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　　摩擦焊概述

　　摩擦焊通常由如下四個步驟構成：1、機械能轉化為熱能；2、材料塑性變形；3、熱塑性下的鍛壓力；4、分子間擴散再結晶。

　　摩擦焊相較傳統(tǒng)熔焊最大的不同點在于整個焊接過程中，待焊金屬獲得能量升高達到的溫度并沒有達到其熔點，即金屬是在熱塑性狀態(tài)下實現(xiàn)的類鍛態(tài)固相連接。

　　相對傳統(tǒng)熔焊，摩擦焊具有焊接接頭質量高——能達到焊縫強度與基體材料等強度，焊接效率高、質量穩(wěn)定、一致性好，可實現(xiàn)異種材料焊接等。

　　摩擦焊接的起源可追溯到公元1891年，當時美國批準了這種焊接方法的第一個專利。該專利是利用摩擦熱來連接鋼纜。隨后德國、英國、蘇聯(lián)、日本等國家先后開展了摩擦焊接的生產與應用。我國是世界上研究摩擦焊接最早的國家之一，早在1957年就實驗成功了鋁—銅摩擦焊。多年來，摩擦焊接以其優(yōu)質、高效、節(jié)能、無污染的技術特色，深受制造業(yè)的重視，特別是不斷開發(fā)出摩擦焊接的新技術，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、海洋開發(fā)等高技術領域及電力、機械制造、石油鉆探、汽車制造等產業(yè)部門得到了愈來愈廣泛的應用。

　　技術原理

　　焊前，待焊的一對工件中，一件夾持于旋轉夾具，稱為旋轉工件，另一件夾持于移動夾具，稱為移動工件。焊接時，旋轉工件在電機驅動下開始高速旋轉，移動工件在軸向力作用下逐步向旋轉工件靠攏，兩側工件接觸并壓緊后，摩擦界面上一些微凸體首先發(fā)生粘接與剪切，并產生摩擦熱。隨著實際接觸面積增大，摩擦扭矩迅速升高，摩擦界面處溫度也隨之上升，摩擦界面逐漸被一層高溫粘塑性金屬所覆蓋。此時，兩側工件的相對運動實際上已發(fā)生在這層粘塑性金屬內部，產熱機制已由初期的摩擦產熱轉變?yōu)檎乘苄越饘賹觾鹊乃苄宰冃萎a熱。在熱激活作用下，這層粘塑性金屬發(fā)生動態(tài)再結晶，使變形抗力降低，故摩擦扭矩升高到一定程度(前峰值扭矩)后逐漸降低。隨著摩擦熱量向兩側工件的傳導，焊接面兩側溫度亦逐漸升高，在軸向壓力作用下，焊合區(qū)金屬發(fā)生徑向塑性流動，從而形成飛邊，軸向縮短量逐漸增大。隨摩擦時間延長，摩擦界面溫度與摩擦扭矩基本恒定，溫度分布區(qū)逐漸變寬，飛邊逐漸增大，此階段稱之為準穩(wěn)定摩擦階段。在此階段，摩擦壓力與轉速保持恒定。當摩擦焊接區(qū)的溫度分布、變形達到一定程度后，開始剎車制動并使軸向力迅速升高到所設定的頂鍛壓力此時軸向縮短量急驟增大，并隨著界面溫度降低，摩擦壓力增大，摩擦扭矩出現(xiàn)第二個峰值，即后峰值扭矩。在頂鍛過程中及頂鍛后保壓過程中，焊合區(qū)金屬通過相互擴散與再結晶，使兩側金屬牢固焊接在一起，從而完成整個焊接過程。在整個焊接過程中，摩擦界面溫度一般不會超過熔點，故摩擦焊是固態(tài)焊接。

　　摩擦焊應用

　　摩擦焊接以其優(yōu)質、高效、節(jié)能、無污染的技術特色，在航空、航天、核能、兵器、汽車、電力、海洋開發(fā)、機械制造等高新技術和傳統(tǒng)產業(yè)部門得到了愈來愈廣泛的應用。下面以摩擦焊接在航空航天工業(yè)與汽車工業(yè)中的應用舉例說明。

　　(1)航空航天工業(yè)

