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    攪拌摩擦焊技術在中國的發展--中國攪拌摩擦焊中心研究員欒國紅先生

    2011-07-04 09:49:03 我要評論(0) 字號:T | T
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    攪拌摩擦焊技術在中國的發展--中國攪拌摩擦焊中心研究員欒國紅先生 ,1991年,一種“革命性”的新型焊接技術——“攪拌摩擦焊—Friction Stir Welding”誕生于英國焊接研究所(TWI)。這種焊接技術從根本上解決了輕合金材料的焊接方法問題,實現了鋁、鎂、鈦等輕質合金材

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        1991年,一種“革命性”的新型焊接技術——“攪拌摩擦焊—Friction Stir Welding”誕生于英國焊接研究所(TWI)。這種焊接技術從根本上解決了輕合金材料的焊接方法問題,實現了鋁、鎂、鈦等輕質合金材料的高效、優質、綠色、小變形的固相(非熔化)連接。盡管攪拌摩擦焊在世界范圍內得到了知識產權保護,但是基于這種技術在低熔點輕金屬材料連接領域的諸多優點,在近十多年的時間內得到了深入的研究和快速發展,在諸多工業領域得到工程化應用,成為新世紀最先進焊接技術。

        2002年4月18日,中航工業北京航空制造工程研究所(中航工業625所)和英國焊接研究所在北京共同簽署攪拌摩擦焊專利許可和合作協議,并且在技術合作基礎上共同成立了中國地區攪拌摩擦焊技術發展和應用推廣中心——中國攪拌摩擦焊中心!爸袊鴶嚢枘Σ梁钢行摹笔怯附友芯克谥袊貐^(包括香港、澳門和臺灣)唯一授權的攪拌摩擦焊技術合作伙伴。中國攪拌摩擦焊中心主要負責攪拌摩擦焊技術在中國地區的技術開發、工程應用以及攪拌摩擦焊設備的研發、制造及銷售;同時還全權代表英國焊接研究所在中國地區發授和管理攪拌摩擦焊專利許可,并負責中國市場攪拌摩擦焊技術的應用和監督。

        中國攪拌摩擦焊中心的成立是中航工業北京航空制造工程研究所和英國焊接研究所在攪拌摩擦焊技術方面全面合作、共同發展的開端,也標志著攪拌摩擦焊技術在中國的啟動和發展的開始,是中國焊接技術發展史上新的里程碑。

        同年,中航工業制造所順應市場化發展潮流,提出“小核心、大產業”發展戰略,在依托中國攪拌摩擦焊中心的引進技術和促進攪拌摩擦焊技術在中國再發展的同時,積極尋求攪拌摩擦焊技術在制造工業市場的工程化應用機會,并投資成立了中國第一家專業化的攪拌摩擦焊技術公司——“北京賽福斯特技術有限公司”,以期通過建立市場化的運營平臺推進攪拌摩擦焊技術在中國的產業化發展。

        作為中國地區攪拌摩擦焊技術工程化、工業化以及產業化的積極推動者,北京賽福斯特技術有限公司是中航工業先進專業技術產業化發展的先鋒和探索,其業務涉及整個攪拌摩擦焊技術相關產業鏈,為中國客戶提供“交鑰匙”工程和服務,直接降低了攪拌摩擦焊技術的應用于工業產品領域的難度和縮短了該技術應用于工業產品的周期,加速攪拌摩擦焊技術工程化、工業化和產業化發展進程。公司技術相關產業鏈具體包括:攪拌摩擦焊技術的研究、攪拌摩擦焊技術專利發授與管理;攪拌摩擦焊技術培訓與技術服務;攪拌摩擦焊專業設備開發定制;攪拌摩擦焊產品加工;攪拌摩擦焊檢測服務及檢測產品代理;攪拌摩擦焊工具的研發和銷售。

        北京賽福斯特技術有限公司自2003年起就被認定為北京市高新技術企業。迄今,公司始終將人才優勢定為公司持續快速發展的戰略優勢,在致力于技術創新研發的同時更加注重高級人才的培養,始終把人才培養作為企業發展的第一要務,在適合公司市場化發展需要方面,積極探索人才隊伍建設的新途徑,已經建成了以中國工程科學院著名焊接專家關橋院士為首席專家的一支技術精湛的專業化的攪拌摩擦焊技術團隊,其中包括研究員2名、高級工程師5人、博士3人、碩士16人,本科生28人,全面開展攪拌摩擦焊技術研究和研發,為眾多中國企業客戶提供技術、工程化、產品、設備、質量、標準等系列化服務和全套解決技術方案。

