摩擦焊接技術(shù)發(fā)展與展望

一、概述

   利用摩擦熱焊接起源于一百多年前，此后經(jīng)半個(gè)多世紀(jì)的研究發(fā)展，摩擦焊技術(shù)才逐漸成熟起來，并進(jìn)入推廣應(yīng)用階段。自從20世紀(jì)50年代摩擦焊真正焊出合格焊接接頭以來，就以其優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、環(huán)保的突出優(yōu)點(diǎn)而受到所有工業(yè)強(qiáng)國的重視。我國的摩擦焊研究始于1957年，發(fā)祥地是哈爾濱焊接研究所，同時(shí)也是世界上最早開展摩擦焊研究的幾個(gè)國家之一，48年來取得了很多引人注目的成果。

摩擦焊技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)歸結(jié)為如下幾個(gè)方面：

  （1）接頭質(zhì)量好且穩(wěn)定 焊接過程由機(jī)器控制，參數(shù)設(shè)定后容易監(jiān)控，重復(fù)性好，不依賴于操作人員的技術(shù)水平和工作態(tài)度。焊接過程不發(fā)生熔化，屬固相熱壓焊，接頭為鍛造組織，因此焊縫不會(huì)出現(xiàn)氣孔、偏析、夾雜及裂紋等鑄造組織的結(jié)晶缺陷，焊接接頭強(qiáng)度遠(yuǎn)大于熔焊、釬焊的強(qiáng)度，達(dá)到甚至超過母材的強(qiáng)度。

  （2）效率高 對(duì)焊件準(zhǔn)備通常要求不高，焊接設(shè)備容易自動(dòng)化，可在流水線上生產(chǎn)。每件焊接時(shí)間以秒計(jì)，一般只需幾秒至幾十秒，是其他焊接方法如熔焊、釬焊不能相比的。

  （3）節(jié)能、節(jié)材、低耗 所需功率僅是傳統(tǒng)焊接工藝的1/5～1/15，不需焊條、焊劑、釬料和保護(hù)氣體，不需填加金屬，也不需消耗電極。

  （4）焊接性好 特別適合異種材料的焊接，與其他焊接方法相比，摩擦焊有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，如鋼和純銅、鋼和鋁、鋼和黃銅等異種金屬的焊接。

  （5）環(huán)保、無污染 焊接過程不產(chǎn)生煙塵或有害氣體，不產(chǎn)生飛濺，沒有孤光和火花，沒有放射線。

   基于以上優(yōu)點(diǎn)，摩擦焊技術(shù)被譽(yù)為未來的綠色焊接技術(shù)。

二、摩擦焊技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀

   經(jīng)過幾十年的發(fā)展，摩擦焊技術(shù)在國內(nèi)目前已經(jīng)具備了包括工藝、設(shè)備、控制及檢驗(yàn)等整套完備的專業(yè)技術(shù)規(guī)模，并且在基礎(chǔ)理論研究上也形成了一定的獨(dú)立體系。

   1．摩擦焊工藝研究與應(yīng)用

   目前我國摩擦焊技術(shù)的應(yīng)用比較廣泛，可焊接φ3.0～φ120mm的工件及8000mm 2的大截面管件，同時(shí)還開發(fā)了相位焊和徑向摩擦焊技術(shù)，以及攪拌摩擦焊技術(shù)。不僅可焊接鋼、鋁、銅，而且還成功焊接了高溫強(qiáng)度級(jí)相差很大的異種鋼和異種金屬，以及形成低熔點(diǎn)共晶和脆性化合物的異種金屬，如高速鋼-碳鋼、耐熱鋼-低合金鋼、高溫合金-合金鋼、不銹鋼-低碳鋼、不銹鋼-電磁鐵，以及鋁-銅、鋁-鋼等。近年來，隨著我國航空航天事業(yè)的發(fā)展，也加速了摩擦焊技術(shù)向這些領(lǐng)域的滲透，進(jìn)行了航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子、起落架結(jié)構(gòu)件、緊固件等材料（Ln718 Ti17 300M GH159 GH4169），以及金屬與陶瓷、復(fù)合材料、粉末高溫合金的摩擦焊工藝試驗(yàn)研究。某些電工材料的釬焊工藝也開始用摩擦焊接所取代，如電磁鐵-不銹鋼、鎢銅合金等。

