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　　摩擦焊概述

　　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(xiàn)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。

　　技術(shù)原理

　　焊前，待焊的一對(duì)工件中，一件夾持于旋轉(zhuǎn)夾具，稱(chēng)為旋轉(zhuǎn)工件，另一件夾持于移動(dòng)夾具，稱(chēng)為移動(dòng)工件。焊接時(shí)，旋轉(zhuǎn)工件在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下開(kāi)始高速旋轉(zhuǎn)，移動(dòng)工件在軸向力作用下逐步向旋轉(zhuǎn)工件靠攏，兩側(cè)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(chǎn)生摩擦熱。隨著實(shí)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(shí)，兩側(cè)工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)際上已發(fā)生在這層粘塑性金屬內(nèi)部，產(chǎn)熱機(jī)制已由初期的摩擦產(chǎn)熱轉(zhuǎn)變?yōu)檎乘苄越饘賹觾?nèi)的塑性變形產(chǎn)熱。在熱激活作用下，這層粘塑性金屬發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)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(cè)工件的傳導(dǎo)，焊接面兩側(cè)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(dòng)，從而形成飛邊，軸向縮短量逐漸增大。隨摩擦?xí)r間延長(zhǎng)，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(chēng)之為準(zhǔn)穩(wěn)定摩擦階段。在此階段，摩擦壓力與轉(zhuǎn)速保持恒定。當(dāng)摩擦焊接區(qū)的溫度分布、變形達(dá)到一定程度后，開(kāi)始剎車(chē)制動(dòng)并使軸向力迅速升高到所設(shè)定的頂鍛壓力此時(shí)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(gè)峰值，即后峰值扭矩。在頂鍛過(guò)程中及頂鍛后保壓過(guò)程中，焊合區(qū)金屬通過(guò)相互擴(kuò)散與再結(jié)晶，使兩側(cè)金屬牢固焊接在一起，從而完成整個(gè)焊接過(guò)程。在整個(gè)焊接過(guò)程中，摩擦界面溫度一般不會(huì)超過(guò)熔點(diǎn)，故摩擦焊是固態(tài)焊接。

　　摩擦焊應(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)械制造等高新技術(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)。GE公司生產(chǎn)的TF39航空發(fā)動(dòng)機(jī)的16級(jí)壓氣機(jī)盤(pán)；CMF56航空發(fā)動(dòng)機(jī)的1-2級(jí)，4-9級(jí)，以及壓氣機(jī)軸；F101航空發(fā)動(dòng)機(jī)的1-3級(jí)盤(pán)與鼓及前軸頸，5-9級(jí)盤(pán)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(lèi)的粉末高溫合金盤(pán)已成功地采用了慣性摩擦焊接，其焊接接頭性能可達(dá)到母材的水平。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（Nimonic 80)、5Cr21Mn9Ni4(21-4N)、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

　　摩擦焊分類(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(xiàn)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。