央視節目裏，這項我國積累了15年的技術終於井噴-科工力量

【文/ 科工力量專欄作者 高航】

2017年11月10日，中央電視台科教頻道的《我愛發明》節目披露了航天科技集團某單位自主研發攪拌摩擦焊設備併成功用於我國新型大型運載火箭氧化劑和燃料貯箱的焊接；無獨有偶，中國兵器工業集團武漢重工集團也於近日與航天科技集團首都航天機械公司簽訂了重型運載火箭大型薄壁貯箱的攪拌摩擦焊設備訂單。這標誌着在經歷了15年的漫長積累之後，我國的攪拌摩擦焊技術迎來了井噴式的發展。

攪拌摩擦焊(Friction Stir Welding, FSW)是英國焊接技術研究所(The Welding Institute Ltd., TWI)於1991年發明的新型焊接技術，其原理如下圖所示。

攪拌摩擦焊原理圖

一根安裝在主軸上的形狀特殊的（一般是蝸桿形式的）攪拌針(Welding Pin)在一定壓力下被旋轉着插入焊縫位置，攪拌針的長度一般比焊縫深度略淺，以保證主軸的軸肩能緊貼被焊接工的件表面。此時由於工件與攪拌針和軸肩（主要是後者）摩擦生熱，焊縫附近的材料受熱產生嚴重的塑性變形，但是並不熔化，只是成為一種“半流體”的狀態，隨着主軸帶着攪拌針沿着焊縫走向進給，攪拌針不斷把已經處於熱塑性狀態的材料攪拌到身後，主軸離開後，這些材料冷卻固化，從而形成一條穩定的焊縫。

眾所周知，以鋁合金和鎂合金為代表的輕質合金是航空器和航天器的主要結構材料之一。然而這些輕質合金的可焊性都很差，傳統的各種熔焊工藝都不可能從根本上杜絕熱裂紋、氣孔和夾渣等焊接缺陷的產生，需要靠操作者具有高超的技術和工藝才能保證焊接質量。並且熔焊的高温會產生大量熱量和有毒的煙氣，這對操作者的身體健康也是一大威脅。而攪拌摩擦焊的出現則從根本上解決了這些問題。

首先，由於攪拌摩擦焊的焊接温度較低，被焊接的材料只是受熱軟化成為熱塑性狀態而不熔化，所以攪拌摩擦焊能徹底解決熱裂紋、氣孔和夾渣等傳統熔焊無法根治的問題；基於同樣的原因，攪拌摩擦焊不會產生高温和有毒的氣體，對操作者的健康和工作環境比傳統熔焊要友好得多；

其次，相較於傳統熔焊工藝在焊縫附近形成鑄造形態組織，攪拌摩擦焊由於主軸會給被焊接的工件施加一個很大的壓力，所以在焊縫附近得到的是鍛造形態組織，這種組織比鑄造形態組織緻密得多，因而焊接後零件的機械性能也比傳統熔焊工藝做出來的好得多；

而攪拌摩擦焊最大的優勢莫過於其本質是把機械能轉化成焊接所需要的熱能，所以可以用特定的公式相當準確的計算出焊接熱及其引發的工件熱變形，從而為事前的補償和事後的糾正提供了幾乎不依賴操作者經驗的定量的依據，這是任何傳統焊接工藝都望塵莫及的；基於同樣的原因，攪拌摩擦焊設備的自動化也變得頗為容易，目前國內外都發展出了一系列攪拌摩擦焊設備和攪拌摩擦焊機器人；

此外，攪拌摩擦焊不需要焊料，這節約了不少成本，因為高端焊料往往都是非常昂貴的。

當然，攪拌摩擦焊也有不少侷限性，如只適合焊接熔點相對較低的材料（如鋁合金、鎂合金或者銅合金）；由於攪拌針要插入焊縫，焊接後必然留有一個小孔（近年來發展的伸縮式攪拌頭可以解決此問題）；工件需要以很大的緊固力固定在工作台上，並以很大的壓緊力壓緊，可能造成額外的變形；對於異形焊縫的焊接速度較慢，攪拌針和軸肩材料損耗速度較快等等。

由於攪拌摩擦焊的這些特點，使其在問世不久之後就成為了航空航天製造領域的新寵兒，被廣泛應用於大型薄壁結構的焊接領域。1998年，美國的波音公司從英國引進了該項技術，併成功用於德爾塔和大力神火箭的貯箱焊接；無獨有偶，在波音公司研發生產的F-15戰鬥機和C-17運輸機上，攪拌摩擦焊技術也得到了不少應用——C-17的載貨斜坡地板和F-15的尾翼整流罩都是攪拌摩擦焊的傑作。

C-17運輸機的載貨斜坡地板就是攪拌摩擦焊的傑作

我國在緊跟美國從英國引進了攪拌摩擦焊技術之後，於2002年開始了相關設備的自主研發。迄今為止，我國已經發展了多種懸臂式和龍門式攪拌摩擦焊設備，攪拌針也實現了家族化和系列化。

如我國自主研發的第一台攪拌摩擦焊設備的工作台尺寸就達到了1500mm×920mm，最大焊接厚度為15mm，主軸的轉速和進給速度都實現了無級調速——轉速範圍為100r/min至3000r/min，而進給速度範圍則為0到1300mm/min；主軸的最大傾斜角為5°，現已成功應用於多個國家重點型號的生產製造。

此外，我國也緊跟國際潮流，開展了鈦合金攪拌摩擦焊設備與工藝等基礎性的預先研究，在多晶立方氮化硼(PCBN)攪拌針的生產工藝等關鍵與核心技術方面取得了不少進展，目前我國正在試驗的鈦合金攪拌摩擦焊的接頭強度可達母材的90%，有望在不久的將來服務於我國的航空航天製造領域。

我國自主研發的攪拌摩擦焊設備

而此次武漢重工集團自主研發的新型設備則使得我國的攪拌摩擦焊設備水平站上了一個全新的高度。根據中國兵器工業集團官方微信公眾號介紹，這套設備採用移動式龍門結構，集自動裝夾、定位、銑削和攪拌摩擦焊等多種功能為一體，實現了對直徑為10m，起飛重量超過3000t的重型運載火箭的超大型薄壁貯箱裝配焊接零部件的多種材料、多工位和多工序的智能化生產，大大提高了生產製造的效率和質量。

更為可喜的是，我國的攪拌摩擦焊技術不僅能滿足國內相關企業的需求，還實現了對外技術輸出。如中航工業北京製造工程研究所就為同為航空航天大國的某友好鄰邦提供了該國的第一套攪拌摩擦焊設備，這是該國經歷重大變故20多年來首次獲得新型焊接技術，特別是在其飽受經費短缺和西方制裁之苦的大背景下，這一技術輸出可謂雪中送炭，解了友邦的燃眉之急。

展望未來，隨着我國航空航天製造事業的蓬勃發展，厚積薄發的攪拌磨檫焊技術必將獲得更為廣泛的應用。特別是在我國還將該技術用在了高鐵車身的製造方面，成功實現了攪拌摩擦焊技術的軍轉民。在“軍民融合”上升為國家戰略，“中國製造2025”方興未艾的今天，源自於“軍”並將服務於“民”的攪拌摩擦焊技術將和諸多先進製造技術一道，為早日把我國發展成為工業強國貢獻自己的力量。

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