摩擦焊技術的發展與展望

利用摩擦熱焊接起源於一百多年前，此後經半個多世紀的研究發展，摩擦焊技術才逐漸成熟起來，並進入推廣應用階段。自從上世紀五十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受到所有工業強國的重視。我國的摩擦焊研究始於1957年，發源地是哈爾濱焊接研究所，是世界上最早開展摩擦焊研究的幾個國家之一，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，參數設定後容易監控，重複性好，不依賴於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，接頭為緞造組織，因此焊縫不會出現氣孔、偏析和夾雜，裂紋等鑄造組織的結晶缺陷，焊接接頭強度遠大於熔焊、釺焊的強度，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，一般只需零點幾秒至幾十秒，是其它焊接方法如熔焊、釺焊不能相比的;

(3) 節能、節材、低耗。所需功率僅及傳統焊接工藝的1/5～1/15，不需焊條、焊劑、釺料、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，與其它焊接方法相比，摩擦焊有得天獨厚的優勢，如鋼和紫銅、鋼和鋁、鋼和黃銅等等;

(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。

由於以上這些優點，摩擦焊技術被譽為未來的綠色焊接技術。

　　摩擦焊技術在國內的發展及應用狀況

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、檢驗等整套完備的專業技術規模，並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，可焊接直徑3.0～120mm的工件以及8000mm2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温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、高温和金—合金鋼、不鏽鋼—低碳鋼、不鏽鋼—電磁鐵以及鋁—銅、鋁—鋼等。近年來隨着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、複合材料、粉末高温合金的摩擦焊工藝試驗研究，某些電工材料的釺焊工藝也開始用摩擦焊接所取代。如電磁鐵—不鏽鋼、鎢銅合金等。目前我國採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，工具行業的鑽頭、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、氣門頂杆、柴油機預熱室噴咀、半軸、扭力管、內燃機增壓器渦輪軸，潛水電泵轉軸，紫銅不鏽鋼水接頭，鋁銅過渡接頭，紡織機梭子芯，關節軸承，泥瓦工具，地質鑽桿，石油鑽桿、實心、空心抽油杆，航空發動機集成齒輪，木工多用機牀上的刀軸等等。

　　2 理論研究及工程應用

我國科技人員對摩擦焊接表面高温塑性金屬層的形成、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，大截面石油鑽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等方面進行了較深入地基礎理論研究工作。

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，把焊接工藝同焊後熱處理工藝實行工序兼併，利用焊接餘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以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温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的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，這套技術不僅提高了焊接質量而且簡化了工藝，減少了焊後熱處理的加熱次數，降低了成本。該項研究成果處於世界領先地位，目前在抽油杆、油管的生產和鑽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，研究了低温摩擦焊並應用於生產。近年來對超塑性温度範圍內相變温度以下摩擦焊進行了研究，並取得了階段性成果;在焊接質量監控方面，先後研製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、焊接温度及形變熱處理温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(温度場，應力應變場)數值模擬，以及高速攝影、頻譜分析等相關試驗技術等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，先後開展了對鋁合金(如防鏽鋁、鍛鋁、硬鋁、超硬鋁等)、紫銅、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，同時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。並取得了一定的工程應用。

　　3 摩擦焊機的生產與相關技術

我國現有六百餘台摩擦焊機，絕大部分是連續驅動摩擦焊機。近年來由於加強了與德國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，焊機先後採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，多片式粉末冶金塗層離合器，滾動導軌和可編程序控制器(PLC)控制等多項先進技術，使焊機制造水平有了較大的提高。

隨着實際生產的需要。國內對於其它型式的摩擦焊機也進行了研製，如長春焊接設備廠研製了小噸位的慣性焊機，相位摩擦焊機，哈爾濱焊接研究所研製了具有形變熱處理功能帶機上淬火裝置及自動去飛邊裝置的混合式摩擦焊機，變頻調速相位摩擦焊機。哈爾濱量具刃具廠研製了20T雙頭摩擦焊機，中國兵器工業第五九研究所研製了小噸位徑向摩擦焊機，北京賽福斯特技術有限公司研製了系列攪拌摩擦焊機等等，這些焊機有的技術指標和製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，焊後熱處理，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，有待不斷的完善。我國也有了自己的摩擦焊機行業標準，隨着製造技術的提高，這個標準也將有待向着較高水平方向修訂。

　　摩擦焊技術發展的展望

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。今後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 材料的焊接性

主要瞄準那些難以熔焊的及新興的焊接材料的焊接，象鈦合金與不鏽鋼的摩擦焊接、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、鋼材與活性金屬的摩擦焊接等等材料的摩擦焊接性研究。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

今後5—10年要加大力度開發一些新的摩擦焊方法，逐步完善並擴大其應用範圍。

　　(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、汽車操作杆、花鍵軸、撥叉、兩端帶法蘭的軸等均要求採用相位摩擦焊。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製提供了可能。

　　(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料焊接在一起。它可以焊接更不規則截面的構件，象葉片與渦輪等，以後要深入開展線性摩擦焊機原理、振動系統動力學等的研究，為研製大噸位的性摩擦焊機作準備。

　　(3)徑向摩擦焊

徑向摩擦焊由於其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，它非常適合於長管子的`焊接，同時它還可以把薄壁銅環焊接到彈體外壁上，能夠使軍工產品升級換代。今後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製奠定理論基礎。

　　(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製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，先後開展了一些攪拌摩擦焊的研究工作，今後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。拓展攪拌摩擦的材料焊接範圍，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。同時還要對摩擦堆焊、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

隨着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多台摩擦焊機用於焊接生產。

為了適應大型和特殊部件的焊接，要研製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，立式摩擦焊及水下摩擦焊等多種特種摩擦焊機。在製造及監控技術方面要本着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，以適應用户的各種要求。為強化焊接過程質量保證，除了時間控制、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，工件可在焊前或焊後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。還可與柔性製造系統(FMS)配合使用。

今後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、後橋、排氣閥、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製造中也可以採用摩擦焊。

要加大對飛機起落架的管與拉桿的摩擦焊接，直升飛機起落架旋翼主傳動軸的合金齒輪與高鎳合金鋼管軸、雙金屬鉚釘、飛機鈎頭螺栓等摩擦焊研究。逐步擴大摩擦焊應用領域。

　　結論

縱觀國內外摩擦焊發展現狀，我國與國際先進水平相比，還很落後。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，為加快實現我國摩擦焊技術的現代化。實現摩擦焊技術自身發展的同時，加強同其它學科與邊緣學科的結合。願我們攜起手來，用我們的奉獻托起我國摩擦焊的今天與未來。