        科研技術開發是企業的核心能力所在,技術創新是企業保持持久生命力和持續發展的關鍵。在中國,以北京賽福斯特技術有限公司為核心的研究團隊,十分重視攪拌摩擦焊基礎技術的創新性發展。在科研方面,目前承擔和完成了國防預研、總裝預研、科技部863項目、總裝973等多項國家級攪拌摩擦焊技術研究課題。同時,攪拌摩擦焊技術發展特別重視“產、學、研”合作,通過聯合研究、發布攪拌摩擦焊研究許可和課題等形式支持多個國內知名院校(如:哈工大、西工大、清華、北航、沈航、江蘇科大等)、研究機構(金屬所)開展攪拌摩擦焊的基礎技術研究,為攪拌摩擦焊技術發展注入不竭動力,使中國攪拌摩擦焊技術的發展能夠與國家級型號和重大項目需求相一致,保持攪拌摩擦焊技術的新穎性、先進性和創新性發展能力。并且利用型號產品攪拌摩擦焊技術工程化應用契機,投資5200多萬元技改經費以及2500多萬自有資金,建立了擁有14臺各型攪拌摩擦焊設備的中國最先進的攪拌摩擦焊技術發展中心。

        從此,攪拌摩擦焊技術在世界東方制造大國——中國,拉開了發展的序幕,步入了工程化和工業化應用的歷程,直接將攪拌摩擦焊技術從實驗室推廣至中國尖端工業制造領域,在較短的時間內由一頁專利許可發展為擁有十八項專利、兩項技術標準以及9項科技成果的自主知識產權的先進的新型焊接技術,促進了中國制造工業焊接技術水平的提高。

        自2003年以來,在中國攪拌摩擦焊技術中心為旗幟的指引下,北京賽福斯特技術有限公司自主設計開發了60多套專業化攪拌摩擦焊接設備系統,填補了國內尖端大型自動化焊接裝備的空白,滿足航天、船舶、電力電子、兵器等工業需求。目前,賽福斯特公司正在針對攪拌摩擦焊在航天大直徑運載火箭筒體結構、大型軍用運輸飛機機身結構、貨艙地板結構、新一代戰斗機艙體和機翼結構的攪拌摩擦焊制造等方面展開全面的技術研究和工程攻關。隨著我國攪拌摩擦焊技術的研究開發、工程化水平和設備制造的快速發展,該技術在國家級航空航天重大項目中的工程化應用會越來越突出和越重要。

        2011年1月11日隨著我國新一代戰斗機J20飛機成功試飛,其中攪拌摩擦焊制造的駕駛艙機身左右口蓋壁板等輕質高效結構經受住了工程化應用的考驗,為現代飛機制造通過“以焊代鉚”實現飛機整體化制造提供了新的技術和途徑,同時也標志著攪拌摩擦焊技術在中國正式得到發展和騰飛。

    圖1為中國首次采用攪拌摩擦焊接結構研制的新一代戰斗機(J20)。

        在航天制造領域,攪拌摩擦焊技術在空間運載工具和導彈類產品的生產裝配、制造成本、重量和質量中同樣具有諸多的優越性;近幾年,在中國攪拌摩擦焊中心的大力宣傳推廣努力下,攪拌摩擦焊在中國航天制造領域也得到了普遍的認同和接受,并且逐漸取代傳統的熔焊工藝,成為航天產品的主導連接技術。截至2011年3月,賽福斯特公司已針對航天工業需求,開發了六個系列16臺套大型攪拌摩擦焊設備系統,包括運載火箭燃料貯箱筒體縱縫攪拌摩擦焊設備,運載火箭燃料貯箱箱底攪拌摩擦焊設備、運載火箭燃料貯箱環縫對接攪拌摩擦焊設備、大厚度導彈筒體結構件攪拌摩擦焊設備、導彈筒體攪拌摩擦焊系統等;筒體直徑范圍包括300~5000mm,結構厚度3~40mm,設備用戶包括三江航天集團紅陽機械廠、南京晨光集團、上海航天設備制造總廠、上海航天精密機械研究所、首都航天機械公司、航天科工集團二院總裝調部等,為航天客戶提供了系統的攪拌摩擦焊工藝技術、裝備和質量控制解決方案,直接促進中國航天企業焊接技術的更新換代。

