航天工程是一項系統(tǒng)工程，是人類智慧的結(jié)晶，也是新材料和新型制造技術(shù)的前沿陣地，在眾多宇航制造技術(shù)中，連接技術(shù)一直是宇航結(jié)構(gòu)件的主要制造技術(shù)之一，迄今為止，主要的宇航連接技術(shù)有7 種，它們分別是：膠接、弧釬焊、電子束焊、攪拌摩擦焊、摩擦塞焊、激光焊。攪拌摩擦焊在美國和歐洲宇航工業(yè)中的成功應(yīng)用預(yù)示著攪拌摩擦焊在宇航領(lǐng)域具有巨大的潛在應(yīng)用背景和前景，攪拌摩擦焊為宇航制造業(yè)中輕合金的低成本、高效率和高質(zhì)量的連接提供了有效的途徑。因此，攪拌摩擦焊被業(yè)界公認為最有前途和最適合宇航材料連接的工藝技術(shù)之一。

　　

　　攪拌摩擦焊的前世今生

　　

　　1991年英國焊接研究所（TWI-The Welding Institute, Cambridge, UK）針對焊接性差的輕質(zhì)有色金屬開發(fā)出了攪拌摩擦焊(Friction Stir Welding，簡稱FSW）。

　　

　　1996年波音公司投資1500萬美元用于攪拌摩擦焊的研究開發(fā)及攪拌摩擦焊設(shè)備的設(shè)計與制造。

　　

　　1997年波音公司和英國焊接研究所合作對運載火箭上使用的材料和筒形結(jié)構(gòu)進行了系統(tǒng)的攪拌摩擦焊方法及技術(shù)研究。

　　

　　波音公司首先將攪拌摩擦焊應(yīng)用在Delta II 型運載火箭的中間艙段的連接制造，并于1999年8月成功發(fā)射升空。

　　

　　歐洲Fokker宇航公司生產(chǎn)的Ariane5號發(fā)動機承力框架的焊接采用攪拌摩擦焊技術(shù)。

　　

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　　攪拌摩擦焊在中國的那些事

　　

　　2002年北京航空制造工程研究所取得TWI公司的攪拌摩擦焊技術(shù)專利許可，與TWI合作成立了中國攪拌摩擦焊中心，至此，意味著攪拌摩擦焊技術(shù)正式登陸中國大地，并且開啟了攪拌摩擦焊技術(shù)在中國市場的騰飛和發(fā)展的大門。

　　

　　2002年9月，北京航空制造工程研究所注冊成立中國首家專業(yè)化的攪拌摩擦焊技術(shù)公司——北京賽福斯特技術(shù)有限公司。

　　

　　何為攪拌摩擦焊？

　　

　　攪拌摩擦焊是利用一種特殊攪拌頭，旋轉(zhuǎn)壓入被焊工件的界面，攪拌頭和被焊工件的摩擦使攪拌頭附件區(qū)域溫度升高，使得金屬熱塑化，當攪拌頭沿著焊接界面向前移動時，在攪拌頭高速旋轉(zhuǎn)及擠壓下，塑化的金屬向攪拌頭運動的反方向過渡，在熱-機聯(lián)合作用下，擴散連接形成致密的固相連接。

　　

　　

　　

　　攪拌摩擦焊有何優(yōu)勢？

　　

　　1）鋁合金由于質(zhì)輕通常被用作航空結(jié)構(gòu)件，但由于其焊接性差，任何熔焊都不能從根本上解決氣孔、熱裂紋等缺陷，攪拌摩擦焊的發(fā)明徹底解決了這一系列鋁合金焊接問題，傳統(tǒng)的熔焊或激光焊、電子束焊等特種焊接都無法解決此類問題。

　　

　　2）攪拌摩擦焊可以提升產(chǎn)品質(zhì)量和性能傳統(tǒng)的熔焊方法得到的焊接接頭通常為鑄態(tài)組織，攪拌摩擦焊接頭為致密的鍛造組織，攪拌摩擦焊接頭性能普遍優(yōu)于熔焊接頭，而且焊接變形小，因而可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。

　　

　　3）攪拌摩擦焊可以降低產(chǎn)品成本、提高生產(chǎn)效率 攪拌摩擦焊不需要填絲和保護氣，焊接過程無弧光輻射、無煙霧，是真正的綠色制造技術(shù)，在批量化產(chǎn)品制造中可以節(jié)省焊接成本和費用；同時攪拌摩擦焊是基于標準化機床設(shè)備的焊接技術(shù)，焊接過程不需要人工參與，生產(chǎn)效率高，焊接質(zhì)量穩(wěn)定性好。

　　

　　3）攪拌摩擦焊為工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計提供了新的思路和途徑由于攪拌摩擦焊本質(zhì)上是固相連接技術(shù)，不僅可以實現(xiàn)同種材料的連接，也可以實現(xiàn)異種材料的焊接，如鋁-鎂、鋁-銅、鋁-鋼等異種材料，甚至可以將不同狀態(tài)（如鑄態(tài)、鍛態(tài)、擠壓等）的材料焊接在一起。

