攪拌摩擦焊緣何成為鋁合金焊接技術(shù)的主角？
鋁合金作為一種性能優(yōu)異的輕質(zhì)合金,近年來在我國工業(yè)領(lǐng)域得到大力推廣。由于鋁合金的物理和化學(xué)特性不同于鋼鐵等傳統(tǒng)工業(yè)材料,在傳統(tǒng)的制造工藝技術(shù)條件下,鋁合金的使用存在一些瓶頸。只有采取工藝技術(shù)的創(chuàng)新乃至革命,才能突破這些瓶頸,令鋁合金的優(yōu)異的性能在各種工業(yè)領(lǐng)域大放異彩。
連接技術(shù)就是鋁合金加工制造過程中的瓶頸之一。傳統(tǒng)的連接技術(shù)包括鉚接和焊接,而這兩種方式對于鋁合金來說,分別在效率和性能方面存在明顯的缺點(diǎn)。如何采用一種連接方式,既具有高效率,又具有高性能,同時能夠兼顧環(huán)保和綠色制造?這像是在描述一種完美的技術(shù),而實(shí)際上是否真的存在?
攪拌摩擦焊——這一名詞對大多數(shù)人來說還非常陌生。攪拌摩擦焊作為一種自動化的固相連接技術(shù),克服了鉚接帶來的效率低下和密封性差問題,也改變了熔焊對于鋁合金的“水土不服”和操作者職業(yè)健康問題。這項(xiàng)技術(shù)問世僅20年,卻在世界范圍內(nèi)各種工業(yè)領(lǐng)域取得了輝煌的應(yīng)用成就。
焊接專家關(guān)橋院士曾在一篇報告中這樣評價:攪拌摩擦焊作為較先進(jìn)和熱門的一種焊接方法已大量地應(yīng)用于鋁合金材料的焊接,成為鋁合金最佳的連接技術(shù)!
攪拌摩擦焊緣何成為鋁合金連接技術(shù)的主角?攪拌摩擦焊有何優(yōu)點(diǎn)?又經(jīng)歷怎樣的創(chuàng)新?近日,記者采訪了國內(nèi)最早開發(fā)攪拌摩擦焊技術(shù)的專業(yè)帶頭人之一——中國攪拌摩擦焊中心主任、北京賽福斯特技術(shù)有限公司總經(jīng)理欒國紅。
眾人拾柴火焰高
多方合力助推廣
欒國紅回憶說,攪拌摩擦焊之所以能引進(jìn)中國且得到了快速的推廣應(yīng)用,緣于關(guān)橋院士高瞻遠(yuǎn)矚和大力支持以及賽福斯特公司在引進(jìn)攪拌摩擦焊技術(shù)后的持續(xù)不斷的研究和攻關(guān)。
2001年,就職于中航工業(yè)北京航空制造工程研究所(625所)的關(guān)橋院士在英國焊接研究所(TWI)首次接觸到攪拌摩擦焊技術(shù),認(rèn)為這項(xiàng)革命性的焊接技術(shù)存在巨大發(fā)展前景?；貒?關(guān)橋院士馬上向所領(lǐng)導(dǎo)匯報說明自己的想法,在關(guān)橋院士的大力倡導(dǎo)下,625所決定與英國焊接研究所合作開展攪拌摩擦焊研究。
而當(dāng)時正在國外學(xué)習(xí)焊接專業(yè)的欒國紅,已是關(guān)橋院士心中最佳的攪拌摩擦焊技術(shù)中國帶頭人,經(jīng)過關(guān)院士一番說服,欒國紅義無反顧地回國,擔(dān)起了在中國發(fā)展和推廣應(yīng)用攪拌摩擦焊的重任。2002年,中航工業(yè)北京航空制造工程研究所與英國焊接研究所簽署許可協(xié)議,成立中國攪拌摩擦焊中心、北京賽福斯特技術(shù)有限公司,欒國紅擔(dān)任總經(jīng)理。這一年可以說是攪拌摩擦在中國的發(fā)展元年。
關(guān)橋院士對欒國紅提出的要求是:發(fā)展攪拌摩擦焊技術(shù)和推廣攪拌摩擦焊技術(shù)。欒國紅深知,若想發(fā)展攪拌摩擦焊技術(shù),就得不斷研究創(chuàng)新;若想推廣攪拌摩擦焊技術(shù),就不能靠一己之力。
