鋁合金作為一種性能優異的輕質合金,近年來在我國工業領域得到大力推廣。由于鋁合金的物理和化學特性不同于鋼鐵等傳統工業材料,在傳統的制造工藝技術條件下,鋁合金的使用存在一些瓶頸。只有采取工藝技術的創新乃至革命,才能突破這些瓶頸,令鋁合金的優異的性能在各種工業領域大放異彩。 連接技術就是鋁合金加工制造過程中的瓶頸之一。傳統的連接技術包括鉚接和焊接,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。如何采用一種連接方式,既具有高效率,又具有高性能,同時能夠兼顧環保和綠色制造?這像是在描述一種完美的技術,而實際上是否真的存在? 攪拌摩擦焊——這一名詞對大多數人來說還非常陌生。攪拌摩擦焊作為一種自動化的固相連接技術,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”和操作者職業健康問題。這項技術問世僅20年,卻在世界范圍內各種工業領域取得了輝煌的應用成就。 焊接專家關橋院士曾在一篇報告中這樣評價:攪拌摩擦焊作為較先進和熱門的一種焊接方法已大量地應用于鋁合金材料的焊接,成為鋁合金最佳的連接技術! 攪拌摩擦焊緣何成為鋁合金連接技術的主角?攪拌摩擦焊有何優點?又經歷怎樣的創新?近日,記者采訪了國內最早開發攪拌摩擦焊技術的專業帶頭人之一——中國攪拌摩擦焊中心主任、北京賽福斯特技術有限公司總經理欒國紅。 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中國且得到了快速的推廣應用,緣于關橋院士高瞻遠矚和大力支持以及賽福斯特公司在引進攪拌摩擦焊技術后的持續不斷的研究和攻關。 2001年,就職于中航工業北京航空制造工程研究所(625所)的關橋院士在英國焊接研究所(TWI)首次接觸到攪拌摩擦焊技術,認為這項革命性的焊接技術存在巨大發展前景。回國后,關橋院士馬上向所領導匯報說明自己的想法,在關橋院士的大力倡導下,625所決定與英國焊接研究所合作開展攪拌摩擦焊研究。 而當時正在國外學習焊接專業的欒國紅,已是關橋院士心中最佳的攪拌摩擦焊技術中國帶頭人,經過關院士一番說服,欒國紅義無反顧地回國,擔起了在中國發展和推廣應用攪拌摩擦焊的重任。2002年,中航工業北京航空制造工程研究所與英國焊接研究所簽署許可協議,成立中國攪拌摩擦焊中心、北京賽福斯特技術有限公司,欒國紅擔任總經理。這一年可以說是攪拌摩擦在中國的發展元年。 關橋院士對欒國紅提出的要求是:發展攪拌摩擦焊技術和推廣攪拌摩擦焊技術。欒國紅深知,若想發展攪拌摩擦焊技術,就得不斷研究創新;若想推廣攪拌摩擦焊技術,就不能靠一己之力。 于是,欒國紅把第一個服務的目標設定在主要的工業院校和研究機構。欒國紅堅信,公司要發展得更遠,必須要市場化運作。所以自公司成立以來,賽福斯特不僅在技術方面不斷研究開發,而且還將其最先推廣到各大主流院校以謀共同發展,比如與哈爾濱工業大學、西北工業大學、清華大學、北京航空航天大學、中科院金屬材料研究所、燕山大學等各個工業大學以及相關的研究機構達成了合作,鼓勵其成立攪拌摩擦焊研究專業,培養專業人才,以在較短的時間內,把基礎培養和技術研究基本架構建立起來。 而賽福斯特在這其中扮演了中國攪拌摩擦焊中心的“領頭羊”的角色,以推動技術和市場齊頭并進。 經過10多年的技術和市場培育,當前中國能夠提供攪拌摩擦焊技術的企業不只賽福斯特一家,但大多數的提供商都是賽福斯特最初的用戶。 在一般人看來,賽福斯特當初的舉措為自己培養了潛在的競爭對手,而欒國紅卻不這么認為,“只有眾人拾柴才能火焰高,攪拌摩擦焊技術的發展和推廣也是如此。”欒國紅坦言。顯然,欒國紅沒有把這些同行看作是對手,而是當成了焊接技術創新道路上的隊友。 眾人劃槳開大船。也許正是因為賽福斯特有這樣的胸懷,才得以將攪拌摩擦焊技術在中國發展得如此強勁。而今,賽福斯特提供的攪拌摩擦焊技術和設備遠遠超越當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已成功應用到包括航空、航天、艦船、兵器等軍工領域及電力電子、軌道交通等高端民用工業領域。 