[科普中國(guó)]-摩擦焊

摩擦焊，是指利用工件接觸面摩擦產(chǎn)生的熱量為熱源，使工件在壓力作用下產(chǎn)生塑性變形而進(jìn)行焊接的方法。1

在壓力作用下，是在恒定或遞增壓力以及扭矩的作用下，利用焊接接觸端面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)在摩擦面及其附近區(qū)域產(chǎn)生摩擦熱和塑形變形熱，使及其附近區(qū)域溫度上升到接近但一般低于熔點(diǎn)的溫度區(qū)間，材料的變形抗力降低、塑性提高、界面的氧化膜破碎，在頂鍛壓力的作用下，伴隨材料產(chǎn)生塑性變形及流動(dòng)，通過(guò)界面的分子擴(kuò)散和再結(jié)晶而實(shí)現(xiàn)焊接的固態(tài)焊接方法。

摩擦焊的實(shí)質(zhì)機(jī)械零件的金屬表面由于摩擦而粘結(jié)、焊合的現(xiàn)象是很普遍的。在金屬的切削加工和機(jī)器的高速轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，常常發(fā)現(xiàn)兩個(gè)金屬零件表面，由于摩擦生熱而焊接在一起的情況。例如：在車(chē)削加工時(shí)，車(chē)刀上產(chǎn)生積屑瘤；在鉆削加工時(shí)，鉆頭和工件常常粘結(jié)在一起；滑動(dòng)軸承由于燒軸而卡住等等。當(dāng)然，這些情況一直是人們努力避免的事故。做為一種焊接現(xiàn)象來(lái)分析，它們的過(guò)程并不是完善的，焊接質(zhì)量也并不理想。但是，我們通過(guò)對(duì)這些粘結(jié)、焊合現(xiàn)象的分析，有助于了解摩擦焊的實(shí)質(zhì)。

摩擦破壞了金屬表面的氧化膜。摩擦生熱降低了金屬的強(qiáng)度，但提高了它的塑性。摩擦表面金屬產(chǎn)生了塑性變形與流動(dòng)，防止了金屬的氧化，促進(jìn)了焊接金屬原子的互相擴(kuò)散，形成了牢固的焊接接頭。這就是摩擦焊的實(shí)質(zhì)2。

步驟摩擦焊通常由如下四個(gè)步驟構(gòu)成：1、機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能；2、材料塑性變形；3、熱塑性下的鍛壓力；4、分子間擴(kuò)散再結(jié)晶。

摩擦焊相較傳統(tǒng)熔焊最大的不同點(diǎn)在于整個(gè)焊接過(guò)程中，待焊金屬獲得能量升高達(dá)到的溫度并沒(méi)有達(dá)到其熔點(diǎn)，即金屬是在熱塑性狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)的類(lèi)鍛態(tài)固相連接。

相對(duì)傳統(tǒng)熔焊，摩擦焊具有焊接接頭質(zhì)量高，能達(dá)到焊縫強(qiáng)度與基體材料等強(qiáng)度，焊接效率高、質(zhì)量穩(wěn)定、一致性好，可實(shí)現(xiàn)異種材料焊接等。

摩擦焊接的起源可追溯到公元1891年，當(dāng)時(shí)美國(guó)批準(zhǔn)了這種焊接方法的第一個(gè)專(zhuān)利。該專(zhuān)利是利用摩擦熱來(lái)連接鋼纜。隨后德國(guó)、英國(guó)、蘇聯(lián)、日本等國(guó)家先后開(kāi)展了摩擦焊接的生產(chǎn)與應(yīng)用。我國(guó)是世界上研究摩擦焊接最早的國(guó)家之一，早在1957年就實(shí)驗(yàn)成功了鋁—銅摩擦焊。多年來(lái)，摩擦焊接以其優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能、無(wú)污染的技術(shù)特色，深受制造業(yè)的重視，特別是不斷開(kāi)發(fā)出摩擦焊接的新技術(shù)，如超塑性摩擦焊接、線性摩擦焊接、攪拌摩擦焊接等，使其在航空、航天、核能、海洋開(kāi)發(fā)等高技術(shù)領(lǐng)域及電力、機(jī)械制造、石油鉆探、汽車(chē)制造等產(chǎn)業(yè)部門(mén)得到了愈來(lái)愈廣泛的應(yīng)用。

