主办单位:中国焊接协会 中国机械工程学会焊接学会
总    期:第64期 2003 第11期
发行份数:8385份(2003/6/16)
编    辑:晓  晔       瑷  珉  
   

 焊接新技术    专家视点   网站介绍  焊接网网员介绍

 
 

 Com-stirTM搅拌摩擦焊接和机加工的复合运动

    Com-stirTm是一种新的搅拌摩擦焊(FSW)变种。其特点是在旋转运动的同时兼有搅拌运动(图1)。这项技术比传统的FSW有如下潜在的优势:
    1、  能形成较宽的焊缝,有利于搭接和T型接头的焊接及材料加工。
    2、  因能更有效地去除焊件表面氧化膜,并且沿焊缝截面产生更均匀的热量,得到更高质量的焊缝。
    3、  由于降低了焊接或加工过程中产生的扭矩,所需的工件夹具更少。
    4、  更便于异种材料的焊接和点焊。
    在传统的旋转式FSW中,搅拌头的相对速度是从零(探头中心)变化到最大(轴肩外径处)。这种搅拌式/旋转式运动复合的Com-stirTm搅拌摩擦焊接技术能够显著地改善探头中心和轴肩外径处速度的差异。该技术通过有选择地改变相对旋转速度,在几乎完全搅拌运动和几乎完全旋转运动之间提供了一定范围的优化。上述特征可在工艺控制中,预先选择或自动改变以适合条件的要求。(图1)所示为两种旋转方向相反,实际也可用相同的旋转方向。
    搅拌运动产生了恒定的相对界面速度但方向是不断变化的。有关棒材与棒材搅拌摩擦焊报告表明,预期可以得到更高的加热速度和更多的金属流动。
    采用转动和搅拌运动的Com-stirTM技术得益于更高的热效率和更多的金属流动。
    Com-stirTM用于材料加工时,加工区宽度及体积的增加具有特殊的优点。(图2)显示的是经过Com-stirTM焊接的搭接接头宽焊缝。图中,焊缝的宽度为上层板厚的230%(而传统FSW则为110%)。人们相信Com-stirTM可以焊接出更宽的焊缝,并正在进行进一步的研究。
    用于机械加工的复合运动技术的研发工作也正在进行中。这种技术可以排除使用“高速切削”材料的必要性,这些不尽人意的材料加入金属中是为了提高金属的切削性,但通常会损害金属的焊接性,例如在钢中加入铅,在不锈钢中加入硒。


 


我国焊接技术的发展及其在国家建设中的作用

斯重遥

1、我国焊接技术与学科发展过程
    我国焊接能发展到现在与下面几个重要因素有关:
    1.1 高等院校焊接专业的设置
    没有高校培养与输送焊接专业人材,就很难想象我国焊接能如此快速发展。谈到高校焊接专业的设立,我们要感谢苏联专家帮助我们于1953年在哈尔滨工业大学建立第一个焊接专业,由1名教授、2名副教授讲授焊接专业课,培养焊接专业师资研究生与5年制焊接工程师。有了这批师资研究生,以后国内清华大学、天津大学等也陆续设立焊接专业,为国内输送大批焊接专业人材。
    2.212年焊接科学规划的制订与执行
1955年制订了12年焊接科学规划。为了执行、协调、检查12年科学规划的实施情况,国家科委成立了各门学科协调组,机械学科有机械协调组,下设焊接协调分组。我国焊接科研力量分散在高校、科研单位与厂矿,不象苏联集中在巴顿焊接研究所,英国集中在焊接研究所(TWI)。因此,为了实现12年焊接规划的执行,需要分工协调,发挥各单位的优势,当时我身为焊接协调分组组长,每年组织全国科研、高校、厂矿等有关单位,进行课题协调、分工、检查执行规划情况。在全国焊接工作者共同努力下,提前完成了焊接科学规划,这一规划的完成为今后焊接发展打下了基础。
    1.3 焊接新技术的发展
    新中国成立以来,以美国为首的资本主义国家对我国进行封锁。我们无法从国外获得焊接新技术、新设备。50年代末到60年代中期即“文革”前,广大焊接工作者解放思想,发展多种焊接新技术,把我国焊接推向一个崭新的腾飞时期。1959年科研单位研究等离子切割机。1960年与工厂合作研制成功氩气等离子切割机。1962年研制成功氮气等离子切割机。1960年高等学校与工厂研制成功低压型真空电子束焊接设备。1967年科研单位与工厂合作研制成功高压型(150千伏、200千伏)真空电子束焊机。科研单位自行设计、制造了中型真空高温钎焊炉。与此同时又研制成功镍基、银基钎焊料,并开展了航空发动机涡轮叶片与压气机空心叶片的钎焊。其它焊接新技术如电渣焊、摩擦焊等新技术也在这个时期相继研制成功。这些焊接新技术的掌握对于国民经济建设与国防尖端产品的研制起到了重大作用。
    1.4 焊接工作者无私奉献
    改革开放前,焊接工作者工资低,生活艰苦,工作条件差,为了国家建设,他们在各条战线默默地忘我劳动,表现出无私奉献精神。
    1.5 焊接学会与焊接协会的作用
    焊接学会和焊接协会的成立对我国焊接科学与焊接生产的发展起到了重要作用。两会组织全国焊接会议、开展学术与生产交流,此外还定期召开国际学术会议与国际焊接展览会,组织焊接代表团参加国际焊接学会、美国、日本以及亚太地区焊接学术会议。这些对提高我国科研与生产水平都起到了促进作用。两会工作得到上级领导与中国机械工程学会的肯定。1.6 研究生制度的建立研究生制度的建立大大增强了我国焊接科研力量。研究生制度实施以来,培养了大批中、高级焊接人材,使焊接有了很大的发展,只要导师很好的培养,这支力量是不可估量的,是我国焊接兴旺发达的希望。