于是,欒國紅把第一個服務(wù)的目標(biāo)設(shè)定在主要的工業(yè)院校和研究機(jī)構(gòu)。欒國紅堅(jiān)信,公司要發(fā)展得更遠(yuǎn),必須要市場化運(yùn)作。所以自公司成立以來,賽福斯特不僅在技術(shù)方面不斷研究開發(fā),而且還將其最先推廣到各大主流院校以謀共同發(fā)展,比如與哈爾濱工業(yè)大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、中科院金屬材料研究所、燕山大學(xué)等各個工業(yè)大學(xué)以及相關(guān)的研究機(jī)構(gòu)達(dá)成了合作,鼓勵其成立攪拌摩擦焊研究專業(yè),培養(yǎng)專業(yè)人才,以在較短的時間內(nèi),把基礎(chǔ)培養(yǎng)和技術(shù)研究基本架構(gòu)建立起來。
而賽福斯特在這其中扮演了中國攪拌摩擦焊中心的“領(lǐng)頭羊”的角色,以推動技術(shù)和市場齊頭并進(jìn)。
經(jīng)過10多年的技術(shù)和市場培育,當(dāng)前中國能夠提供攪拌摩擦焊技術(shù)的企業(yè)不只賽福斯特一家,但大多數(shù)的提供商都是賽福斯特最初的用戶。
在一般人看來,賽福斯特當(dāng)初的舉措為自己培養(yǎng)了潛在的競爭對手,而欒國紅卻不這么認(rèn)為,“只有眾人拾柴才能火焰高,攪拌摩擦焊技術(shù)的發(fā)展和推廣也是如此?！睓鑷t坦言。顯然,欒國紅沒有把這些同行看作是對手,而是當(dāng)成了焊接技術(shù)創(chuàng)新道路上的隊(duì)友。
眾人劃槳開大船。也許正是因?yàn)橘惛Ｋ固赜羞@樣的胸懷,才得以將攪拌摩擦焊技術(shù)在中國發(fā)展得如此強(qiáng)勁。而今,賽福斯特提供的攪拌摩擦焊技術(shù)和設(shè)備遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越當(dāng)初英國焊接研究所提供的研究水平。
目前,在我國攪拌摩擦焊技術(shù)已成功應(yīng)用到包括航空、航天、艦船、兵器等軍工領(lǐng)域及電力電子、軌道交通等高端民用工業(yè)領(lǐng)域。
在航天領(lǐng)域,賽福斯特公司先后與中國航天一院、航天九院、航天八院、航天四院、航天七院等達(dá)成合作,在國內(nèi)的航天主機(jī)廠得到了廣泛應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了各個新型導(dǎo)彈都采用了攪拌摩擦焊技術(shù),同時,通過攪拌摩擦焊接的殼體質(zhì)量更均勻,大大提高了導(dǎo)彈的軌跡精度。
隨后在軌道輕量化領(lǐng)域也得到了快速的應(yīng)用,在關(guān)橋院士的引薦下,很快與中車集團(tuán)所屬的機(jī)車公司,如株洲電力機(jī)車研究所有限公司、青島四方機(jī)車車輛股份有限公司、中車長春軌道客車股份有限公司、唐山機(jī)車車輛有限公司等企業(yè)達(dá)成合作,目前,凡是軌道交通所用的鋁合金車輛,其制造過程都采用了賽福斯特公司提供的攪拌摩擦焊技術(shù)和設(shè)備。
五大優(yōu)點(diǎn)
助攪拌摩擦焊發(fā)展迅速
攪拌摩擦焊作為一種固相連接方式,是基于數(shù)控機(jī)床模式下的一種焊接方式,不論是操作性、還是精確度、還是環(huán)保無污染等方面都有著不可代替的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)。
