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搅拌摩擦焊在中国扬帆启航 |
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作者：北京航空制造工程研究所 栾国红 |
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搅拌摩擦焊技术具有焊接变形小、焊缝强度高、绿色高效等特点,可用于大多数铝合金、镁合金、铜合金、钛合金、钢的焊接，也可用于异种合金的连接，在国内得到了日益广泛的应用。
焊接技术的发明、发展和工业化推广应用经过了一个漫长的过程，而搅拌摩擦焊不同。1991年，英国焊接研究所（The Welding Institute-TWI）发明了搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding-FSW），该技术从发明和申报专利之初到在工业化产品上得到成功应用（1996）所经历的历程是所有焊接方法中最短的。
1996年，挪威MARINE公司在铝合金船舶制造上采用搅拌摩擦焊技术，迈出了其工业化应用的第一步。此后，搅拌摩擦焊逐渐在航天、航空、造船、列车、电力、能源、兵器、电子、建筑、装饰等工业制造领域得到进一步的推广和深入广泛应用，其已经成为轻合金材料（如铝合金、镁合金等）的首选连接技术。
搅拌摩擦焊进入中国
在中国，北京航空制造工程研究所作为中国宇航制造领域制造技术的探索者，对搅拌摩擦焊这项新兴连接技术格外关注，早在1996年就开始有研究人员在尝试着探索搅拌摩擦焊技术的基础和机理，并于1996年申请成为英国焊接研究所工业会员。
经过数年的协商和谈判，2002年4月18日，北京航空制造工程研究所（BAMTRI）与英国焊接研究所（TWI）在北京正式签署搅拌摩擦焊专利许可协议，双方在技术合作的基础上成立了中国搅拌摩擦焊中心。中国搅拌摩擦焊中心的成立标志着搅拌摩擦焊正式登陆中国，并且正式宣布搅拌摩擦焊在中国发展的开始，为中国焊接技术的发展翻开了新的篇章。
中国搅拌摩擦焊中心在搅拌摩擦焊技术发展、产品制造、设备开发、制造和销售等方面，大力推进该技术的发展和应用，同时，还全权代表英国焊接研究所负责中国市场（包括台湾、香港和澳门）范围内搅拌摩擦焊专利许可的发放和管理。迄今，已经有24家中国科研院所和工业企业得到了中国搅拌摩擦焊中心颁发的搅拌摩擦焊专利许可。
搅拌摩擦焊技术的发展
中国搅拌摩擦焊技术的发展不是从零开始，在1996年开始认识这种焊接技术时，英国焊接研究所及欧洲其他国家公司企业如ESAB等就已经对该技术开展了大量的基础技术研究。到2002年中国搅拌摩擦焊中心成立时，公开发表的搅拌摩擦焊专利和论文已经很多，这些技术知识的学习和掌握有助于中国搅拌摩擦焊技术的高点起步和快速发展。
在2002年4月BAMTRI和TWI签订技术合作协议时，TWI就已经对中国搅拌摩擦焊中心研究和工程技术开发人员进行了专业化的搅拌摩擦焊技术培训。并且在中国搅拌摩擦焊中心的组织安排下，中国范围的搅拌摩擦焊许可用户多次得到了TWI的技术培训和认证。
作为搅拌摩擦焊的核心技术，搅拌焊接工具的研究开发是搅拌摩擦焊技术发展的重点。中国搅拌摩擦焊中心已经开发成功多种结构形式和多种用途的搅拌焊接工具。图1为中国搅拌摩擦焊中心设计开发的单面可以焊接40mm的搅拌头。
图1 中国搅拌摩擦焊中心研制的搅拌工具
作为技术发展基础，材料的焊接性如何是搅拌摩擦焊能否在工业制造领域得到普遍应用的关键因素，所以中国搅拌摩擦焊中心对在中国市场上普遍使用的各种类型铝合金及铝基复合材料的焊接性进行了基础研究，并且针对市场需求和潜在的工业化应用，对镁合金、铜合金、钢合金、钛合金甚至高强PVC塑料进行了搅拌摩擦焊研究。
就焊接材料角度而言，搅拌摩擦焊的一个突出优势就是异种材料的焊接。中国搅拌摩擦焊中心已经实现了不同种铝合金如2024/6061、5083/6061、2024/7075等搅拌摩擦焊连接，另外还实现了铜/铝接头、镁/铝接头以及钢/铝接头的搅拌摩擦焊接。
搅拌摩擦焊工程化开发
搅拌摩擦焊的工程化开发是这项新型焊接技术得到推广和应用的关键。针对航空、航天、船舶、列车、汽车等不同行业铝合金搅拌摩擦焊潜在的应用需求前景，中国搅拌摩擦焊开展了系列搅拌摩擦焊工程化开发。
图2 1Cr18Ni9Ti不锈钢和2A14铝合金搅拌摩擦焊接头
航天制造工业首先对搅拌摩擦焊表示出浓厚的兴趣，小直径导弹带框筒形结构件和大型运载火箭燃料贮箱得到工程化开发（如图3a、3b、3c所示）。图3a为直径约90mm，壁厚1.5mm的薄壁小口筒形结构；图3b为直径1200mm,壁厚25mm中型带框厚板筒形结构件；图3c为直径3350mm，壁厚6mm运载火箭燃料贮箱结构件。
图3 搅拌摩擦焊制造的筒状铝合金结构
