摩擦焊接技术及其工程应用

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1、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 31. 综述 41.1 摩擦焊接中的可焊接组合 41.2摩擦焊接设备 52. 摩擦焊类型和运用 62.1旋转摩擦焊 62.2 径向摩擦焊 62.3 摩擦堆焊 72.4 线性摩擦焊 82.5搅拌摩擦焊 102.6 嵌入摩擦焊和第三体摩擦焊 102.7 摩擦叠焊 113. 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

2、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。

3、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

4、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

5、，摩擦焊设备也得到了迅速的发展，目前我国将 近 1000 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 20t 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

6、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

7、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

8、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 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

9、，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100mm、厚度12 7mm。目前国外正在试验能够焊接150 300mm 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 1min ，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700mm管道所需要

10、的径向力约为 1000t 。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

11、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 EJ2000 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 3000 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 F22 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

12、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

13、大量贵金属。线性摩焊接总长度达1000m。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HuntingtonBeach工厂用FSW 焊接生产了 Delta 口和皿运载火 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 Sumitomo

14、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

15、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。在垂

16、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682.6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

17、软材 料的表面产生局部塑性化，材料塑性化后流动流入不易变形磨损的硬凹槽 （衔接 作用）区域。停止后，塑性材料凝结形成机械互锁结构，在结合这种技术提供机 械互锁处可能还会形成冶金结合。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

18、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。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(FrictionHydroPillarProcess)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

19、。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 在形合和圆锥形组合两大类。 FHPP 焊接程中，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

20、、13c)。图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。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

21、 的大体积物体提供了方便，比如航空母舰，巡洋舰等。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：摩擦铸模技术(Friction moulding technique)(2)零件内外表面的摩擦涂覆技术(Frictioncladdingtechnique) ；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

22、擦焊接技术的研究 投入到我国航空制造、国防工业，海底石油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。参考文献1 朱日良管壳式换热器管板与换热管焊接常见质量问题的防止J 化工设备与管道，2005, 42(1):62-632 刘尔静.铁素体439焊管在给水加热器中的应用J.电站辅机，2008.9(3)：13-153 徐大喆等.新、乏蒸换热器管子与管板的连接J.锅炉制造，2003.2(1), 36-37,70.4 汪东明，高增福，谭笠，唐峰 . 国内外换热器管子管板焊接技术 综述J.压

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