金屬中，由于質(zhì)量較輕，鋁和鎂常常被用于航天航空器的結(jié)構(gòu)中。然而，這些輕質(zhì)金屬的合金可焊接性極差，用普通的熔焊工藝進(jìn)行焊接，很容易出現(xiàn)熱裂紋、氣孔和夾渣等缺陷。縱使高超的技術(shù)和工藝可以降低焊接缺陷產(chǎn)生的概率，但熔焊時(shí)高溫帶來(lái)的熱量和毒煙，對(duì)操作者的健康也會(huì)是巨大的威脅。

    （一）攪拌摩擦焊是什么？

    說(shuō)起焊接，首先讓人想起的大多是高溫、火花四濺、保護(hù)頭盔，還有保護(hù)氣體等等。焊接作為一種常見的工件連接技術(shù)，能夠?qū)煞N或兩種以上同種或異種材料通過(guò)原子或分子之間的結(jié)合和擴(kuò)散連接成一體。

    （生活中常見的焊接作業(yè)場(chǎng)面）

    與常規(guī)摩擦焊類似，攪拌摩擦焊也是利用摩擦熱與塑性變形熱作為焊接熱源。

    常規(guī)摩擦焊焊接過(guò)程中材料在壓力作用下相互摩擦（工件做回轉(zhuǎn)、線性等形式的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，摩擦產(chǎn)生熱量），摩擦熱使得焊接的接觸端面上很快形成熱塑性層，接觸面及附近區(qū)域溫度上升，在頂鍛壓力的作用下，界面處的材料產(chǎn)生塑性變形及流動(dòng)，最終形成了質(zhì)量良好的焊接接頭。

    而攪拌摩擦焊在焊接過(guò)程中，被焊接工件之間不做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，摩擦熱是由攪拌針伸入工件的接縫處通過(guò)焊接工具的焊頭做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使其與焊接工件材料產(chǎn)生摩擦。

    （攪拌摩擦焊原理示意圖，焊接過(guò)程可簡(jiǎn)化為旋轉(zhuǎn)-插入-塑化-焊接）

    焊接過(guò)程中，攪拌針高速旋轉(zhuǎn)并在壓力作用下插入材料內(nèi)部進(jìn)行攪拌摩擦生熱，同時(shí)焊頭的肩部與工件表面摩擦生熱，焊頭邊高速旋轉(zhuǎn)邊沿工件的接縫方向與工件發(fā)生相對(duì)移動(dòng)，于是焊頭前面的材料發(fā)生強(qiáng)烈塑性變形，隨著焊頭沿著焊縫走向移動(dòng)，高度塑性變形的材料不斷被攪拌針攪拌到背后，在主軸離開后，熱塑性狀態(tài)的材料冷卻固化，從而形成一條攪拌摩擦焊的焊縫。

    攪拌摩擦焊的技術(shù)原理并不復(fù)雜，需要控制的參數(shù)也不多，不過(guò)這并不代表攪拌摩擦焊設(shè)備沒(méi)有技術(shù)難度，實(shí)際上，焊接設(shè)備及夾具的剛性對(duì)攪拌摩擦焊是極端重要的，對(duì)大型工件的焊接而言尤甚。

    摩擦焊技術(shù)焊接質(zhì)量穩(wěn)定、焊件尺寸精度高、焊接生產(chǎn)率高、適于焊接異種金屬、易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化，而攪拌摩擦焊具備常規(guī)摩擦焊的全部?jī)?yōu)點(diǎn)，并且適用面更廣，可以進(jìn)行多種接頭形式和不同焊接位置的連接。

    攪拌摩擦焊基本上可以焊接所有傳統(tǒng)的熔焊能夠焊接的金屬，并且對(duì)于許多熔化焊接性能差的金屬，例如：鋁合金、鈦合金、銅合金等，也能實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的焊接，工業(yè)應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿V泛。

    （多種多樣的攪拌摩擦焊接頭形式）

    （二）攪拌摩擦焊有什么用？

    攪拌摩擦焊作為一種新型焊接方法，出現(xiàn)的時(shí)間相對(duì)較晚（1991年英國(guó)焊接研究所發(fā)明），卻神奇地在十多年的時(shí)間內(nèi)成功完成了從發(fā)明到工業(yè)化應(yīng)用的歷程，在航天、航空、車輛、造船等行業(yè)得到大量應(yīng)用。

    以航空航天應(yīng)用為例，文章開頭我們已經(jīng)提到，輕質(zhì)金屬的合金可焊性極差，且焊接過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量熱和毒煙，這給航空航天器件的品質(zhì)以及焊接操作人員的身體健康帶來(lái)巨大威脅，而攪拌摩擦焊可以很好地解決這些問(wèn)題。

