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本文作者：矯洪智作者單位：機(jī)械工業(yè)第九設(shè)計(jì)研究院有限公司

1摩擦焊技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

傳統(tǒng)的摩擦焊定義是利用工件接觸端面在相對(duì)運(yùn)動(dòng)中互相摩擦所產(chǎn)生的熱，使端部達(dá)到熱塑狀態(tài)，然后迅速頂鍛，完成焊接的一種壓力焊接方法。該種焊接方法因?yàn)闆]有填充金屬，是工件本身金屬在熱塑狀態(tài)形成固相連接，所以有的學(xué)者認(rèn)為該方法應(yīng)該稱之為摩擦鍛接。摩擦焊起源于100多年前的英國(guó)，經(jīng)半個(gè)多世紀(jì)的研究發(fā)展，摩擦焊技術(shù)逐漸成熟起來，進(jìn)入推廣應(yīng)用階段。自從20世紀(jì)50年代以來，摩擦焊以其優(yōu)質(zhì)、高效、低耗環(huán)保的突出優(yōu)點(diǎn)受到所有工業(yè)強(qiáng)國(guó)的重視。自1957年哈爾濱焊接研究所開始研究摩擦焊技術(shù)以來，摩擦焊已經(jīng)在我國(guó)汽車制造、電力電氣、石油鉆探、工藝裝備等工業(yè)部門得到廣泛應(yīng)用。

摩擦焊接技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)如下。a.接頭質(zhì)量好且穩(wěn)定。焊接過程由機(jī)器控制，參數(shù)容易監(jiān)控，不依賴于操作者的技術(shù)水平。接頭屬固相熱壓連接，為鍛造組織，焊縫不會(huì)出現(xiàn)氣孔、偏析和夾雜，裂紋等鑄造組織結(jié)晶缺陷，焊接接頭強(qiáng)度遠(yuǎn)大于熔焊、釬焊的強(qiáng)度，能夠達(dá)到母材金屬的強(qiáng)度。b.效率高。對(duì)焊件準(zhǔn)備通常要求不高，焊接設(shè)備容易自動(dòng)化，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模流水生產(chǎn)，每件焊接時(shí)間以秒計(jì)，一般只需零點(diǎn)幾秒至幾十秒。例如發(fā)動(dòng)機(jī)排氣門的摩擦焊接生產(chǎn)率能夠達(dá)到1200件/h。c.節(jié)能、節(jié)材、低耗。所需功率僅為傳統(tǒng)焊接工藝的1/51/15，不需焊條、焊劑、釬料、保護(hù)氣體，不需填加金屬，也不需消耗電極。d.焊接性好。能夠?qū)崿F(xiàn)高溫強(qiáng)度級(jí)相差很大的異種鋼和異種金屬，以及形成低熔點(diǎn)共晶和脆性化合物的異種金屬的焊接，如高速鋼與碳鋼、耐熱鋼與低合金鋼、高溫合金與合金鋼、不銹鋼與低碳鋼、不銹鋼與電磁鐵，以及鋁與銅、鋁與鋼等的焊接。e.環(huán)保，無污染。焊接過程不產(chǎn)生煙塵或有害氣體，不產(chǎn)生飛濺，沒有弧光和火花，沒有放射線。

2摩擦焊技術(shù)的分類

（1）旋轉(zhuǎn)摩擦焊

這種焊接方法是以一個(gè)工件的中心線為軸，相對(duì)另一個(gè)工件作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。主要用于具有圓形橫斷面的工件。在電控技術(shù)和機(jī)械技術(shù)高度發(fā)展的前提下，目前可實(shí)現(xiàn)有相位要求的工件的摩擦焊，擴(kuò)大了旋轉(zhuǎn)摩擦焊的應(yīng)用領(lǐng)域。目前，生產(chǎn)中對(duì)如六方形斷面的零件、八方鋼、汽車操縱桿、花鍵軸、撥叉、兩端帶法蘭的軸等均可采用相位摩擦焊。

（2）線性摩擦焊

線性摩擦焊是利用兩個(gè)工件以一定的頻率和振幅往復(fù)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的熱量進(jìn)行焊接?？梢詫⒎叫?、圓形、多邊形截面的金屬或塑料焊接在一起；也可以焊接不規(guī)則截面的構(gòu)件如葉片、渦輪等。

（3）徑向摩擦焊

徑向摩擦焊是引入中間旋轉(zhuǎn)加壓圓環(huán)，從而改變摩擦面的方向，焊件也由相對(duì)旋轉(zhuǎn)加壓變?yōu)橄鄬?duì)固定加壓，非常適合于長(zhǎng)管子的焊接。

