线性摩擦焊装备研究进展与应用

李鳌，刘剑雄，曾家兴，万祥明，贾有东，刘建新

（650504 云南省 昆明市 昆明理工大学 机电工程学院）

0 引言

线性摩擦焊（LFW: Linear Friction Welding）是一种较先进的压力焊焊接技术。随着国家对农业机械化重视程度越来越高，机械化生产是大势所趋。耕地、播种、移栽以及收获机械等装备质量水平都需要进一步提高。将线性摩擦焊用于农业装备链条、链壳的焊接，会大大增强焊缝强度，获得更好经济性能。为进一步提升难焊材料的焊接性能，将这一技术应用到各专门领域，研究人员进行线性摩擦焊设备的研发是有重要意义的[1-2]。

本文介绍了不同振动方式的原理、优点和不足，从设备角度综述了国内不同种类的线性摩擦焊装备的焊接能力、进行的振动方式的探索以及与机器结构相关的研究，并对今后线性摩擦焊机的设计与应用做出展望。

1 线性摩擦焊技术概述

线性摩擦焊是通过振动体振动，带动夹具夹持的待焊材料往复运动，当材料产生一定的塑性变形后，通过施加顶锻力进行顶锻。这种焊接方式区别于熔化焊，避免了各种焊缝问题，更容易生成紧密的焊缝结构，提升焊缝材料性能。根据Vairis[3]的研究，线性摩擦焊的过程可以分为以下4 个阶段：（1）初始阶段：一个待焊件静止不动，另一个待焊件在振动力的作用下做往复运动，在压力作用下不断靠近，随着接触面积越来越大，摩擦加剧并产生摩擦热。（2）过渡阶段：当产生到足够量的摩擦热，金属开始产生塑性变形，这个阶段摩擦焊接面达到最大，摩擦系数也达到最大，产热主要转变成塑性变形产热。（3）稳定阶段：塑性变形产热加剧，生成塑性变形层，在压力作用下，塑性金属被挤出，形成飞边。（4）顶锻阶段：按照时间控制或者变形量控制达到焊接需求，即产生了足够的轴向伸缩量，快速停下来实现对中，施加顶锻力并停留一段时间。这段过程中，轴向伸缩量发生急剧变化，生成紧致的焊缝。

2 电磁式线性摩擦焊设备

电磁式焊接设备是将交流电加到线圈上，产生振动，带动工件和夹具进行往返运动，当振动停止，利用轴向液压产生的力进行顶锻，完成焊接。电磁线性摩擦焊设备的优点是通过改变一些参数，能够实现振幅和频率的无级调节，并且能够达到较高的频率；最主要的缺点是仅能产生较小激振力，不能焊接大面积的材料，不适合导热性好诸如金属材料的焊接，仅适用于一些导热性差、热输入小的焊接，例如塑料的焊接。

振动摩擦焊是基于电磁振动原理发展的焊接方法。1986 年，美国索尼克斯公司根据这一理论开发设备进行塑料材质的焊接，研究人员将这项技术运用于电池壳体与壳盖之间的焊接，取得了较好的焊接效果[4]。基于美国艾默生Branson 摩擦焊接机，科研人员分别研究了工艺条件对聚丙烯树脂PP 和增强尼龙焊缝的结构和力学性能的影响[5-6]。基于尼龙在日常生活中的广泛应用，通过在必能信MINI 2 型振动摩擦焊机上对尼龙电池壳进行焊接，进行了热力学分析，对焊接工艺参数的选择以及防止尼龙电池壳焊接过程中的过热变形进行了深刻的分析[7]。

综上所述，电磁式线性摩擦焊适用于塑料场合的焊接，在日常生活中有着广泛应用。

3 机械式线性摩擦焊设备

研究人员通过改进电磁振动性能，对焊接过程进行热力学分析，研究焊后材料的性能，对机械式线性摩擦焊技术进行研究。

机械式线性摩擦焊机将电机旋转运动转变成焊件的往复直线运动，进行摩擦焊接。机械式往复运动机构包括单曲柄连杆机构、双曲柄连杆机构、曲柄摇臂机构、单凸轮机构、双凸轮机构，以及调幅式机构。最突出的优点是制造成本低，易于实现，缺点是难以实现对中要求，在快速急停中，很难实现上下两振动体完全重合，使得焊接不精确。目前机械式线性摩擦焊可用于各种非金属和金属，但是由于机器现存的一些缺点，不是主要研究方向[8-13]。

