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　　[文/ 科工力量專欄作者 高航]

　　2017年11月10日，中央電視臺(tái)科教頻道的《我愛發(fā)明》節(jié)目披露了航天科技集團(tuán)某單位自主研發(fā)攪拌摩擦焊設(shè)備并成功用于我國(guó)新型大型運(yùn)載火箭氧化劑和燃料貯箱的焊接；無(wú)獨(dú)有偶，中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)武漢重工集團(tuán)也于近日與航天科技集團(tuán)首都航天機(jī)械公司簽訂了重型運(yùn)載火箭大型薄壁貯箱的攪拌摩擦焊設(shè)備訂單。這標(biāo)志著在經(jīng)歷了15年的漫長(zhǎng)積累之后，我國(guó)的攪拌摩擦焊技術(shù)迎來(lái)了井噴式的發(fā)展。

　　攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding， FSW）是英國(guó)焊接技術(shù)研究所（The Welding Institute Ltd。， TWI）于1991年發(fā)明的新型焊接技術(shù)，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(zhuǎn)著插入焊縫位置，攪拌針的長(zhǎng)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(shí)由于工件與攪拌針和軸肩（主要是后者）摩擦生熱，焊縫附近的材料受熱產(chǎn)生嚴(yán)重的塑性變形，但是并不熔化，只是成為一種“半流體”的狀態(tài)，隨著主軸帶著攪拌針沿著焊縫走向進(jìn)給，攪拌針不斷把已經(jīng)處于熱塑性狀態(tài)的材料攪拌到身后，主軸離開后，這些材料冷卻固化，從而形成一條穩(wěn)定的焊縫。

　　眾所周知，以鋁合金和鎂合金為代表的輕質(zhì)合金是航空器和航天器的主要結(jié)構(gòu)材料之一。然而這些輕質(zhì)合金的可焊性都很差，傳統(tǒng)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(chǎn)生，需要靠操作者具有高超的技術(shù)和工藝才能保證焊接質(zhì)量。并且熔焊的高溫會(huì)產(chǎn)生大量熱量和有毒的煙氣，這對(duì)操作者的身體健康也是一大威脅。而攪拌摩擦焊的出現(xiàn)則從根本上解決了這些問題。

　　首先，由于攪拌摩擦焊的焊接溫度較低，被焊接的材料只是受熱軟化成為熱塑性狀態(tài)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(tǒng)熔焊無(wú)法根治的問題；基于同樣的原因，攪拌摩擦焊不會(huì)產(chǎn)生高溫和有毒的氣體，對(duì)操作者的健康和工作環(huán)境比傳統(tǒng)熔焊要友好得多；

　　其次，相較于傳統(tǒng)熔焊工藝在焊縫附近形成鑄造形態(tài)組織，攪拌摩擦焊由于主軸會(huì)給被焊接的工件施加一個(gè)很大的壓力，所以在焊縫附近得到的是鍛造形態(tài)組織，這種組織比鑄造形態(tài)組織致密得多，因而焊接后零件的機(jī)械性能也比傳統(tǒng)熔焊工藝做出來(lái)的好得多；

　　而攪拌摩擦焊最大的優(yōu)勢(shì)莫過于其本質(zhì)是把機(jī)械能轉(zhuǎn)化成焊接所需要的熱能，所以可以用特定的公式相當(dāng)準(zhǔn)確的計(jì)算出焊接熱及其引發(fā)的工件熱變形，從而為事前的補(bǔ)償和事后的糾正提供了幾乎不依賴操作者經(jīng)驗(yàn)的定量的依據(jù)，這是任何傳統(tǒng)焊接工藝都望塵莫及的；基于同樣的原因，攪拌摩擦焊設(shè)備的自動(dòng)化也變得頗為容易，目前國(guó)內(nèi)外都發(fā)展出了一系列攪拌摩擦焊設(shè)備和攪拌摩擦焊機(jī)器人；

　　此外，攪拌摩擦焊不需要焊料，這節(jié)約了不少成本，因?yàn)楦叨撕噶贤�往都是非常昂貴的。

　　當(dāng)然，攪拌摩擦焊也有不少局限性，如只適合焊接熔點(diǎn)相對(duì)較低的材料（如鋁合金、鎂合金或者銅合金）；由于攪拌針要插入焊縫，焊接后必然留有一個(gè)小孔（近年來(lái)發(fā)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臺(tái)上，并以很大的壓緊力壓緊，可能造成額外的變形；對(duì)于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。

　　由于攪拌摩擦焊的這些特點(diǎn)，使其在問世不久之后就成為了航空航天制造領(lǐng)域的新寵兒，被廣泛應(yīng)用于大型薄壁結(jié)構(gòu)的焊接領(lǐng)域。1998年，美國(guó)的波音公司從英國(guó)引進(jìn)了該項(xiàng)技術(shù)，并成功用于德爾塔和大力神火箭的貯箱焊接；無(wú)獨(dú)有偶，在波音公司研發(fā)生產(chǎn)的F-15戰(zhàn)斗機(jī)和C-17運(yùn)輸機(jī)上，攪拌摩擦焊技術(shù)也得到了不少應(yīng)用