摩擦焊接技术及其工程应用

江苏理工学院学科：材料成型设备与工艺研究课题：摩擦焊接技术及其工程应用学院：机械工程学号：12110112指导老师：卢雅琳目录摘要 (3)1.综述 (4)1.1摩擦焊接中的可焊接组合 (4)1.2摩擦焊接设备 (5)2.摩擦焊类型和运用 (6)2.1旋转摩擦焊 (6)2.2径向摩擦焊 (6)2.3摩擦堆焊 (7)2.4线性摩擦焊 (8)2.5搅拌摩擦焊 (10)2.6嵌入摩擦焊和第三体摩擦焊 (10)2.7摩擦叠焊 (11)3.结论 (12)参考文献 (13)摘要：擦焊接是一种高效、节能、环保的固相焊接技术，当前摩擦焊接已经广泛用于制造业。

按照各种摩擦焊接技术出现的先后顺序，介绍了各种摩擦焊接技术的原理和特点以及在工业上的应用，以期促进围绕该技术的应用基础研究和工程实用化进程。

关键词：擦焊接固相焊接制造业1.综述摩擦焊接是利用焊接接触端面相对旋转运动中相互摩擦所产生的热量，使端部达到热塑性状态，然后迅速顶锻，使接头界面在压力下进行固态扩散及反应而实现连接的一种固相焊接技术。

19世纪晚期Bevington 申请第一个有关摩擦焊方面的专利以来，摩擦焊接技术经历了一个漫长的发展过程，相关的摩擦焊接技术种类也到达数十种。

当前，世界各主要工业国在摩擦焊接领域均取得了一定的成就，并有相关的焊接研究机构对该技术进行研究，如英国焊接研究所(TWI)、美国爱迪生焊接研究所(EWI)、法国焊接研究所(FWI)等。

TWI 在摩擦堆焊、搅拌摩擦焊、摩擦叠焊等方面取得了显著的成就，尤其是搅拌摩擦焊技术，被认为是20 世纪铝合金焊接技术的重大突破。

我国对摩擦焊接的研究始于1957年，目前对搅拌摩擦焊接、摩擦叠焊等新技术有了较大的投入也取得了一定的成绩。

随着国家大力提倡环境保护、减少资源消耗、提高能源利用率、减轻对环境的污染成为各工业部门在产品研发时要特别注意的一个问题。

在焊接领域，摩擦焊以其低耗能、无污染、高效率、加工质量好等优点而深受制造业青睐。

1.1摩擦焊接中的可焊接组合(1)同种金属材料组合，包括常规可焊金属以及常规焊接情况下不可焊金属，如铝合金在常规焊接模式下是较难焊接的，但摩擦焊接技术可将之焊接。

这种组合金属的特性相同，具有较好的可焊性。

(2)金属材料与非金属材料的焊接，钛基金属陶瓷与金属的焊接，钛基金属陶瓷由于其脆性高，熔点、线性膨胀系数比金属高，使之在常规焊接下较难连接，采用摩擦焊接可完成连接。

(3)异种金属的焊接，由于摩擦焊接往往能把不同种类的金属材料焊接在一起，因而可以大大地降低生产成本。

如将价格昂贵的金属材料焊接到必要的地方，而其他地方用造价较低的材料，可节约成本。

但是对于某些摩擦焊接技术而言，熔点以及硬度相差较大的异种金属材料之间不具备良好的可焊性，比如采用摩擦叠焊技术对Q235钢与2024铝合金的焊接。

1.2摩擦焊接设备随着摩擦焊技术的广泛应用，摩擦焊设备也得到了迅速的发展，目前我国将近1 000 台摩擦焊机，但绝大部分是连续驱动摩擦焊机。

摩擦焊机有通用、专用两类，专用焊机的自动化程度和生产效率高，且质量容易保证。

我国早期的摩擦焊机主要从国外进口，随着实际生产的需要，国内对于其他型式的摩擦焊机也进行了研制，如长春焊接设备厂研制了小吨位的惯性焊机；哈尔滨焊接研究所研制了具有形变热处理功能带机上淬火装置及自动去飞边装置的混合式摩擦焊机；哈尔滨量具刃具厂研制了20 t 双头摩擦焊机；中国兵器工业研究所研制了小吨位径向摩擦焊机；北京赛福斯特技术有限公司研制了系列搅拌摩擦焊机；北京石油化工学院自行设计并委托中国搅拌摩擦焊中心加工完成的国内首台摩擦叠焊实验设备(型号UFSW－2005)，于2006年9月完成并投入使用。