2、焊接在国民经济、国防建设中的作用
    2.1 焊接在国民经济建设中的作用
    (1)大型水轮机转子叶片的抗泥沙、抗气蚀材料的堆焊
    我国多数河流水中含有大量的泥沙,造成水轮机叶片严重磨蚀。从60年代到80年代,国内科研部门与水力发电厂进行了大量的工作,试验了各种叶片覆面方法和覆面材料。试验结果认为,采用抗泥沙磨蚀材料堆焊在叶片上是较好的可行方法。科研单位于1958年创造性地研制成功国内外最先进的耐磨一号快速堆焊焊条,这种焊条不仅工艺性能好、容易掌握、熔敷速度远高于同类型高合金铸造芯的堆焊焊条,而且具有优异的抗泥沙磨损、抗气蚀性能。用它堆焊黄河七里营水电站泥沙磨蚀十分严重的水轮机叶片,效果很好。用耐磨一号堆焊在吉林丰满水电厂气蚀严重的水轮机叶片上,叶片寿命提高3倍以上。在上述实验基础上,水电部、一机部决定在哈尔滨电机厂用耐磨一号堆焊在新制造的两台4.4万kW盐锅峡水轮叶片及下环局部区,经过黄河两个汛期,水轮机叶片露出光亮的堆焊层而无泥沙磨损痕迹。上述试验成功为解决我国黄河、长江水电厂水轮机泥沙磨蚀,开辟了一条可行途径。
    (2)三门峡水轮机分瓣转子的现场焊接
    三门峡水轮机分瓣转子的制造与现场焊接是50年代中苏合作项目。为了便于通过山洞隧道,水轮机转子分成两个半瓣,精加工后要求现场不再加工,因此要求严格控制焊接变形。这项工作按合同由苏联专家到现场完成,由于苏联撕毁合同,国家决定我们自己完成。周总理亲自过问,由一机部、水电部组织国内有关单位专家攻克焊接关。周总理指示三门峡分瓣转子的焊接必须建立在完全可靠的基础上,不能有一点差错,焊接科技人员按照总理指示,经过多次模拟试验,掌握了焊接变形规律,总理还是派一机部沈鸿副部长审核,沈鸿副部长认为焊接方案可行,万一焊接变形超过技术要求,可用“蚂蚁肯骨头方法”在工地进行加工校正,最后总理批准施焊。水轮机分瓣转子焊接是成功的,焊接变形远小于技术要求。我国焊接工作者不辱使命,完成了任务,得到总理赞许。
    (3)等离子切割新技术在制造化工设备中的应用
    1960年科研单位与工厂合作研制成功氩气等离子切割机并定型生产。这项技术为国内制造化肥设备起到了重要作用,它解决了制造化肥设备中不锈钢切割关键问题,这是焊接工作者子瞄准国民经济建设需要,超前发展焊接新技术的典型例子。
    (4)12000吨水压机的制造
    60年代我国大型水压机只有一台,12000吨水压机立柱还不能整锻制造。我国创造性地用电渣焊新技术,分段锻-焊制造出12000吨立柱。这一成就显示出焊接在制造重型机械设备的潜力。
    (5)大型球形储罐的制造
    我国大型球罐的建造,对焊接是一次大练兵,使我国建造球罐的水平上了一个新台阶。目前我国已形成了一支强大的球罐建造队伍,随着国内科研的不断发展,建造球罐技术又有新的发展,特别是焊后消除应力处理已有国际先进方法。除了目前采用热消除应力外,还可以用国内研究成功的热水过载处理与爆炸工艺消除焊接应力等先进方法。
    2.2焊接在国防建设中作用
60年代我国研制成功等离子焊、真空电子束焊、真空高温钎焊、储能电阻焊与缝焊、充氩箱内氩弧焊或氦弧焊等焊接新技术。这些新技术及时地应用于国防尖端产品的制造,为我国两弹一星、核潜艇、宇宙飞船等制造成功起到了重要作用。