摩擦焊的特點(diǎn)摩擦焊在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展為什么非常迅速，應(yīng)用非常廣泛，這是由于它本身具有一系列的優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)包括如下幾個(gè)方面：

1、接頭的焊接質(zhì)量好、穩(wěn)定。我國(guó)用低溫摩擦焊生產(chǎn)的鋁銅過(guò)渡接頭，其廢品率低于0.01%；鍋爐廠采用摩擦焊代替閃光焊生產(chǎn)省煤器蛇形管，焊接的廢品率由原來(lái)的10%降低到0.001%。西德用摩擦焊代替閃光焊生產(chǎn)汽車(chē)排氣門(mén)，焊接的廢品率由原來(lái)的1.4%下降到0.04~0.01%。從以上例子可以看到，摩擦焊的廢品率非常低，是一般焊接方法的1%左右。

2、適于焊接異種鋼和異種金屬。摩擦焊不僅可以焊接普通的異種鋼，還可以焊接常溫和高溫機(jī)械、物理性能差別很大的異種鋼和異種金屬，如碳素結(jié)構(gòu)鋼—高速工具鋼；銅—不銹鋼等。此外，還能很好地焊接那些產(chǎn)生脆性合金的異種金屬，如鋁—銅、鋁—鋼等。

3、焊件尺寸精度高。用摩擦焊生產(chǎn)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)燃燒室，全長(zhǎng)的最大誤差為士0.1毫米。有些專(zhuān)用摩擦焊機(jī)可以保證焊件的長(zhǎng)度公差為土0.2毫米，偏心度小于0.2毫米。因此，摩擦焊不僅用來(lái)焊接毛坯，而且還可以焊接裝配好的成品。

4、焊機(jī)功率小、省電能。摩擦焊和閃光焊相比較，節(jié)省電能為80~90%左右。

5、摩擦焊的工作場(chǎng)地衛(wèi)生，沒(méi)有火花、弧光及有害氣體，有利于環(huán)境保護(hù)，適于和其他先進(jìn)的金屬加工方法一起用于自動(dòng)生產(chǎn)線3。