这些焊机有的技术指标和制造水平已达到或接近国外同类焊机的水平。

2.摩擦焊类型和运用2.1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。

连续驱动摩擦焊其基本过程如图1 所示。

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(见图2)，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[1]。

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(这个速度在不同的焊接周期可能随时改变)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[2]。

2.2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如图3 所示，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100 mm、厚度12．7 mm。

目前，国外正在试验能够焊接150～300 mm 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1 min，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700 mm 管道所需要的径向力约为1 000 t。

2.3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。

如图4 所示，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，移动母堆焊过程材，直至基体母材上形成连续的堆焊层[3]。

摩擦主要经过四个阶段：即初始摩擦阶段、不稳定阶段、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，同时受棒转速、耗材母板的物理性质的影响。

塑性层材直径、形成后，摩擦面由棒材和母材间的摩擦转到棒材和摩擦塑性层之间的摩擦，之后进入稳定摩擦阶段。

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。

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3 000 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。

线性摩擦焊设备的造价昂贵，导致其应用范围有限，研制开发低成本的线性摩擦焊机是推广线性摩擦焊接技术的必经之路。

1990 年，首台用于金属焊TWI 接的线性摩擦焊机在英国诞生，目前，公司已经在研制造价更低的线性摩擦焊机。

2.4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。

如图5 所示，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。

线性摩焊接总长度达1 000 m。

TWI 和EWI 等研究所除了将该技术用于铝合金外，还将该技术用于黑色金属和其他金属的焊接[9]。

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，1999年初，波音公司在加州的Huntington Beach 工厂用FSW 焊接生产了Delta Ⅱ和Ⅲ运载火箭的贮箱，2001年用FSW 焊接生产了DeltaⅣ运载火箭的贮箱。

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Sum itomo 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。

TWI 对搅拌摩擦焊接技术提出了一系列新的改进，在一块母材上同时使用两个或多个搅拌摩擦焊焊头进行了实验。

在母材焊缝两侧相对应的位置用一对搅拌头沿焊缝进行焊接。

相反方向同时进行焊接的好处是可以减少反作用力矩，得到更对称的焊缝，两个搅拌针无须接触，但两者间的距离必须很小，如图7 所示。

这种方法可以提高焊接效率，同时可以减少力的不对称性，及减少甚至能排除反作用力矩。

此外，最近又提出了在一侧同时用两个搅TWI拌头的想法，如图8 所示。

前端搅拌头用于预热，后面的搅拌头则于焊接。

9 中一前一后两个孔洞表图明前端搅拌头和后端搅拌头得到焊接孔洞痕迹基本类似，金相学检验表明焊接得到的颗粒更细腻，和铝合金常规旋转摩擦焊所得到的颗粒极其相似。

同时用两个搅拌头的开发研究还不多，主要的原因是比使用一个搅拌头要复杂得多，但是这种方法极大地改善了焊逢的完整性和对称性。

上述两种方法目前尚未用于商业生产。

2.5搅拌摩擦焊1991 年，英国焊接研究所发明了搅拌摩擦焊技术，该技术的发明大大简化了高强度铝合金的加工。

搅拌摩擦焊过程实际上是一个非消耗性的热剪切如图6 所示，其主要部分包括：轴肩、搅拌针、过程。

焊接前沿、焊接后沿、搅拌头后沿、搅拌头前沿、焊缝等部分[5]。