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楼主: 暴力英雄
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[高端制造] 固态焊接技术及在航空航天领域应用专题

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 楼主| 暴力英雄 发表于 2012-9-24 21:16 | 显示全部楼层
北极企鹅 发表于 2012-9-24 18:02
谢谢暴力兄说明,现在明白了

另一个问题:搅拌针长度是不是要比焊接材料厚度长一点?

看工艺了,我也问过NASA的工程师,他们说有些工艺和设计上不同,不过早些时候的长

点评

谢谢暴力版主不厌其烦的科普,原来想摩擦焊原理挺简单,这回算开眼了,原理简单的东西实现起来还是很不简单地。  发表于 2012-9-24 22:20
 楼主| 暴力英雄 发表于 2012-9-24 23:24 | 显示全部楼层
本帖最后由 暴力英雄 于 2012-9-24 23:27 编辑
暴力英雄 发表于 2012-9-24 21:16
看工艺了,我也问过NASA的工程师,他们说有些工艺和设计上不同,不过早些时候的长


我在美国航空航天制造设备展上问过美国MTS的工程师,他说搅拌摩擦焊其实开始的门槛不高,早期的搅拌摩擦焊设备是使用传统铣床改装而成,工艺手段也可以借鉴,所以我们国家有机床制造基础的航空航天系统都能从专利授权后研制出设备。但是随着着搅拌摩擦焊应用领域的日趋扩展,及被焊接材料厚度的增加和被焊接零件焊缝方式的复杂和多样化,一般铣床的刚性以及操作控制工艺都难以满足搅拌摩擦焊的更高技术需求,搅拌摩擦焊设备逐步从实验型设备向商用专机化方向开展,而这个时候,技术的积淀和创新精神就体现出来了
北极企鹅 发表于 2012-10-24 09:11 | 显示全部楼层
擦,苹果生产工艺真的很逆天,新出的iMac外壳都用上搅拌摩擦焊技术了,我们航天领域啥时能铺开啊

点评

昨天发布会上介绍的,边沿厚度只有5毫米,具体哪里做的倒不清楚。  发表于 2012-10-25 08:39
我还真不知道苹果用搅拌摩擦焊制造外壳!外壳代工不都在国内么?  发表于 2012-10-24 23:57
 楼主| 暴力英雄 发表于 2013-4-10 10:13 | 显示全部楼层
                                                         国产客机机身壁板搅拌摩擦焊工艺取得突破
   

       搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding,FSW)技术以其可靠、绿色、高效的特点,在飞机铝合金壁板结构件连接中具有独特的优势和广阔的应用前景,为国产大型客机的安全使用、高效生产、环境保护提供了崭新的技术选择。铝锂合金具有密度低、比强度高、耐腐等优点,应用于机身壁板制造时,结构件可减重约10%。目前,第三代铝锂合金(如AlLiS4 等)很有可能取代现用的2XXX 系和7XXX 系列铝合金成为国产客机使用材料。客机机身壁板结构通常是“Z”或“L”形长桁与蒙皮铆钉连接结构形式,但是铆钉连接工序复杂,生产效率很低,受操作工人经验影响较大。此外,大量铆钉还增加结构件重量,降低有效承载面积,导致壁板结构件承载能力减弱。使用FSW代替铆接能够显著降低结构重量、提高结构件整体性能。但是,目前关于第三代铝锂合金的FSW报道较少。经过3年多的努力、多个科研项目的合作,北京航空制造工程研究所北京赛福斯特技术有限公司、中国商飞上海飞机制造有限公司、上海飞机设计研究院建立了紧密的伙伴关系。各方以提升国产客机制造工艺为目标,验证机身壁板FSW制造技术为手段,针对国产客机第三代铝锂合金机身整体壁板,在满足整体结构设计要求的前提下,系统地开展了机身整体壁板FSW技术的基础工艺试验、接头基础性能评价、缺陷监测、质量评定、焊接变形控制、焊接及铆接典型件力学性能对比、模拟段制造等一系列研究,掌握了相关关键技术,初步验证了FSW技术应用于国产客机机身整体壁板结构制造的可行性。本文简要介绍了近年来中航工业北京航空制造工程研究所在国产客机机身壁板搅拌摩擦焊工艺方面的研究历程和技术成果。
FSW基础工艺研究
       基础工艺性能研究是焊接技术应用过程的第一步。FSW 基础工艺研究包括焊接工具优化、工艺优化、接头微观组织观察分析、缺陷检测方法及表征技术、缺陷控制技术等。在焊接工具优化中,分别针对AlLiS4铝锂合金板材对接、AlLiS4板材与2099铝锂合金型材搭接接头设计了3种搅拌头,通过对焊接接头力学性能的测试,分别优化出一种形式的搅拌头。测试结果显示:在使用优化出的搅拌头焊接时,所选9种对接、搭接参数中,6种对接接头静强度能够超过母材的80%。全部搭接接头静强度能够超过母材的80%,其中7种参数超过85%。试验结果说明AlLiS4 铝锂合金对FSW 具有很好的适应性,工艺窗口较宽。再经过参数复验,分别从对接、搭接参数中筛选出3组工艺,其静强度均能够稳定超过母材的80%。微观组织分析显示,力学性能较好的参数接头焊核区发生充分再结晶,热机影响区金属有明显的流动痕迹,且塑性流动层厚度适中。试验现象说明,接头材料流动性能与搅拌头的旋转搬运速度的良好匹配,是形成组织致密、性能良好接头的必要条件。另外,针对对接接头、搭接焊缝的剪切、剥离性能测试结果也证实了这一点。
       此外,在FSW基础工艺研究中规划了焊接缺陷的无损检测试验。试验通过调节搅拌摩擦焊焊接参数及焊接方法,在焊缝内部人为制造隧道型缺陷,利用X射线检测、超声波检测以及工业CT测试等综合手段,结合对缺陷的金相组织观察,确定缺陷的位置、形状,并建立无损检测信号与实际缺陷的关系。结果显示,超声波难以有效检测出尺度小于0.3mm的隧道型缺陷,而工业CT和普通X射线技术能够有效检测出尺度在0.15mm左右的隧道型缺陷。对接FSW中,增大对接焊缝间隙至某一临界值时,接头中形成隧道型缺陷,而且随着间隙宽度的增大,隧道直径尺度线性增长。另外,对缺陷边缘的EDS 成分分析显示,AlLiS4铝锂合金FSW 接头隧道型缺陷部位分布着SiO2、MgO 以及Al2O3等化合物,这些杂质元素的存在主要与焊接热量导致材料氧化以及表面残留物有关。由此可见,焊前清理、降低焊接间隙、优化搅拌头形貌、选择能够使材料流动性能与搅拌头的旋转搬运速度相匹配的焊接参数,是避免FSW接头出现孔洞或隧道型缺陷、提高焊接质量最直接的手段。
FSW接头基础性能评定
       FSW基础性能评定包括接头的静力拉伸、疲劳性能、应力腐蚀、剥层腐蚀及晶间腐蚀性能。在充分掌握AlLiS4 对接、AlLiS4/2099 搭接接头静力拉伸性能的基础上,针对2种结构形式分别初选出3种静力性能较优的参数进行疲劳测试,通过不同应力水平下的疲劳寿命测试对比,分别优化出一种疲劳性能较优的参数进行S-N曲线的绘制,并与母材的疲劳性能对比。结果显示,在优选参数下,对接接头达200万次疲劳寿命时的最高应力水平为母材200万次疲劳寿命最高应力水平的85%。搭接接头的静力拉伸性能虽然普遍高于对接接头,但是疲劳性能较低,试样均从焊接接头前进侧“Y”形交界点处生成裂纹源,如图1所示。分析显示,在疲劳实验过程中,“Y”形交界点容易形成应力集中,萌生裂纹并迅速扩展,导致样品很快发生断裂,因此疲劳寿命显著降低。