   目前我國采用摩擦焊接方法焊接的產(chǎn)品有：鍋爐行業(yè)的蛇形管摩擦焊接，閥門行業(yè)的閥門法蘭和閥體密封座的摩擦焊接，軸瓦行業(yè)的止推邊軸瓦的摩擦焊接，工具行業(yè)的鉆頭、銑刀、鉸刀的刃部與柄部的摩擦焊接，汽車及機(jī)車行業(yè)發(fā)動(dòng)機(jī)的雙金屬排氣閥、氣門頂桿，柴油機(jī)預(yù)熱室噴嘴、半軸、扭力管，內(nèi)燃機(jī)增壓器渦輪軸，潛水電泵轉(zhuǎn)軸，純銅不銹鋼水接頭、鋁銅過渡接頭，紡織機(jī)梭子芯，關(guān)節(jié)軸承，泥瓦工具，地質(zhì)鉆桿，石油鉆桿、實(shí)心、空心抽油桿，航空發(fā)動(dòng)機(jī)集成齒輪及木工多用機(jī)床上的刀軸等。

   2．理論研究及工程應(yīng)用

   我國科技人員對(duì)摩擦焊接表面高溫塑性金屬層的形成、流動(dòng)、擴(kuò)展和焊接接頭形成機(jī)理，摩擦焊接的能量轉(zhuǎn)換及過程控制，大截面石油鉆桿摩擦焊接工藝和強(qiáng)韌性控制，摩擦焊接接頭灰斑缺陷形成機(jī)制及焊接接頭斷口形貌與斷裂應(yīng)變，鋁-銅薄壁管摩擦焊接機(jī)理與接頭性能和焊縫化合物相形成機(jī)制，以及金屬的超塑性摩擦焊等方面都進(jìn)行了較深入的基礎(chǔ)理論研究。

   在工程應(yīng)用上，針對(duì)急待解決的一系列問題開展了摩擦焊技術(shù)研究的課題。其中摩擦焊接頭形變熱處理的工藝試驗(yàn)研究是一項(xiàng)有代表性的應(yīng)用科學(xué)研究工作，這項(xiàng)研究率先在摩擦焊領(lǐng)域中引入形變強(qiáng)化與相變強(qiáng)化相結(jié)合，通過改變傳統(tǒng)的連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊過程，把焊接工藝同焊后熱處理工藝實(shí)行工序兼并，利用焊接余熱和剎車能耗在摩擦焊機(jī)上直接對(duì)摩擦焊接頭進(jìn)行形變熱處理。機(jī)上配備的熱處理裝置可更有效地實(shí)現(xiàn)相變條件的控制，這樣就可以把摩擦焊過程中高溫形變引入的大量位錯(cuò)等用淬火相變牢固地釘扎住，充分發(fā)揮形變強(qiáng)化與相變強(qiáng)化的雙重作用，取得以往用單一方法不能達(dá)到的強(qiáng)韌化效果，實(shí)現(xiàn)了在不降低接頭強(qiáng)度的前提下，韌性超過調(diào)質(zhì)母材的水平。這項(xiàng)技術(shù)不僅提高了摩擦焊焊接質(zhì)量，而且簡(jiǎn)化了工藝，減少了焊后熱處理的加熱次數(shù)，降低了生產(chǎn)成本。

