摩擦焊技術(shù)的發(fā)展與展望

    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(lái)，并進(jìn)入推廣應(yīng)用階段。自從上世紀(jì)五十年代摩擦焊真正焊出合格焊接接頭以來(lái)，就以其優(yōu)質(zhì)、高效、低耗環(huán)保的突出優(yōu)點(diǎn)受到所有工業(yè)強(qiáng)國(guó)的重視。我國(guó)的摩擦焊研究始于1957年，發(fā)源地是哈爾濱焊接研究所，是世界上最早開(kāi)展摩擦焊研究的幾個(gè)國(guó)家之一，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(guò)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(guò)程不發(fā)生熔化，屬固相熱壓焊，接頭為緞造組織，因此焊縫不會(huì)出現(xiàn)氣孔、偏析和夾雜，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(guò)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)，一般只需零點(diǎn)幾秒至幾十秒，是其它焊接方法如熔焊、釬焊不能相比的；
(3) 節(jié)能、節(jié)材、低耗。所需功率僅及傳統(tǒng)焊接工藝的1/5～1/15，不需焊條、焊劑、釬料、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，與其它焊接方法相比，摩擦焊有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，如鋼和紫銅、鋼和鋁、鋼和黃銅等等；
(5) 環(huán)保，無(wú)污染。焊接過(guò)程不產(chǎn)生煙塵或有害氣體，不產(chǎn)生飛濺，沒(méi)有孤光和火花，沒(méi)有放射線。
由于以上這些優(yōu)點(diǎn)，摩擦焊技術(shù)被譽(yù)為未來(lái)的綠色焊接技術(shù)。
摩擦焊技術(shù)在國(guó)內(nèi)的發(fā)展及應(yīng)用狀況
    經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，摩擦焊技術(shù)在國(guó)內(nèi)目前已經(jīng)具備了包括工藝、設(shè)備、控制、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(guó)摩擦焊技術(shù)的應(yīng)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(shí)還開(kāi)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、高溫和金—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(lái)隨著我國(guó)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(kāi)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(guó)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)熱室噴咀、半軸、扭力管、內(nèi)燃機(jī)增壓器渦輪軸，潛水電泵轉(zhuǎn)軸，紫銅不銹鋼水接頭，鋁銅過(guò)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，木工多用機(jī)床上的刀軸等等。
2 理論研究及工程應(yīng)用
    我國(guó)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(guò)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)制等方面進(jìn)行了較深入地基礎(chǔ)理論研究工作。
    在工程應(yīng)用上針對(duì)急待解決的一系列問(wèn)題開(kāi)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(guò)改變傳統(tǒng)的連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊過(guò)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以更有效地實(shí)現(xiàn)相變條件的控制，這樣就可以把摩擦焊過(guò)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)化的雙重作用取得的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(guò)調(diào)質(zhì)母材的水平，這套技術(shù)不僅提高了焊接質(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(guò)渡接頭脆性層的產(chǎn)生，研究了低溫摩擦焊并應(yīng)用于生產(chǎn)。近年來(lái)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(guò)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(guò)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、頻譜分析等相關(guān)試驗(yàn)技術(shù)等方面也開(kāi)展了較系統(tǒng)深入的研究工作。
    近幾年來(lái)攪拌摩擦焊技術(shù)也引起了我國(guó)科技工作者的高度重視，先后開(kāi)展了對(duì)鋁合金（如防銹鋁、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(shí)還在積極開(kāi)展鈦合金、鎂合金和黑色金屬的攪拌摩擦焊工藝研究，同時(shí)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(kāi)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(guó)現(xiàn)有六百余臺(tái)摩擦焊機(jī)，絕大部分是連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊機(jī)。近年來(lái)由于加強(qiáng)了與德國(guó)KUKA、日東株氏會(huì)社、美國(guó)MTI公司等摩擦焊機(jī)制造公司的交流與引進(jìn)樣機(jī)，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)，使焊機(jī)制造水平有了較大的提高。