        另外,針對市場化工業產品加工需求,中航制造所北京賽福斯特技術有限公司在掌握攪拌摩擦焊核心技術同時,積極建立攪拌摩擦焊工程化示范生產線,利用自主研發相關成套焊接生產設備,先后建立鋁合金船舶壁板、電子/電力散熱產品以特種大規格型材結構攪拌摩擦焊等3條攪拌摩擦焊產品生產線,為鋁合金等金屬材料焊接提供了完美的技術解決方案。圖2為中國攪拌摩擦焊中心2010年12月研制成功的中國最大的34m長的大型數控動龍門攪拌摩擦焊設備。該設備集成了A/B擺角、恒壓力柔性焊接、激光自動焊縫跟蹤等先進攪拌摩擦焊工藝控制技術,有效焊接長度達到28m,是目前我國尺寸結構最大的最先進的攪拌摩擦焊設備。圖2中還示出了中國攪拌摩擦焊中心利用該大型攪拌摩擦焊設備為軌道行業長春客車廠研制的中國最大的長25m的高速列車鋁合金中空車體壁板產品。


    圖2 中國攪拌摩擦焊中心研制的長34米的大型數控動龍門攪拌摩擦焊設備以及利用該設備焊接的長25米的鋁合金高速列車車體壁板

        從2002年取得TWI攪拌摩擦焊專利許可開始發展攪拌摩擦焊技術至今,攪拌摩擦焊技術在中國已經取得質的飛躍,其中該技術在各個工業制造領域的工程化應用和發展典型表現如下:

    ●航天工業:實現了航天工業高強鋁合金可靠連接,成為中國大型運載火箭燃料貯箱關鍵制造技術;實現了不同直徑鋁合金導彈筒體的低成本、高效率制造,并應用于眾多導彈型號產品;

    ●船舶工業:實現了大型鋁合金船舶壁板的批量化制造,已經應用于中國最先進的022雙翼穿浪鋁合金導彈快艇、護衛艦和救護船的制造,累計生產1200多噸;

    ●電子工業:成功應用于復雜液冷介質高效率雷達散熱器冷板等部件及大厚度雷達相控陣鋁合金基板的制造;并且還在手機蜂窩基站散熱器和LED節能照明產品中得到工業化應用;

    ●軌道交通工業:已經在南車公司地鐵、出口型輕軌車輛以及新型高速(>350km/h)鋁合金列車車體制造中得到批量化焊接生產應用,已經成為中國下一代鋁合金高速動車主導連接技術;

    ●航空工業:已經在中國新一代戰斗機(J20)機身結構和國產新型大型軍用運輸機貨艙地板和斜臺中得到應用,實現了飛機承載部件的加強及減重,為飛機制造提供了新的連接方法和手段;

    ●汽車工業:已經在鋁合金汽車輪轂、空調壓縮機芯軸、鋁合金車體結構等方面得到應用,并且正在全鋁合金車體和新型電動汽車中得到應用探索。

    總上所述,盡管攪拌摩擦焊技術在中國發展時間短,但在各個制造行業應用已經起步。但是,我們必須認識到越是基本的制造方法對制造工業的影響面越大、持續時間越長、作用力越強。攪拌摩擦焊作為一種基本的輕合金連接新方法,會對現代制造工業領域產生的革命性的影響。但是要把這種連接新方法在中國得到深入的發展和廣泛的應用,使之轉化為生產力,我們還需要以科學發展觀來引領和推動攪拌摩擦焊在中國的發展。

    第一,攪拌摩擦焊的發展要適應中國國情,把握技術內在發展趨勢,在尊重攪拌摩擦焊發明專利知識產權的基礎上,加強基礎技術的探索性研究,加強專業化技術人才的培養。攪拌摩擦焊在世界舞臺上亮相已經有近18年的時間,并且逐漸由方法研究、機理探索、工程化開發等階段進入工業化應用階段;但是攪拌摩擦焊登陸中國僅僅才有8年的時間,現階段我國制造工業對攪拌摩擦焊技術需求強烈,但是能夠支持攪拌摩擦焊在國家級重大工程項目中應用的性能數據、技術條件、標準、裝備和人才極其缺乏。盡管中航工業625所中國攪拌摩擦焊中心(北京賽福斯特技術有限公司)一枝獨秀,在攪拌摩擦焊技術的研究、工程化開發、裝備制造等方面全面發展,但是畢竟在資金、人力、研究條件等方面資源有限。面對一項革命性的技術,還需要發揮國家和社會的力量,鼓勵和支持國內科研院所一起參與攪拌摩擦焊基礎技術和方法研究,促進攪拌摩擦焊基礎技術了解和掌握,并且培養出一定數量的專業化的研究人員和工程技術人員。

