我国搅 拌摩擦焊技术获突破发展

2018-11-28

             
      据来自 航天科技集团的消息,航天科 技集团某单位自主研发搅拌摩擦焊设备并成功用于我国新型大型运载火箭氧化剂和燃料贮箱的焊接。此外,兵器工 业集团武汉重工集团近日也与航天科技集团首都航天机械公司签订了重型运载火箭大型薄壁贮箱的搅拌摩擦焊设备订单。这标志 着在经历了漫长积累之后,我国的 搅拌摩擦焊技术迎来了突破性的发展。
      搅拌摩 擦焊的工作原理是一根安装在主轴上的形状特殊的(一般是蜗杆形式的)搅拌针 在一定压力下被旋转着插入焊缝位置,搅拌针 的长度一般比焊缝深度略浅,以保证 主轴的轴肩能紧贴被焊接工件的表面。此时由 于工件与搅拌针和轴肩(主要是后者)摩擦生热,焊缝附 近的材料受热产生严重的塑性变形,但是并不熔化,只是成为一种“半流体”的状态,随着主 轴带着搅拌针沿着焊缝走向进给,搅拌针 不断把已经处于热塑性状态的材料搅拌到身后,主轴离开后,这些材料冷却固化,从而形 成一条稳定的焊缝。
      众所周知,以铝合 金和镁合金为代表的轻质合金是航空器和航天器的主要结构材料之一。然而这 些轻质合金的可焊性都很差,传统的 各种熔焊工艺都不可能从根本上杜绝热裂纹、气孔和 夹渣等焊接缺陷的产生,需要靠 操作者具有高超的技术和工艺才能保证焊接质量。并且熔 焊的高温会产生大量热量和有毒的烟气,这对操 作者的身体健康也是一大威胁。而搅拌 摩擦焊的出现则从根本上解决了这些问题。
      首先,由于搅 拌摩擦焊的焊接温度较低,被焊接 的材料只是受热软化成为热塑性状态而不熔化,所以搅 拌摩擦焊能彻底解决热裂纹、气孔和 夹渣等传统熔焊无法根治的问题;基于同样的原因,搅拌摩 擦焊不会产生高温和有毒的气体,对操作 者的健康和工作环境比传统熔焊要友好得多。
其次,相较于 传统熔焊工艺在焊缝附近形成铸造形态组织,搅拌摩 擦焊由于主轴会被焊接的工件施加一个很大的压力,所以在 焊缝附近得到的是锻造形态组织,这种组 织比铸造形态组织致密得多,因而焊 接后零件的机械性能也比传统熔焊工艺做出来的好得多。
      而搅拌 摩擦焊最大的优势莫过于其本质是把机械能转化成焊接所需要的热能,所以可 以用特定的公式相当准确地计算出焊接热及其引发的工件热变形,从而为 事前的补偿和事后的纠正提供了几乎不依赖操作者经验的定量的依据,这是任 何传统焊接工艺都望尘莫及的;基于同样的原因,搅拌摩 擦焊设备的自动化也变得颇为容易,目前国 内外都发展出了一系列搅拌摩擦焊设备和搅拌摩擦焊机器人。此外,搅拌摩 擦焊不需要焊料,这节约了不少成本,因为高 端焊料往往都是非常昂贵的。
      当然,搅拌摩 擦焊也有不少局限性,如只适 合焊接熔点相对较低的材料(如铝合金、镁合金或者铜合金);由于搅 拌针要插入焊缝,焊接后 必然留有一个小孔(近年来 发展的伸缩式搅拌头可以解决此问题);工件需 要以很大的紧固力固定在工作台上,并以很 大的压紧力压紧,可能造成额外的变形;对于异 形焊缝的焊接速度较慢,搅拌针 和轴肩材料损耗速度较快等等。
      由于搅 拌摩擦焊的这些特点,使其在 问世不久之后就成为了航空航天制造领域的新宠儿,被广泛 应用于大型薄壁结构的焊接领域。迄今为止,我国已 经发展了多种悬臂式和龙门式搅拌摩擦焊设备,搅拌针 也实现了家族化和系列化。
      此外,我国也 开展了钛合金搅拌摩擦焊设备与工艺等基础性的预先研究,在多晶立方氮化硼(PCBN)搅拌针 的生产工艺等关键与核心技术方面取得了不少进展,目前我 国正在试验的钛合金搅拌摩擦焊的接头强度可达母材的90%,有望在 不久的将来服务于我国的航空航天制造领域。
      而此次 武汉重工集团自主研发的新型设备则使得我国的搅拌摩擦焊设备水平站上了一个全新的高度。据介绍,这套设 备采用移动式龙门结构,集自动装夹、定位、铣削和 搅拌摩擦焊等多种功能为一体,实现了对直径为10米、起飞重量超过3000吨的重 型运载火箭的超大型薄壁贮箱装配焊接零部件的多种材料、多工位 和多工序的智能化生产,大大提 高了生产制造的效率和质量。

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