    隨著實(shí)際生產(chǎn)的需要。國(guó)內(nèi)對(duì)于其它型式的摩擦焊機(jī)也進(jìn)行了研制，如長(zhǎng)春焊接設(shè)備廠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了具有形變熱處理功能帶機(jī)上淬火裝置及自動(dòng)去飛邊裝置的混合式摩擦焊機(jī)，變頻調(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(guó)兵器工業(yè)第五九研究所研制了小噸位徑向摩擦焊機(jī)，北京賽福斯特技術(shù)有限公司研制了系列攪拌摩擦焊機(jī)等等，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(guó)外同類焊機(jī)的水平。
    面對(duì)國(guó)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(guó)內(nèi)生產(chǎn)的焊機(jī)最大噸位是1250kN，最小是5KN�？傊�，在國(guó)內(nèi)的焊機(jī)系列中，變型少，品種也比較單一，還沒(méi)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，無(wú)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(méi)有形成標(biāo)準(zhǔn)通用的系列，有待不斷的完善。我國(guó)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)也將有待向著較高水平方向修訂。
摩擦焊技術(shù)發(fā)展的展望
    我國(guó)摩擦焊技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀還很不適應(yīng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的需要。今后5—10年內(nèi)我國(guó)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(kāi)更加深入的研究。
1 材料的焊接性
    主要瞄準(zhǔn)那些難以熔焊的及新興的焊接材料的焊接，象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、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(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
今后5—10年要加大力度開(kāi)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、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料焊接在一起。它可以焊接更不規(guī)則截面的構(gòu)件，象葉片與渦輪等，以后要深入開(kāi)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，為研制大噸位的性摩擦焊機(jī)作準(zhǔn)備。
（3）徑向摩擦焊
    徑向摩擦焊由于其引入中間旋轉(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，它非常適合于長(zhǎng)管子的焊接，同時(shí)它還可以把薄壁銅環(huán)焊接到彈體外壁上，能夠使軍工產(chǎn)品升級(jí)換代。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(guó)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(kāi)展。同時(shí)也引起了我國(guó)科技工作者的高度重視，先后開(kāi)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(kāi)更加深入的研究。拓展攪拌摩擦的材料焊接范圍，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。同時(shí)還要對(duì)摩擦堆焊、第三體摩擦焊和嵌入摩擦焊開(kāi)展研究。
3 摩擦焊設(shè)備與工程應(yīng)用
    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)。
為了適應(yīng)大型和特殊部件的焊接，要研制我國(guó)的大型和微型的摩擦焊機(jī)。為適應(yīng)特種用途還要開(kāi)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(lái)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)用戶的各種要求。為強(qiáng)化焊接過(guò)程質(zhì)量保證，除了時(shí)間控制、變形量控制、能量控制外，還要開(kāi)發(fā)特殊過(guò)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(wú)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。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、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(lái)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。
    要加大對(duì)飛機(jī)起落架的管與拉桿的摩擦焊接，直升飛機(jī)起落架旋翼主傳動(dòng)軸的合金齒輪與高鎳合金鋼管軸、雙金屬鉚釘、飛機(jī)鉤頭螺栓等摩擦焊研究。逐步擴(kuò)大摩擦焊應(yīng)用領(lǐng)域。
結(jié)論
    縱觀國(guó)內(nèi)外摩擦焊發(fā)展現(xiàn)狀，我國(guó)與國(guó)際先進(jìn)水平相比，還很落后。摩擦焊技術(shù)在國(guó)內(nèi)的研究開(kāi)發(fā)、推廣應(yīng)用的工作還不能滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的需要，面對(duì)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的需求，國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈，我國(guó)廣大摩擦焊科技工作者，任重道遠(yuǎn)。為適應(yīng)我國(guó)科技發(fā)展的需求和縮短同國(guó)外同類產(chǎn)品的差距，為加快實(shí)現(xiàn)我國(guó)摩擦焊技術(shù)的現(xiàn)代化。實(shí)現(xiàn)摩擦焊技術(shù)自身發(fā)展的同時(shí)，加強(qiáng)同其它學(xué)科與邊緣學(xué)科的結(jié)合。愿我們攜起手來(lái)，用我們的奉獻(xiàn)托起我國(guó)摩擦焊的今天與未來(lái)。