由上海航天设备制造总厂承担的“大型关键构件的摩擦焊设备”课题，已于2011年11月21日顺利通过了工信部专家的验收。该课题的成功验收，标志着上海航天设备总厂具备了双驱动重载串并联搅拌摩擦焊设备的自主开发能力。这一在国内率先开发的具有亚洲最大厚度焊接能力的串并联式双驱动重载搅拌摩擦焊设备，突破了厚板搅拌摩擦焊技术与大厚度搅拌工具设计技术难题，可单面焊接铝合金80mm，双面焊接铝合金150mm，从而打破了国外对我国在超大厚度搅拌摩擦焊技术与装备上的技术封锁，对推动我国自主化搅拌摩擦焊工艺装备的发展具有里程碑式的重要意义。

立项背景

按照《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》的部署，在“十二五”和“十三五”期间，以新一代运载火箭、载人航天飞船、航空母舰、大型商用客机和大型军用运输机等为代表的一批国家重大工程项目已经启动。而作为上述工业产品的典型结构之一，对大尺寸、大厚度高强铝合金整体式结构制造技术的研究便显得尤为迫切。以往，我国所采用的大厚度铝合金焊接技术主要为MIG两面多层焊接技术，在焊接过程中需要经受多次热处理和反变形工序，不仅生产周期长，变形量大，而且生产环境差。而在国外，诸如TWI等研究机构，已掌握了大厚板铝合金搅拌摩擦焊接技术，成功满足了最大焊接厚度150mm（采用双面焊）的应用需求。此外，美国海军连接实验室已经成功将搅拌摩擦焊技术应用于50mm厚先进两栖攻击装甲车铝合金构件的高效、高质量焊接制程中。研究和应用表明，搅拌摩擦焊接是一种非常适用于大厚度铝合金结构连接的先进技术。

因此，我国国防科技工业特种焊接技术研究应用中心将搅拌摩擦焊技术作为其开发研究的主攻方向之一，并将上海航天设备制造总厂作为应用依托单位。为解决超大厚度铝合金构件搅拌摩擦焊设备和工艺技术难题，上海航天设备制造总厂于2009年5月开始对超大厚度铝合金搅拌摩擦焊工艺及设备进行了研究论证，并得到工信部的支持，将“大型关键构件的摩擦焊设备” 列入国家科技重大专项课题，由上海航天设备制造总厂承担并实施。

项目进展及创新突破

“在厚板焊接（大载荷工况）工作条件下稳定运行”是设计、制造重载双驱搅拌摩擦焊设备的难题。设备研制成功后，还需要突破超大厚度搅拌摩擦焊接工艺技术与分体式搅拌工具设计技术，才能实现超大厚度搅拌摩擦技术的产业化应用。针对上述难题，课题组采用了图1所示的技术途径。

上海航天设备制造总厂通过与北京赛福斯特技术有限公司、广州数控设备有限公司和上海交通大学协同攻关：于2009年9月完成了双驱动重型搅拌摩擦焊设备主体结构的设计优化和200kN高精度伺服顶锻进给传动系统的研制；于2010年2月完成了差速双驱动主机的研制及设备安装；于2010年6月完成了设备配套的八轴数控系统和伺服驱动机构的开发；于2010年9月完成了设备的安装和调试。后续还进行了长寿命超大厚度对称式搅拌工具设计及制造技术的研究，探索了焊接工艺试验方法，逐步形成了厚板搅拌摩擦焊接工艺规范。

在重载搅拌摩擦焊接主机头设计制造方面，该项目突破了差速双驱动焊接主轴单元技术，掌握了大跨度、高刚性搅拌摩擦焊设备主机结构的设计技术、搅拌工具位置自适应控制技术以及大于200kN的伺服顶锻进给传动系统技术，确保了重载荷下主机头的高精度稳定运行，获得了一些标志性的科技成果和发明专利。

在数控系统方面，通过对控制器软硬件平台与总线结构、高精度多轴联动串并联插补关键技术、并联机构核心算法以及界面及编程功能等的研究，开发出稳定性高、扩展性强的国产八轴四联动数控系统。

在大厚度搅拌摩擦焊接工艺技术方面，率先提出了超大厚度铝合金搅拌摩擦焊用搅拌工具设计规范，全面掌握了搅拌工具的设计、制造、热处理和表面处理等一整套关键技术，解决了70～150mm厚度大型整体式关键构件高质量、高效及低应力无变形焊接的工艺技术难题，形成了大厚度搅拌摩擦焊接示范应用的成套技术体系，为实现大型铝合金构件的绿色、高效焊接生产提供了技术支持。图2所示为搅拌摩擦焊接的130mm面板鉴定件。

2011年11月21日，“大型关键构件的摩擦焊设备”项目顺利通过专家组验收。专家组指出：该课题解决了多项重型搅拌摩擦焊设备设计、制造中的关键技术问题，掌握了高档数控搅拌摩擦焊设备的各项关键技术。所研制的设备能够实现单面80mm厚、双面150mm厚铝合金材料的焊接。特别是特殊的双驱动设计，实现了搅拌针主轴的小扭矩、高转速旋转以及轴肩主轴的大扭矩、低转速旋转，为后续设备的开发以及相关产业的应用提供了技术保障。开发的双驱动重型搅拌摩擦焊设备达到国际先进水平。

项目的重要作用和意义

国家科技重大专项——“大型关键构件的摩擦焊设备”课题的实施，打破了国外的技术垄断，推动了铝合金大型构件高效、绿色焊接技术的跨越式发展。

1. 自主研制成功的双驱动重载串并联搅拌摩擦焊设备（如图3所示），总体技术达到国际先进水平，提升了我国重型搅拌摩擦焊装备自主研发的能力和水平。

2. 成功实现了150mm铝合金的搅拌摩擦焊接，在焊接厚度能力上有了显著提升，从而为适应新一代型号构件对更高焊接厚度的需求提供了坚实的技术基础。

3. 形成了包括重型搅拌摩擦焊设备制造、搅拌工具设计制造及焊接工艺开发在内的完整的大型关键构件搅拌摩擦焊技术链条，技术成果已被用于我国新型雷达面板的制造中，并建立了产业化基地。

4. 双驱动重载串并联搅拌摩擦焊设备的研制成功，消除了以往采用两面多层焊技术而导致的焊接周期长、焊后需经受热处理和反变形等工序，以及工序复杂、焊接烟尘多和工作环境差等问题，实现了大厚度铝合金的绿色、高效及高质量焊接。随着大厚度搅拌摩擦焊技术成果的产业化应用，大型面板的焊接生产周期将缩短为4天，并将显著降低生产成本和能耗。

目前，该课题研发成果将直接用于我国新一代相控阵雷达面板（厚度70～150mm）的整体式焊接制造以及5000平台预警卫星贮箱支撑座的制造。此外，还可推广应用于制造第四代战机和大型军用运输机的大厚度铝合金关键构件，因而对增强我国国防实力、保障国家安全具有重大意义。