在航空领域，搅拌摩擦焊在美国的Boeing、Eclipse、欧洲Airbus等公司实现了工程化，在战斗机、军用运输机和民用客机等产品上进行了成功应用。自2004年开始，中国搅拌摩擦焊中心已经尝试着针对飞机结构，开展工程化开发研究，并且已经在飞机薄壁带荆加强结构的搅拌摩擦焊对接和搭接方面,取得了一定进展。
在汽车制造领域，中国的汽车制造工业近十年内得到飞速发展，2006年中国的汽车销量超过700万辆，但是制造技术很大程度要依赖于国外提供。一些快速发展的现代汽车企业开始寻求新技术提高汽车制造的质量和效率，对此，中国搅拌摩擦焊中心开发了搅拌摩擦焊接的汽车轮毂、汽车箱体壁板以及其它零部件。
搅拌摩擦焊既可以实现焊接，又可以实现材料的表面改性以及其他焊接处理，中国搅拌摩擦焊中心已经成功开发了飞机散热器及热沉器搅拌摩擦焊隧道制造工艺。此外，利用搅拌摩擦焊还可以实现金属零件的快速成型制造。
为了实现搅拌摩擦焊工艺技术在国内的快速发展、推广以及广泛的工业化应用，中国搅拌摩擦焊中心已经于2005年率先制定了两个搅拌摩擦焊标准：《搅拌摩擦焊工艺标准》和《搅拌摩擦焊质量控制和检验标准》。
搅拌摩擦焊设备
搅拌摩擦焊区别于普通熔焊的一个显著特点是：典型的机床设备焊接技术。搅拌摩擦焊的所有过程必须依靠机械装备类实现，所以搅拌摩擦焊技术和搅拌摩擦焊设备在中国同时起步发展。
中国搅拌摩擦焊中心（北京赛福斯特技术有限公司）是中国唯一取得TWI专利许可可以制造和销售搅拌摩擦焊设备的单位。自2003年开始，中国搅拌摩擦焊中心共为中国的工业企业和科研院所提供了近20台专业化的搅拌摩擦焊设备。
图4 用于运载火箭燃料贮箱制造的大型立式悬臂式搅拌摩擦焊设备
目前，中国搅拌摩擦焊中心不仅能够制造先进的数控搅拌摩擦焊设备，同时还开发了先进的位置、压力、扭矩、温度等工艺控制技术，集成在搅拌摩擦焊设备中，并且还能为客户根据产品需要订制专用的工装夹具以及提供配套工艺技术。
搅拌摩擦焊工业化应用
搅拌摩擦焊在中国的发展时间较短，仅仅是起步阶段，但是目前已经在中国工业制造领域中凸现技术优势，不仅能够解决铝合金的连接方法问题，同时在生产效率和产品质量上得到制造企业的赞誉。
2003年，中国搅拌摩擦焊中心为中国常州机车制造公司开发了中国第一台用于工业化产品生产制造的搅拌摩擦焊设备。该设备主要用于铁路机车铝合金箱体结构件的焊接。设备由PLC控制，可以实现2600mm×1100mm×10mm的6063铝合金型材搅拌摩擦焊接，中国搅拌摩擦焊中心还为该客户提供了6种零件的工装夹具以及配套工艺技术（如图5）。目前该设备已经实现了工业产品的批量化生产。
图5 中国首家专业化的搅拌摩擦焊宽幅型材制造车间
针对航空、航天以及电力能源行业，对介质循环冷却具有密封要求的铝合金散热器以及热沉器的制造需求，中国搅拌摩擦焊中心成功开发了中国第一台平面二维搅拌摩擦焊设备（如图6）。目前已经有十几种散热器和热沉器在中国搅拌摩擦焊中心实现了批量化生产。
近年来，中国的船舶制造工业快速发展，但是中国的铝合金船舶制造技术水平落后于日韩国家。近期由于高速军用舰艇以及民用游艇的需求增加，加速了中国铝合金船舶制造的技术发展和更新换代，为搅拌摩擦焊在船舶制造工业的发展创造了好时机。
2006年，中国搅拌摩擦焊中心研制出了中国第一台船舶铝合金壁板焊接设备，并且建立了专业化的生产加工车间，该设备集成了先进的工艺控制和变形控制技术，已经投入批量化的船舶壁板的生产制造，主要为中国船舶制造企业提供高质量的军用和民用宽幅（12m×5m）搅拌摩擦焊型材壁板，其中包括船甲板、外壁侧板、内装围板、中空隔板以及上层建筑等。该设备已经实现6061铝合金型材对接以及5083板材和6061型材搭接的产品制造，最大焊接壁板面积可达到60m2。2007年，中国搅拌摩擦焊中心将制造一台新的15m长的全自动大型型材拼接搅拌摩擦焊设备，预计该设备将于2007年6月投产，船舶壁板的宽幅型材搅拌摩擦焊能力将达到1000t。搅拌摩擦焊应用于我国船舶壁板制造，直接提升了中国铝合金船舶制造能力，推动了中国铝合金船舶制造向世界水平的发展。
搅拌摩擦焊在中国的发展已经起航，目前在基础技术研究、工程化开发、设备制造等方面已经取得一定的成绩，并且正在快速发展，但是搅拌摩擦焊在中国工业制造领域的应用才刚刚起步。面对中国在航空、航天、船舶、铁路、能源等领域的远景规划和长远发展，以及潜在的巨大市场需求，搅拌摩擦焊在未来的3～5年内将迎来快速发展和应用的高峰。搅拌摩擦焊的推广应用将提升中国工业企业在铝合金、镁合金、铜合金、钛合金等轻合金金属材料的连接技术水平，并且将进一步增强中国工业产品国际竞争力。(end)
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(3/17/2010) |
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