航空航天关键制造技术之搅拌摩擦焊分析

日前，中国载人航天工程新闻发言人对外发布，我国将分别于今年第三和第四季度，发射天宫二号空间实验室和神舟十一号飞船。另外，我国将于2020年前后完成空间站的建造。

航天工程是一项系统工程，是人类智慧的结晶，也是新材料和新型制造技术的前沿阵地，在众多宇航制造技术中，连接技术一直是宇航结构件的主要制造技术之一，迄今为止，主要的宇航连接技术有7 种，它们分别是：胶接、弧钎焊、电子束焊、搅拌摩擦焊、摩擦塞焊、激光焊。搅拌摩擦焊在美国和欧洲宇航工业中的成功应用预示着搅拌摩擦焊在宇航领域具有巨大的潜在应用背景和前景，搅拌摩擦焊为宇航制造业中轻合金的低成本、高效率和高质量的连接提供了有效的途径。因此，搅拌摩擦焊被业界公认为最有前途和最适合宇航材料连接的工艺技术之一。

搅拌摩擦焊的前世今生

1991年英国焊接研究所（TWI-The Welding Institute, Cambridge, UK）针对焊接性差的轻质有色金属开发出了搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding，简称FSW）。

1996年波音公司投资1500万美元用于搅拌摩擦焊的研究开发及搅拌摩擦焊设备的设计与制造。

1997年波音公司和英国焊接研究所合作对运载火箭上使用的材料和筒形结构进行了系统的搅拌摩擦焊方法及技术研究。

波音公司首先将搅拌摩擦焊应用在Delta II 型运载火箭的中间舱段的连接制造，并于1999年8月成功发射升空。

欧洲Fokker宇航公司生产的Ariane5号发动机承力框架的焊接采用搅拌摩擦焊技术。

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搅拌摩擦焊在中国的那些事

2002年北京航空制造工程研究所取得TWI公司的搅拌摩擦焊技术专利许可，与TWI合作成立了中国搅拌摩擦焊中心，至此，意味着搅拌摩擦焊技术正式登陆中国大地，并且开启了搅拌摩擦焊技术在中国市场的腾飞和发展的大门。

2002年9月，北京航空制造工程研究所注册成立中国首家专业化的搅拌摩擦焊技术公司——北京赛福斯特技术有限公司。

何为搅拌摩擦焊？

搅拌摩擦焊是利用一种特殊搅拌头，旋转压入被焊工件的界面，搅拌头和被焊工件的摩擦使搅拌头附件区域温度升高，使得金属热塑化，当搅拌头沿着焊接界面向前移动时，在搅拌头高速旋转及挤压下，塑化的金属向搅拌头运动的反方向过渡，在热-机联合作用下，扩散连接形成致密的固相连接。

搅拌摩擦焊有何优势？

1）铝合金由于质轻通常被用作航空结构件，但由于其焊接性差，任何熔焊都不能从根本上解决气孔、热裂纹等缺陷，搅拌摩擦焊的发明彻底解决了这一系列铝合金焊接问题，传统的熔焊或激光焊、电子束焊等特种焊接都无法解决此类问题。

2）搅拌摩擦焊可以提升产品质量和性能传统的熔焊方法得到的焊接接头通常为铸态组织，搅拌摩擦焊接头为致密的锻造组织，搅拌摩擦焊接头性能普遍优于熔焊接头，而且焊接变形小，因而可以提高产品的质量和性能。

3）搅拌摩擦焊可以降低产品成本、提高生产效率 搅拌摩擦焊不需要填丝和保护气，焊接过程无弧光辐射、无烟雾，是真正的绿色制造技术，在批量化产品制造中可以节省焊接成本和费用；同时搅拌摩擦焊是基于标准化机床设备的焊接技术，焊接过程不需要人工参与，生产效率高，焊接质量稳定性好。