    第二,攪拌摩擦焊的發展要加強核心技術的創新性發展。攪拌摩擦焊是一種多學科集成的新技術,涉及到摩擦學、材料學、工程學、金屬冶金、塑性加工和焊接等基礎科學和工程科學。攪拌摩擦焊作為一種多學科交匯的新方法,可以發展出縱縫焊、環縫焊、無鑰孔焊接、變截面焊接、自支撐雙面焊接、空間3D曲線焊、攪拌摩擦點焊、回填式點焊、攪拌摩擦焊表面改性處理、攪拌摩擦焊超塑性材料加工等多種連接和加工方法和技術。這些新方法的發明和發展都需要研究人員和技術人員具有創新性的突破式的思維和觀念。在未來近20年的時間內,國家提出中國建立創新性國家的發展戰略,但是一個國家和名族的創新性不僅僅表現在幾個標志性的重大工程上,如大飛機項目、新一代運載火箭項目、探月工程等,更重要的體現在原創性方法的發明和創造。中國攪拌摩擦焊中心肩負著引領攪拌摩擦焊技術在中國的發展的責任,就一定要重視攪拌摩擦焊核心技術的開發和研究,加大新技術的研發和創新。

    第三,攪拌摩擦焊的發展要重視攪拌摩擦焊裝備的發展。裝備是技術的載體。裝備是技術實現其價值和轉化為生產力的手段和途徑。要利用新的技術提升產品的質量、生產效率就必須研發和制造先進的裝備。在中國攪拌摩擦焊中心,攪拌摩擦焊技術的研究和攪拌摩擦焊設備的開發一直以來得到重視,并且齊頭并進、共同發展。依靠北京航空制造工程研究所50年在中國航空航天工業領域制造技術和裝備的技術積累和底蘊,中國攪拌摩擦焊中心有信心為中國企業提供先進可靠的攪拌摩擦焊裝備。迄今已經開發成功適合應用于不同工業領域的龍門式、懸臂式、臺式、臥式等多個系列的攪拌摩擦焊專機設備,具有先進、數控、柔性、可靠等特點。在裝備方面,中國攪拌摩擦焊中心還針對攪拌摩擦焊的民用工業領域推廣,研發了低成本的通用型攪拌摩擦焊設備,針對船舶、列車研制了寬幅型材壁板攪拌摩擦焊設備,針對汽車工業正在開發機器人攪拌摩擦焊設備等。

    第四,攪拌摩擦焊的發展要以市場為引導,以國家重大項目為突破口,廣開合作之門,聯合國內外優勢科研院所,全面實現攪拌摩擦焊技術的工程化應用。經過近幾年的工程化開發,中國攪拌摩擦焊技術日漸成熟,對該技術的宣傳和認識也越來越深,能夠在國家級的重大項目中得到工程化應用是攪拌摩擦焊技術標志性的發展。中國攪拌摩擦焊中心與國內的科研院所,尤其是設計院所和主機廠緊密合作,參與了國家大飛機項目、新型導彈武器項目、新一代運載火箭項目、新型艦艇項目技術開發和部分裝機零部件研制任務。這些重大項目的需求牽引,提升了攪拌摩擦焊技術水平,推進了攪拌摩擦焊技術的工程化發展歷程。

    第五,攪拌摩擦焊的發展要以批量化生產制造為手段,以產業化和工業化為目標,結合鼓勵性政策支持,全力推進攪拌摩擦焊在輕合金材料連接領域的應用,提升我國鋁、鎂、銅、鈦合金等金屬材料的制造技術水平和質量。作為制造大國,我們對鋁、鎂、銅、鈦等輕合金材料需求旺盛,攪拌摩擦焊作為針對這些輕合金材料最先進的連接技術,可以提升產品質量和生產效率,降低制造成本和能源消耗,屬于綠色、環保和宜人化的制造技術。但是攪拌摩擦焊設備的成本較高,在2015年以前使用該技術進行工業產品制造又受到專利許可的限制,這些因素制約了攪拌摩擦焊技術在中國的推廣和應用,需要國家針對攪拌摩擦焊這樣涉及面廣的先進制造技術制定相關鼓勵性政策,如給與貸款和財政補貼等,支持中小工業企業應用攪拌摩擦焊技術進行產品制造。同時,中國攪拌摩擦焊中心也在積極的推動攪拌摩擦焊在中國的推廣應用,制定了在中國范圍內根據區域發展特點,建立數個區域性的攪拌摩擦焊工業產品制造中心的發展策略。這可以解決專利、資金、運輸等問題,促進該技術在國家產業結構調整和優化過程中的大發展。

    總之,攪拌摩擦焊技術已經來到我們面前,并且逐漸應用于工業企業的生產制造和融入我們的生活。我們應該把握技術的發展趨勢,具有預見性,看到攪拌摩擦焊這項技術的前景,用科學發展觀推動和引領這項技術在中國的發展,縮短我國和先進西方國家在制造技術上的差別。

    中國要成為制造強國,要發展成為創新性國家,在中國攪拌摩擦焊技術發展的晨曦中我們看到了希望的光芒。

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