       客机在越洋飞行过程中,机身结构必将受到海洋环境的腐蚀,因此,考察接头的耐蚀性能是FSW 技术应用于机身结构的必要环节。针对客机搅拌摩擦焊对接焊缝的耐蚀性研究包括剥层腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀性能测试。对接接头剥层腐蚀测试结果显示,FSW接头腐蚀均由点蚀开始,随着时间的延长逐渐演变为剥蚀,所选3种工艺接头焊接区域的耐蚀性明显优于母材,如图2所示。焊核耐蚀性优于热机影响区及热影响区,但随着浸泡时间的推移,腐蚀程度趋于一致。晶间腐蚀测试结果显示,各参数接头均以点蚀为主,未见有晶间腐蚀倾向。应力腐蚀试验采用腐蚀环境下慢速拉伸的方式执行,拉伸速度为1×10-6,分别记录焊接试样在腐蚀及惰性环境下的应力- 应变曲线,根据所测数据,计算出A、B、C 这3种接头的应力腐蚀指数ISSRT 分别为0.01、0.1、0,断面收缩率分别为106%、83%、127%,其中应力腐蚀指数越小、断面收缩率越大则说明接头应力腐蚀倾向越低。综合两种参数评定可以看出,C工艺接头在所执行的试验条件下,无应力腐蚀倾向。由剥层腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀的试验结果可以看出,AlLiS4 对接FSW 接头具有良好的耐腐蚀性能。搭接FSW 接头为AlLiS4/2099 双层结构,考核区在层间缝隙内部,不适于采用对接焊缝的腐蚀评定标准,相关评定方法有待进一步探索。
焊接、铆接典型性能对比研究
       典型件选取2060铝锂合金蒙皮、2099铝锂合金长桁材料的机身壁板等比例带格框的真实结构,采用FSW技术及传统铆接工艺制造,分别进行了壁板级试验件的静力拉伸(焊、铆各3 件)、拉伸疲劳(各5件)、剪切(各3 件)、压损(各3 件)承载能力测试,试验件尺寸分别达到300mm×800mm、300mm×800mm、950mm×950mm、1000mm×600mm,每件试验件所使用的应变片数量分别达到12 片、12 片、60 片、60片,焊接、铆接测试试验件的结构尺寸、试验条件、贴片位置、加载过程均相同,试验过程详细记录了加载过程中试验件各考核点的受力及变形情况。图3展示了加载中的试验件。
      静力拉伸试验结果显示,FSW试验件在焊缝前进侧附近断裂,铆接件在钉孔处断裂,焊接件平均承载能力比铆接件高出23MPa ;拉伸疲劳实验结果显示,焊接件大部分断裂于母材,铆接件均在钉孔处断裂,同等应力水平下焊接件拉伸疲劳平均寿命比铆接件高出约35000次;剪切实验结果显示,焊接件最大剪切力比铆接件高出约40kN,铆接件的破坏形式表现为蒙皮皱曲、铆钉拉断、长桁与蒙皮在波谷处分离、长桁扭转弯曲等,焊接件的破坏形式表现为蒙皮皱曲、格框铆钉拉断/拉脱、长桁弯曲变形。由此可见,此类结构件的强度薄弱点主要为铆钉本身。压损试验结果显示,焊接及铆接件均表现出整体屈曲的特点,结构件的受力薄弱点位于长桁腹板根部及部分铆钉位置,两种类型试验件的承载能力相差不大,约为360kN。综合上述试验结果可以看出,相比传统铆接工艺,采用FSW技术的典型件壁板,从静力拉伸、疲劳、剪切性能方面体现出明显的稳定优势。此外,在后续工作中,项目组还将通过数值模拟、局部解剖分析等手段进一步探究该类型结构件的受力及破坏规律,从而获得体系性的研究成果。
大尺寸壁板模拟件的FSW制造