應(yīng)用摩擦焊接以其優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能、無(wú)污染的技術(shù)特色，在航空、航天、核能、兵器、汽車(chē)、電力、海洋開(kāi)發(fā)、機(jī)械制造等新技術(shù)和傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)部門(mén)得到了愈來(lái)愈廣泛的應(yīng)用。下面以摩擦焊接在航空航天工業(yè)與汽車(chē)工業(yè)中的應(yīng)用舉例說(shuō)明。
(1)航空航天工業(yè)
隨著現(xiàn)代高性能軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的不斷更新，其主要性能指標(biāo)推重比亦不斷提高。同時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料及制造工藝均提出了更高的要求。從70年代起，以美國(guó)GE公司為代表，在軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子部件（盤(pán)+盤(pán)、盤(pán)+軸）制造中，率先成功地采用了慣性摩擦焊接技術(shù)。美國(guó)Textron Lycoming公司生產(chǎn)的新型大功率T55渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的前盤(pán)與前軸、后軸的連接都是采用盤(pán)+軸一體的摩擦焊接結(jié)構(gòu)。P&W公司將摩擦焊接列為80年代發(fā)動(dòng)機(jī)制造中的五項(xiàng)重大焊接技術(shù)之一；德國(guó)MTU公司正在開(kāi)展高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子等大型部件的摩擦焊接技術(shù)研究；法國(guó)海豚發(fā)動(dòng)機(jī)也將摩擦焊接推廣應(yīng)用于減速器錐形齒輪的焊接，等等。國(guó)外一些先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造公司已將摩擦焊接作為焊接高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子部件的主導(dǎo)的、典型的和標(biāo)準(zhǔn)的工藝方法。普遍認(rèn)為摩擦焊是可靠、再現(xiàn)性好和可信賴(lài)的焊接技術(shù)。
在飛機(jī)制造中，摩擦焊接也展現(xiàn)了新的應(yīng)用前景。AISI4340超高強(qiáng)度鋼因其具有高的缺口敏感性和焊接脆化傾向，當(dāng)用來(lái)制造飛機(jī)起落架時(shí)，國(guó)外規(guī)定不允許采用熔化焊接方法施焊，已成功地進(jìn)行了4340管與4030鍛件起落架、拉桿的摩擦焊接。此外，直升飛機(jī)旋翼主傳動(dòng)軸的NitralloyN合金齒輪與18%高鎳合金鋼管軸的焊接、雙金屬飛機(jī)鉚釘、飛機(jī)鉤頭螺栓等均采用了摩擦焊接，這表明摩擦焊接技術(shù)已滲透到了飛機(jī)重要承力構(gòu)件的焊接領(lǐng)域。
某航天飛機(jī)三部發(fā)動(dòng)機(jī)上1800個(gè)高溫合金噴射器柱全部是由摩擦焊接方法焊接到發(fā)動(dòng)機(jī)上的。
(2)汽車(chē)工業(yè)
國(guó)外在汽車(chē)零配件規(guī)?；a(chǎn)中，摩擦焊接技術(shù)占有較重要的地位。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，美國(guó)、德國(guó)、日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的一些著名汽車(chē)制造公司，已有百余種汽車(chē)零配件采用了摩擦焊接技術(shù)。
國(guó)內(nèi)外在發(fā)動(dòng)機(jī)雙金屬排氣閥生產(chǎn)中廣泛采用了摩擦焊接技術(shù)將NiCr20TiAl、5Cr21Mn9Ni4、4Cr14Ni14W2Mo之類(lèi)的高溫合金或奧氏體型耐熱鋼盤(pán)部與4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo之類(lèi)的馬氏體型不銹耐熱鋼桿部連接起來(lái)形成整體排氣閥，特別適合于空心閥的制造。采用鍛焊復(fù)合結(jié)構(gòu)取代整體鍛造生產(chǎn)汽車(chē)半軸在國(guó)外已得到廣泛應(yīng)用。另外，汽車(chē)及工程機(jī)械上風(fēng)扇軸支座組件、空心后軸、前懸架、自動(dòng)變速器輸出軸、無(wú)變形飛輪齒圈、發(fā)電機(jī)支座、粘性傳動(dòng)風(fēng)扇聯(lián)軸節(jié)、起動(dòng)機(jī)小齒輪組件、速度選擇軸、變扭器蓋、汽車(chē)液壓千斤頂、轉(zhuǎn)向節(jié)、司機(jī)側(cè)氣囊充氣器、萬(wàn)向節(jié)組件、凸輪軸、水泵轂和軸、直接離合器鼓和轂組件、后橋殼管、傾斜轉(zhuǎn)向軸、叉、冷卻風(fēng)扇電機(jī)殼體和軸、等速萬(wàn)向節(jié)、連軸齒輪、變扭器蓋、傳動(dòng)軸、叉、渦輪傳動(dòng)軸、中央軸、渦輪增壓器、乘客側(cè)氣囊充氣器、 汽車(chē)用扁尾套筒扳手、后懸架臂、空調(diào)機(jī)蓄壓器等的制造過(guò)程中均可利用摩擦焊接工藝簡(jiǎn)化制造工藝和降低生產(chǎn)成本1。

分類(lèi)摩擦焊技術(shù)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)年的發(fā)展，已經(jīng)發(fā)展出很多種摩擦焊接的分類(lèi)：摩擦螺柱焊、摩擦堆焊、第三體摩擦焊、嵌入摩擦焊、慣性摩擦焊、攪拌摩擦焊、徑向摩擦焊、線性摩擦焊和摩擦疊焊等。

關(guān)于傳統(tǒng)摩擦焊的定義：利用焊件表面相互摩擦所產(chǎn)生的熱，使端面達(dá)到熱塑性狀態(tài)，然后迅速頂鍛，完成焊接的一種壓焊方法。

工藝發(fā)展摩擦焊工藝方法已由傳統(tǒng)的幾種形式發(fā)展到二十多種，極大地?cái)U(kuò)展了摩擦焊接的應(yīng)用領(lǐng)域。被焊零件的形狀由典型的圓截面擴(kuò)展到非圓截面（線性摩擦焊）和板材（攪拌摩擦焊），所焊材料由傳統(tǒng)的金屬材料拓寬到粉未合金、復(fù)合材料、功能材料、難熔材料，以及陶瓷—金屬等新型材料及異種材料領(lǐng)域。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

杜強(qiáng) - 高級(jí)工程師 - 中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所