摩擦焊接技术及其工程应用

陈忠海

(温州科技职业学院，浙江 温州 325006)

焊接工艺

摩擦焊接技术及其工程应用

陈忠海

(温州科技职业学院，浙江 温州 325006)

摩擦焊接是一种高效、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。

摩擦焊接；固相焊接；制造业

1 摩擦焊接技术

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。自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，如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1～200 mm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]。

图1 旋转摩擦焊接

图2 惯性摩擦焊

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。

图3 径向摩擦焊示意

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，移动母材，直至基体母材上形成连续的堆焊层[3]。堆焊过程主要经过四个阶段，即初始摩擦阶段、不稳定摩擦阶段、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，同时受棒材直径、转速、耗材母板的物理性质的影响。塑性层形成后，摩擦面由棒材和母材间的摩擦转到棒材和塑性层之间的摩擦，之后进入稳定摩擦阶段。摩擦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。

图4 摩擦堆焊示意

摩擦堆焊技术于20世纪中叶诞生于前苏联，欧美许多国家，已对该技术进行了研究并应用到实际生产。目前这一焊接技术已被用于锋利刀片的商业生产。在汽车工业中，可用摩擦堆焊来生产制动盘和耐磨层；TWI在ALCOA技术中心的资助下，应用摩擦堆焊技术焊接过厚度为8 mm的7075铝合金板，并已完成大量异种材质的堆焊工作，如将316不锈钢熔敷到低碳钢表面，2011铝合金熔敷到2014铝合金表面等。

摩擦堆焊技术不只局限于焊接领域，还可广泛拓宽应用范围，在摩擦轧制、零件快速制造、复合材料制备、材料再利用加工等方面有巨大的开发潜力。英国、美国、日本和俄罗斯等国都相继开展了摩擦堆焊技术的研究与开发工作，在实际应用方面取得较大进展。在发达国家，该项技术已广泛应用于包括宇航、近海油田开发等许多工业领域中，为航天器、舰船及装甲结构等装备的制造和维修提供了可靠、有效的工艺手段。美国国防部已把摩擦堆焊技术列入关键制造技术计划之中[4]。

摩擦堆焊对于设备的轴向压力较高，从而导致设备费用较高。英国Black公司1991年获得Frictec公司(摩擦堆焊技术专营公司)190万英镑的资助，制造了世界上第一台摩擦堆焊设备。

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。

图5 线性摩擦焊接技术示意

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

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过程。如图6所示，其主要部分包括：轴肩、搅拌针、焊接前沿、焊接后沿、搅拌头后沿、搅拌头前沿、焊缝等部分[5]。在垂直母材方向力的作用下，搅拌针在焊逢里面高速旋转并产生大量的热，在焊逢中产生一个塑性区域，搅拌头前进，后面塑性部分冷却后即可达到焊接效果。采用搅拌摩擦焊接技术焊接铝合金，能够避免因接头金属熔化造成的气孔裂纹等冶金缺陷。而搅拌摩擦焊接过程中伴随着强烈的摩擦、碾压与破碎作用，对接头表面氧化膜有一定的机械破碎作用，所以氧化膜将不再是铝合金焊接的困难之一。相对于激光焊而言，搅拌摩擦焊既是一项固相焊接技术，又是一项高效焊接技术[6-8]。

图6 搅拌摩擦焊

挪威最早用FSW焊接技术焊接6 mm×16 mm的6068-T6铝合金船板和20 m长的铝合金快艇，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DeltaⅡ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，TWI最近又提出了在一侧同时用两个搅拌头的想法，如图8所示。前端搅拌头用于预热，后面的搅拌头则用于焊接。图9中一前一后两个孔洞表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。

图7 相反方向双搅拌头搅拌摩擦焊

图8 单侧双搅拌头搅拌摩擦焊

图9 双搅拌头焊接实物

2.6 嵌入摩擦焊和第三体摩擦焊

嵌入摩擦焊易于对铝合金及不同种材料进行加工，如图10所示，在一个较软的母材里面嵌入一个较硬的金属棒，工件间的相对运动产生的摩擦热使软材料的表面产生局部塑性化，材料塑性化后流入不易变形磨损的硬凹槽(衔接作用)区域。流动停止后，塑性材料凝结形成机械互锁结构，在结合处可能还会形成冶金结合。这种技术提供机械互锁有助于减少灾难性故障，利用嵌入摩擦焊接技术完成焊接实物如图11所示。TWI所做的嵌入摩擦焊试验证明被焊材料可以得到良好的机械性能。冶金检查显示，相对较硬的材料被较软的材料所包围且接口处和其他整个嵌入部分具有良好的机械性能。

