美國用它建成世界最大焊接中心，中國用它做C919,這項技術今天要爆發！——摩擦攪拌焊

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在人類的活動與生活中，

焊接是一個最重要的連接技術，

沒有之一。

無論是道路、橋樑、公共建築等大型基礎設施，

還是與我們日常息息相關的汽車、高鐵、家用廚具等等，

焊接是金屬材料的連接最為常見的一種方式。

拿汽車製造來講

焊裝車間是四大工藝車間之一

而焊裝車間最為常用的焊接方式為弧焊、電阻焊、激光焊

▲汽車製造的焊裝車間

當然，這三種方式的前提是鋼板，

我們知道，鋼鐵是目前應用最為廣泛的一種金屬材料。

可是，隨著技術的進步與節能環保的壓力，

以鋁合金和鎂合金為代表的輕質合金

以其較大的強度重量比，

正在逐漸從航空器和航天器領域

加速推廣到汽車、高鐵等領域。

然而，這些輕質合金的可焊性都很差，

傳統的各種熔焊工藝

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。

那麼對於輕質合金，是否有新的焊接工藝？

2017年11月10日，

中央電視台科教頻道的《我愛發明》節目

披露了航天科技集團某單位自主研發攪拌摩擦焊設備

並成功用於我國新型大型運載火箭氧化劑和燃料貯箱的焊接；

無獨有偶，中國兵器工業集團武漢重工集團

也於近日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。

▲FSW摩擦攪拌焊

這標誌著在經歷了15年的漫長積累之後，

我國的攪拌摩擦焊技術迎來了井噴式的發展。

攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding， FSW）

是英國焊接技術研究所於1991年發明的新型焊接技術。

它是利用工件端面相互運動、相互摩擦所產生的熱，

使端部達到熱塑性狀態，然後迅速頂鍛而完成焊接的一種方法。

▲摩擦攪拌焊原理圖

一根安裝在主軸上的形狀特殊的攪拌針（Welding Pin）

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的件表面。

▲摩擦攪拌焊攪拌頭機械結構

此時由於工件與攪拌針和軸肩（主要是後者）摩擦生熱，

焊縫附近的材料受熱產生嚴重的塑性變形，

但是並不熔化，只是成為一種「半流體」的狀態，

隨著主軸帶著攪拌針沿著焊縫走向進給，

攪拌針不斷把已經處於熱塑性狀態的材料攪拌到身後，

主軸離開後，這些材料冷卻固化，

從而形成一條穩定的焊縫。

▲摩擦攪拌焊焊接過程原理

在整個焊接過程，

摩擦攪拌焊具有自己獨特的優點。

首先，由於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、氣孔和夾渣等傳統熔焊無法根治的問題；基於同樣的原因，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境比傳統熔焊要友好得多；

▲C-17運輸機的載貨斜坡地板就是攪拌摩擦焊的傑作

其次，相較於傳統熔焊工藝在焊縫附近形成鑄造形態組織，攪拌摩擦焊由於主軸會給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組織，這種組織比鑄造形態組織緻密得多，因而焊接後零件的機械性能也比傳統熔焊工藝做出來的好得多；

▲摩擦攪拌焊的有限元分析

攪拌摩擦焊最大的優勢莫過於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的計算出焊接熱及其引發的工件熱變形，從而為事前的補償和事後的糾正提供了幾乎不依賴操作者經驗的定量的依據，這是任何傳統焊接工藝都望塵莫及的

▲中國自主研發的攪拌摩擦焊焊頭

如前所屬，1991年摩擦攪拌焊由英國人發明，

發明之後，迅速吸引各主要工業國家的眼球。

1998年，美國的波音公司從英國引進了該項技術，

並成功用於德爾塔和大力神火箭的貯箱焊接；

無獨有偶，在波音公司研發生產的F-15戰鬥機和C-17運輸機上，

攪拌摩擦焊技術也得到了不少應用

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傑作。

▲美國NASA垂直裝配中心

2014年，美國向世人公布了

位於新奧爾良密喬零件裝配廠的垂直裝配中心

即Vertical Assembly Center，簡稱為VAC.

該中心為世界最大的焊接裝配中心

這裡焊接方式即為摩擦攪拌焊

NASA垂直裝配中心視頻 ↓↓↓

https://www.zhihu.com/video/923278084776554496

中國緊跟美國，於2002從英國引進了攪拌摩擦焊技術之後，

並逐漸開始了相關設備的自主研發。

迄今為止，我國已經發展了多種懸臂式和龍門式攪拌摩擦焊設備，

攪拌針也實現了家族化和系列化。

2017年5月5日，

C919首飛，國人沸騰。

可是，大多數人不知道的是

C919背後就離不開摩擦攪拌焊重要的技術支撐。

從2009年開始，

整個C919研製過程中，

中航工業賽福斯特公司分別與上海飛機設計院、

上海飛機製造廠合作，

開展了一系列鋁鋰合金飛機機身帶筋壁板的攪拌摩擦焊技術攻關

2011年，針對C919機身下壁板的研製，

中航工業賽福斯特公司自主開發了新型靜龍門攪拌摩擦焊設備；

2012年，經過關鍵技術攻關，

賽福斯特公司成功實現了C919機身下壁板的攪拌摩擦焊製造，

技術水平達到歐洲空客公司製造水平。

無論是美國的NASA的垂直裝配中心

還是中國C919機身焊接，

摩擦攪拌焊在航空航天的輕合金領域

成為了一種最重要的材料連接方式。

近幾年，這個高大上的技術

逐漸飛入尋常百姓家

開始在民用領域大展身手。

原發明單位——英國焊接研究所（TWI）

近些年，已經開始將摩擦攪拌焊

應用於汽車製造，

開發了汽車拼焊板工藝。

（相關文章，點擊閱讀：汽車製造的六脈神劍——激光拼焊）

TWI的汽車拼焊板加工 ↓↓↓

https://www.zhihu.com/video/923278188157739008

全球重要的焊接技術公司

——伊薩（ESAB）將工業機器人與摩擦攪拌焊結合

推動了摩擦攪拌焊的工業化進程

ESAB的工業機器人+攪拌摩擦焊↓↓↓

https://www.zhihu.com/video/923278230029496320

　　近年來，中航工業的賽福斯特也逐漸

將這項技術推向民用市場

用於汽車輕量化工程、高鐵等，

並且實現多次出口國外。

與法國TRAC公司合作，

首次實現了汽車零部件產品攪拌摩擦焊批量製造，

並為德國本特勒公司

開發了一條自動化攪拌摩擦焊托盤產品生產線，

用於法國雷諾、德國賓士的新能源汽車

電池托盤產品的批量化製造。

與比亞迪公司合作，

在中國新能源汽車製造工業領域推廣攪拌摩擦焊技術。

截止2017年6月，公司已為國內新能源汽車零部件供應商

提供百餘台攪拌摩擦焊設備，

建立多條攪拌摩擦焊汽車產品生產線，

率先在中國新能源汽車上實現了攪拌摩擦焊接製造，

為新能源汽車的發展做出了貢獻。

2017年，

特斯拉從電動橋車延伸到電動卡車

比亞迪的電動客車不斷在海外攻城略地

各主要傳統車企業紛紛加碼新能源汽車

........

可以預見，新能源汽車將是一個新的風口

新能源笨重的電池則對車體輕量化要求越來越高

鋁合金、鎂合金等輕合金將得到更多的應用。

而摩擦攪拌焊將順應這個風口

迎來井噴式的發展！

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