攪拌摩擦焊攪拌頭

運載火箭薄壁外貯箱。

鈦合金攪拌摩擦焊的攪拌頭。

攪拌摩擦焊攪拌頭工作中。

攪拌摩擦焊設備。

據(jù)來自航天科技集團的消息，航天科技集團某單位自主研發(fā)攪拌摩擦焊設備并成功用于我國新型大型運載火箭氧化劑和燃料貯箱的焊接。此外，兵器工業(yè)集團武漢重工集團近日也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。這標志著在經(jīng)歷了漫長積累之后，我國的攪拌摩擦焊技術迎來了突破性的發(fā)展。

攪拌摩擦焊的工作原理是一根安裝在主軸上的形狀特殊的（一般是蝸桿形式的）攪拌針在一定壓力下被旋轉著插入焊縫位置，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件的表面。此時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生嚴重的塑性變形，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(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。并且熔焊的高溫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(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)熔焊無法根治的問題；基于同樣的原因，攪拌摩擦焊不會產生高溫和有毒的氣體，對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(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械性能也比傳統(tǒng)熔焊工藝做出來的好得多。

而攪拌摩擦焊最大的優(yōu)勢莫過于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地計算出焊接熱及其引發(fā)的工件熱變形，從而為事前的補償和事后的糾正提供了幾乎不依賴操作者經(jīng)驗的定量的依據(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，攪拌摩擦焊設備的自動化也變得頗為容易，目前國內外都發(fā)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(jié)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局限性，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）；由于攪拌針要插入焊縫，焊接后必然留有一個小孔（近年來發(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上，并以很大的壓緊力壓緊，可能造成額外的變形；對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，使其在問世不久之后就成為了航空航天制造領域的新寵兒，被廣泛應用于大型薄壁結構的焊接領域。迄今為止，我國已經(jīng)發(fā)展了多種懸臂式和龍門式攪拌摩擦焊設備，攪拌針也實現(xiàn)了家族化和系列化。

此外，我國也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于我國的航空航天制造領域。

而此次武漢重工集團自主研發(fā)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。據(jù)介紹，這套設備采用移動式龍門結構，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(xiàn)了對直徑為10米、起飛重量超過3000噸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，大大提高了生產制造的效率和質量。