   該項(xiàng)研究成果處于世界領(lǐng)先地位，目前在抽油桿、油管的生產(chǎn)和鉆桿的修復(fù)上進(jìn)行了推廣應(yīng)用。為控制鋁-銅過渡接頭脆性層的產(chǎn)生，還研究了低溫摩擦焊并應(yīng)用于生產(chǎn)。近年來對(duì)超塑性溫度范圍內(nèi)相變溫度以下摩擦焊進(jìn)行了研究，并取得了階段性成果；在焊接質(zhì)量監(jiān)控方面，先后研制了摩擦焊功率極值控制儀及微機(jī)質(zhì)量監(jiān)控裝置。微機(jī)質(zhì)量監(jiān)控裝置是對(duì)焊接過程的軸向壓力、主軸轉(zhuǎn)速、摩擦扭矩、焊件軸向縮短量、時(shí)間、焊接溫度及形變熱處理溫度等影響焊接接頭質(zhì)量的主要參數(shù)的變化進(jìn)行監(jiān)控。在新材料的焊接性，摩擦焊接信息過程與傳感技術(shù)，摩擦焊接參數(shù)計(jì)算和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與閉環(huán)控制，摩擦焊縫缺陷形成機(jī)制與力學(xué)行為，摩擦焊接頭強(qiáng)韌性控制，摩擦焊接物理參量場(chǎng)（溫度場(chǎng)，應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)）數(shù)值模擬，以及高速攝影、頻譜分析、摩擦焊縫無損檢測(cè)等相關(guān)試驗(yàn)技術(shù)方面也開展了較系統(tǒng)深入的研究工作。

   近幾年來，攪拌摩擦焊技術(shù)也引起了我國科技工作者的高度重視，先后開展了對(duì)鋁合金（如防銹鋁、鍛鋁、硬鋁、超硬鋁等）、純銅、PVC塑料等材料的攪拌摩擦焊研究；同時(shí)還在積極開展鈦合金、鎂合金和黑色金屬的攪拌摩擦焊工藝研究。另外，還對(duì)攪拌摩擦焊的機(jī)理、微觀組織、力學(xué)性能和攪拌摩擦焊的核心技術(shù)攪拌頭等都展開了深入的研究，并取得了一定的工程應(yīng)用。

   3．摩擦焊機(jī)的生產(chǎn)與相關(guān)技術(shù)

   我國現(xiàn)有700余臺(tái)摩擦焊機(jī)在生產(chǎn)中應(yīng)用，絕大部分是連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊機(jī)。近年來由于加強(qiáng)了與德國KUKA、日東株氏會(huì)社、美國MTI公司等摩擦焊機(jī)制造公司的交流與引進(jìn)樣機(jī)，國產(chǎn)焊機(jī)先后采用了液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的主軸系統(tǒng)、串聯(lián)軸承組-平衡油缸液力平衡旋轉(zhuǎn)活塞、多片式粉末冶金涂層離合器、滾動(dòng)導(dǎo)軌和可編程序控制器（PLC）控制等多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，使摩擦焊機(jī)制造水平有了較大的提高。

   隨著實(shí)際生產(chǎn)的需求，國內(nèi)對(duì)于其他形式的摩擦焊機(jī)也進(jìn)行了研制，如長春數(shù)控機(jī)床有限公司研制了小噸位的慣性焊機(jī)、相位摩擦焊機(jī)；哈爾濱焊接研究所研制的具有形變熱處理功能帶機(jī)上淬火裝置，以及自動(dòng)去飛邊裝置的混合式摩擦焊機(jī)、頻調(diào)速相位摩擦焊機(jī)。哈爾濱量具刃具廠研制了20t雙頭摩擦焊機(jī)；中國兵器工業(yè)第五九研究所研制的小噸位徑向摩擦焊機(jī)；北京賽福斯特技術(shù)有限公司研制的系列攪拌摩擦焊機(jī)等，這些焊機(jī)有的技術(shù)指標(biāo)和制造水平已達(dá)到或接近國外同類焊機(jī)的水平。

