中国兵器工业集团武汉重工集团也于近日与航天科技集团首都航天机械公司签订了重型运载火箭大型薄壁贮箱的搅拌摩擦焊设备订单。这标志着在经历了 15 年的漫长积累之后,我国的搅拌摩擦焊技术迎来了井喷式的发展。
 
搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding, FSW)是英国焊接技术研究所(The Welding Institute Ltd., TWI)于 1991 年发明的新型焊接技术,其原理如下图所示。
 
搅拌摩擦焊原理图
 
一根安装在主轴上的形状特殊的(一般是蜗杆形式的)搅拌针(Welding Pin)在一定压力下被旋转着插入焊缝位置,搅拌针的长度一般比焊缝深度略浅,以保证主轴的轴肩能紧贴被焊接工的件表面。此时由于工件与搅拌针和轴肩(主要是后者)摩擦生热,焊缝附近的材料受热产生严重的塑性变形,但是并不熔化,只是成为一种“半流体”的状态,随着主轴带着搅拌针沿着焊缝走向进给,搅拌针不断把已经处于热塑性状态的材料搅拌到身后,主轴离开后,这些材料冷却固化,从而形成一条稳定的焊缝。
 
众所周知,以铝合金和镁合金为代表的轻质合金是航空器和航天器的主要结构材料之一。然而这些轻质合金的可焊性都很差,传统的各种熔焊工艺都不可能从根本上杜绝热裂纹、气孔和夹渣等焊接缺陷的产生,需要靠操作者具有高超的技术和工艺才能保证焊接质量。并且熔焊的高温会产生大量热量和有毒的烟气,这对操作者的身体健康也是一大威胁。而搅拌摩擦焊的出现则从根本上解决了这些问题。
 
首先,由于搅拌摩擦焊的焊接温度较低,被焊接的材料只是受热软化成为热塑性状态而不熔化,所以搅拌摩擦焊能彻底解决热裂纹、气孔和夹渣等传统熔焊无法根治的问题;基于同样的原因,搅拌摩擦焊不会产生高温和有毒的气体,对操作者的健康和工作环境比传统熔焊要友好得多;
 
其次,相较于传统熔焊工艺在焊缝附近形成铸造形态组织,搅拌摩擦焊由于主轴会给被焊接的工件施加一个很大的压力,所以在焊缝附近得到的是锻造形态组织,这种组织比铸造形态组织致密得多,因而焊接后零件的机械性能也比传统熔焊工艺做出来的好得多;
 
而搅拌摩擦焊最大的优势莫过于其本质是把机械能转化成焊接所需要的热能,所以可以用特定的公式相当准确的计算出焊接热及其引发的工件热变形,从而为事前的补偿和事后的纠正提供了几乎不依赖操作者经验的定量的依据,这是任何传统焊接工艺都望尘莫及的;基于同样的原因,搅拌摩擦焊设备的自动化也变得颇为容易,目前国内外都发展出了一系列搅拌摩擦焊设备和搅拌摩擦焊机器人。
 
C-17 运输机的载货斜坡地板就是搅拌摩擦焊的杰作
 
我国在紧跟美国从英国引进了搅拌摩擦焊技术之后,于 2002 年开始了相关设备的自主研发。迄今为止,我国已经发展了多种悬臂式和龙门式搅拌摩擦焊设备,搅拌针也实现了家族化和系列化,现已成功应用于多个国家重点型号的生产制造。
 
此外,我国也紧跟国际潮流,开展了钛合金搅拌摩擦焊设备与工艺等基础性的预先研究,在多晶立方氮化硼(PCBN)搅拌针的生产工艺等关键与核心技术方面取得了不少进展,目前我国正在试验的钛合金搅拌摩擦焊的接头强度可达母材的 90%,有望在不久的将来服务于我国的航空航天制造领域。