摩擦焊接技術發展與展望

一、概述

   利用摩擦熱焊接起源于一百多年前，此后經半個多世紀的研究發展，摩擦焊技術才逐漸成熟起來，并進入推廣應用階段。自從20世紀50年代摩擦焊真正焊出合格焊接接頭以來，就以其優質、高效、低耗、環保的突出優點而受到所有工業強國的重視。我國的摩擦焊研究始于1957年，發祥地是哈爾濱焊接研究所，同時也是世界上最早開展摩擦焊研究的幾個國家之一，48年來取得了很多引人注目的成果。

摩擦焊技術的主要優點歸結為如下幾個方面：

  （1）接頭質量好且穩定 焊接過程由機器控制，參數設定后容易監控，重復性好，不依賴于操作人員的技術水平和工作態度。焊接過程不發生熔化，屬固相熱壓焊，接頭為鍛造組織，因此焊縫不會出現氣孔、偏析、夾雜及裂紋等鑄造組織的結晶缺陷，焊接接頭強度遠大于熔焊、釬焊的強度，達到甚至超過母材的強度。

  （2）效率高 對焊件準備通常要求不高，焊接設備容易自動化，可在流水線上生產。每件焊接時間以秒計，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）節能、節材、低耗 所需功率僅是傳統焊接工藝的1/5～1/15，不需焊條、焊劑、釬料和保護氣體，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，摩擦焊有著得天獨厚的優勢，如鋼和純銅、鋼和鋁、鋼和黃銅等異種金屬的焊接。

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

   基于以上優點，摩擦焊技術被譽為未來的綠色焊接技術。

二、摩擦焊技術的發展及應用現狀

   經過幾十年的發展，摩擦焊技術在國內目前已經具備了包括工藝、設備、控制及檢驗等整套完備的專業技術規模，并且在基礎理論研究上也形成了一定的獨立體系。

   1．摩擦焊工藝研究與應用

   目前我國摩擦焊技術的應用比較廣泛，可焊接φ3.0～φ120mm的工件及8000mm 2的大截面管件，同時還開發了相位焊和徑向摩擦焊技術，以及攪拌摩擦焊技術。不僅可焊接鋼、鋁、銅，而且還成功焊接了高溫強度級相差很大的異種鋼和異種金屬，以及形成低熔點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的發展，也加速了摩擦焊技術向這些領域的滲透，進行了航空發動機轉子、起落架結構件、緊固件等材料（Ln718 Ti17 300M GH159 GH4169），以及金屬與陶瓷、復合材料、粉末高溫合金的摩擦焊工藝試驗研究。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品有：鍋爐行業的蛇形管摩擦焊接，閥門行業的閥門法蘭和閥體密封座的摩擦焊接，軸瓦行業的止推邊軸瓦的摩擦焊接，工具行業的鉆頭、銑刀、鉸刀的刃部與柄部的摩擦焊接，汽車及機車行業發動機的雙金屬排氣閥、氣門頂桿，柴油機預熱室噴嘴、半軸、扭力管，內燃機增壓器渦輪軸，潛水電泵轉軸，純銅不銹鋼水接頭、鋁銅過渡接頭，紡織機梭子芯，關節軸承，泥瓦工具，地質鉆桿，石油鉆桿、實心、空心抽油桿，航空發動機集成齒輪及木工多用機床上的刀軸等。

   2．理論研究及工程應用

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

   在工程應用上，針對急待解決的一系列問題開展了摩擦焊技術研究的課題。其中摩擦焊接頭形變熱處理的工藝試驗研究是一項有代表性的應用科學研究工作，這項研究率先在摩擦焊領域中引入形變強化與相變強化相結合，通過改變傳統的連續驅動摩擦焊過程，把焊接工藝同焊后熱處理工藝實行工序兼并，利用焊接余熱和剎車能耗在摩擦焊機上直接對摩擦焊接頭進行形變熱處理。機上配備的熱處理裝置可更有效地實現相變條件的控制，這樣就可以把摩擦焊過程中高溫形變引入的大量位錯等用淬火相變牢固地釘扎住，充分發揮形變強化與相變強化的雙重作用，取得以往用單一方法不能達到的強韌化效果，實現了在不降低接頭強度的前提下，韌性超過調質母材的水平。這項技術不僅提高了摩擦焊焊接質量，而且簡化了工藝，減少了焊后熱處理的加熱次數，降低了生產成本。

   該項研究成果處于世界領先地位，目前在抽油桿、油管的生產和鉆桿的修復上進行了推廣應用。為控制鋁-銅過渡接頭脆性層的產生，還研究了低溫摩擦焊并應用于生產。近年來對超塑性溫度范圍內相變溫度以下摩擦焊進行了研究，并取得了階段性成果；在焊接質量監控方面，先后研制了摩擦焊功率極值控制儀及微機質量監控裝置。微機質量監控裝置是對焊接過程的軸向壓力、主軸轉速、摩擦扭矩、焊件軸向縮短量、時間、焊接溫度及形變熱處理溫度等影響焊接接頭質量的主要參數的變化進行監控。在新材料的焊接性，摩擦焊接信息過程與傳感技術，摩擦焊接參數計算和實時監測與閉環控制，摩擦焊縫缺陷形成機制與力學行為，摩擦焊接頭強韌性控制，摩擦焊接物理參量場（溫度場，應力應變場）數值模擬，以及高速攝影、頻譜分析、摩擦焊縫無損檢測等相關試驗技術方面也開展了較系統深入的研究工作。

   近幾年來，攪拌摩擦焊技術也引起了我國科技工作者的高度重視，先后開展了對鋁合金（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，還對攪拌摩擦焊的機理、微觀組織、力學性能和攪拌摩擦焊的核心技術攪拌頭等都展開了深入的研究，并取得了一定的工程應用。