   面對(duì)國內(nèi)市場(chǎng)的需要，摩擦焊機(jī)的生產(chǎn)也在向系列化方向發(fā)展，目前國內(nèi)生產(chǎn)的焊機(jī)最大噸位是1250kN，最小是5kN。總之，在國內(nèi)的焊機(jī)系列中，變型少，品種也比較單一，還沒有巨型機(jī)和微型機(jī)。與焊機(jī)相配套的去飛邊裝置、自動(dòng)上下料裝置、焊后熱處理及無損檢測(cè)裝置等雖有不同的類型，但是這些還比較專業(yè)化，沒有形成標(biāo)準(zhǔn)通用的系列，還有待不斷的完善。目前，我國也有了自己的摩擦焊機(jī)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，隨著制造技術(shù)的提高，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)還有待向較高水平方向修訂。

三、摩擦焊技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)與展望

   我國摩擦焊技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀還很不適應(yīng)國民經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的需要，今后5~10年內(nèi)我國的摩擦焊工作者還要在材料的焊接性、摩擦焊的焊接方法、摩擦焊設(shè)備和摩擦焊的應(yīng)用領(lǐng)域展開更加深入的研究。

   1．拓寬摩擦焊材料的焊接性研究

   主要瞄準(zhǔn)那些難以熔焊的及新興的焊接材料的焊接，如鈦合金與不銹鋼的摩擦焊接、鈦與鋁的摩擦焊接、純鈦與純銅的摩擦焊接、高熔點(diǎn)材料的摩擦焊接、輕金屬的摩擦焊接、粉末合金材料的摩擦焊接、新興材料的摩擦焊接、鑄造合金的摩擦焊接及鋼材與活性金屬的摩擦焊接等材料的摩擦焊接性研究。同時(shí)還要對(duì)材料摩擦焊接物理、化學(xué)、力學(xué)冶金的基礎(chǔ)理論進(jìn)一步深入研究，拓寬摩擦焊可焊材料領(lǐng)域。

   2．摩擦焊方法的研究趨勢(shì)

   今后5~10年要加大力度開發(fā)一些新的摩擦焊方法，逐步完善并擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。

  （1）相位摩擦焊 可實(shí)現(xiàn)有相位要求的工件的摩擦焊接，擴(kuò)大了摩擦焊的應(yīng)用領(lǐng)域。目前生產(chǎn)中對(duì)如六方形斷面的零件、八方鋼、汽車操作桿、花鍵軸、撥叉及兩端帶法蘭的軸等均要求采用相位摩擦焊。在電控技術(shù)和機(jī)械技術(shù)高度發(fā)展的前提下，為大噸位相位摩擦焊機(jī)的研制提供了可能。

  （2）線性摩擦焊 線性摩擦焊技術(shù)，是兩個(gè)工件以一定的頻率和振幅進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生熱量進(jìn)行的焊接，它可以將方形、圓形、多邊形截面的金屬或塑性材料焊接在一起，也可以焊接更不規(guī)則截面的構(gòu)件，如葉片與渦輪等。以后，還要深入開展線性摩擦焊機(jī)原理、振動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)等的研究，為研制大噸位的線性摩擦焊機(jī)作準(zhǔn)備。

  （3）徑向摩擦焊 徑向摩擦焊由于引入中間旋轉(zhuǎn)加壓圓環(huán)，不僅改變了摩擦面的方向，焊件也由相對(duì)旋轉(zhuǎn)加壓變?yōu)橄鄬?duì)固定加壓，因此非常適合于長管子的焊接，同時(shí)它還可以把薄壁環(huán)焊接到圓柱體外壁上。今后，要加強(qiáng)徑向摩擦焊機(jī)理和瞬間大流量液壓系統(tǒng)的研究，為大噸位徑向摩擦焊機(jī)的研制奠定理論基礎(chǔ)。

  （4）攪拌摩擦焊 攪拌摩擦焊技術(shù)是1991年英國焊接研究所發(fā)明的固相連接技術(shù)，它在航空航天、船舶、海洋工業(yè)、武器裝備，以及高速列車等領(lǐng)域的輕結(jié)構(gòu)制造中的應(yīng)用研究得到廣泛開展；同時(shí)也引起了我國科技工作者的高度重視，先后開展了一些攪拌摩擦焊的研究工作。今后要對(duì)攪拌摩擦焊的機(jī)理、微觀組織、力學(xué)性能和攪拌摩擦焊的核心技術(shù)攪拌頭等展開更加深入的研究。拓展攪拌摩擦焊的材料焊接范圍，特別是要加強(qiáng)異種材料攪拌摩擦的研究，進(jìn)一步擴(kuò)大攪拌摩擦焊的工