    攪拌摩擦焊的焊接溫度較低，焊接過(guò)程中材料只是被加熱軟化為熱塑性狀態(tài)而不是熔化，所以也就避免了被焊接材料因熔化導(dǎo)致的熱裂紋、氣孔和夾渣等傳統(tǒng)熔焊問(wèn)題。

    同時(shí)，焊接過(guò)程中無(wú)填充焊接材料參與，焊接變形也就得到了緩解。

    而且，焊接過(guò)程中不產(chǎn)生高溫，也就沒(méi)有有毒氣體，更不會(huì)像其他焊接方法那樣有焊接煙塵和飛濺，對(duì)操作者的身體健康和焊接工作環(huán)境而言，都比傳統(tǒng)熔焊要友好。

 （攪拌摩擦焊焊接的金屬工件，焊縫端頭的鍵孔是焊接結(jié)束攪拌探頭提出工件后形成的）

（鋁合金/鋼的對(duì)接熔釬焊在焊縫處產(chǎn)生的氣孔）

    由于避免了人為因素的影響，攪拌摩擦焊所獲得的焊接件可靠性是任何傳統(tǒng)焊接工藝都無(wú)法匹及的。而且，攪拌摩擦焊技術(shù)能夠提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，進(jìn)一步提升航空航天工業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益空間。

    從1991年誕生開始，該技術(shù)就被美國(guó)和歐洲的航空巨頭引進(jìn)，并且率先用于航空航天運(yùn)載工具的焊接上。更有甚者，美國(guó)一家飛機(jī)制造公司直接投資3億美元用于全攪拌摩擦焊飛機(jī)的開發(fā)和研制，用攪拌摩擦焊全面替代鉚釘連接結(jié)構(gòu)。

 （ Eclipse 500型商用噴氣客機(jī)的攪拌摩擦焊焊接構(gòu)件之一）

    現(xiàn)今凡是應(yīng)用中涉及鋁、鎂等輕合金結(jié)構(gòu)的連接，攪拌摩擦焊基本上成為了優(yōu)選或必選方案，其應(yīng)用部位也從早先的從非承力、次承力結(jié)構(gòu)慢慢拓展到了關(guān)鍵承力結(jié)構(gòu)的應(yīng)用上。

    （三）中國(guó)的攪拌摩擦焊發(fā)展得怎么樣？

    攪拌摩擦焊在國(guó)外的規(guī)模化、工業(yè)化應(yīng)用普及較早，上世紀(jì)九十年代就有諸多制造領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用范例。

    中國(guó)的攪拌摩擦焊技術(shù)研究和工程化應(yīng)用開始于1996年，其后在2002年4月，北京航空制造研究所從英國(guó)焊接研究所獲得了正式的專利許可，攪拌摩擦焊正式登陸中國(guó)。

    而后，中國(guó)自主研發(fā)的第一臺(tái)攪拌摩擦焊設(shè)備成功應(yīng)用于東風(fēng)導(dǎo)彈、火箭貯箱等多個(gè)國(guó)家重點(diǎn)型號(hào)的生產(chǎn)制造中，設(shè)備技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，工作臺(tái)尺寸1500mm×920mm，最大焊接厚度15mm，主軸的轉(zhuǎn)速（100r/min-3000r/min），主軸進(jìn)給速度（0-1300mm/min）。

（中國(guó)自主研發(fā)的攪拌摩擦焊設(shè)備）

（針對(duì)新能源汽車零部件制造的機(jī)器人攪拌摩擦焊系統(tǒng)）

    迄今為止，中國(guó)已經(jīng)發(fā)展了多種懸臂式和龍門式攪拌摩擦焊設(shè)備，此外，在被稱為攪拌摩擦焊心臟的攪拌針的制造方面，中國(guó)也實(shí)現(xiàn)了家族化和系列化。

（攪拌摩擦焊心臟：攪拌針）

    隨著中國(guó)航空航天制造事業(yè)的蓬勃發(fā)展，攪拌摩擦焊技術(shù)有了更廣闊的用武之地，攪拌摩擦焊也為新能源汽車制造、高鐵列車車身的制造等新制造領(lǐng)域提供了動(dòng)力。

    而更為可貴的是，中國(guó)的攪拌摩擦焊技術(shù)也從當(dāng)年的技術(shù)進(jìn)口國(guó)轉(zhuǎn)變?yōu)榱思夹g(shù)出口國(guó)，新型焊接技術(shù)有效地解決了友邦經(jīng)費(fèi)短缺和西方制裁的燃眉之急。

    結(jié)語(yǔ)

    攪拌摩擦焊的發(fā)明使得鎂、鋁基輕合金的連接有了革命性的變化，其推廣應(yīng)用也給中國(guó)的工業(yè)制造提供了巨大的推動(dòng)力。展望未來(lái)，攪拌摩擦焊技術(shù)將和諸多先進(jìn)制造技術(shù)一道為中國(guó)發(fā)展成為工業(yè)強(qiáng)國(guó)貢獻(xiàn)自己的力量。

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