       制造模拟之前首先通过典型件的焊接考察大尺寸FSW件的变形控制方法。典型件宏观尺寸为600mm×600mm,表面均布3条长桁。试验分别考察了焊缝热沉冷却法、焊后焊缝滚压法、喷丸等方法对焊接变形的控制效果,并与常规焊接状态进行比较。焊接件变形量评定方法为:将焊接后典型件长桁向上平置于检测平台,测量壁板边缘10个固定位置考察点与平台面之间的间隙,计算得出平均值,值越高则说明焊件变形量大,反之亦然。试验结果显示,自由焊接状态下,焊接件变形量最大,变形量均值达到2.33mm,采用热沉冷却后,变形量均值降至1.78mm,由此可见,虽然焊接过程施加冷却能够在一定程度上降低典型件的宏观变形,但是控制效果有限,仍然不能满足实际装机要求。采用滚压法对常规焊接件进行矫形,测得处理后焊件的变形量均值为1.09mm,变形控制效果好于热沉法,但是并未消除变形,典型件的尺寸精度仍然不高,不能满足装机要求。实施喷丸矫形后,将典型件壁板放置于检测平台之上,板面与平贴合紧密,实测平均变形量均值仅为0.15mm,可见喷丸对AlLiS4+2099 壁板的矫形效果明显好于焊缝热沉冷却法、焊后焊缝滚压法,矫形后的典型件能够达到使用要求。
       制造模拟件是验证搅拌摩擦焊技术应用可行性的重要手段。在国产客机机身壁板搅拌摩擦焊技术研究中,大尺寸壁板模拟件定义为单曲率蒙皮/ 长桁结构,目标尺寸超过2000mm×1000mm,表面均布8条长桁。模拟件的焊接制造分为焊接和成形两段工序,通过搅拌摩擦焊技术实现蒙皮与长桁的连接,焊后试验件为平板结构,然后使用喷丸成形技术实现平面带筋壁板的单曲率成形。制造过程中为了降低焊接变形对后续喷丸成形工艺的影响,焊接时采用特殊的变形控制技术,使板面各条焊缝的残余应力及焊接变形均匀分布于整个焊接件,从而有效地降低了模拟件焊接的宏观变形,焊后模拟件实物如图4所示。从图中可以看出,模拟件长桁平直、分布均匀、蒙皮平整,放置于检测平台,试验件边缘与平台间隙较小,测量值在10mm左右,说明焊接变形控制工艺起到了良好的效果。
       焊接模拟件的喷丸成形加工使用专用模具,利用超音速喷丸设备进行喷丸成形。将喷丸成形后的模拟件放置于检测模具内,对模拟件典型位置点进行贴模间隙测量,根据测量结果对贴模间隙超标位置进行修型。图5给出了自由状态下喷丸成形模拟件实物照片。从图中可以看出,模拟件长桁平直、蒙皮曲率均匀,与检测模具贴合紧密,即使在自由状态下也具有良好的贴模状态。测量结果显示,模拟件各部位贴模间隙均小于0.8mm,能够满足实际使用要求。此由可见,采用FSW 焊接结合喷丸成形的方案,能够制造出符合实际使用要求的大尺寸搅拌摩擦焊接带筋壁板。此外,对于FSW焊接件也可采用时效蠕变的方式进行矫形或成形,但需要制造夹具、摸索工艺等大量研究和准备,相关研究将在后续工作中深入开展。
       通过对铝锂合金的FSW试片级试验件静力性能、疲劳测试、微观组织及织构分析、焊缝性能评定、壁板级试验件的力学性能测试、大尺寸模拟件焊接等一系列试验验证,项目组已经掌握了AlLiS4铝锂合金的搅拌摩擦焊核心工艺技术,初步形成了搅拌摩擦焊机身整体壁板的测试设计、制造及测试技术体系。但是,现有研究对于实际应用而言还不够全面,尤其是在焊接结构完整性、FSW 接头成形机理、结构件受力及破坏分析等方面还有待于开展更加深入、系统的研究工作。
       飞机结构采用搅拌摩擦焊连接可以以小拼大、以焊代铆、节材减重、降低成本,同时能够很好地解决气密、腐蚀等问题。作为一项先进的焊接技术,FSW 的优势还体现在连接过程的快速、高效,经过焊接参数优化,对机身结构件的焊接速度可达到300~500mm/min。同时,通过对焊接设备和工装卡具的进一步专业化优化设计,实际焊接生产效率将比铆接高出数倍甚至数十倍。可以看出,对于飞机壁板结构件的制造而言,搅拌摩擦焊技术从接头性能可靠性、焊接工艺的高效率以及先进性等各方面,都体现出传统铆接技术不可比拟的优势。将搅拌摩擦焊技术应用于国产客机的生产制造中,无疑将实现结构性能、生产效率、工业效益的完美结合,显著提升产品的品质和竞争力,也必将惠及其他各类型号飞行器。http://www.cfswt.com/new/qyxw/20130321/605.html

