摩擦焊接技术及其工程应用

摩擦焊接技术及其工程应用

黎天才

黎天才

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摘要：摩擦焊是一种先进的固相连接技术，具有能量利用率高、能耗低、污染和噪声小的特点，符合未来工业技术的发展趋势。摩擦焊接技术以其绿色环保、能耗低等优点和独有的技术优势，已经开始从航空航天制造开始向民用拓展且发展迅速，应用前景将会非常广阔。

关键词：摩擦焊接；工程应用；讨论

摩擦焊接技术是一种新型的固相材料连接技术，由英国焊接研究所（TWI）研发，已广泛应用于工业的各个领域，随着对焊接工艺、焊接材料、搅拌头结构等研究的不断深入，搅拌摩擦焊接技术以其绿色环保、能耗低等优点和独有的技术优势迅速得到社会的认可和技术推广，逐渐成为当下焊接领域内最热门的固相连接技术方法之一。

一、旋转摩擦焊

旋转摩擦焊是迄今为止最常见的一种摩擦焊，在机器工业中占有很大的比例，可以焊接直径从1—200mm的固体圆柱棒。旋转摩擦焊有三种类型：连续驱动焊、惯性摩擦焊以及两种方式的组合。一端高速旋转，同时在两端施加轴向力，摩擦加热到预定温度后，停止马达运转并施加一个更大的轴向力进行顶锻。在惯性摩擦焊中，将其中的一个工件连接到飞轮上，当达到适当的速度后，停止飞轮的运转，同时另一工件施加轴向力进行顶锻。工件接触点的摩擦，既是热源，又是制动方式。两种旋转摩擦焊最本质的区别是：连续驱动摩擦焊是由一个连续的轴向速度驱动，而惯性摩擦焊预先估计所需的能量，让飞轮达到一个较高的速度，将能量保存在飞轮上，然后逐渐减小到零，将这些能量在接触面上转化为热量。旋转摩擦焊适用于各种异型金属组合的焊接。不同结构以及具有不同热和力学性质的异种金属也可以焊接。鉴于焊接周期短，容易获得实时监测参数等优点，汽车工业对此特别青睐，并已安装了大批旋转摩擦焊接机用于生产至少有一个部件具有对称性的零件，比如传动链条部分中的传动轴、齿轮、发动机排气阀门、变速箱等同轴性有较高要求的部件，铝合金轮辋也通过这种焊接方式批量生产。

二、径向摩擦焊

旋转摩擦焊有一个内在的缺陷，即焊接对象是小部件，但若是两根长管进行焊接，用旋转摩擦焊就比较困难，径向摩擦焊可以很好地解决这个问题。径向摩擦焊接是TWI于20世纪70年代发明的以管道连接为初始目的的一种固相焊接技术。两端管段静止，用一个可消耗性的V型环夹紧紧夹住两管，由一个连续的驱动机构驱动V型环，同时在径向施加一个力。为了防止管道在外力作用下变形，管段内部放置支持芯轴。界面产生的摩擦热把接头区域加热到焊接温度，圆周表面产生塑性变形，在顶锻压力作用下，经过扩散和再结晶形成焊接接头。在石油和天然气管道连接方面，径向摩擦焊具有广阔的应用前景。20世纪80年代，一家挪威公司与TWI合作开发了用于海底管道铺设的径向摩擦焊接样机，可焊管道直径100mm、厚度12.7mm。目前，国外正在试验能够焊接150—300mm钛合金立管的径向摩擦焊接样机。在兵器行业中能实现薄壁纯铜和钢弹体的连接，可促进军工产品升级换代。

我国对于径向摩擦焊接也开展了一些研究，但用于石油天然气管道连接的样机研制还未见报道。径向摩擦焊接效率很高，管道连接时间通常少于1min，但是一直未能很好地工业化，主要原因是设备投入过大，根据估算，焊接700mm管道所需要的径向力约为1000t。

三、摩擦堆焊

摩擦堆焊可在材料表面获得无稀释、结合完整的焊敷层，是一项高效、优质、低成本的摩擦焊技术，该技术对于解决无法采用旋转摩擦焊的大型或异型构件以及难焊材料的焊接都具有应用价值。给旋转的棒材施加一个向下的轴向力，当棒材与待焊母材的界面处产生热塑性层时，移动母材，直至基体母材上形成连续的堆焊层。堆焊过程主要经过四个阶段，即初始摩擦阶段、不稳定摩擦阶段、稳定摩擦阶段、热塑性层的形成阶段。各阶段的时长主要取决于施加在棒材上的压力，同时受棒材直径、转速、耗材母板的物理性质的影响。塑性层形成后，摩擦面由棒材和母材间的摩擦转到棒材和塑性层之间的摩擦，之后进入稳定摩擦阶段。摩擦堆焊的热量由棒材在母材上高速旋转及棒材与母材相对运动所产生，其中前者是主要热源。目前这一焊接技术已被用于锋利刀片的商业生产。在汽车工业中，可用摩擦堆焊来生产制动盘和耐磨层；TWI在ALCOA技术中心的资助下，应用摩擦堆焊技术焊接过厚度为8mm的7075铝合金板，并已完成大量异种材质的堆焊工作，如将316不锈钢熔敷到低碳钢表面，2011铝合金熔敷到2014铝合金表面等。