首先,攪拌摩擦焊技術(shù)是在材料的塑性狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)的,產(chǎn)品焊縫金相一致性高,焊縫無熱裂紋、無夾雜、無氣孔等熔焊缺陷。
其次,攪拌摩擦焊技術(shù)利用自動化的機(jī)械設(shè)備進(jìn)行焊接,避免了對操作工人技術(shù)熟練程度的依賴,實(shí)現(xiàn)了全位置焊接自動化,提高了工作效率。
第三,攪拌摩擦焊技術(shù)無需對待焊產(chǎn)品進(jìn)行特殊處理,不需要開坡口、填充材料和保護(hù)氣,簡化了焊接工序。
第四,攪拌摩擦焊接過程不會產(chǎn)生煙塵、飛濺、紫外線及電磁輻射等缺陷,實(shí)現(xiàn)了焊接過程的綠色、環(huán)保和無害化。
第五,攪拌摩擦焊的焊縫殘余應(yīng)力低,基本無變形,焊縫屬性接近母材,機(jī)械性能優(yōu)異,提高了焊縫的可靠性。
在歐洲,攪拌摩擦焊最早應(yīng)用在船舶工業(yè)中,因?yàn)橐圃熹X合金船,需要解決鋁合金壁板焊接難題,之前用熔焊焊接方式容易出現(xiàn)“瘦馬現(xiàn)象”(船體結(jié)構(gòu)在焊接過程中,會產(chǎn)生一定的變形,尤其是外板及上層建筑,焊接變形尤其突出,俗稱“瘦馬現(xiàn)象”),該現(xiàn)象不僅造成船體表面美觀度下降,而且其材料強(qiáng)度指標(biāo)也達(dá)不到要求,而攪拌摩擦焊的應(yīng)用恰好解決了這一難題。所以,在中國沒有引進(jìn)攪拌摩擦焊之前,一直不能制造鋁船,直到北京賽福斯特技術(shù)有限公司在某型導(dǎo)彈快艇上首次規(guī)?；瘧?yīng)用攪拌摩擦焊技術(shù),才結(jié)束了中國不能制造鋁船的說法。目前,攪拌摩擦焊技術(shù)已在海軍艦船以及游艇上廣泛應(yīng)用?？梢哉f,由于有了攪拌摩擦焊技術(shù),鋁合金在在船舶領(lǐng)域上的應(yīng)用才得以不斷擴(kuò)大。
欒國紅透露,目前公司正在試制的某個大型軍工項(xiàng)目中,如果采用原來的焊接方式,需要十幾道焊縫,一個操作工兩天時間才能完成任務(wù),而如若采用攪拌摩擦焊則只需要兩個小時就能完成,且質(zhì)量好可靠性高。
作為先進(jìn)、優(yōu)質(zhì)、高效的焊接新方法,攪拌摩擦焊技術(shù)可實(shí)現(xiàn)鋁合金材料的對接、搭接、縱縫焊接、環(huán)縫焊接、變厚度焊接、無支撐雙面焊接、空間曲線曲面焊接。
針對工作環(huán)境的不同,攪拌摩擦焊技術(shù)也分為攪拌摩擦點(diǎn)焊、雙軸肩攪拌摩擦焊、靜軸肩攪拌摩擦焊、無軸肩攪拌摩擦焊、塑流摩擦焊、材料表面改性處理和材料超塑性成型加工等多種焊接方法及加工技術(shù),可以完成多種特殊的焊接作業(yè)。
另外,攪拌摩擦焊技術(shù)還讓之前認(rèn)為航空用高強(qiáng)鋁合金不可焊接的說法不復(fù)存在。眾所周知,飛機(jī)中用到的高強(qiáng)鋁合金板一直采用鉚接技術(shù)進(jìn)行搭接,那是因?yàn)橹暗乃泻附臃绞蕉疾贿m用于高強(qiáng)鋁合金。目前北京賽福斯特技術(shù)有限公司已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)了2XXX系、5XXX系、6XXX系、7XXX系鋁合金材料的攪拌摩擦焊接,正在循序漸進(jìn)地應(yīng)用于航空領(lǐng)域。
正是由于攪拌摩擦焊具有不可替代的優(yōu)勢,自英國焊接研究所(簡稱TWI)1991年發(fā)明這項(xiàng)技術(shù)以來,其發(fā)展速度超過了其他所有的焊接技術(shù),發(fā)展規(guī)模也迅速擴(kuò)大。攪拌摩擦焊在鋁合金結(jié)構(gòu)的整體化焊接制造領(lǐng)域,正在取代著熔焊等傳統(tǒng)焊接方式。
