搅拌摩擦焊缘何成为铝合金焊接技术的主角？

 铝合金作为一种性能优异的轻质合金,近年来在我国工业领域得到大力推广。由于铝合金的物理和化学特性不同于钢铁等传统工业材料,在传统的制造工艺技术条件下,铝合金的使用存在一些瓶颈。只有采取工艺技术的创新乃至革命,才能突破这些瓶颈,令铝合金的优异的性能在各种工业领域大放异彩。

 连接技术就是铝合金加工制造过程中的瓶颈之一。传统的连接技术包括铆接和焊接,而这两种方式对于铝合金来说,分别在效率和性能方面存在明显的缺点。如何采用一种连接方式,既具有高效率,又具有高性能,同时能够兼顾环保和绿色制造?这像是在描述一种完美的技术,而实际上是否真的存在?

 搅拌摩擦焊——这一名词对大多数人来说还非常陌生。搅拌摩擦焊作为一种自动化的固相连接技术,克服了铆接带来的效率低下和密封性差问题,也改变了熔焊对于铝合金的“水土不服”和操作者职业健康问题。这项技术问世仅20年,却在世界范围内各种工业领域取得了辉煌的应用成就。

 焊接专家关桥院士曾在一篇报告中这样评价:搅拌摩擦焊作为较先进和热门的一种焊接方法已大量地应用于铝合金材料的焊接,成为铝合金最佳的连接技术!

 搅拌摩擦焊缘何成为铝合金连接技术的主角?搅拌摩擦焊有何优点?又经历怎样的创新?近日,记者采访了国内最早开发搅拌摩擦焊技术的专业带头人之一——中国搅拌摩擦焊中心主任、北京赛福斯特技术有限公司总经理栾国红。

 众人拾柴火焰高

 多方合力助推广

 栾国红回忆说,搅拌摩擦焊之所以能引进中国且得到了快速的推广应用,缘于关桥院士高瞻远瞩和大力支持以及赛福斯特公司在引进搅拌摩擦焊技术后的持续不断的研究和攻关。

 2001年,就职于中航工业北京航空制造工程研究所(625所)的关桥院士在英国焊接研究所(TWI)首次接触到搅拌摩擦焊技术,认为这项革命性的焊接技术存在巨大发展前景。回国后,关桥院士马上向所领导汇报说明自己的想法,在关桥院士的大力倡导下,625所决定与英国焊接研究所合作开展搅拌摩擦焊研究。

 而当时正在国外学习焊接专业的栾国红,已是关桥院士心中最佳的搅拌摩擦焊技术中国带头人,经过关院士一番说服,栾国红义无反顾地回国,担起了在中国发展和推广应用搅拌摩擦焊的重任。2002年,中航工业北京航空制造工程研究所与英国焊接研究所签署许可协议,成立中国搅拌摩擦焊中心、北京赛福斯特技术有限公司,栾国红担任总经理。这一年可以说是搅拌摩擦在中国的发展元年。

 关桥院士对栾国红提出的要求是:发展搅拌摩擦焊技术和推广搅拌摩擦焊技术。栾国红深知,若想发展搅拌摩擦焊技术,就得不断研究创新;若想推广搅拌摩擦焊技术,就不能靠一己之力。

 于是,栾国红把第一个服务的目标设定在主要的工业院校和研究机构。栾国红坚信,公司要发展得更远,必须要市场化运作。所以自公司成立以来,赛福斯特不仅在技术方面不断研究开发,而且还将其最先推广到各大主流院校以谋共同发展,比如与哈尔滨工业大学、西北工业大学、清华大学、北京航空航天大学、中科院金属材料研究所、燕山大学等各个工业大学以及相关的研究机构达成了合作,鼓励其成立搅拌摩擦焊研究专业,培养专业人才,以在较短的时间内,把基础培养和技术研究基本架构建立起来。

 而赛福斯特在这其中扮演了中国搅拌摩擦焊中心的“领头羊”的角色,以推动技术和市场齐头并进。

 经过10多年的技术和市场培育,当前中国能够提供搅拌摩擦焊技术的企业不只赛福斯特一家,但大多数的提供商都是赛福斯特最初的用户。

 在一般人看来,赛福斯特当初的举措为自己培养了潜在的竞争对手,而栾国红却不这么认为,“只有众人拾柴才能火焰高,搅拌摩擦焊技术的发展和推广也是如此。”栾国红坦言。显然,栾国红没有把这些同行看作是对手,而是当成了焊接技术创新道路上的队友。

 众人划桨开大船。也许正是因为赛福斯特有这样的胸怀,才得以将搅拌摩擦焊技术在中国发展得如此强劲。而今,赛福斯特提供的搅拌摩擦焊技术和设备远远超越当初英国焊接研究所提供的研究水平。