相关研究中，西北工业大学最早研制出一台机械式线性摩擦焊样机XMH-160，整个焊接过程主要由往复振动系统和加压顶锻系统来完成，并通过回位机构实现两个待焊物体的对中[8]。研究者基于这台线性摩擦焊设备先后对钛合金、铜、钢等进行了实验和数值分析，研究焊缝成型过程，进行了焊接功率、摩擦系数、摩擦变形量等基础理论的研究；Nicholas[9]采用双曲柄连杆机构实现往复振动，使得整个运动过程更加平稳，但对中性这一问题没有得到很好的解决；马铁军[10]等采用曲柄摇臂机构，虽然对中性得到了比较好的解决，但是到达极限位置后，由于瞬时惯性力的存在，运动不平稳，机构难以实现高质量的焊接。刘银勋[11]基于双曲柄滑块机构，设计了一套变相机构，这套机构通过改变2 个曲柄的相位差来改变两个滑块的平均位移，进而实现振幅可调节；南昌航空大学的徐嘉鹏[12]、龚玉兵[13]等分别设计了双凸轮机构，获得更高的频率和稳定性，将缩小的比例模型建立出来，并分析其运动规律。

设备理论研究方面，杜建国[14]等针对机械式振动、气压式顶锻线性摩擦焊设备，指出了导致机头振动的原因以及对焊缝造成的不良影响，并提出了改进的措施；杜随更[15]等建立了振动摩擦过程的动力学模型，从数学角度指出夹具的刚性是影响焊缝的重要因素，并对焊接摩擦力、焊接摩擦功率进行了分析。王庆[16-17]等以曲柄滑块机构为研究目标，建立其动力学模型，对焊机功率、惯性力以及电机功率与工艺参数的关系进行研究；马铁军[18]等基于XMH-160 型线性摩擦焊设备，采集线电压和线电流计算电机的输入功率，通过计算损耗进而计算摩擦功率。

设备控制研究方面，刘银勋[11]针对设计的可调幅摩擦焊设备，通过粒子群优化算法对PID 控制器进行优化，得到更加准确的液压顶锻伺服控制系统；杜建国[19]等针对机械式振动、液压顶锻线性摩擦焊接机，开发了一套以89C52 芯片为核心的单片机控制系统，实现了对变形量与焊接功率值的控制；肖华[20-21]等针对机械式振动、气压式顶锻线性摩擦焊接机研制了一种以89C52 芯片为核心的单片机控制系统，实现了对摩擦产热功率的控制；龚玉兵[13]等采用气压提供顶锻力，选用PLC 进行闭环控制，实现对力和时间的精确控制；温国栋[22]等将模糊控制理论运用于机械式振动线性摩擦焊机模糊控制器的设计，通过改进算法得到更精确和期望的控制方式。

上述学者在机构设计上主要集中于重新设计振动往返机构，研究其运动规律，通过改变振动频率或者提升焊接结束的对中来增强设备性能。在理论研究方面多集中于哪些因素影响实际焊接效果，建立了动力学模型、分析振动，研究工艺参数的改变对焊接性能的影响。对于顶锻力的施加，有液压施力和气压施力，重点研究的是控制系统，通过控制系统编程以及算法优化，实现对所需参数进行实时检测和基本控制，得到实际需要的焊接界面效果。

4 液压式线性摩擦焊设备

液压式线性摩擦焊机通过控制电液伺服阀，将液压油按照输入电流信号的大小，按比例输入到振动油缸活塞的两侧，使油缸产生激振力，驱动夹具和待焊工件进行往复运动。当工件塑性变形达到一定程度时，添加轴向压力，进行顶锻完成焊接。优点是能够产生大的激振力，可以焊接熔点较高的金属以及大面积材料；缺点是对液压元件要求高，对油温控制和电磁阀频率要求高。目前，大力发展液压振动线性摩擦焊是主要方向。下文主要介绍3种液压式线性摩擦焊设备。

4.1 北京航空制造工程研究所线性摩擦焊设备

2006 年，通过将电液伺服技术运用到线性摩擦焊领域，成功研制了一台液压式线性摩擦焊设备。资料显示，其激振力可以达到147 kN，顶锻力达196 kN，频率达125 Hz、流量达760 L/min。现有焊接实验能够实现2 000 mm2钛合金的焊接。该研究所在此基础上设计了激振力超过600 kN，顶锻力达750 kN 的液压式线性摩擦焊设备[23-24]。该研究所利用该设备进行了大量研究，大多用的是航空发动机急需研究的钛合金材料，如TC4、TC11、TC17 等，改变工艺参数对焊接性能的影响，研究焊后接头的力学性能[25-27]。