程應(yīng)用。另外，還要對(duì)摩擦堆焊、第三體摩擦焊和嵌入摩擦焊開展研究。

   3．摩擦焊設(shè)備與工程應(yīng)用的研發(fā)方向

隨著摩擦焊技術(shù)的廣泛應(yīng)用，摩擦焊設(shè)備也得到了迅速的發(fā)展，2000年不完全統(tǒng)計(jì)，全世界共有5000多臺(tái)摩擦焊機(jī)用于焊接生產(chǎn)。

   為適應(yīng)大型和特殊部件的摩擦焊接，要研制我國的大型和微型的摩擦焊機(jī)。為適應(yīng)特種用途還要開發(fā)慣性摩擦焊、徑向摩擦焊、攪拌摩擦焊、雙頭摩擦焊、立式摩擦焊，以及水下摩擦焊等多種、特種摩擦焊機(jī)。在制造及監(jiān)控技術(shù)方面，要本著柔性和自動(dòng)化來設(shè)計(jì)，焊機(jī)可附加很多自動(dòng)化設(shè)備和加工裝置，從而創(chuàng)造出一個(gè)高度柔性和自動(dòng)化的完整系統(tǒng)，以適應(yīng)用戶的各種需求。為強(qiáng)化焊接過程質(zhì)量保證，除了進(jìn)行時(shí)間控制、變形量控制、能量控制外，還要開發(fā)特殊過程控制技術(shù)，如摩擦扭矩和聲發(fā)射監(jiān)控技術(shù)等。

為了適應(yīng)焊接生產(chǎn)的自動(dòng)化要求，要加強(qiáng)相關(guān)技術(shù)及外圍設(shè)備的研究：如不同類型的去飛邊裝置、機(jī)器人或其他上下料裝置、熱處理及無損檢驗(yàn)技術(shù)，工件可在焊前或焊后在焊機(jī)上進(jìn)行機(jī)加工，有的甚至可進(jìn)行CNC加工，使之在生產(chǎn)線上可靠運(yùn)行。另外，還可與柔性制造系統(tǒng)（FMS）配合使用。

   今后汽車工業(yè)將成為摩擦焊最具活力的市場(chǎng)，使用摩擦焊焊接的零部件有渦輪增壓器，安全氣囊的增壓泵，變速器和齒輪箱的驅(qū)動(dòng)軸、后橋、排氣閥及氣動(dòng)制動(dòng)用凸輪等。在工程機(jī)械方面，摩擦焊主要用來焊接液壓傳動(dòng)部件，如液壓缸、活塞桿，尤其是法蘭與閥體的焊接。另外，在履帶支重輪、減震器和齒輪泵轉(zhuǎn)子制造中，也可以采用摩擦焊。

四、總結(jié)

   縱觀國內(nèi)外摩擦焊技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，我國與國際先進(jìn)水平相比還有很大差距。目前，摩擦焊技術(shù)在國內(nèi)的研究開發(fā)、推廣應(yīng)用的工作還不能滿足國民經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的需要，面對(duì)國內(nèi)市場(chǎng)的需求，國際競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈，我國廣大摩擦焊科技工作者任重道遠(yuǎn)。為適應(yīng)我國科技發(fā)展的需求和縮短同國外同類產(chǎn)品的差距，我們應(yīng)在實(shí)現(xiàn)摩擦焊技術(shù)自身發(fā)展的同時(shí)，加強(qiáng)同其他學(xué)科與邊緣學(xué)科的結(jié)合。愿我們攜起手來，用我們不懈的努力托起我國摩擦焊技術(shù)發(fā)展的今天與未來！