在航天領域,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、航天七院等達成合作,在國內的航天主機廠得到了廣泛應用,實現了各個新型導彈都采用了攪拌摩擦焊技術,同時,通過攪拌摩擦焊接的殼體質量更均勻,大大提高了導彈的軌跡精度。 隨后在軌道輕量化領域也得到了快速的應用,在關橋院士的引薦下,很快與中車集團所屬的機車公司,如株洲電力機車研究所有限公司、青島四方機車車輛股份有限公司、中車長春軌道客車股份有限公司、唐山機車車輛有限公司等企業達成合作,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和設備。 五大優點 助攪拌摩擦焊發展迅速 攪拌摩擦焊作為一種固相連接方式,是基于數控機床模式下的一種焊接方式,不論是操作性、還是精確度、還是環保無污染等方面都有著不可代替的技術優點。 首先,攪拌摩擦焊技術是在材料的塑性狀態下實現的,產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,攪拌摩擦焊技術利用自動化的機械設備進行焊接,避免了對操作工人技術熟練程度的依賴,實現了全位置焊接自動化,提高了工作效率。 第三,攪拌摩擦焊技術無需對待焊產品進行特殊處理,不需要開坡口、填充材料和保護氣,簡化了焊接工序。 第四,攪拌摩擦焊接過程不會產生煙塵、飛濺、紫外線及電磁輻射等缺陷,實現了焊接過程的綠色、環保和無害化。 第五,攪拌摩擦焊的焊縫殘余應力低,基本無變形,焊縫屬性接近母材,機械性能優異,提高了焊縫的可靠性。 在歐洲,攪拌摩擦焊最早應用在船舶工業中,因為要制造鋁合金船,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“瘦馬現象”(船體結構在焊接過程中,會產生一定的變形,尤其是外板及上層建筑,焊接變形尤其突出,俗稱“瘦馬現象”),該現象不僅造成船體表面美觀度下降,而且其材料強度指標也達不到要求,而攪拌摩擦焊的應用恰好解決了這一難題。所以,在中國沒有引進攪拌摩擦焊之前,一直不能制造鋁船,直到北京賽福斯特技術有限公司在某型導彈快艇上首次規模化應用攪拌摩擦焊技術,才結束了中國不能制造鋁船的說法。目前,攪拌摩擦焊技術已在海軍艦船以及游艇上廣泛應用。可以說,由于有了攪拌摩擦焊技術,鋁合金在在船舶領域上的應用才得以不斷擴大。 欒國紅透露,目前公司正在試制的某個大型軍工項目中,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,而如若采用攪拌摩擦焊則只需要兩個小時就能完成,且質量好可靠性高。 作為先進、優質、高效的焊接新方法,攪拌摩擦焊技術可實現鋁合金材料的對接、搭接、縱縫焊接、環縫焊接、變厚度焊接、無支撐雙面焊接、空間曲線曲面焊接。 針對工作環境的不同,攪拌摩擦焊技術也分為攪拌摩擦點焊、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,可以完成多種特殊的焊接作業。 另外,攪拌摩擦焊技術還讓之前認為航空用高強鋁合金不可焊接的說法不復存在。眾所周知,飛機中用到的高強鋁合金板一直采用鉚接技術進行搭接,那是因為之前的所有焊接方式都不適用于高強鋁合金。目前北京賽福斯特技術有限公司已經成功實現了2XXX系、5XXX系、6XXX系、7XXX系鋁合金材料的攪拌摩擦焊接,正在循序漸進地應用于航空領域。 正是由于攪拌摩擦焊具有不可替代的優勢,自英國焊接研究所(簡稱TWI)1991年發明這項技術以來,其發展速度超過了其他所有的焊接技術,發展規模也迅速擴大。攪拌摩擦焊在鋁合金結構的整體化焊接制造領域,正在取代著熔焊等傳統焊接方式。 攻關尖端技術 為攪拌摩擦焊技術再拓新市場 北京賽福斯特公司作為首家發展攪拌摩擦焊技術的企業,始終將自己定位于引領攪拌摩擦焊技術發展的前沿,不怕困難,專啃技術中的“硬骨頭”。 正因為如此,其技術設備不僅在國內受到追捧,同時也受到老外的青睞。