3）搅拌摩擦焊为工业产品的设计提供了新的思路和途径由于搅拌摩擦焊本质上是固相连接技术，不仅可以实现同种材料的连接，也可以实现异种材料的焊接，如铝-镁、铝-铜、铝-钢等异种材料，甚至可以将不同状态（如铸态、锻态、挤压等）的材料焊接在一起。

4）与旋转摩擦焊、惯性摩擦焊、线性摩擦焊相比，搅拌摩擦焊不受轴类零件的限制，可用于板结构的焊接，更加适用航天结构件的焊接。

总之，相比熔焊和普通摩擦焊，搅拌摩擦焊具有特殊优势，且易于实现工程化、工业自动化，属于绿色制造且质量稳定可靠性好。又加之，近些年来计算机技术的高速发展，工业机器人的大量研发，机器人搅拌摩擦焊的出现为宇航制造业带来了革命性的技术。基于搅拌摩擦焊的这些优势，因此，搅拌摩擦焊自1991年发明至今，在工业界得到了快速的发展和大规模的推广和应用。

搅拌摩擦焊的特殊之处？

搅拌摩擦焊的“心脏”—— 搅拌头

1）搅拌头长度h略小于被焊件厚度或焊缝所需深度，且搅拌头与焊缝有一定的夹角；

2）良好的耐高温力学；

3）良好的耐磨损性能。

搅拌摩擦焊的热源 —— 轴肩

1）轴肩作用

2）通过与工件表面间的摩擦，提供焊接热源；

3）提供一个封闭的焊接环境，以阻止高塑性软化材料从轴肩溢出。

“搅拌摩擦焊主要用于施焊哪些材料？

铝及其合金、镁及其合金、钛及其合金、异种金属等材料、锌合金、铜合金、铅合金、金属基复合材料、不锈钢、低碳钢、聚合物等

“搅拌摩擦焊加工的主要产品系列？

1）大型宽幅带筋壁板

主要领域：船舶（船舶单层带筋壁板）、航空、轨道交通（列车单层带筋壁板）、集装箱

2）液冷风冷散热器

主要领域：电力、电子、能源、交通、化工、通信、雷达 IGBT模块散热器、晶闸管散热器、液冷机箱

3）筒体结构件

主要领域：电力化工、航空航天、封闭母线、高压开关、油罐及管道、舱段、燃料储箱

4）其他结构件

主要领域：冶金、交通运输、电气机械、兵器等

著名的那些搅拌摩擦焊设备

美国制造系统技术公司（MTS）开发了两台液压 驱动搅拌摩擦焊设备，其中一台安装在South Caroline 大学。该设备自1997年以来完成了 NASA 的 EPSCoR 研究开发项目。美国华盛顿西雅图的 MCE 公司技术公司生产了商业化的搅拌摩擦焊设备，其中两台安装在阿拉巴尔Huntsville 的马歇尔宇航飞行中心（MSFC），主要用于 NASA航天飞机燃料筒体的焊接。

美国Ohio州Cincinnati的通用工具公司（GTC）首次制造了带有真空加紧装置的搅拌摩擦焊设备，该设备主要用于航天运载火箭筒体的焊接。

英国Halifax的CrawfordSwift公司在1999年为英国空中客车公司生产了一台Powerstir型搅拌摩擦焊设备，该设备主要用于大型民用飞机机翼和机身的焊接，其中包括新型的A380大型客机。

波音公司自1996年投资1500万美元用于投资搅拌摩擦焊设备的设计和制造，主要用于宇航飞行器燃料筒体的焊接。

欧洲瑞典Esab公司制造了龙门式搅拌摩擦焊设备，其中一台安装在英国焊接研究所，主要用于EuroStir  搅拌摩擦焊项目和其中秘密的军方项目。

自2002年以来，北京赛瑞斯特技术公司就开始研发搅拌摩擦焊设备，迄今，已开发设计出多个系列的搅拌摩擦焊接设备，应用于我国航天航空、电子、船舶和高速列车等行业。

“机器人搅拌摩擦焊在工业界的重要性

全世界现役工业机器人大约有将近一半以上用于各种焊接生产。焊接机器人具有高效、质量稳定且通用性强等优点。焊接过程的柔性化、自动化、智能化已成为先进焊接装备的重要发展趋势。焊接机器人在工业界的地位及作用有目共睹，大力发展焊接机器人已是势不可挡的时代潮流。

