起底搅拌摩擦焊技术
🕙 2022-11-24 👆
“搅拌摩擦焊是一种比较新的技术，它利用高速旋转的焊具与工件摩擦产生的热量使被焊材料局部熔化，当焊具沿着焊接界面向前移动时，被塑性化的材料在焊具的转动摩擦力作用下由焊具的前部流向后部，并在焊具的挤压下形成致密的固相焊缝。”
“这种工艺的应用场景有一些要求，主要是针对塑性材料，比如说金属铝、镁、铜、钛等，它的焊接变形比较小，焊接热输入比较低，被焊材料不发生熔化，焊接质量高，过程稳定，对环境也无污染，因为它仅仅靠摩擦，不会有烟尘等危害，所以工作环境比较友好。”
在2022焊接机器人技术与应用峰会上，瑞松威尔斯通技术总监何艳兵分享了轻质合金智能化搅拌摩擦焊接技术前瞻。
搅拌摩擦焊作为一种固相连接技术，在1991年由英国焊接研究所（The Welding Institute，TWI）发明。此后，搅拌摩擦焊以任何一种焊接方法都无可比拟的发展速度，迅速走出实验室，在国际工业制造领域得到大规模工程化应用，譬如船舶、轨道列车、航天、航空、汽车、兵器、电子电力等。
自搅拌摩擦焊发明后，TWI在世界范围内迅速申请专利保护，其中1995 年在中国也申请了知识产权保护，并于 1999 年得到中国政府的批准。截至 2006 年底，全世界已经有130 多家企业、公司和研究院校得到了搅拌摩擦焊专利许可。迄今多个国家的公司和科研院所致力于搅拌摩擦技术的发展、工程化及工业化应用推广，至 2006 年底，全世界已经公开的搅拌摩擦焊专利申请超过了1300多项。
目前，搅拌摩擦焊已成功实现铝、镁等低熔点金属及合金、铜合金、钛合金、钢铁材料、金属基复合材料以及异种金属（铝/铜、铝/镁、铝/钢等）的焊接。
此外，在传统技术的基础上，搅拌摩擦焊也有了五大创新发展，譬如双轴肩搅拌摩擦焊、静轴肩搅拌摩擦焊、搅拌摩擦点焊、复合能场搅拌摩擦焊、搅拌摩擦增材制造。
1996年，国内少许具有前瞻性的科研单位，开始关注搅拌摩擦焊，并展开系列的探索性试验研究。2002年，北京航空制造工程研究所与TWI 签署专利许可协议成立中国搅拌摩擦焊中心，由此，为搅拌摩擦焊在国内的应用发展拉开序幕。
尤其是近几年，随着国内锂电池行业的发展和锂电池焊接相关需求的不断涌现，搅拌摩擦焊技术也迎来了更多的落地场景。
但是，想要实现搅拌摩擦焊生产各种产品的目的，搅拌摩擦焊设备则是关键一环。据了解，搅拌摩擦焊设备主要分为三类，龙门式搅拌摩擦焊设备、搅拌摩擦焊专机和机器人搅拌摩擦焊设备。
以机器人搅拌摩擦焊设备为例，其因焊接适应性强、易于实现空间全位置焊接、自动化程度高、生产效率高等技术特点，得以广泛应用，尤其是在汽车领域。
“机器人搅拌摩擦焊设备一般都是用大的机械臂，比如大负载6轴机器臂，也能够满足汽车厂对负载500公斤的应用诉求。更重要的是，机器人能够进行更高效、更智能也更加柔性化的生产。”
“传统的龙门式搅拌摩擦焊设备，只能完成直线或平面二维焊接要求，不能满足复杂结构件的焊接，这时候机器人的柔性化优势得以突显。同时，机器人搅拌摩擦焊设备还能够同时执行‘左边焊接，右边上下料’的双向操作，大大提升整体的工作效益。”谈到各大搅拌摩擦焊设备的优劣时，万洲焊接相关负责人如此分析道。
或许正是得益于这样的技术优势和市场红利，搅拌摩擦焊接设备在过去的2021年实现全球收入大约为251.2百万美元。并有机构预测，至2028年全球搅拌摩擦焊接设备收入有望达到395.4百万美元，整体呈现出持续上升趋势。
而以Grenzebach Maschinenbau GmbH、Nova-Tech Engineering、北京赛福斯特、FOOKE GmbH和PaR Systems等为主的头部搅拌摩擦焊设备生产商，也牢牢把握着全球市场份额。
随着搅拌摩擦焊应用技术的不断成熟，以及下游应用领域需求的不断释放，搅拌摩擦焊也正逐步迎来属于它的高光时刻。然而，比起欧美等国家，搅拌摩擦焊在中国的应用却整整慢了10年之久。
但新能源汽车的高速发展，又为搅拌摩擦焊在中国的应用发展提供了一个快速崛起的绝佳良机，尤其是搅拌摩擦焊机器人的应用提升明显。
据高工机器人产业研究所（GGII）数据显示，2021年中国市场焊接机器人系统集成市场规模为210.4亿元，同比增长22.68%。GGII预计，到2026年，中国市场焊接机器人系统集成规模将有望超过400亿元，CAGR约为15%。
其中，2021年中国焊接机器人应用于汽车行业的占比为34.74%。
对于国内焊接机器人在汽车行业的应用情况，有机器人企业高管表示：“目前，焊接机器人应用最多的确实是在新能源汽车领域，譬如新能源汽车的三电，包括电机、电控、电池。电池主要是以电池托盘为主，电池托盘是用搅拌摩擦焊的有机壳体，因为每个电机外面都有一个保护罩，它的壳体就是铝合金的，所以需要加一些冷却液让电机运作的时候去散热，为此它需要用焊接的连接方式把这一块密封起来，这里就需要用到搅拌摩擦。”
据早前的相关披露，全球在役工业机器人中有一半用于焊接。因此，机器人搅拌摩擦焊技术也成为行业的关注点，新能源汽车厂商纷纷布局全自动化搅拌摩擦焊，譬如特斯拉、小鹏、蔚来等，期望获得更高效率、更灵活和更低成本的生产过程，为此，企业需要对机器人本体、焊接机头、控测系统、流程规划等方面进行优化。
而新能源汽车作为焊接机器人重要的下游增量市场，未来将对自动化设备，包括对焊接机器人产生巨大拉动，具有强确定性。
高工机器人产业研究所所长卢瀚宸对此也颇为赞同，并认为，新能源汽车、锂电池以及钢结构领域，都存在着巨大的焊接机器人应用空间。卢瀚宸表示：“新能源是当前市场的一大热门，比如锂电池，我们近期调研发现，部分储能电池厂商今年的业务呈现出3-4倍的增长态势，这会是接下来的热门赛道。”
由此，不难发现，在新能源汽车、锂电池等下游领域的强带动下，焊接机器人有望获得更为长足的可持续发展。