在關橋院士和欒國紅團隊的努力下,目前賽福斯特公司不僅為國內各個領域提供了近200臺套的攪拌摩擦焊設備系統,而且還遠銷全球11個國家,其中德國客戶就訂了8臺。欒國紅自豪地說:“在焊接領域,長期以來一直是我們進口德國設備,而現在德國進口中國的攪拌摩擦焊設備,這是中國焊接發展的創新突破。” 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備的技術指標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。 “因為客戶的苛刻要求是對我們自身水平的一個提高,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的創新發展,今天賽福斯特公司所提供的攪拌摩擦焊技術和設備遠遠超過了當時英國焊接研究所給予的技術,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新和研究。”顯然欒國紅很是欣慰,認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隊成員加班做方案,5個小時后國外客戶上班要與其溝通細節,在與記者交談期間,還與正在準備材料的同事進行確認。 欒國紅的團隊早已確立了企業長期發展戰略目標:做一個專業化的具有國際核心競爭力的現代化企業,在攪拌摩擦焊這個單項技術方面要做到極致,達到真正的國際領先水平。 欒國紅帶領下的北京賽福斯特技術有限公司,僅有93位成員,人數不多,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名碩士的技術團隊。 正是由于這樣一個擁有世界先進水平的攪拌摩擦焊技術研發團隊,在中國率先掌握了攪拌摩擦焊基礎技術、工程化技術和工業化技術,使推動攪拌摩擦焊技術在中國的再發展和工業化應用有了可靠保障。 目前,攪拌摩擦焊技術已經應用在各個領域的鋁合金材料主要的焊接環節中,通用領域的應用使命已基本完成,但欒國紅并沒有止步,接下來他將把目標集中在兩個極端領域內擴大應用:即大而厚的壁板焊接和小而薄的產品焊接。 首先,在很重、很厚、很長的產品上應用,解決現在所有大厚板的焊接,作為現有軋制和鍛壓能力所限的補充,比如在大型壁板結構上實現再突破。現在,賽福斯特的攪拌摩擦焊技術能夠焊接單面焊80mm厚的板材,雙面焊能達到150mm厚的板材,明年還將繼續開發單面85mm厚,雙面160mm厚,甚至更厚的材料焊接技術,以應用于像深海魚雷等海軍尖端領域。其次,在很薄、很小的鋁合金材料領域的應用,如電子封裝、微型散熱器、甚至納米材料的應用。 除此之外,賽福斯特公司還將大力開發機器人技術,把現有的技術歸類,實現數字化和智能化,縮短設備投資,把產品和技術實現智能化,比如在未來用激光掃描支撐機器人和點焊機器人合作實現大飛機上的焊接或是多個機器人協同合作,實現機器人攪拌摩擦焊技術基層應用。 據悉,美國Eclipse公司制造的全攪拌摩擦焊接商務飛機,已投入批量生產,可見,在支線和大型干線飛機的設計、制造中,攪拌摩擦焊用于重要結構的整體化制造日臻成熟,應用面正在擴大。 而在我國,北京賽福斯特技術有限公司經過了多年的技術攻關,成功實現了我國大型飛機地板結構、新型戰斗機艙體、機身、口蓋結構和雷達冷板等部件的攪拌摩擦焊接,目前已為多種新型飛機成功開發了10余種攪拌摩擦焊鋁合金壁板,在飛機減重、強度提高和生產效率提升方面具有顯著優勢。 而在欒國紅心里,這還遠遠不夠,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。 欒國紅的夢想已經在路上,他說,現在有關部門正在研究C929大飛機材料和技術,賽福斯特也正在配合相關部門進行攪拌摩擦焊接新一代飛機材料上的試驗和研發,也許用不了多久,欒國紅的夢想就會飛上藍天! 正是因為像賽福斯特公司這樣擁有不斷追求的夢想和不斷創新的精神,攪拌摩擦焊的應用才有今天的發展。相信在欒國紅和他的團隊的不斷攻堅克難,不斷創新開拓下,攪拌摩擦焊技術在鋁應用的世界里將會變得越發重要,也必將為鋁應用領域再拓新征程。