机器人搅拌摩擦焊技术优势

重载工业机器人与先进的焊接主轴装备的系统集成实现搅拌摩擦焊，将极大提升焊接作业柔性，适用于空间复杂结构产品的批量化焊接制造，并进一步提升焊接自动化程度和生产效率。使用机器人搅拌摩擦焊焊接时，由于机器人柔性化程度高，焊接过程稳定且无需人为干涉，因此，焊接质量可以得到显著提升，且有利于降低焊接生产成本。

据国外统计机器人搅拌摩擦焊单件焊接成本比机器人氩弧焊低 20%，只有多轴搅拌摩擦焊设备焊接成本的一半。由此可见，采用机器人进行搅拌摩擦焊在大规模工业生产中具有显著的成本优势。此外，机器人搅拌摩擦焊的主要技术优势有：绿色节能高效，焊接过程无污染；适用于复杂结构焊接，如平面二维、空间三维等结构；可匹配外部轴，自由扩展机器人工作空间；可实现多模式过程控制，如压力控制、扭矩控制等；接头质量良好，焊接过程稳定性好。（参考：中国航空报《应重视发展机器人搅拌摩擦焊技术》）

搅拌摩擦焊在航空航天工业上的应用发展

自1991年英国焊接研究所发明搅拌摩擦焊开始，美国和欧洲率先使此技术用于航天运载工具的焊接，从一定程度上解决了轻质合金焊接性差的一系列问题。迄今为止，航空航天技术已是衡量一个国家国防实力乃至综合国力的重要指标。越来越多的国家投入大量的资金来发展太空运输工具，箭体材料呈轻质、高强的发展方向，国外箭体材料已经发展到第三代铝锂合金，其关键的连接技术已由最初的钨极氩弧焊发展到搅拌摩擦焊，且已成功用于美国Delta系列，Atlas系列火箭筒体、航天飞机的高质量焊接。日本三菱重工已经开发出双轴肩搅拌摩擦焊技术，并将其应用于新型运载火箭 H-2B 贮箱的筒段的焊接。

在航空领域，美国波音公司、英国空中客车公司等航空巨头公司已在飞机结构件上成功运用搅拌摩擦焊技术。美国大型军用运输机 C-17 的舱内地板和载货斜坡地板采用了搅拌摩擦焊技术；F-15战斗机尾翼整流罩也采用了搅拌摩擦焊技术；空客公司采用搅拌摩擦焊对A430大型客机翼肋进行焊接；美国月蚀公司在 Eclipse-500 型商务飞机上采用搅拌摩擦焊技术全面替代了铆钉连接结构搅拌摩擦焊技术已成为飞机制造的关键技术之一。

搅拌摩擦焊应用前景

搅拌摩擦焊在欧美等发达国家航空航天制造领域的工业化应用得到突飞猛进的发展， 得益于在焊接机理及焊接工艺等基础研究领域的高度重视和全力投入。

我国搅拌摩擦焊技术引进已有十余年，以北京中国航空工业集团公司北京航空制造工程研究所旗下全资子公司北京赛福斯特技术有限公司（中国搅拌摩擦焊中心）为代表，在搅拌摩擦焊领域已取得显著成就。但搅拌摩擦焊在宇航领域的的工业化是一项庞大的系统工程，需要国家的大力支持和相关单位的大力合作才能缩小与欧美发达国家的差距。

面对我国航空航天领域的高速发展，搅拌摩擦焊在未来几年将迎来快速发展和应用高峰，同时这也需要国家的扶持和千千万万焊接工作者的努力，为中国航空航天工业的发展贡献力量。