用于我国“两机”制造的工业母机问世,上海校企合作打破国外垄断

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航空发动机、燃气轮机制造需要一种工业母机——超大型惯性摩擦焊机,它通过待焊材料之间摩擦产生热量,在顶锻力的作用下让材料发生塑性变形和流动,进而连接母材。长期以来,由于未掌握核心技术,国内企业只能用其他焊接技术替代惯性摩擦焊,与国外产品有很大差距。

近日,国焊(上海)智能科技有限公司联合华东理工大学、上海工程技术大学研发的“1000吨高精度惯性摩擦焊机”在上海临港调试成功,正在推进“两机”(航空发动机、燃气轮机)装备中典型部件的焊接工艺验证。经过10余年技术攻关,上海校企合作团队终于打破了国外垄断。

惯性摩擦焊技术在汽车、高铁、地铁、石油、工程机械等其他领域也有广泛的应用前景。在市经信委、临港新片区管委会和临港集团的支持下,国焊科技已入选“上海市工业母机重点企业”,进入了发展快车道。

从引进、消化吸收到自主创新

“惯性摩擦焊装备的国产化替代之路,始于2010年。”上海工程技术大学副校长、“上工程—国焊科技”校企合作团队首席技术专家夏春明说,那时他在华东理工工作,在原华东理工大学机械厂厂长朱建华带领下,开展惯性摩擦焊装备国产化替代的研发。

图片惯性摩擦焊机的运行过程

循着引进、消化吸收、再创新这条路径,朱建华和夏春明带领华东理工科研团队,反复琢磨进口惯性摩擦焊机的科学原理和技术难点。据介绍,这种工业母机的技术难度非常高,要在数秒内将巨量的动能通过摩擦转化为用于焊接的内能,实现可达到兆瓦级的瞬时功率输出;同时,其能量控制系统要有超高精度,相当于将一节50吨重、以270公里时速行驶的高铁车厢在10秒内刹停,而且停车位置与目标位置的误差须控制在0.01毫米级别。

这两大技术门槛,对装备设计提出了很高要求。如何让主轴系统承受数百吨乃至1000吨压力?如何在数百吨顶锻力下保持主轴的高速转动?华东理工团队在消化吸收国外技术的基础上,走上了自主创新之路。2010年以来,他们先后自主设计出160吨、250吨、400吨惯性摩擦焊机,其轴向力越来越大,不断向制造“两机”的千吨级高精度惯性摩擦焊机迈进。

2020年4月,华东理工校友龚铁军创办的国焊科技在上海成立。朱建华担任公司科研团队总负责人,多位华东理工毕业生成为这家企业的科研骨干,他们希望把10年攻关成果转化为产品,让国产惯性摩擦焊机成为真正的国之重器。

公司成立时,夏春明已任上海工程技术大学副校长,他在上海工程大新组建了一支多学科交叉团队,与国焊科技开展校企深度合作,推进产教融合、科教融汇走深走实。

图片客户带着样品来到国焊科技,进行“1000吨高精度惯性摩擦焊机”应用试验。蒋蕙摄

有望对汽车等产业“降维打击”

如今,国焊科技已拥有各类专利30多项,成为高新技术企业、上海市专精特新中小企业,今年开始为用户提供科研和技术服务。

除了惯性摩擦焊,这家企业还与上海工程大、华东理工合作,研制出摩擦塞补焊、混合摩擦焊等装备和技术,正在联合研发新一代线性摩擦焊装备。“这些装备和技术属于‘极限制造’,与其他焊接技术相比,它们在制造过程中可以降本增效、节能减排,提升产品的性能和寿命,还能不使用任何耗材直接实现异种金属材料焊接。因为是在一瞬间完成一次锻造过程,焊接后异种金属材料的强度会高于本体。”龚铁军说。

在他看来,“极限制造”技术可以在多个产业领域形成“降维打击”。比如,汽车轮毂制造领域内卷严重,各类轮毂的平均净利润低于5%,如果采用惯性摩擦焊工艺,将实现汽车轮毂的轻量化和降本:在性能一致的情况下,焊接式轮毂的成品重量比铸造工艺减轻约10%,材料利用率比锻造工艺高20%—30%;由于工序减少,加工成本也会大幅降低。目前,国焊科技与用户单位共同开发的焊接式轮毂,已通过一系列性能试验。

“如果这种新工艺在轮毂制造上推广应用,有望为我国每年节约100万吨铝合金,减少碳排放1.6亿吨。”龚铁军告诉记者,“技术创新后,轮毂生产变得能耗极低,占地面积很小,所以适合在上海建厂,成为上海制造的一个增长点。”

图片汽车轮毂客户在国焊科技观摩焊接试验的全过程。蒋蕙摄

在长三角区域,占地7500平方米的“绍兴极限制造加工中心”已立项,有望实现惯性摩擦焊技术在工业领域的大范围覆盖。在汽车行业,国焊科技将与国内头部电机制造企业等合作,推动新能源汽车电机的轻量化和性能提升。在航天、高铁和地铁行业,国焊科技在与用户单位合作,将摩擦塞补焊用于修补列车车体等产品的裂缝和气泡。

随着大模型、数字孪生等信息技术的兴起,夏春明正带领“上工程—国焊科技”校企合作团队,将这些技术用于“极限制造”的数字化转型和智能化应用。各种装备的三维数字化虚拟样机建模、焊接装备的数字孪生系统构建、基于焊接过程大数据的工艺参数优化模型构建、基于大语言模型及“外挂摩擦焊接过程综合知识库”的智能体研究……通过多学科交叉,国产先进焊接装备的数字化、智能化水平将不断提高,成为“中国智造”的一个新亮点。