原標(biāo)題：央視節(jié)目里，這項(xiàng)我國(guó)積累了15年的技術(shù)終于井噴

2017年11月10日，中央電視臺(tái)科教頻道的《我愛(ài)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(kāi)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(wèn)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(wèn)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(guò)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(wèn)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(wèn)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?tīng)査�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——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杰作。

C-17運(yùn)輸機(jī)的載貨斜坡地板就是攪拌摩擦焊的杰作

我國(guó)在緊跟美國(guó)從英國(guó)引進(jìn)了攪拌摩擦焊技術(shù)之后，于2002年開(kāi)始了相關(guān)設(shè)備的自主研發(fā)。迄今為止，我國(guó)已經(jīng)發(fā)展了多種懸臂式和龍門(mén)式攪拌摩擦焊設(shè)備，攪拌針也實(shí)現(xiàn)了家族化和系列化。

如我國(guó)自主研發(fā)的第一臺(tái)攪拌摩擦焊設(shè)備的工作臺(tái)尺寸就達(dá)到了1500mm×920mm，最大焊接厚度為15mm，主軸的轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度都實(shí)現(xiàn)了無(wú)級(jí)調(diào)速——轉(zhuǎn)速范圍為100r/min至3000r/min，而進(jìn)給速度范圍則為0到1300mm/min；主軸的最大傾斜角為5°，現(xiàn)已成功應(yīng)用于多個(gè)國(guó)家重點(diǎn)型號(hào)的生產(chǎn)制造。

此外，我國(guó)也緊跟國(guó)際潮流，開(kāi)展了鈦合金攪拌摩擦焊設(shè)備與工藝等基礎(chǔ)性的預(yù)先研究，在多晶立方氮化硼(PCBN)攪拌針的生產(chǎn)工藝等關(guān)鍵與核心技術(shù)方面取得了不少進(jìn)展，目前我國(guó)正在試驗(yàn)的鈦合金攪拌摩擦焊的接頭強(qiáng)度可達(dá)母材的90%，有望在不久的將來(lái)服務(wù)于我國(guó)的航空航天制造領(lǐng)域。

我國(guó)自主研發(fā)的攪拌摩擦焊設(shè)備

而此次武漢重工集團(tuán)自主研發(fā)的新型設(shè)備則使得我國(guó)的攪拌摩擦焊設(shè)備水平站上了一個(gè)全新的高度。根據(jù)中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)官方微信公眾號(hào)介紹，這套設(shè)備采用移動(dòng)式龍門(mén)結(jié)構(gòu)，集自動(dòng)裝夾、定位、銑削和攪拌摩擦焊等多種功能為一體，實(shí)現(xiàn)了對(duì)直徑為10m，起飛重量超過(guò)3000t的重型運(yùn)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(chǎn)，大大提高了生產(chǎn)制造的效率和質(zhì)量。

更為可喜的是，我國(guó)的攪拌摩擦焊技術(shù)不僅能滿足國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)的需求，還實(shí)現(xiàn)了對(duì)外技術(shù)輸出。如中航工業(yè)北京制造工程研究所就為同為航空航天大國(guó)的某友好鄰邦提供了該國(guó)的第一套攪拌摩擦焊設(shè)備，這是該國(guó)經(jīng)歷重大變故20多年來(lái)首次獲得新型焊接技術(shù)，特別是在其飽受經(jīng)費(fèi)短缺和西方制裁之苦的大背景下，這一技術(shù)輸出可謂雪中送炭，解了友邦的燃眉之急。

展望未來(lái)，隨著我國(guó)航空航天制造事業(yè)的蓬勃發(fā)展，厚積薄發(fā)的攪拌磨檫焊技術(shù)必將獲得更為廣泛的應(yīng)用。特別是在我國(guó)還將該技術(shù)用在了高鐵車(chē)身的制造方面，成功實(shí)現(xiàn)了攪拌摩擦焊技術(shù)的軍轉(zhuǎn)民。在“軍民融合”上升為國(guó)家戰(zhàn)略，“中國(guó)制造2025”方興未艾的今天，源自于“軍”并將服務(wù)于“民”的攪拌摩擦焊技術(shù)將和諸多先進(jìn)制造技術(shù)一道，為早日把我國(guó)發(fā)展成為工業(yè)強(qiáng)國(guó)貢獻(xiàn)自己的力量。