金屬中，由于質(zhì)量較輕，鋁和鎂常常被用于航天航空器的結(jié)構(gòu)中。然而，這些輕質(zhì)金屬的合金可焊接性極差，用普通的熔焊工藝進行焊接，很容易出現(xiàn)熱裂紋、氣孔和夾渣等缺陷。縱使高超的技術(shù)和工藝可以降低焊接缺陷產(chǎn)生的概率，但熔焊時高溫帶來的熱量和毒煙，對操作者的健康也會是巨大的威脅。

    （一）攪拌摩擦焊是什么？

    說起焊接，首先讓人想起的大多是高溫、火花四濺、保護頭盔，還有保護氣體等等。焊接作為一種常見的工件連接技術(shù)，能夠?qū)煞N或兩種以上同種或異種材料通過原子或分子之間的結(jié)合和擴散連接成一體。

    （生活中常見的焊接作業(yè)場面）

    與常規(guī)摩擦焊類似，攪拌摩擦焊也是利用摩擦熱與塑性變形熱作為焊接熱源。

    常規(guī)摩擦焊焊接過程中材料在壓力作用下相互摩擦（工件做回轉(zhuǎn)、線性等形式的相對運動，摩擦產(chǎn)生熱量），摩擦熱使得焊接的接觸端面上很快形成熱塑性層，接觸面及附近區(qū)域溫度上升，在頂鍛壓力的作用下，界面處的材料產(chǎn)生塑性變形及流動，最終形成了質(zhì)量良好的焊接接頭。

    而攪拌摩擦焊在焊接過程中，被焊接工件之間不做相對運動，摩擦熱是由攪拌針伸入工件的接縫處通過焊接工具的焊頭做高速旋轉(zhuǎn)運動，使其與焊接工件材料產(chǎn)生摩擦。

    （攪拌摩擦焊原理示意圖，焊接過程可簡化為旋轉(zhuǎn)-插入-塑化-焊接）

    焊接過程中，攪拌針高速旋轉(zhuǎn)并在壓力作用下插入材料內(nèi)部進行攪拌摩擦生熱，同時焊頭的肩部與工件表面摩擦生熱，焊頭邊高速旋轉(zhuǎn)邊沿工件的接縫方向與工件發(fā)生相對移動，于是焊頭前面的材料發(fā)生強烈塑性變形，隨著焊頭沿著焊縫走向移動，高度塑性變形的材料不斷被攪拌針攪拌到背后，在主軸離開后，熱塑性狀態(tài)的材料冷卻固化，從而形成一條攪拌摩擦焊的焊縫。

    攪拌摩擦焊的技術(shù)原理并不復雜，需要控制的參數(shù)也不多，不過這并不代表攪拌摩擦焊設(shè)備沒有技術(shù)難度，實際上，焊接設(shè)備及夾具的剛性對攪拌摩擦焊是極端重要的，對大型工件的焊接而言尤甚。

    摩擦焊技術(shù)焊接質(zhì)量穩(wěn)定、焊件尺寸精度高、焊接生產(chǎn)率高、適于焊接異種金屬、易實現(xiàn)機械化和自動化，而攪拌摩擦焊具備常規(guī)摩擦焊的全部優(yōu)點，并且適用面更廣，可以進行多種接頭形式和不同焊接位置的連接。

    攪拌摩擦焊基本上可以焊接所有傳統(tǒng)的熔焊能夠焊接的金屬，并且對于許多熔化焊接性能差的金屬，例如：鋁合金、鈦合金、銅合金等，也能實現(xiàn)高質(zhì)量的焊接，工業(yè)應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿V泛。

    （多種多樣的攪拌摩擦焊接頭形式）

    （二）攪拌摩擦焊有什么用？

    攪拌摩擦焊作為一種新型焊接方法，出現(xiàn)的時間相對較晚（1991年英國焊接研究所發(fā)明），卻神奇地在十多年的時間內(nèi)成功完成了從發(fā)明到工業(yè)化應(yīng)用的歷程，在航天、航空、車輛、造船等行業(yè)得到大量應(yīng)用。

    以航空航天應(yīng)用為例，文章開頭我們已經(jīng)提到，輕質(zhì)金屬的合金可焊性極差，且焊接過程中會產(chǎn)生大量熱和毒煙，這給航空航天器件的品質(zhì)以及焊接操作人員的身體健康帶來巨大威脅，而攪拌摩擦焊可以很好地解決這些問題。

