统铆接相当。例如，激光焊的AA2198-AA2196T型接头疲劳强度比铆接的AA2024-AA7075接头高23%。然而，激光焊的焊缝区容易引发裂纹。
    3.接头结构
    搅拌摩擦焊适用于长距离的对接或搭接接头。传统的搅拌摩擦焊在焊接T型接头时，内角容易损伤蒙皮，而新型的静轴肩搅拌摩擦焊则可以改善这一问题。激光焊接在T型接头方面优势明显，它可以避免损伤蒙皮，并且能够实现复杂几何形状的焊接，尤其适用于新型高强铝合金。

    激光焊和搅拌摩擦焊在飞机铝合金结构焊接中都有着各自的特点和优势，它们的出现为飞机制造行业带来了技术革新，推动着航空领域不断向前发展。