   3．摩擦焊機的生產與相關技術

   我國現有700余臺摩擦焊機在生產中應用，絕大部分是連續驅動摩擦焊機。近年來由于加強了與德國KUKA、日東株氏會社、美國MTI公司等摩擦焊機制造公司的交流與引進樣機，國產焊機先后采用了液壓馬達驅動的主軸系統、串聯軸承組-平衡油缸液力平衡旋轉活塞、多片式粉末冶金涂層離合器、滾動導軌和可編程序控制器（PLC）控制等多項先進技術，使摩擦焊機制造水平有了較大的提高。

   隨著實際生產的需求，國內對于其他形式的摩擦焊機也進行了研制，如長春數控機床有限公司研制了小噸位的慣性焊機、相位摩擦焊機；哈爾濱焊接研究所研制的具有形變熱處理功能帶機上淬火裝置，以及自動去飛邊裝置的混合式摩擦焊機、頻調速相位摩擦焊機。哈爾濱量具刃具廠研制了20t雙頭摩擦焊機；中國兵器工業第五九研究所研制的小噸位徑向摩擦焊機；北京賽福斯特技術有限公司研制的系列攪拌摩擦焊機等，這些焊機有的技術指標和制造水平已達到或接近國外同類焊機的水平。

   面對國內市場的需要，摩擦焊機的生產也在向系列化方向發展，目前國內生產的焊機最大噸位是1250kN，最小是5kN。總之，在國內的焊機系列中，變型少，品種也比較單一，還沒有巨型機和微型機。與焊機相配套的去飛邊裝置、自動上下料裝置、焊后熱處理及無損檢測裝置等雖有不同的類型，但是這些還比較專業化，沒有形成標準通用的系列，還有待不斷的完善。目前，我國也有了自己的摩擦焊機行業標準，隨著制造技術的提高，這個標準還有待向較高水平方向修訂。

三、摩擦焊技術的發展趨勢與展望

   我國摩擦焊技術的發展現狀還很不適應國民經濟高速發展的需要，今后5~10年內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、摩擦焊設備和摩擦焊的應用領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。同時還要對材料摩擦焊接物理、化學、力學冶金的基礎理論進一步深入研究，拓寬摩擦焊可焊材料領域。

   2．摩擦焊方法的研究趨勢

   今后5~10年要加大力度開發一些新的摩擦焊方法，逐步完善并擴大其應用范圍。

  （1）相位摩擦焊 可實現有相位要求的工件的摩擦焊接，擴大了摩擦焊的應用領域。目前生產中對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。在電控技術和機械技術高度發展的前提下，為大噸位相位摩擦焊機的研制提供了可能。

  （2）線性摩擦焊 線性摩擦焊技術，是兩個工件以一定的頻率和振幅進行往復運動產生熱量進行的焊接，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，也可以焊接更不規則截面的構件，如葉片與渦輪等。以后，還要深入開展線性摩擦焊機原理、振動系統動力學等的研究，為研制大噸位的線性摩擦焊機作準備。

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

  （4）攪拌摩擦焊 攪拌摩擦焊技術是1991年英國焊接研究所發明的固相連接技術，它在航空航天、船舶、海洋工業、武器裝備，以及高速列車等領域的輕結構制造中的應用研究得到廣泛開展；同時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。今后要對攪拌摩擦焊的機理、微觀組織、力學性能和攪拌摩擦焊的核心技術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，特別是要加強異種材料攪拌摩擦的研究，進一步擴大攪拌摩擦焊的工

程應用。另外，還要對摩擦堆焊、第三體摩擦焊和嵌入摩擦焊開展研究。

   3．摩擦焊設備與工程應用的研發方向

隨著摩擦焊技術的廣泛應用，摩擦焊設備也得到了迅速的發展，2000年不完全統計，全世界共有5000多臺摩擦焊機用于焊接生產。

   為適應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。為適應特種用途還要開發慣性摩擦焊、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。在制造及監控技術方面，要本著柔性和自動化來設計，焊機可附加很多自動化設備和加工裝置，從而創造出一個高度柔性和自動化的完整系統，以適應用戶的各種需求。為強化焊接過程質量保證，除了進行時間控制、變形量控制、能量控制外，還要開發特殊過程控制技術，如摩擦扭矩和聲發射監控技術等。

為了適應焊接生產的自動化要求，要加強相關技術及外圍設備的研究：如不同類型的去飛邊裝置、機器人或其他上下料裝置、熱處理及無損檢驗技術，工件可在焊前或焊后在焊機上進行機加工，有的甚至可進行CNC加工，使之在生產線上可靠運行。另外，還可與柔性制造系統（FMS）配合使用。

   今后汽車工業將成為摩擦焊最具活力的市場，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動軸、后橋、排氣閥及氣動制動用凸輪等。在工程機械方面，摩擦焊主要用來焊接液壓傳動部件，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、減震器和齒輪泵轉子制造中，也可以采用摩擦焊。

四、總結

   縱觀國內外摩擦焊技術的發展現狀，我國與國際先進水平相比還有很大差距。目前，摩擦焊技術在國內的研究開發、推廣應用的工作還不能滿足國民經濟飛速發展的需要，面對國內市場的需求，國際競爭的日益激烈，我國廣大摩擦焊科技工作者任重道遠。為適應我國科技發展的需求和縮短同國外同類產品的差距，我們應在實現摩擦焊技術自身發展的同時，加強同其他學科與邊緣學科的結合。愿我們攜起手來，用我們不懈的努力托起我國摩擦焊技術發展的今天與未來！