    攪拌摩擦焊的焊接溫度較低，焊接過程中材料只是被加熱軟化為熱塑性狀態(tài)而不是熔化，所以也就避免了被焊接材料因熔化導致的熱裂紋、氣孔和夾渣等傳統(tǒng)熔焊問題。

    同時，焊接過程中無填充焊接材料參與，焊接變形也就得到了緩解。

    而且，焊接過程中不產(chǎn)生高溫，也就沒有有毒氣體，更不會像其他焊接方法那樣有焊接煙塵和飛濺，對操作者的身體健康和焊接工作環(huán)境而言，都比傳統(tǒng)熔焊要友好。

 （攪拌摩擦焊焊接的金屬工件，焊縫端頭的鍵孔是焊接結(jié)束攪拌探頭提出工件后形成的）

（鋁合金/鋼的對接熔釬焊在焊縫處產(chǎn)生的氣孔）

    由于避免了人為因素的影響，攪拌摩擦焊所獲得的焊接件可靠性是任何傳統(tǒng)焊接工藝都無法匹及的。而且，攪拌摩擦焊技術(shù)能夠提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，進一步提升航空航天工業(yè)的經(jīng)濟效益空間。

    從1991年誕生開始，該技術(shù)就被美國和歐洲的航空巨頭引進，并且率先用于航空航天運載工具的焊接上。更有甚者，美國一家飛機制造公司直接投資3億美元用于全攪拌摩擦焊飛機的開發(fā)和研制，用攪拌摩擦焊全面替代鉚釘連接結(jié)構(gòu)。

 （ Eclipse 500型商用噴氣客機的攪拌摩擦焊焊接構(gòu)件之一）

    現(xiàn)今凡是應(yīng)用中涉及鋁、鎂等輕合金結(jié)構(gòu)的連接，攪拌摩擦焊基本上成為了優(yōu)選或必選方案，其應(yīng)用部位也從早先的從非承力、次承力結(jié)構(gòu)慢慢拓展到了關(guān)鍵承力結(jié)構(gòu)的應(yīng)用上。

    （三）中國的攪拌摩擦焊發(fā)展得怎么樣？

    攪拌摩擦焊在國外的規(guī)模化、工業(yè)化應(yīng)用普及較早，上世紀九十年代就有諸多制造領(lǐng)域的實際應(yīng)用范例。

    中國的攪拌摩擦焊技術(shù)研究和工程化應(yīng)用開始于1996年，其后在2002年4月，北京航空制造研究所從英國焊接研究所獲得了正式的專利許可，攪拌摩擦焊正式登陸中國。

    而后，中國自主研發(fā)的第一臺攪拌摩擦焊設(shè)備成功應(yīng)用于東風導彈、火箭貯箱等多個國家重點型號的生產(chǎn)制造中，設(shè)備技術(shù)指標達到了國際先進水平，工作臺尺寸1500mm×920mm，最大焊接厚度15mm，主軸的轉(zhuǎn)速（100r/min-3000r/min），主軸進給速度（0-1300mm/min）。

（中國自主研發(fā)的攪拌摩擦焊設(shè)備）

（針對新能源汽車零部件制造的機器人攪拌摩擦焊系統(tǒng)）

    迄今為止，中國已經(jīng)發(fā)展了多種懸臂式和龍門式攪拌摩擦焊設(shè)備，此外，在被稱為攪拌摩擦焊心臟的攪拌針的制造方面，中國也實現(xiàn)了家族化和系列化。

（攪拌摩擦焊心臟：攪拌針）

    隨著中國航空航天制造事業(yè)的蓬勃發(fā)展，攪拌摩擦焊技術(shù)有了更廣闊的用武之地，攪拌摩擦焊也為新能源汽車制造、高鐵列車車身的制造等新制造領(lǐng)域提供了動力。

    而更為可貴的是，中國的攪拌摩擦焊技術(shù)也從當年的技術(shù)進口國轉(zhuǎn)變?yōu)榱思夹g(shù)出口國，新型焊接技術(shù)有效地解決了友邦經(jīng)費短缺和西方制裁的燃眉之急。

    結(jié)語

    攪拌摩擦焊的發(fā)明使得鎂、鋁基輕合金的連接有了革命性的變化，其推廣應(yīng)用也給中國的工業(yè)制造提供了巨大的推動力。展望未來，攪拌摩擦焊技術(shù)將和諸多先進制造技術(shù)一道為中國發(fā)展成為工業(yè)強國貢獻自己的力量。

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責任編輯：王元

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