kktt 发表于 2014-2-14 15:20 | 显示全部楼层
我国首个全搅拌摩擦焊贮箱通过强度考核
来源: 中国航天报         日期:2014/02/14         字体:【大】【中】【小】

近日,我国首个全搅拌摩擦焊贮箱通过强度考核。这是中国航天科技集团公司一院211厂为满足重点型号的特殊结构需求而研制的首个全搅拌摩擦焊贮箱,同时也是全国首个全搅拌摩擦焊贮箱。

全搅拌摩擦焊贮箱箱底主焊缝、筒段纵缝、箱体环缝均采用搅拌摩擦焊技术进行焊接。目前,该全搅拌摩擦焊贮箱已顺利通过超声相控阵、X光射线、液压以及气密等一系列检测,充分验证了其质量的可靠性。(吴思 郝云飞)

http://www.spacechina.com/n25/n144/n206/n214/c639609/content.html
shaolin1254 发表于 2014-2-27 17:04 | 显示全部楼层
航天149厂超薄壁材料微搅拌焊接技术获突破
来源:中国航天报  日期:2014/02/25 字体:【大】【中】【小】

经过历时1年的潜心探索、刻苦攻关,中国航天科技集团公司八院149厂前不久突破了超薄壁铝合金及异种材料微搅拌焊接技术,并达到国际先进水平。

微搅拌摩擦焊技术是在传统搅拌摩擦焊技术的基础上发展起来的、可对厚度在1毫米以下的材料进行搅拌摩擦焊接,其材料产热、流动机制与传统搅拌摩擦焊有显著区别。

该技术可广泛用于铝合金、铜合金、异种金属的薄壁构件、微小构件的固相焊接。英国焊接研究所曾在微搅拌摩擦焊技术领域进行研究,但目前仍停留在实验室阶段。

目前,该厂已完成无倾角微搅拌工具的设计、制造,并开展了超薄壁铝合金不同壁厚、不同接头形式的连接实验。该技术能够严格控制焊缝宽度,焊缝宽度可缩窄至4毫米,极大地拓宽了搅拌焊的应用范围。同时,该技术可应用于铝合金薄壁壳体的焊接封装,目前已经实现的盖板焊接最薄为0.5毫米。

微搅拌焊接技术的突破,为该厂进一步拓展搅拌摩擦焊技术在微小构件领域的应用奠定了基础。(赵慧慧 李颖)
http://www.spacechina.com/n25/n144/n206/n216/c643950/content.html
kktt 发表于 2014-3-21 19:29 | 显示全部楼层
http://www.spacechina.com/n25/n144/n206/n216/c661453/content.html

航天211厂搅拌摩擦焊接技术十年攻关五年助飞天
来源: 中国航天报         日期:2014/03/19         字体:【大】【中】【小】

近日,中国航天科技集团公司一院火箭总装厂——211厂《运载火箭贮箱椭球箱底搅拌摩擦焊接技术及装备》课题,荣获国防科学技术进步一等奖,这是此次一等奖项目中唯一一项属于运载火箭的荣誉。荣誉背后,印刻着该厂科研人员十几年来,在搅拌摩擦焊技术研发、工程化应用、标准制定和装备设计领域一次次零的突破,将火箭贮箱制造水平推向新的高峰。

第一个整箱应用技术

2014年1月24日,我国第一个3.35米全搅拌摩擦焊贮箱在211厂下架。之所以称之为“全搅拌摩擦焊贮箱”,是因为这个贮箱从箱底主焊缝到筒段纵缝、箱体环缝,均采用了搅拌摩擦焊技术进行焊接。从最初的直线焊接到空间曲线焊接,从筒段纵缝到国内首个全搅拌摩擦焊贮箱的诞生,该厂不辱“引领航天制造业”的使命,走出了一条由简至难、稳扎稳打的技术攻关之路。

搅拌摩擦焊技术,最早起源于1991年的英国,其影响程度堪称一场焊接界的革命。这种焊接接头缺陷少、质量高、变形小,焊接过程环保无污染,在航天产品上应用具有明显优势。该厂与搅拌摩擦焊技术的结缘也要追溯到十几年前。

发展航天,运载先行。贮箱是运载火箭上最为重要的结构件。该厂是我国最大的运载火箭生产制造基地,也是唯一的低温贮箱生产企业,贮箱的焊接技术是该厂的核心技术能力。如果能将先进的搅拌摩擦焊技术在贮箱上应用,将大幅提升运载火箭制造的整体水平。上世纪末,该厂开始密切关注搅拌摩擦焊技术的发展,并针对其在火箭贮箱上的应用,开展了各方面的研究。

该厂瞄准世界前沿技术,结合丰富的传统熔焊经验,采用“分步实施、步步为营、风险最小”的策略,将搅拌摩擦焊这个“硬骨头”一点一点啃下来。十年前的一个夏日,该厂第一次将搅拌摩擦焊技术应用于筒段纵缝焊接中,并通过了严酷的质量检测。“这是国内第一次将搅拌摩擦焊技术成功应用于运载火箭贮箱的制造上,其综合技术达到国外同类火箭贮箱搅拌摩擦焊的先进水平,属于国际先进。”专家给出了权威的鉴定结论。

十年后的今天,该厂将搅拌摩擦焊技术全面应用于整个贮箱焊接过程中,对箱体环缝搅拌摩擦焊工艺进行优化,初步摸索了关键参数;设计、新制适用于箱体环缝的可回抽搅拌头,满足了箱体环缝的特殊要求,并首次考核了长距离焊接搅拌头的寿命;结合产品结构特点,新制内撑、外箍及轴向压紧工装,确定了全搅拌摩擦焊贮箱的装配焊接工艺流程,使装配精度得到了大幅提升。

第一个编制行业标准

在企业界流传着这样一句话:“三流的企业做产品,二流的企业做品牌,一流的企业做标准。”2008年,该厂率先编制出国内第一份系列铝合金搅拌摩擦焊航天行业标准,并通过了中国航天科技集团公司的最终评审,为该技术的工程化应用提供了依据。