 目前,在我国搅拌摩擦焊技术已成功应用到包括航空、航天、舰船、兵器等军工领域及电力电子、轨道交通等高端民用工业领域。

 在航天领域,赛福斯特公司先后与中国航天一院、航天九院、航天八院、航天四院、航天七院等达成合作,在国内的航天主机厂得到了广泛应用,实现了各个新型导弹都采用了搅拌摩擦焊技术,同时,通过搅拌摩擦焊接的壳体质量更均匀,大大提高了导弹的轨迹精度。

 随后在轨道轻量化领域也得到了快速的应用,在关桥院士的引荐下,很快与中车集团所属的机车公司,如株洲电力机车研究所有限公司、青岛四方机车车辆股份有限公司、中车长春轨道客车股份有限公司、唐山机车车辆有限公司等企业达成合作,目前,凡是轨道交通所用的铝合金车辆,其制造过程都采用了赛福斯特公司提供的搅拌摩擦焊技术和设备。

 五大优点

 助搅拌摩擦焊发展迅速

 搅拌摩擦焊作为一种固相连接方式,是基于数控机床模式下的一种焊接方式,不论是操作性、还是精确度、还是环保无污染等方面都有着不可代替的技术优点。

 首先,搅拌摩擦焊技术是在材料的塑性状态下实现的,产品焊缝金相一致性高,焊缝无热裂纹、无夹杂、无气孔等熔焊缺陷。

 其次,搅拌摩擦焊技术利用自动化的机械设备进行焊接,避免了对操作工人技术熟练程度的依赖,实现了全位置焊接自动化,提高了工作效率。

 第三,搅拌摩擦焊技术无需对待焊产品进行特殊处理,不需要开坡口、填充材料和保护气,简化了焊接工序。

 第四,搅拌摩擦焊接过程不会产生烟尘、飞溅、紫外线及电磁辐射等缺陷,实现了焊接过程的绿色、环保和无害化。

 第五,搅拌摩擦焊的焊缝残余应力低,基本无变形,焊缝属性接近母材,机械性能优异,提高了焊缝的可靠性。

 在欧洲,搅拌摩擦焊最早应用在船舶工业中,因为要制造铝合金船,需要解决铝合金壁板焊接难题,之前用熔焊焊接方式容易出现“瘦马现象”(船体结构在焊接过程中,会产生一定的变形,尤其是外板及上层建筑,焊接变形尤其突出,俗称“瘦马现象”),该现象不仅造成船体表面美观度下降,而且其材料强度指标也达不到要求,而搅拌摩擦焊的应用恰好解决了这一难题。所以,在中国没有引进搅拌摩擦焊之前,一直不能制造铝船,直到北京赛福斯特技术有限公司在某型导弹快艇上首次规模化应用搅拌摩擦焊技术,才结束了中国不能制造铝船的说法。目前,搅拌摩擦焊技术已在海军舰船以及游艇上广泛应用。可以说,由于有了搅拌摩擦焊技术,铝合金在在船舶领域上的应用才得以不断扩大。

 栾国红透露,目前公司正在试制的某个大型军工项目中,如果采用原来的焊接方式,需要十几道焊缝,一个操作工两天时间才能完成任务,而如若采用搅拌摩擦焊则只需要两个小时就能完成,且质量好可靠性高。

 作为先进、优质、高效的焊接新方法,搅拌摩擦焊技术可实现铝合金材料的对接、搭接、纵缝焊接、环缝焊接、变厚度焊接、无支撑双面焊接、空间曲线曲面焊接。

 针对工作环境的不同,搅拌摩擦焊技术也分为搅拌摩擦点焊、双轴肩搅拌摩擦焊、静轴肩搅拌摩擦焊、无轴肩搅拌摩擦焊、塑流摩擦焊、材料表面改性处理和材料超塑性成型加工等多种焊接方法及加工技术,可以完成多种特殊的焊接作业。

 另外,搅拌摩擦焊技术还让之前认为航空用高强铝合金不可焊接的说法不复存在。众所周知,飞机中用到的高强铝合金板一直采用铆接技术进行搭接,那是因为之前的所有焊接方式都不适用于高强铝合金。目前北京赛福斯特技术有限公司已经成功实现了2XXX系、5XXX系、6XXX系、7XXX系铝合金材料的搅拌摩擦焊接,正在循序渐进地应用于航空领域。

 正是由于搅拌摩擦焊具有不可替代的优势,自英国焊接研究所(简称TWI)1991年发明这项技术以来,其发展速度超过了其他所有的焊接技术,发展规模也迅速扩大。搅拌摩擦焊在铝合金结构的整体化焊接制造领域,正在取代着熔焊等传统焊接方式。