攻關(guān)尖端技術(shù)
為攪拌摩擦焊技術(shù)再拓新市場
北京賽福斯特公司作為首家發(fā)展攪拌摩擦焊技術(shù)的企業(yè),始終將自己定位于引領(lǐng)攪拌摩擦焊技術(shù)發(fā)展的前沿,不怕困難,?？屑夹g(shù)中的“硬骨頭”。
正因?yàn)槿绱?其技術(shù)設(shè)備不僅在國內(nèi)受到追捧,同時也受到老外的青睞。在關(guān)橋院士和欒國紅團(tuán)隊(duì)的努力下,目前賽福斯特公司不僅為國內(nèi)各個領(lǐng)域提供了近200臺套的攪拌摩擦焊設(shè)備系統(tǒng),而且還遠(yuǎn)銷全球11個國家,其中德國客戶就訂了8臺。欒國紅自豪地說:“在焊接領(lǐng)域,長期以來一直是我們進(jìn)口德國設(shè)備,而現(xiàn)在德國進(jìn)口中國的攪拌摩擦焊設(shè)備,這是中國焊接發(fā)展的創(chuàng)新突破。”
欒國紅說,2016年初公司簽約一個德國列車制造客戶,客戶對這臺30米長的大型攪拌摩擦焊設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)和交貨期方面提出了非常高的要求,但他毫不猶豫地接受了。
“因?yàn)榭蛻舻目量桃笫菍ξ覀冏陨硭降囊粋€提高,不怕要求高,就怕沒難度。沒有客戶越來越高的要求,就沒有攪拌摩擦焊技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展,今天賽福斯特公司所提供的攪拌摩擦焊技術(shù)和設(shè)備遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了當(dāng)時英國焊接研究所給予的技術(shù),這些都是得益于客戶的不斷需求和賽福斯特研究人員的不斷創(chuàng)新和研究?！憋@然欒國紅很是欣慰,認(rèn)為自己的付出和回報是值得的。欒國紅說,今天下班后他還要與團(tuán)隊(duì)成員加班做方案,5個小時后國外客戶上班要與其溝通細(xì)節(jié),在與記者交談期間,還與正在準(zhǔn)備材料的同事進(jìn)行確認(rèn)。
欒國紅的團(tuán)隊(duì)早已確立了企業(yè)長期發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo):做一個專業(yè)化的具有國際核心競爭力的現(xiàn)代化企業(yè),在攪拌摩擦焊這個單項(xiàng)技術(shù)方面要做到極致,達(dá)到真正的國際領(lǐng)先水平。
欒國紅帶領(lǐng)下的北京賽福斯特技術(shù)有限公司,僅有93位成員,人數(shù)不多,但個個都是精英。其中包括1名院士、2名研究員、7名博士和24名碩士的技術(shù)團(tuán)隊(duì)。
正是由于這樣一個擁有世界先進(jìn)水平的攪拌摩擦焊技術(shù)研發(fā)團(tuán)隊(duì),在中國率先掌握了攪拌摩擦焊基礎(chǔ)技術(shù)、工程化技術(shù)和工業(yè)化技術(shù),使推動攪拌摩擦焊技術(shù)在中國的再發(fā)展和工業(yè)化應(yīng)用有了可靠保障。
目前,攪拌摩擦焊技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在各個領(lǐng)域的鋁合金材料主要的焊接環(huán)節(jié)中,通用領(lǐng)域的應(yīng)用使命已基本完成,但欒國紅并沒有止步,接下來他將把目標(biāo)集中在兩個極端領(lǐng)域內(nèi)擴(kuò)大應(yīng)用:即大而厚的壁板焊接和小而薄的產(chǎn)品焊接。