早在研制首件搅拌摩擦焊试验件时,该厂就想到这项技术必须制定工艺标准、检测标准,否则就不可能实现工程化应用。标准就像“百科全书”,不仅涉及搅拌摩擦焊的工艺参数,而且其核心搅拌头的研制与开发、如何进行焊接缺陷修补、检测手段等问题,都在“百科全书”中给出了答案。

在国外技术封锁、国内该领域一片空白的“零起点”上,该厂由总师系统直接领导,开展了大量试验,收集数据、总结经验、广泛调研,征集国内各相关单位意见,经过系统、充分的焊接试验验证后,最终编制出搅拌摩擦焊航天行业系列标准,填补了国内航天系统搅拌摩擦焊技术标准的空白,进一步推动了搅拌摩擦焊技术在航天型号研制、批量生产中的应用。

此后,该厂陆续完成了5项航天行业标准的编制,申报国家、国防发明专利12项,曾获得国防科学技术进步二等奖2项,并将大量研究成果归纳总结、梳理提炼,出版了我国第一部系统论述铝合金搅拌摩擦焊技术的著作——《铝合金的搅拌摩擦焊接》。

理论从实践中提炼而来,又继续指导并推动着应用的发展。例如,该厂的搅拌摩擦焊的超声相控阵检测,从最初的离线手动检测,升级为在位自动化检测,大大提升了效率;摩擦塞补焊的探索,为缺陷修补提供了思路。如今,该厂已形成集搅拌摩擦焊工具研制、搅拌摩擦焊接工艺研发、搅拌摩擦焊无损检测及标准制定、大型非标搅拌摩擦焊装备研制、型号产品工程化应用等于一体的搅拌摩擦焊技术发展体系,为搅拌摩擦焊技术在型号上的应用提供了坚实的保障。

第一个经受飞行考核

对于航天领域,一项新的技术只有走出实验室、飞上蓝天,才算真正实现工程化应用。2009年,由211厂生产总装的长三丙火箭成功发射升空。这发火箭的贮箱纵缝首次应用了搅拌摩擦焊技术,这是该技术在航天领域第一次接受的“真刀真枪”的飞行考核。

该厂完成搅拌摩擦焊航天行业标准制定后,立即着手将其推向工程化应用,以此带动贮箱制造水平的整体提升。

然而,这项新技术非常“年轻”,而我国长征系列现役运载火箭的各项设计参数、焊接方法早已固定,即使只在一种焊缝上应用搅拌摩擦焊,也要面临未知的挑战,承受巨大的压力。团队里每名成员的工作更加认真仔细,交出了漂亮的成绩单:火箭贮箱筒段纵缝焊接一次合格率高达90%以上,接头性能大幅提升……经过现场评审,“金牌火箭”——长三甲系列火箭总师、设计人员对搅拌摩擦焊的质量深感满意,一致同意在长三甲火箭的一二级贮箱上使用搅拌摩擦焊技术,进行飞行考核。

自此,该厂开启了搅拌摩擦焊进行飞行考核的征程,并总结出 “成熟一个、推行一个”的工程化应用模式,即搅拌摩擦焊技术在哪种焊缝上使用具备条件,就立刻从攻关团队转向生产班组,在设计人员的支持下,进行飞行考核。这种模式缩短了新技术推广应用的周期,同时也打造了一支科研与生产完美结合的“精兵强将”队伍。

这种模式由集团公司首席焊接专家把握方向,一批技术专家作具体技术支撑,带领着高学历的技术骨干,同时搭配特级、高级技能人员,整个队伍层次分明、搭配合理。2009年至今,该厂已经先后实现了火箭贮箱纵缝、箱底纵缝、箱底全搅拌摩擦焊的工程化应用,并多次刷新了搅拌摩擦焊在国内航天领域的“飞行成功纪录”。

第一个研制5米级装备

搅拌摩擦焊技术的大面积应用是未来发展的趋势,但只有具备自主设计研发装备的能力,才能走上独立的技术发展之路。2014年初,211厂自主设计研制的第一台5米级纵缝搅拌摩擦焊设备安调到位,即将为搅拌摩擦焊技术的进一步推广发挥作用。

在研究搅拌摩擦焊工艺技术的前期,该厂“土法上马”,以一台熔焊装备为基础,成功将其改造成为第一台搅拌摩擦焊设备。这不仅解决了设备从无到有的问题,而且成为工艺技术摸索研发的坚实保障。此次搅拌摩擦焊技术顺利通过飞行试验考核,这台设备也成功经受了考验。