 攻关尖端技术

 为搅拌摩擦焊技术再拓新市场

 北京赛福斯特公司作为首家发展搅拌摩擦焊技术的企业,始终将自己定位于引领搅拌摩擦焊技术发展的前沿,不怕困难,专啃技术中的“硬骨头”。

 正因为如此,其技术设备不仅在国内受到追捧,同时也受到老外的青睐。在关桥院士和栾国红团队的努力下,目前赛福斯特公司不仅为国内各个领域提供了近200台套的搅拌摩擦焊设备系统,而且还远销全球11个国家,其中德国客户就订了8台。栾国红自豪地说:“在焊接领域,长期以来一直是我们进口德国设备,而现在德国进口中国的搅拌摩擦焊设备,这是中国焊接发展的创新突破。”

 栾国红说,2016年初公司签约一个德国列车制造客户,客户对这台30米长的大型搅拌摩擦焊设备的技术指标和交货期方面提出了非常高的要求,但他毫不犹豫地接受了。

 “因为客户的苛刻要求是对我们自身水平的一个提高,不怕要求高,就怕没难度。没有客户越来越高的要求,就没有搅拌摩擦焊技术的创新发展,今天赛福斯特公司所提供的搅拌摩擦焊技术和设备远远超过了当时英国焊接研究所给予的技术,这些都是得益于客户的不断需求和赛福斯特研究人员的不断创新和研究。”显然栾国红很是欣慰,认为自己的付出和回报是值得的。栾国红说,今天下班后他还要与团队成员加班做方案,5个小时后国外客户上班要与其沟通细节,在与记者交谈期间,还与正在准备材料的同事进行确认。

 栾国红的团队早已确立了企业长期发展战略目标:做一个专业化的具有国际核心竞争力的现代化企业,在搅拌摩擦焊这个单项技术方面要做到极致,达到真正的国际领先水平。

 栾国红带领下的北京赛福斯特技术有限公司,仅有93位成员,人数不多,但个个都是精英。其中包括1名院士、2名研究员、7名博士和24名硕士的技术团队。

 正是由于这样一个拥有世界先进水平的搅拌摩擦焊技术研发团队,在中国率先掌握了搅拌摩擦焊基础技术、工程化技术和工业化技术,使推动搅拌摩擦焊技术在中国的再发展和工业化应用有了可靠保障。

 目前,搅拌摩擦焊技术已经应用在各个领域的铝合金材料主要的焊接环节中,通用领域的应用使命已基本完成,但栾国红并没有止步,接下来他将把目标集中在两个极端领域内扩大应用:即大而厚的壁板焊接和小而薄的产品焊接。

 首先,在很重、很厚、很长的产品上应用,解决现在所有大厚板的焊接,作为现有轧制和锻压能力所限的补充,比如在大型壁板结构上实现再突破。现在,赛福斯特的搅拌摩擦焊技术能够焊接单面焊80mm厚的板材,双面焊能达到150mm厚的板材,明年还将继续开发单面85mm厚,双面160mm厚,甚至更厚的材料焊接技术,以应用于像深海鱼雷等海军尖端领域。其次,在很薄、很小的铝合金材料领域的应用,如电子封装、微型散热器、甚至纳米材料的应用。

 除此之外,赛福斯特公司还将大力开发机器人技术,把现有的技术归类,实现数字化和智能化,缩短设备投资,把产品和技术实现智能化,比如在未来用激光扫描支撑机器人和点焊机器人合作实现大飞机上的焊接或是多个机器人协同合作,实现机器人搅拌摩擦焊技术基层应用。

 据悉,美国Eclipse公司制造的全搅拌摩擦焊接商务飞机,已投入批量生产,可见,在支线和大型干线飞机的设计、制造中,搅拌摩擦焊用于重要结构的整体化制造日臻成熟,应用面正在扩大。

 而在我国,北京赛福斯特技术有限公司经过了多年的技术攻关,成功实现了我国大型飞机地板结构、新型战斗机舱体、机身、口盖结构和雷达冷板等部件的搅拌摩擦焊接,目前已为多种新型飞机成功开发了10余种搅拌摩擦焊铝合金壁板,在飞机减重、强度提高和生产效率提升方面具有显著优势。

 而在栾国红心里,这还远远不够,栾国红的梦想是,早日制造出中国人自己的全搅拌摩擦焊飞机。

 栾国红的梦想已经在路上,他说,现在有关部门正在研究C929大飞机材料和技术,赛福斯特也正在配合相关部门进行搅拌摩擦焊接新一代飞机材料上的试验和研发,也许用不了多久,栾国红的梦想就会飞上蓝天!

 正是因为像赛福斯特公司这样拥有不断追求的梦想和不断创新的精神,搅拌摩擦焊的应用才有今天的发展。相信在栾国红和他的团队的不断攻坚克难,不断创新开拓下,搅拌摩擦焊技术在铝应用的世界里将会变得越发重要,也必将为铝应用领域再拓新征程。