　　

　　4）與旋轉(zhuǎn)摩擦焊、慣性摩擦焊、線性摩擦焊相比，攪拌摩擦焊不受軸類零件的限制，可用于板結(jié)構(gòu)的焊接，更加適用航天結(jié)構(gòu)件的焊接。

　　

　　總之，相比熔焊和普通摩擦焊，攪拌摩擦焊具有特殊優(yōu)勢，且易于實現(xiàn)工程化、工業(yè)自動化，屬于綠色制造且質(zhì)量穩(wěn)定可靠性好。又加之，近些年來計算機技術(shù)的高速發(fā)展，工業(yè)機器人的大量研發(fā)，機器人攪拌摩擦焊的出現(xiàn)為宇航制造業(yè)帶來了革命性的技術(shù)。基于攪拌摩擦焊的這些優(yōu)勢，因此，攪拌摩擦焊自1991年發(fā)明至今，在工業(yè)界得到了快速的發(fā)展和大規(guī)模的推廣和應(yīng)用。

　　

　　攪拌摩擦焊的特殊之處？

　　

　　攪拌摩擦焊的“心臟”—— 攪拌頭

　　

　　1）攪拌頭長度h略小于被焊件厚度或焊縫所需深度，且攪拌頭與焊縫有一定的夾角；

　　

　　2）良好的耐高溫力學(xué)；

　　

　　3）良好的耐磨損性能。

　　

　

　　

　　攪拌摩擦焊的熱源 —— 軸肩

　　

　　1）軸肩作用

　　

　　2）通過與工件表面間的摩擦，提供焊接熱源；

　　

　　3）提供一個封閉的焊接環(huán)境，以阻止高塑性軟化材料從軸肩溢出。

　　

　　“攪拌摩擦焊主要用于施焊哪些材料？

　　

　　鋁及其合金、鎂及其合金、鈦及其合金、異種金屬等材料、鋅合金、銅合金、鉛合金、金屬基復(fù)合材料、不銹鋼、低碳鋼、聚合物等

　　

　　

　　

　　“攪拌摩擦焊加工的主要產(chǎn)品系列？

　　

　　1）大型寬幅帶筋壁板

　　

　　主要領(lǐng)域：船舶（船舶單層帶筋壁板）、航空、軌道交通（列車單層帶筋壁板）、集裝箱

　　

　　2）液冷風(fēng)冷散熱器

　　

　　主要領(lǐng)域：電力、電子、能源、交通、化工、通信、雷達 IGBT模塊散熱器、晶閘管散熱器、液冷機箱

　　

　　3）筒體結(jié)構(gòu)件

　　

　　主要領(lǐng)域：電力化工、航空航天、封閉母線、高壓開關(guān)、油罐及管道、艙段、燃料儲箱

　　

　　4）其他結(jié)構(gòu)件

　　

　　主要領(lǐng)域：冶金、交通運輸、電氣機械、兵器等

　　

　　著名的那些攪拌摩擦焊設(shè)備

　　

　　美國制造系統(tǒng)技術(shù)公司（MTS）開發(fā)了兩臺液壓 驅(qū)動攪拌摩擦焊設(shè)備，其中一臺安裝在South Caroline 大學(xué)。該設(shè)備自1997年以來完成了 NASA 的 EPSCoR 研究開發(fā)項目。美國華盛頓西雅圖的 MCE 公司技術(shù)公司生產(chǎn)了商業(yè)化的攪拌摩擦焊設(shè)備，其中兩臺安裝在阿拉巴爾Huntsville 的馬歇爾宇航飛行中心（MSFC），主要用于 NASA航天飛機燃料筒體的焊接。

　　

　　美國Ohio州Cincinnati的通用工具公司（GTC）首次制造了帶有真空加緊裝置的攪拌摩擦焊設(shè)備，該設(shè)備主要用于航天運載火箭筒體的焊接。

　　

　　英國Halifax的CrawfordSwift公司在1999年為英國空中客車公司生產(chǎn)了一臺Powerstir型攪拌摩擦焊設(shè)備，該設(shè)備主要用于大型民用飛機機翼和機身的焊接，其中包括新型的A380大型客機。

　　

　　波音公司自1996年投資1500萬美元用于投資攪拌摩擦焊設(shè)備的設(shè)計和制造，主要用于宇航飛行器燃料筒體的焊接。

　　

　　歐洲瑞典Esab公司制造了龍門式攪拌摩擦焊設(shè)備，其中一臺安裝在英國焊接研究所，主要用于EuroStir  攪拌摩擦焊項目和其中秘密的軍方項目。

　　

　　自2002年以來，北京賽瑞斯特技術(shù)公司就開始研發(fā)攪拌摩擦焊設(shè)備，迄今，已開發(fā)設(shè)計出多個系列的攪拌摩擦焊接設(shè)備，應(yīng)用于我國航天航空、電子、船舶和高速列車等行業(yè)。

　　

　　“機器人攪拌摩擦焊在工業(yè)界的重要性

　　