为实现搅拌摩擦焊在长征五号火箭筒段上的应用,2009年,该厂从国外引进了一台搅拌摩擦焊纵缝焊接设备,可以加工2.25米、3.35米和5米直径贮箱的纵缝,极大地提升了贮箱纵缝生产的能力。

该厂并不满足于此。设备安调时,工装设计人员与国外工程师主动沟通,结合生产实际,将学到的经验消化吸收再创新,成功设计出航天领域第一台5米级纵缝搅拌摩擦焊设备。这台搅拌摩擦焊设备比国外引进的设备自动化程度更高、刚性更强、结构更优化、焊接过程更加稳定,而且完全是由该厂独立自主设计开发出来。后续,该厂又生产了两台设备并交付使用。

近两年来,某新型号贮箱要求采用全搅拌摩擦焊技术。在紧张摸索工艺技术的同时,该厂同时启动了箱体总装环缝搅拌摩擦焊装备的设计。因为要保证产品总装的尺寸公差要求等,必须采用全新的结构、驱动方式、焊接方法和控制系统。

该厂采取项目负责制的方式,组织了专项团队,现已完成方案的全部设计工作,进入装备的制造总装阶段,预计在6月交付使用。尽管目前该厂已经实现了全国首个全搅拌摩擦焊贮箱的生产,但结构更复杂的法兰盘要实现搅拌摩擦焊,还需要更加先进的五轴联动搅拌摩擦设备才能实现。该厂正在通过战略合作的方式,与其他单位联合开发,现已完成五轴联动搅拌摩擦焊主机的方案设计,并初步通过评审。现在,该厂已独立自主完成了多项试验专机开发、搅拌主轴和搅拌头的设计开发等,真正具备了大型搅拌摩擦焊设备的开发能力。

十年攻关路,五年飞天行。对于搅拌摩擦焊这项技术的开发与应用,该厂经历了很多的“第一次”,也在航天甚至全国开创了很多的“第一次”。该厂保持着这份破冰的勇气和魄力,要在搅拌摩擦焊的创新研发与工程应用之路上走得更远。(吴思)
liao68811 发表于 2014-4-26 12:50 | 显示全部楼层
本帖最后由 liao68811 于 2014-4-26 12:52 编辑

FSW应用在LNG船的液化天然气储槽焊接的前景一定不错吧。
mir-2 发表于 2014-5-1 13:17 | 显示全部楼层
本帖最后由 mir-2 于 2014-5-1 13:21 编辑

http://www.spacechina.com/n25/n144/n206/n216/c687712/content.html
首台火箭贮箱总对接环缝搅拌摩擦焊装备交付使用

来源: 中国航天报        日期:2014/04/2



提起火箭贮箱总对接环缝的焊接,很容易联想到一群工人拖着大筒段在不同工位间不停地忙碌。“不久后,这样的一幕将很难再见到了。”中国航天科技集团公司首席工艺专家、集团公司八院149厂总工程师兼副厂长郭立杰感慨地说。

近日,我国首台大型环缝总对接搅拌摩擦焊接装备在中国航天科技集团公司八院149厂完成研制,并交付车间使用。该装备可在同一工位实现大型火箭贮箱多节筒段与箱底的装夹运动、端面铣削、支撑定位、搅拌摩擦焊接和质量监控等,总体性能和技术指标达到国际先进水平,为实现运载火箭贮箱全搅拌摩擦焊提供了先进可靠、拥有自主知识产权的关键高端装备。

高端装备自主化

走进149厂焊接现场,一台20多米长的庞然大物赫然出现在眼前:左侧是新一代运载火箭的贮箱,3个筒段已经完成环缝焊接;右侧是内支撑,是一个像伞一样可以分16个弧面不同程度收缩的“轱辘”;中间则是一个车装焊一体化的龙门式机床,配有焊接主轴、外夹盘、压力和温度监测装置、摄像头等,堪称巨型设备与精密仪器的完美结合。

“这就是目前国内第一台可实现火箭贮箱总对接环缝搅拌摩擦焊接、第一台集成多种多功能、体积最大的搅拌摩擦焊接装备。”据航天工程装备(苏州)有限公司副总经理乔汝旺介绍,在美国、日本等工业先进国家,搅拌摩擦焊技术已逐步替代了以往的熔焊工艺,航天大型关键结构的铣削、装夹、焊接一体化数控复合加工技术与装备首先是在这些国家得到工业应用。