（4）攪拌摩擦焊

攪拌摩擦焊是1991年英國(guó)焊接研究所發(fā)明的一種固相連接技術(shù)，是利用特殊形狀的攪拌頭，旋轉(zhuǎn)著插入被焊零件，然后沿著零件需要焊接的界面移動(dòng)，通過攪拌頭相對(duì)于材料的摩擦，使處于熱塑性狀態(tài)的材料在熱和壓力的聯(lián)合作用下形成致密的固相接頭。在航空、航天、船舶、海洋工業(yè)、武器裝備及高速列車等領(lǐng)域的輕結(jié)構(gòu)制造中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。攪拌摩擦焊原理見圖1。

（5）超聲波焊接

超聲波焊接是利用超聲波頻率產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)，在靜壓力下將彈性振動(dòng)能量轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぜg的摩擦功，使母材產(chǎn)生形變和有限的溫升，在母材不發(fā)生熔化的情況下實(shí)現(xiàn)連接的一種固相焊接技術(shù)。這種焊接方法在汽車微電子領(lǐng)域、注塑件的連接中應(yīng)用廣泛。

3摩擦焊在汽車工業(yè)中的主要應(yīng)用

（1）旋轉(zhuǎn)摩擦焊

旋轉(zhuǎn)摩擦焊目前已經(jīng)應(yīng)用于沖焊結(jié)構(gòu)車橋、氣門、安全氣囊、操縱桿、花鍵軸、撥叉、異種金屬管件的焊接。最成功的應(yīng)用是載貨車車橋輪轂軸管的摩擦焊。沖焊車橋的殼體材料為16MnR，是低碳合金鋼；輪轂軸管材料為40Cr或40MnB，是中碳合金鋼，焊接時(shí)容易產(chǎn)生裂紋。目前，對(duì)于該處焊縫主要采用的焊接工藝有真空電子束焊接、CO2氣體保護(hù)自動(dòng)焊接和摩擦焊焊接。3種焊接方法的工藝性能對(duì)比見表1。3種焊接方法的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析見表2。

從表1、表2可得出如下結(jié)論。a.摩擦焊比真空電子束焊、CO2氣體保護(hù)焊的運(yùn)行費(fèi)用成本低，而且產(chǎn)量越大，摩擦焊的運(yùn)行成本優(yōu)勢(shì)越明顯。b.摩擦焊基本不產(chǎn)生廢氣、輻射，屬于綠色環(huán)保工藝。c.從產(chǎn)品的疲勞壽命和生產(chǎn)效率上看，摩擦焊工藝優(yōu)越于真空電子束焊和CO2氣體保護(hù)焊工藝。

（2）攪拌摩擦焊

目前，汽車制造呈現(xiàn)出材料輕量化、多樣化、高強(qiáng)度的發(fā)展趨勢(shì)，鋁合金、鎂合金、塑鋁復(fù)合部件等輕質(zhì)材料使用的比例越來越大。目前，北美的汽車平均用鋁量居世界之首，歐洲汽車工業(yè)用鋁量增長(zhǎng)最快，每輛汽車平均增加用鋁26kg，增長(zhǎng)率為28%。汽車上應(yīng)用的鋁部件主要為發(fā)動(dòng)機(jī)、輪轂、傳動(dòng)裝置、熱交換器、轎車底盤及其零部件、防護(hù)罩和車體結(jié)構(gòu)件等，其中鋁合金輪轂應(yīng)用最為廣泛。國(guó)外采用鋁合金制造的汽車零部件見表3。鋁合金材料不僅密度小，具有適宜的力學(xué)性能、優(yōu)異的耐腐蝕性、可焊接性能、成形性能和良好的表面處理性能等特點(diǎn)，而且具備特有的再生性，是汽車實(shí)現(xiàn)減重、節(jié)能、環(huán)保和安全的首選材料。汽車用鋁具有明顯的減重節(jié)能效果，是促進(jìn)汽車輕量化的重要材料。鋁合金材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼鐵制造汽車，可使整車質(zhì)量減輕30%~40%，例如輪轂采用鋁合金比鋼制輪轂輕2kg左右，1輛車至少減輕10kg。據(jù)有關(guān)部門測(cè)算，1輛車若減重10%，可相對(duì)減少6%~8%的燃油消耗，燃油效率提高5.5%。由此可見，加快鋁輪轂的裝車率，提升汽車鋁合金應(yīng)用水平，對(duì)節(jié)約能源有十分重要的意義。