　　全世界現(xiàn)役工業(yè)機器人大約有將近一半以上用于各種焊接生產(chǎn)。焊接機器人具有高效、質(zhì)量穩(wěn)定且通用性強等優(yōu)點。焊接過程的柔性化、自動化、智能化已成為先進焊接裝備的重要發(fā)展趨勢。焊接機器人在工業(yè)界的地位及作用有目共睹，大力發(fā)展焊接機器人已是勢不可擋的時代潮流。

　　

　　機器人攪拌摩擦焊技術(shù)優(yōu)勢

　　

　　重載工業(yè)機器人與先進的焊接主軸裝備的系統(tǒng)集成實現(xiàn)攪拌摩擦焊，將極大提升焊接作業(yè)柔性，適用于空間復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的批量化焊接制造，并進一步提升焊接自動化程度和生產(chǎn)效率。使用機器人攪拌摩擦焊焊接時，由于機器人柔性化程度高，焊接過程穩(wěn)定且無需人為干涉，因此，焊接質(zhì)量可以得到顯著提升，且有利于降低焊接生產(chǎn)成本。

　　

　　據(jù)國外統(tǒng)計機器人攪拌摩擦焊單件焊接成本比機器人氬弧焊低 20%，只有多軸攪拌摩擦焊設(shè)備焊接成本的一半。由此可見，采用機器人進行攪拌摩擦焊在大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)中具有顯著的成本優(yōu)勢。此外，機器人攪拌摩擦焊的主要技術(shù)優(yōu)勢有：綠色節(jié)能高效，焊接過程無污染；適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊接，如平面二維、空間三維等結(jié)構(gòu)；可匹配外部軸，自由擴展機器人工作空間；可實現(xiàn)多模式過程控制，如壓力控制、扭矩控制等；接頭質(zhì)量良好，焊接過程穩(wěn)定性好。（參考：中國航空報《應(yīng)重視發(fā)展機器人攪拌摩擦焊技術(shù)》）

　　

　　攪拌摩擦焊在航空航天工業(yè)上的應(yīng)用發(fā)展

　　

　　自1991年英國焊接研究所發(fā)明攪拌摩擦焊開始，美國和歐洲率先使此技術(shù)用于航天運載工具的焊接，從一定程度上解決了輕質(zhì)合金焊接性差的一系列問題。迄今為止，航空航天技術(shù)已是衡量一個國家國防實力乃至綜合國力的重要指標。越來越多的國家投入大量的資金來發(fā)展太空運輸工具，箭體材料呈輕質(zhì)、高強的發(fā)展方向，國外箭體材料已經(jīng)發(fā)展到第三代鋁鋰合金，其關(guān)鍵的連接技術(shù)已由最初的鎢極氬弧焊發(fā)展到攪拌摩擦焊，且已成功用于美國Delta系列，Atlas系列火箭筒體、航天飛機的高質(zhì)量焊接。日本三菱重工已經(jīng)開發(fā)出雙軸肩攪拌摩擦焊技術(shù)，并將其應(yīng)用于新型運載火箭 H-2B 貯箱的筒段的焊接。

　　

　　

　　

　　在航空領(lǐng)域，美國波音公司、英國空中客車公司等航空巨頭公司已在飛機結(jié)構(gòu)件上成功運用攪拌摩擦焊技術(shù)。美國大型軍用運輸機 C-17 的艙內(nèi)地板和載貨斜坡地板采用了攪拌摩擦焊技術(shù)；F-15戰(zhàn)斗機尾翼整流罩也采用了攪拌摩擦焊技術(shù)；空客公司采用攪拌摩擦焊對A430大型客機翼肋進行焊接；美國月蝕公司在 Eclipse-500 型商務(wù)飛機上采用攪拌摩擦焊技術(shù)全面替代了鉚釘連接結(jié)構(gòu)攪拌摩擦焊技術(shù)已成為飛機制造的關(guān)鍵技術(shù)之一。

　　

　　攪拌摩擦焊應(yīng)用前景

　　

　　攪拌摩擦焊在歐美等發(fā)達國家航空航天制造領(lǐng)域的工業(yè)化應(yīng)用得到突飛猛進的發(fā)展， 得益于在焊接機理及焊接工藝等基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的高度重視和全力投入。

　　

　　

　　

　　我國攪拌摩擦焊技術(shù)引進已有十余年，以北京中國航空工業(yè)集團公司北京航空制造工程研究所旗下全資子公司北京賽福斯特技術(shù)有限公司（中國攪拌摩擦焊中心）為代表，在攪拌摩擦焊領(lǐng)域已取得顯著成就。但攪拌摩擦焊在宇航領(lǐng)域的的工業(yè)化是一項龐大的系統(tǒng)工程，需要國家的大力支持和相關(guān)單位的大力合作才能縮小與歐美發(fā)達國家的差距。

　　

　　面對我國航空航天領(lǐng)域的高速發(fā)展，攪拌摩擦焊在未來幾年將迎來快速發(fā)展和應(yīng)用高峰，同時這也需要國家的扶持和千千萬萬焊接工作者的努力，為中國航空航天工業(yè)的發(fā)展貢獻力量。