前言

搅拌摩擦焊（FSW）是一种新型固相连接技术，由英国焊接研究所（TWI）于1991年发明，其优点在于焊接过程不需要填丝、不需要保护气、也不需要昂贵的专用供电设备。焊接过程无弧光、无辐射、无烟尘、无有毒气体、机械自动化程度高，并且对于操作者的要求不高。

基于FSW诸多优点，FSW已成功应用到航空、造船、高速列车、汽车等工业领域，而造船工业的应用主要在：甲板、侧板、船底外板、舷墙、防水壁板、地板、船体外壳和主要结构件、直升机降落平台、帆船桅杆及结构件、渔船用冷冻中空板等，其应用范围仍然在不断扩展。用搅拌摩擦焊来实现高集成度的预成型模块化制造船舶平板-加强件结构，是船舶制造领域革命性的进步。

在国外船舶制造领域，搅拌摩擦焊已得到了成功的应用。在挪威、日本以及澳大利亚已经有多个船舶制造公司利用搅拌摩擦焊技术来制造大型船舶铝合金结构件，这些预成型结构件一般为板材或挤压型材，实现了船舶结构的合理化和轻量化。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。

在中国，基于搅拌摩擦焊在焊接方法、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2002年4月，北京航空制造工程研究所与TWI在全面专利许可和技术合作基础上成立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又一块崭新的里程碑；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。

1搅拌摩擦焊原理

搅拌摩擦焊是利用特殊形状的搅拌头，旋转着插入被焊零件，然后沿着待焊零件的待焊界面移动，通过搅拌头对材料的摩擦，使处于热塑性状态的材料，在热和压力的联合作用下形成致密的固相接头;这就是搅拌摩擦焊的原理。

2船用铝合金材料的搅拌摩擦焊

搅拌摩擦焊适用于铝、镁、铜、锌、钛、铅等金属及其合金，使用FSW焊接铝合金，在焊接方法、接头性能和生产效率上具有其他焊接方法不可比拟的优越性。搅拌摩擦焊对于几乎所有系列的铝合金材料的焊接都很优秀。而对于船舶制造，因为5XXX系合金既有相当好的抗蚀性，又具有一定的强度与抗冲击性，因此船舶舰艇所用铝合金厚板当前使用最多的就是5083、5086、5456等铝合金。对于5XXX系列铝合金，搅拌摩擦焊的表现极其出色。以5083铝合金为例，FSW接头抗拉强度性能。

经过多年研究，目前搅拌摩擦焊可以焊接厚度为0.8~75mm的铝合金材料，焊接速度从5mm/min到2000mm/min，在厚板焊接的效率和质量方面，FSW具有其他焊接方法不可超越的优势。FSW可以实现对接、搭接、角接等多种结构形式的连接，其在轻合金结构件的制造中得到了越来越广泛的应用。

3利用搅拌摩擦焊制造壁板构件

铝合金具有比重和弹性模量小、耐腐蚀、易加工、无磁性和低温性能好等特点，非常适合用作造船，但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；弧焊易造成铝合金焊后变形大、耗材昂贵，并且对焊接操作者的要求高，使得铝合金的应用大打折扣。

搅拌摩擦焊在工业制造领域的成功应用为船舶制造中铝合金结构件的连接提供了最佳方案。

3.1型材拼接壁板结构件

挪威的Marine公司和Maritime公司对搅拌摩擦焊船用平板和型材拼接成大型壁板的生产流水线制造技术进行了开发研究；在挪威研究委员会的帮助下，Hydro、Kvaerner、DNV、SINTEF、以及挪威科学与技术大学合作,使搅拌摩擦焊在型材拼接成壁板技术的应用上实现了工程化。

铝合金挤压型材是市场上成熟的工业化产品，铝合金型材在船舶制造中的使用可以有效提高船舶制造的标准化、批量化和节省时间。

3.2搅拌摩擦焊预成形结构件应用

由于受到制造技术的限制，市场上的挤压型材的尺寸一般不会很大。结构件在船厂需要进一步的装配、固定以及适时拼接成形。对于船厂来说预制结构件的成形程度越高意味着船厂工作量的减少和装配时间的缩短。利用搅拌摩擦焊将小尺寸的铝合金型材连接成船舶制造所需要的大型预成形壁板构件，已成为轻合金船舶制造的主要手段。

在国外已利用搅拌摩擦焊实现了船用大型集成化预成形铝合金构件制造的批量化和工业化，通过对型材结构和制造成本的优化，尺寸为12.5m×2.8m的铝合金预成形结构件已经实现了批量化生产。越来越多的生产厂家要求尽可能宽的预成形板材，以减少船舶制造过程中的装配工作量。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13m×16m。

造船厂采用的标准尺寸铝合金预制型材，其连接都是通过搅拌摩擦焊。这些预制型材的应用使得造船厂不必再对一些周期要求严格的项目进行分包，也不会因为精度要求而影响最终装配。采用搅拌摩擦焊预制板材使船体装配过程更精确、更简单。造船厂的角色发生了转变，不再考虑全过程的铝合金连接问题，而仅仅是改造流水线来适应用标准的预制板材组装船体。

挪威Marine公司生产的双体快艇和巡航轮，从设计开始就大量采用了搅拌摩擦焊预成形（A）FSW预制板材用于游轮上层建筑部分(B)采用FSW预制板材制造船体的双体船结构件和模块，所采用的铝合金搅拌摩擦焊预制板占船体总用铝量的25％，通过采用搅拌摩擦焊预制板，使整船的生产成本降低了5％。

4搅拌摩擦焊设备

迄今，不同型号、不同用途的搅拌摩擦焊设备已经在航空、航天、高速列车、船舶以及汽车等工业领域得到广泛的应用。中国搅拌摩擦焊中心（CFSWC）已获得制造搅拌摩擦焊设备的专利许可，有能力设计并制造多种类型搅拌摩擦焊设备并提供相关技术支持。图7所示为中国搅拌摩擦焊中心为江苏镇江华东船舶工业学院制造的一台搅拌摩擦焊设备，这台设备具有4轴3坐标数控焊接功能，可以焊接长度为1000mm的平板结构件和直径为800mm筒形件，于2003年4月已交付华东船舶工业学院使用。

结论

(1)搅拌摩擦焊为现代船舶制造提供了新的连接方法，并且已经在船舶制造上得到成功应用。

(2)搅拌摩擦焊在船舶制造中可以提高质量、降低成本、缩短周期。

(3)随着对船舶结构的合理化和轻量化的重视，搅拌摩擦焊在现代船舶制造工业中的应用将进入更深更广的领