我国搅拌摩擦焊技术研究及装备研制尽管起步比一些工业先进国家较晚,但差距并不大。在新一代运载火箭研制需求牵引下,经过多年的努力,149厂和211厂逐步探索出部分搅拌摩擦焊装备和工艺,在火箭贮箱筒段纵缝、箱底纵缝和环缝以及其他一些航天产品上得到了应用,并成功推广到电子、电力、船舶、铁道车辆等行业。

今年4月,该厂已成功用这台装备焊接了直径3.35米的运载火箭贮箱试验件。结果表明,与传统熔焊相比,该试验件焊接变形明显减小,无焊接缺陷,焊接过程中没有弧光、辐射和金属蒸发,真正实现了高质量、绿色环保制造。

功能集成创新多

“它并不是简单的功能集成和设备放大,而是使用了很多新技术、新材料、新工艺和新装置。”该厂项目团队成员细数道,“其中最关键的是高精度装配技术。”

由于搅拌摩擦焊接产生的顶锻力会使焊接工件发生偏移和变形,如何在几吨力的作用下,使工装仍然保持足够的刚性是设备制造的关键技术之一。为此,研发人员花了半年的时间,对多个800毫米直径的缩比试验件进行了试验摸索。

设计人员最终创新研发出“外夹内撑”式装夹机构,同时,支撑机构中的拉紧机构还能产生一定范围的侧向拉力以拉紧待焊的焊缝。该工装安装简易、对零件状态适应性强,实现了大型环缝搅拌摩擦焊的有效背部支撑,保证了工件圆度和焊前对接间隙满足搅拌摩擦焊工艺要求。

焊接完成后,焊接主轴在焊缝的终点留下了一个孔,这个孔必须收掉。“国外普遍采用塞焊的方式实现收孔,但可以有更合适的方法。”郭立杰说。为解决这个问题,他们创新研制出具备电伺服回抽功能的搅拌摩擦焊电主轴;电主轴电机带动搅拌针转动、回抽电机带动搅拌针变化伸出部分的长短,以此消除“匙孔”。此项技术达到了国际领先水平。

目前,国外同类设备焊接轴大都在机床9点方向。该厂设计人员通过仿真发现,搅拌头在这个位置上焊接,设备会出现一定移动现象。他们创新出12点方向的方案。“我们希望能总结出更好的技术,研制出更多不同设备,让客户有更多的选择。”郭立杰说。

汗水浇灌研发路

谁能想到,取得如此多成绩的背后,竟是一个平均年龄不到30岁的研发团队。他们中的很多人一毕业就来到149厂参与到项目中。在这个项目上,他们倾注了太多的心血。

“他们并不只做自己职责范围内的工作,而是全程跟进。”据乔汝旺介绍,去年五一期间是完成设计图纸最关键时期,设计人员一天都没休息。当时负责画图的严军富想请一天假,回宁波老家办婚礼,却迟迟说不出口。当负责人知道后,给他批了三天假,他回来后主动加班到很晚。“一生中能有机会做这样一次大的项目,对我一生的职业生涯都是很大的激励。”严军富说。

项目团队的技术人员都是身兼三职:设计员、工艺员和现场工程师,自己出图,与加工人员一起,现场解决设计、材料、工艺和加工等问题。他们白天忙碌在各个生产现场,晚上回到办公室画图,休息日共同开展“头脑风暴”。

在外支撑方案论证阶段,国内很难找到研发团队所需的大型的锻件,也很少有企业有相应的大型螺旋槽加工机床。研发团队展开了拉网式搜索,最终在沈阳找到一家机床厂,但他们一个圆盘的开价就是数百万元。设计人员不断优化设计方案,多次与工厂相关专家和负责人沟通,最终谈定的价格还不到原来的三分之一。

运载火箭贮箱总对接环缝搅拌摩擦焊设备研制成功,是该厂在航天高端装备制造道路上的一个里程碑节点。“尽管这条道路走得并不顺畅,现在的设备还有一些需要完善和优化的地方。”郭立杰介绍说,“波音、SpaceX等公司的同类设备是依托外部专业公司力量完成的。作为航天人,自己用的高端制造装备,只要我们用心做,就肯定能做成,而且一定会比国外做得更经济、更实用。”(贺喜梅)
胡異 发表于 2015-11-3 22:07 | 显示全部楼层
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langge945 发表于 2017-12-18 11:25 | 显示全部楼层
我国搅拌摩擦焊技术获突破发展(组图)
2017-12-15

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。 来源:中国航空新闻网

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