基于该设备的相关研究中，栾海英[28]设计了线性摩擦焊电液伺服系统，对振动系统和顶锻系统进行了数学建模，分析了电液伺服阀和液压缸的动态特性。通过推导，计算出液压激振力中的焊接摩擦力，进而得到产热功率的计算方法；王颖[24]通过大量的计算以及仿真实验，设计了一套液压伺服系统，采用一个小流量的伺服阀，对振动缸停止后进行精确定位，使之能快速精准停止；尚增温[29]采用在流量伺服阀外附加固定节流孔的方法，实现对力和位移的精确控制，使设备具有更加优异的性能。张诗晴[30-31]等重新设计了顶锻电液伺服系统，经过对比，采用长行程油缸和短行程油缸串联的方式。长行程油缸采取位置控制，短行程油缸采取位置控制和力控制，并进行了AMESim 的仿真验证；李辉[23]等设计了高刚度顶锻滑台以应对滑台刚性不足的问题，防止产生振动与冲击，为优化线性摩擦焊设备提供了方案；耿大喜[32]等针对弹性变形导致夹具刚性不足和机床之间有缝隙这一现象，详细研究其运动情况，分析了对产热功率造成的影响，并提出了解决方案。

4.2 哈尔滨焊接研究所线性摩擦焊设备

该所自主研发了HSMZ-30 型线性摩擦焊机，采用液压系统进行振动和力的顶锻，最大顶锻力为30 t，最大振动力15 t，最大振动频率为100 Hz。从仅能查到的一些参数可知，基于液压振动高频性能较差，实际上达不到想要的频率，能够稳定焊接镍基高温合金的频率范围在0～30 Hz，振幅范围在0～5 mm[33-35]。

4.3 西北工业大学线性摩擦焊设备

该校研发了XMH-250 型线性摩擦焊设备，并做了有关的研究。刘明朗[36]等采用改进型Smith预估控制来改进常规PID 控制，减小系统存在的惯性延迟，使得振动更加稳定；常涛[37]等通过添加蓄能器调节振动系统的固有频率，使振幅得到稳定提升；方锦辉[38]等为了解决当前大流量需求但是伺服阀频率响应跟不上这一现象，提出多个伺服阀并联的方案；杜随更[39]等针对线性摩擦焊活塞与振动滑块之间的运动建立单自由度振动学模型，研究运动性质；银东东[40]等研究了焊机的电液伺服施力系统，建立起滑台压力的精确闭环控制；杜随更[41]等针对电液伺服施力系统，研究了开环和闭环状态下的压力和速度动态响应特性；巨江涛[42]等研究了滑台的动频相应规律，建立了滑台系统的两自由度强迫振动力学模型，利用数值分析和实验验证进行振动参数计算，并通过仿真进行了动态分析；李彦默[43]等用该机器对S31042 钢进行焊接，研究其焊后接头组织和力学性能，取得了良好的焊接效果。

综上所述，液压式线性摩擦焊设备可以对大面积的高熔点金属进行焊接，是未来发展的主要方向。研究人员对液压式线性摩擦焊设备的研究多集中于液压振动系统和液压顶锻系统，通过对液压和控制系统的创新设计实现精确控制，线性摩擦焊设备在焊接性能上有大幅提升。通过实验验证了焊后材料的结构和力学性能，对工艺指导有明显帮助。

5 结论与展望

线性摩擦焊作为一种优质、高效的焊接方法，已经成功应用于航空领域。目前，国内学者研究重点多是数值模拟焊接过程，研发出样机的机构可以进行实验，测试焊后材料的性能。但是在开展过的研究工作中，存在理论方法不够成熟、工艺探索不够完备的问题，机器设备开发也存在问题，随着研究的深入和技术突破，这些问题一定能够得到解决。例如日照某研发公司设计的G120 锻造链环专用线性摩擦焊机，这将是国内第一台专门的线性摩擦焊设备[44]。

今后线性摩擦焊设备的发展除了要提升和优化焊机的焊接性能，更要设计专用焊机，完成对焊接效果不好且难度大的物体的焊接，对一些领域实现批量化、自动化焊接，提升机械制造水平。