首先,在很重、很厚、很長的產(chǎn)品上應(yīng)用,解決現(xiàn)在所有大厚板的焊接,作為現(xiàn)有軋制和鍛壓能力所限的補(bǔ)充,比如在大型壁板結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)再突破?，F(xiàn)在,賽福斯特的攪拌摩擦焊技術(shù)能夠焊接單面焊80mm厚的板材,雙面焊能達(dá)到150mm厚的板材,明年還將繼續(xù)開發(fā)單面85mm厚,雙面160mm厚,甚至更厚的材料焊接技術(shù),以應(yīng)用于像深海魚雷等海軍尖端領(lǐng)域。其次,在很薄、很小的鋁合金材料領(lǐng)域的應(yīng)用,如電子封裝、微型散熱器、甚至納米材料的應(yīng)用。
除此之外,賽福斯特公司還將大力開發(fā)機(jī)器人技術(shù),把現(xiàn)有的技術(shù)歸類,實(shí)現(xiàn)數(shù)字化和智能化,縮短設(shè)備投資,把產(chǎn)品和技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能化,比如在未來用激光掃描支撐機(jī)器人和點(diǎn)焊機(jī)器人合作實(shí)現(xiàn)大飛機(jī)上的焊接或是多個機(jī)器人協(xié)同合作,實(shí)現(xiàn)機(jī)器人攪拌摩擦焊技術(shù)基層應(yīng)用。
據(jù)悉,美國Eclipse公司制造的全攪拌摩擦焊接商務(wù)飛機(jī),已投入批量生產(chǎn),可見,在支線和大型干線飛機(jī)的設(shè)計(jì)、制造中,攪拌摩擦焊用于重要結(jié)構(gòu)的整體化制造日臻成熟,應(yīng)用面正在擴(kuò)大。
而在我國,北京賽福斯特技術(shù)有限公司經(jīng)過了多年的技術(shù)攻關(guān),成功實(shí)現(xiàn)了我國大型飛機(jī)地板結(jié)構(gòu)、新型戰(zhàn)斗機(jī)艙體、機(jī)身、口蓋結(jié)構(gòu)和雷達(dá)冷板等部件的攪拌摩擦焊接,目前已為多種新型飛機(jī)成功開發(fā)了10余種攪拌摩擦焊鋁合金壁板,在飛機(jī)減重、強(qiáng)度提高和生產(chǎn)效率提升方面具有顯著優(yōu)勢。
而在欒國紅心里,這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,欒國紅的夢想是,早日制造出中國人自己的全攪拌摩擦焊飛機(jī)。
欒國紅的夢想已經(jīng)在路上,他說,現(xiàn)在有關(guān)部門正在研究C929大飛機(jī)材料和技術(shù),賽福斯特也正在配合相關(guān)部門進(jìn)行攪拌摩擦焊接新一代飛機(jī)材料上的試驗(yàn)和研發(fā),也許用不了多久,欒國紅的夢想就會飛上藍(lán)天!
正是因?yàn)橄褓惛Ｋ固毓具@樣擁有不斷追求的夢想和不斷創(chuàng)新的精神,攪拌摩擦焊的應(yīng)用才有今天的發(fā)展。相信在欒國紅和他的團(tuán)隊(duì)的不斷攻堅(jiān)克難,不斷創(chuàng)新開拓下,攪拌摩擦焊技術(shù)在鋁應(yīng)用的世界里將會變得越發(fā)重要,也必將為鋁應(yīng)用領(lǐng)域再拓新征程。
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