硬度相同的情况下要达到机械互锁的目的，可考虑使用熔点相对较低的“第三体”。如图12所示，在两个工件间加入较软的“第三体”，较硬材料的相对运动，挤压较软材料，使之塑性化将较硬的材料焊接起来，在工件凹角处会产生良好的机械互锁，这个过程不会出现冶金结合，这种方法被称为第三体摩擦焊。实际上第三体摩擦焊是嵌入摩擦焊在特殊情况下的应用。

图10 嵌入摩擦焊

图11 宏观截面

图12 第三体摩擦焊

这两种摩擦焊接方法主要适用于对材料机械安全性要求较高的场合。

2.7 摩擦叠焊

摩擦叠焊是英国焊接研究所继1991年发明搅拌摩擦焊技术以来在固相焊接领域的又一重大贡献[11]。FHPP(Friction Hydro Pillar Process)技术正在发展完善，英国、德国等西方国家研究比较早，投入也较多，技术相对来说比较成熟，而国内该方面技术处于起步阶段，但对该项技术已经引起了足够的重视。目前国家863计划中就有这方面的相关课题，相信在我国广大科研工作者的努力下，不久的将来必定能在该焊领域取得丰硕的成果。目前包括美国、巴西、日本、波兰、南非等国都对该技术进行了研究。

如图13a所示，摩擦叠焊的基本单元成形过程为摩擦液体填充过程焊FHPP，据预钻焊孔、旋转金属棒轴截面几何形状的不同，FHPP又可分为圆柱形组合和圆锥形组合两大类。在FHPP焊接过程中，通常是在基体母材上预钻一盲孔，然后在孔中插入一个直径略小且高速旋转的金属棒，同时在金属棒上施加轴向力并保持一定的进给速度。旋转金属棒与孔洞底部接触剪切所产生的摩擦热使其在摩擦接触剪切面上发生塑性流动，随着塑性化金属材料不断填充孔洞以及杂质的不断排出，剪切面迅速从孔洞底部上移，同时塑性化金属材料与孔洞内表面之间达到密切结合(见图13b、图13c)。一系列相互重叠或搭接的FHPP焊便构成了摩擦叠焊，如图13d～图13g所示。根据焊缝的大小以及长短，可以把摩擦叠焊的焊缝分为平行焊和搭接焊。

图13 摩擦叠焊基本单元及成形过程示意

目前欧洲的一些海洋石油大国具备了应用摩擦焊接技术进行海洋石油钢结构商业作业的能力，但在国内尚处于研发阶段。浮式生产存储卸货装置(FPSO)现在被广泛的用于深海和浅海的油气生产，如果FPSO的外壳遭到破坏，把它拖回到干船坞进行维修，其代价是非常大的。而使用FHPP可提供一种特殊的水下修复方法来解决此类问题。水下机器人可通过磁场固定到FPSO的外壳上。这为那些随时都可能出现问题但是又不能按照船坞的工作时间表运到船坞维修的大体积物体提供了方便，比如航空母舰，巡洋舰等[10]。除了上述水下应用以外，摩擦叠焊也可以用于陆上大气环境下的连接作业，甚至可以充当表面工程或材料加工领域的有效作业手段。例如：(1)摩擦铸模技术(Friction moulding technique)；(2)零件内外表面的摩擦涂覆技术(Friction cladding technique)；(3)诸如涡轮增压器叶片类零件的固定连接成形技术(Plug fixing attachment formation)。根据所应用场合具体情况的不同，旋转金属棒可以采用实心结构，也可以采用空心结构[11]。

3 结论

随着社会的发展对焊接技术提出了更高的要求，加大对摩擦焊接技术的研究投入对我国航空制造、国防工业、海底油气开采等领域的发展具有重要意义。同时需要加强与摩擦焊接相关技术的研发，如加强机器人研发，实现摩擦焊接自动化，从而使摩擦焊接技术的应用向海洋等更广阔的领域发展。

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Analysis of friction processing technology and its engineering applications

CHEN Zhong-hai
(Wenzhou Vocational College of Science and Technology，Wenzhou 325006，China)

Friction welding is a highly efficient，energy-saving and with environmental protection solid-phase welding technology.Currently，friction welding has been widely used in manufacturing industry.This paper described friction welding in chronological order of its appearance，also introduced the principles and characteristics as well as Industrial applications of friction welding.In order to motivate the research of the engineering application of this process in our countries.

friction process；solid-phase welding technology；manufacturing industry

TG453+.9

C

1001-2303(2011)08-0101-06

2010-10-23；

2011-07-26

国家自然科学基金资助项目(50675022)；国家“863”高技术研究发展计划资助项目(2006AA09Z329)；北京市自然科学基金资助项目(3073017)

陈忠海(1980—)，男，浙江记嘉人，硕士，主要从事摩擦叠焊以及电机、电子方面的教学研究工作。