3、建议
    提出以下两点不成熟建议供商讨
    3.1大力推广焊接科研成果
    中国焊接协会的成立对于推广科研成果创造了很好条件。推广科研成果复杂,需要各方面包括上级行政领导、科研院校、生产企业的支持。科研成果推广要公正合理、不要掺杂本位主义。
改革开放前,由于不是市场经济,看不到科研是第一生产力,焊接科研成果很难应用到生产。尽管我国焊接科研水平与国际相差不大,有的已赶上国际先进水平,但国内焊接生产与焊接产品与国外相比有较大差距,不少高水平焊接科研成果如能用于国家重大工程,不仅可以提高工程质量,而且还能大幅度降低制造成本。例如我国大型水轮机转子采用0Cr13Ni5Mo整体铸造是否合理值得考虑,因为水轮机转子受泥沙磨损与气蚀联合作用下的磨损破坏只是在叶片与下环小部分,而不是整个转子,如果采用国内已研究成功、抗磨蚀性能远比0Cr13Ni5Mo好的材料铸造叶片或用此材料堆焊一般铸钢叶片,然后与转子上、下环焊接,焊后用研究成功的爆炸工艺消除焊接应力处理,这样制造水轮机转子,不论在设计上和合理选材上都是先进的,这是一条又好又省的制造水轮机新途径。
    40多年来,我国有不少有水平、有价值的高水平科研成果得不到推广,对国家是很大损失。我建议两会今后创造条件,使科研与生产互相结合,推广科研成果。
    3.2我国焊接水平的评估及今后方向
    我国已有一支相当水平、实力雄厚的焊接队伍,它为国家建设作出了重大贡献。由于我国科技力量分散在科研单位、高等院校,科研成果除了在学会刊物上刊登外,不少发表在国外刊物,有的只能见之于科研成果鉴定会上,所以要全面了解我国焊接水平与优势是比较困难的。所以我建议两会组织专家,对焊接成就作一个认真、公正、合理的评估。评估专家是关键,应该聘请有真才实学、为人公正、不受框框限制的专家。要评估的科研成果可由焊接专业委员会公正推荐,也可由单位直接申报具有国际水平的科研成果。相信我国有些领域已达到国际水平或国际先进水平,把这些成果综合起来就是我们对世界的贡献。另外通过评估还可以了解各单位的优势与特点。两会应有意识地将这一工作组织起来,形成我国独特的科技体系。
    我国今后焊接发展要考虑两方面工作,一是以钢铁与有色金属等常规冶金材料的焊接为服务对象,这是大量的、长期的工作,焊接工艺以熔焊为主的常规焊接,但要向高效率、自动化、低成本方向发展。二是要解决先进的新型材料的连接问题,这种先进材料不是常规冶金方法生产,而是用特殊工艺制造,如急冷非平衡合金的非晶态材料、纳米材料、金属间化合物、工程陶瓷以及复合材料等。上述材料不能用熔焊方法,而需要用特殊连接方法解决,这要求创新,难度很大,有很多科研工作要做,所以决不是焊接没有工作可干了。现在重要的是要发挥国内科技力量,公正合理的组织起来,攻克新型材料的连接。

*斯重遥,焊接学会第三届理事长,曾任中国科学院沈阳金属研究所副所长,是首批博士生导师,首批获政府特殊津贴。


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