攪拌摩擦焊技術(shù)剛好可以滿足鋁合金等輕質(zhì)材料對(duì)新型連接技術(shù)的要求。目前，攪拌摩擦焊在汽車制造工業(yè)中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用有：發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤、車身支架、鋁合金輪轂、散熱器、液壓成形管附件、鋁合金車門、發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋、行李箱蓋、轎車鋁合金車身框架、載貨車車身輕質(zhì)合金部件、燃油箱、旅行車的鋁合金車身、客車車身等。使用不等厚板坯料的焊接縫合技術(shù)，可在優(yōu)化結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度設(shè)計(jì)的同時(shí)，大大減少汽車制造中的模具數(shù)量，還縮短了工藝流程。

用攪拌摩擦焊技術(shù)制造汽車輪轂的工藝流程：采用攪拌摩擦焊技術(shù)將鋁合金板材焊接為筒體→將筒體采用成形技術(shù)壓制成輪輞→將鍛造的中心零件與鍛鋁制造的輻條用攪拌摩擦焊技術(shù)連接起來成為輪輻→將輪輞、輪輻采用攪拌摩擦焊技術(shù)焊接起來。見圖2~圖5。目前，我國(guó)鋁車輪加工工藝的80%以上采用低壓鑄造技術(shù)。低壓鑄造技術(shù)的工藝流程：模具清掃→模具控溫→噴膜→合型熔料→熔化、精煉→變質(zhì)、除氣、調(diào)溫→升壓→充型保壓→凝固→去壓→松型、開模取鑄件→整形清理→初檢。其中，熔煉是鑄造生產(chǎn)的關(guān)鍵工序。由于鋁合金在高溫下會(huì)因氧化、吸氣而造成燒損，夾渣氣孔等缺陷，因此必須在工藝上采取合理的熔煉工藝，熔化過程要添加適量的熔劑，精煉時(shí)要通入凈化氣體去渣、排氣，添加變質(zhì)劑，細(xì)化晶粒。

對(duì)比目前我國(guó)普遍采用的鋁合金輪轂低壓鑄造技術(shù)，攪拌摩擦焊技術(shù)具有非常明顯的優(yōu)點(diǎn)。而且與低壓鑄造技術(shù)生產(chǎn)鋁車輪對(duì)比，攪拌摩擦焊工藝具有非常大的經(jīng)濟(jì)效益，例如建年產(chǎn)50萬只鋁車輪生產(chǎn)廠，采用低壓鑄造工藝投資總額約9700萬元以上，而采用攪拌摩擦焊工藝投資總額約在5800萬元左右。

4摩擦焊應(yīng)用新思路的探討

（1）薄鋼板摩擦焊接設(shè)備研發(fā)的思路

白車身總成的焊接在汽車產(chǎn)品的焊接中是最主要的組成部分，是以薄板搭接或?qū)雍附訛橹?。摩擦焊接在這方面還沒有應(yīng)用。筆者認(rèn)為在這方面可以進(jìn)行研發(fā)線性摩擦焊，尤其是在不等厚板的拼焊上可以應(yīng)用。目前，不等厚板的拼焊主要有不等厚板激光拼焊技術(shù)和不等厚板滾焊（縫焊）技術(shù)，前者的質(zhì)量好，但是成本高；后者成本低，但是焊縫的強(qiáng)度等質(zhì)量參數(shù)與本體金屬相差較大。如果能研發(fā)出相應(yīng)的薄板線性摩擦焊接設(shè)備，替代激光拼焊設(shè)備，將是薄板焊接和摩擦焊接工藝的一大創(chuàng)新。筆者認(rèn)為摩擦焊接還可以在凸焊螺母的焊接和螺柱（螺釘）焊接上進(jìn)行研究。研發(fā)中、小功率的摩擦焊接設(shè)備，同時(shí)與機(jī)器人相配合，以實(shí)現(xiàn)在白車身總成焊接中的應(yīng)用。

（2）在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，材料選擇向適合于攪拌摩擦焊的方向發(fā)展

目前，攪拌摩擦焊適合于焊接熔點(diǎn)比較低的合金、塑鋁復(fù)合材料、硬質(zhì)塑料，如熔點(diǎn)在500~700℃的鋁合金、鎂合金等材料。在汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)采用上述材料，既可以減輕車體質(zhì)量還可以實(shí)現(xiàn)材料替代，以緩解鋼鐵材料資源日益緊缺的情況。