　　隨著現(xiàn)代高性能軍用航空發(fā)動機的不斷更新，其主要性能指標——推重比亦不斷提高。同時對發(fā)動機的結構設計、材料及制造工藝均提出了更高的要求。從70年代起，以美國GE公司為代表，在軍用航空發(fā)動機轉子部件（盤+盤、盤+軸）制造中，率先成功地采用了慣性摩擦焊接技術。GE公司生產的TF39航空發(fā)動機的16級壓氣機盤；CMF56航空發(fā)動機的1-2級，4-9級，以及壓氣機軸；F101航空發(fā)動機的1-3級盤與鼓及前軸頸，5-9級盤與鼓及后軸頸等均采用了摩擦焊接工藝，有的還采用了粉末冶金—等溫鍛造—摩擦焊接組合工藝。API(Udimet700、Astroloy)、In100和René95及In718之類的粉末高溫合金盤已成功地采用了慣性摩擦焊接，其焊接接頭性能可達到母材的水平。美國Textron Lycoming公司生產的新型大功率T55渦輪噴氣發(fā)動機的前盤與前軸、后軸的連接都是采用盤+軸一體的摩擦焊接結構。P&W公司將摩擦焊接列為80年代發(fā)動機制造中的五項重大焊接技術之一；德國MTU公司正在開展高壓壓氣機轉子等大型部件的摩擦焊接技術研究；法國海豚發(fā)動機也將摩擦焊接推廣應用于減速器錐形齒輪的焊接，等等。國外一些先進的航空發(fā)動機制造公司已將摩擦焊接作為焊接高推重比航空發(fā)動機轉子部件的主導的、典型的和標準的工藝方法。普遍認為摩擦焊是可靠、再現(xiàn)性好和可信賴的焊接技術。

　　在飛機制造中，摩擦焊接也展現(xiàn)了新的應用前景。AISI4340超高強度鋼因其具有高的缺口敏感性和焊接脆化傾向，當用來制造飛機起落架時，國外規(guī)定不允許采用熔化焊接方法施焊，已成功地進行了4340管與4030鍛件起落架、拉桿的摩擦焊接。此外，直升飛機旋翼主傳動軸的NitralloyN合金齒輪與18%高鎳合金鋼管軸的焊接、雙金屬飛機鉚釘、飛機鉤頭螺栓等均采用了摩擦焊接，這表明摩擦焊接技術已滲透到了飛機重要承力構件的焊接領域。

　　某航天飛機三部發(fā)動機上1800個高溫合金噴射器柱全部是由摩擦焊接方法焊接到發(fā)動機上的。

　　(2)汽車工業(yè)

　　國外在汽車零配件規(guī)?；a中，摩擦焊接技術占有較重要的地位。據(jù)不完全統(tǒng)計，美國、德國、日本等工業(yè)發(fā)達國家的一些著名汽車制造公司，已有百余種汽車零配件采用了摩擦焊接技術。

　　國內外在發(fā)動機雙金屬排氣閥生產中廣泛采用了摩擦焊接技術將NiCr20TiAl（Nimonic 80)、5Cr21Mn9Ni4(21-4N)、4Cr14Ni14W2Mo之類的高溫合金或奧氏體型耐熱鋼盤部與4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo之類的馬氏體型不銹耐熱鋼桿部連接起來形成整體排氣閥，特別適合于空心閥的制造。采用鍛焊復合結構取代整體鍛造生產汽車半軸在國外已得到廣泛應用。另外，汽車及工程機械上風扇軸支座組件、空心后軸、前懸架、自動變速器輸出軸、無變形飛輪齒圈、發(fā)電機支座、粘性傳動風扇聯(lián)軸節(jié)、起動機小齒輪組件、速度選擇軸、變扭器蓋、汽車液壓千斤頂、轉向節(jié)、司機側氣囊充氣器、萬向節(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、傾斜轉向軸、叉、冷卻風扇電機殼體和軸、等速萬向節(jié)、連軸齒輪、變扭器蓋、傳動軸、叉、渦輪傳動軸、中央軸、渦輪增壓器、乘客側氣囊充氣器、汽車用扁尾套筒扳手、后懸架臂、空調機蓄壓器等的制造過程中均可利用摩擦焊接工藝簡化制造工藝和降低生產成本

　　摩擦焊分類

　　摩擦焊技術經(jīng)過長年的發(fā)展，已經(jīng)發(fā)展出很多種摩擦焊接的分類：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。關于傳統(tǒng)摩擦焊的定義：利用焊件表面相互摩擦所產生的熱，使端面達到熱塑性狀態(tài)，然后迅速頂鍛，完成焊接的一種壓焊方法。