为了减肥，高铁和飞机都在用这项连接技术

来源：福建省电机工程学会

高铁不仅提高了我们的出行效率，也是“中国制造”的亮丽名片。那你知道高铁车厢壁板是怎么制造出来的吗？这项焊接技术必不可少，今天给大家说说能焊接高铁车厢壁板的搅拌摩擦焊接技术。

航空工业在20世纪90年代就开始研究这项技术了，2017年，中央电视台就披露了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。

搅拌摩擦焊由于焊接过程中不需要消耗其他焊接材料，没有烟雾、强光等污染的发生；焊缝也不会产生裂纹、气孔、夹杂；焊后无变形、质量一致性好，焊接性能接近母材，性能优异。

以大型运输机为例，在结构制造过程中采用了搅拌摩擦焊接技术，减重200千克，在航空制造业有“一克飞机一克黄金”的说法，大家可以算算其价值了吧。

搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding， FSW）原理如下图所示。

搅拌摩擦焊原理图

视频展示

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搅拌摩擦焊方法与常规摩擦焊一样。搅拌摩擦焊也是利用摩擦热与塑性变形热作为焊接热源。不同之处在于搅拌摩擦焊焊接过程是由一个圆柱体或其他形状（如带螺纹圆柱体）的搅拌针(welding pin)伸入工件的接缝处，通过焊头的高速旋转，使其与焊接工件材料摩擦，从而使连接部位的材料温度升高软化。

同时对材料进行搅拌摩擦来完成焊接的。在焊接过程中工件要刚性固定在背垫上，焊头边高速旋转，边沿工件的接缝与工件相对移动。焊头的突出段伸进材料内部进行摩擦和搅拌，焊头的肩部与工件表面摩擦生热，并用于防止塑性状态材料的溢出，同时可以起到清除表面氧化膜的作用。

在焊接过程中，搅拌针在旋转的同时伸入工件的接缝中，旋转搅拌头（主要是轴肩）与工件之间的摩擦热，使焊头前面的材料发生强烈塑性变形，然后随着焊头的移动，高度塑性变形的材料逐渐沉积在搅拌头的背后，从而形成搅拌摩擦焊焊缝。

搅拌摩擦焊的优点：

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；同样，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。

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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给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是把机械能转化成焊接所需要的热能，可用特定的公式相当准确的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；因此，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。

工业机器人+搅拌摩擦焊

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搅拌摩擦焊也存在一定的缺点：焊接工件必须刚性固定，反面应有底板;焊接结束搅拌探头提出工件时，焊缝端头形成一个键孔，并且难以对焊缝进行修补:工具设计、过程参数和机械性能数据只在有限的合金范围内可得：在某种情况下，如特殊领域中要考虑腐蚀性能、残余应力和变形时，性能需进一步提高才可实际应用。对板材进行单道连接时，焊速不是很高；搅拌头的磨损消耗太快等。

1998年，美国的波音公司从英国引进了该项技术，并成功用于德尔塔和大力神火箭的贮箱焊接；在波音公司研发生产的F-15战斗机和C-17运输机上，搅拌摩擦焊技术也得到了不少应用——C-17的载货斜坡地板和F-15的尾翼整流罩都是搅拌摩擦焊的杰作。

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来源：直观学机械、航空工业、科工力量

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