摩擦堆焊技术不只局限于焊接领域，还可广泛拓宽应用范围，在摩擦轧制、零件快速制造、复合材料制备、材料再利用加工等方面有巨大的开发潜力。在发达国家，该项技术已广泛应用于包括宇航、近海油田开发等许多工业领域中，为航天器、舰船及装甲结构等装备的制造和维修提供了可靠、有效的工艺手段。

四、线性摩擦焊

线性摩擦焊用于焊接截面为非圆柱形金属体和大批焊接点比较复杂的零部件。先固定其中的一个零件，然后将另一零件以极高的速度来回运动，产生一个很窄的摩擦加热区。摩擦产生的热量使两者的接触面塑性化，当加热区的温度达到所要求的温度时，在一个较大顶锻力的作用下两者连接成整体，最后打磨掉多余的材料。线性摩擦焊接技术是目前较先进的整体叶盘制造技术。早期，线性摩擦焊接技术用于焊接压气机叶片和轮盘，可将叶片与不同材料制造的轮盘焊接在一起，减重效果显著并可节约大量贵金属。线性摩擦焊接技术成功应用在欧洲战斗机EJ—2000的3级低压压气机整体叶盘制造中，标志着该技术的应用达到了很高的程度。欧洲战斗机公司计划为“台风”战斗机提供线性摩擦焊接的整体叶盘；21世纪初将生产3000架JSF联合攻击战斗机的发动机亦将采用线性摩擦焊接整体叶盘结构。惠普公司为F—22研制的F119发动机中，全部风扇以及高压压气机转子均采用了整体叶盘。

五、搅拌摩擦焊

搅拌摩擦焊过程实际上是一个非消耗性的热剪切过程。其主要部分包括：轴肩、搅拌针、焊接前沿、焊接后沿、搅拌头后沿、搅拌头前沿、焊缝等部分。在垂直母材方向力的作用下，搅拌针在焊逢里面高速旋转并产生大量的热，在焊逢中产生一个塑性区域，搅拌头前进，后面塑性部分冷却后即可达到焊接效果。采用搅拌摩擦焊接技术焊接铝合金，能够避免因接头金属熔化造成的气孔裂纹等冶金缺陷。而搅拌摩擦焊接过程中伴随着强烈的摩擦、碾压与破碎作用，对接头表面氧化膜有一定的机械破碎作用，所以氧化膜将不再是铝合金焊接的困难之一。相对于激光焊而言，搅拌摩擦焊既是一项固相焊接技术，又是一项高效焊接技术。

目前该技术已经广泛应用于航空航天制造业。波音公司为了降低成本、节省经费将长期使用的GMAW焊接改为FSW焊接。欧洲航空工业公司已开展了“飞机框架结构的搅拌摩擦焊”项目；造船工业中，澳大利亚的海洋观光船上许多平直焊缝均采用便携式搅拌摩擦焊机焊接。日本Sumitomo轻金属公司采用搅拌摩擦焊生产铝质蜂窝结构板件和耐海水的板材；机车工业中生产整流子和高速列车的中空型材也采用搅拌摩擦焊技术。

六、嵌入摩擦焊和第三体摩擦焊

嵌入摩擦焊易于对铝合金及不同种材料进行加工，在一个较软的母材里面嵌入一个较硬的金属棒，工件间的相对运动产生的摩擦热使软材料的表面产生局部塑性化，材料塑性化后流入不易变形磨损的硬凹槽（衔接作用）区域。流动停止后，塑性材料凝结形成机械互锁结构，在结合处可能还会形成冶金结合。这种技术提供机械互锁有助于减少灾难性故障，利用嵌入摩擦焊接技术完成焊接实物。TWI所做的嵌入摩擦焊试验证明被焊材料可以得到良好的机械性能。冶金检查显示，相对较硬的材料被较软的材料所包围且接口处和其他整个嵌入部分具有良好的机械性能。

结论

随着社会的发展对焊接技术提出了更高的要求，加大对摩擦焊接技术的研究投入对我国航空制造、国防工业、海底油气开采等领域的发展具有重要意义。同时需要加强与摩擦焊接相关技术的研发，如加强机器人研发，实现摩擦焊接自动化，从而使摩擦焊接技术的应用向海洋等更广阔的领域发展。

参考文献：

[1]高洁。搅拌摩擦焊研究现状与热点分析[J].航空制造技术，2014（2）

[2]刑东。国外焊接技术研究现状[J].航空制造技术，2013（3）