国内外摩擦焊接技术发展现状与趋势

zhangkai

摩擦焊接工艺为固态焊接，焊缝热影响区相对较、窄，晶粒细小，焊缝质量较易控制，制造成本相对较低。半轴以焊代锻，以摩擦焊代替CO2气体保护焊，可降低成本。传动轴、万向节叉等零件均为CO2气体保护焊，生产效率相对较低，若采用摩擦焊工艺，无需填充任何辅助材料，并有利于作业环境的改善，减少污染。
    据不完全统计，美国、德国、日本等工业发达国家的一些著名汽车制造公司，已有百余种汽车零部件采用了摩擦焊技术。在国内，中国重汽已实现铸钢桥壳和轴头的摩擦焊接。摩擦焊技术在国内推广应用，势在必行。今后5～10年要加大力度开发一些新的摩擦焊方法(相位摩擦焊、线性摩擦焊、径向摩擦焊和搅拌摩擦焊)，逐步完善并扩大其应用范围。
    近年来，为了适应新材料与新结构的应用，国内外在摩擦焊接及相关技术方面取得了重要进展，其中以线性摩擦焊(LinearFriction Welding)、摩擦堆焊(Consumable RodFrictionsurfacing)、搅拌摩擦焊(FrictionStir Welding)、摩擦塞焊(Friction Plug Welding)等被称为是 “科学摩擦(Science Friction)的先进摩擦焊接技术最具代表性。这些新颖的摩擦焊接技术不仅拓展了摩擦焊的应用范围，而且提高了焊接部件的整体性能和可靠性，使那些难焊或不能焊的材料也能获得高质量的焊缝。研究先进摩擦焊接技术具有重大的理论意义和工程应用价值。
    搅拌摩擦焊是英国焊接研究所TWI(The WeldingInstitute)于1991年开发的专利焊接技术。与常规摩擦焊一样，搅拌摩擦焊也是利用摩擦热作为焊接热源。不同之处在于，搅拌摩擦焊焊接过程是由一个圆柱体形状的焊头伸入工件的接缝处，通过焊头的高速旋转，使其与焊接工件材料摩擦，从而使连接部位的材料温度升高软化，同时对材料进行搅拌摩擦来完成焊接的。
    搅拌摩擦焊是针对焊接性较差的铝合金开发的一种新型固相焊接工艺，特别适合板材的焊接，近年来引起国内外的重视，该技术的焊接质量好，生产率高，板材不用开坡口，可一次焊成，已成功地应用于铝、铜等合金板材的焊接。因其具有节能、清洁、质量高、设备简单等诸多优点，正扩大在汽车上的应用。随着中国搅拌摩擦焊中心的成立，更多的中国企业将会越来越多地从这一革命性的技术中受益。
搅拌摩擦焊技术特点
    搅拌摩擦焊是一种固相连接工艺，同熔焊相比，搅拌摩擦焊焊接铝合金有几个突出的优点：焊接中厚板时，焊前不需要开V形或U形上坡口，也不需进行复杂的焊前准备;焊后试件的变形和内应力特别小;焊接过程中没有辐射、飞溅及危害气体产生;焊接接头性能优良，焊缝中无裂纹、气孔及收缩等缺陷，可实现全方位焊接。搅拌摩擦焊最大的优点是：可焊接那些不推荐用熔焊焊接的高强铝合金。
    通过人们的不断努力，搅拌摩擦焊的局限性在不断减少，但还存在一些不足的地方，如：其焊速比熔焊慢;焊接时焊件必须夹紧，还需要垫板;焊后焊缝上留有锁眼;搅拌头磨损很快。目前，由于搅拌头特形受指棒材料所限，搅拌摩擦焊仅用于铝合金产品的连接。据报道，英国焊接研究所正在开展钛合金搅拌摩擦焊的工艺研究。目前，搅拌摩擦焊的研究和应用主要还是铝合金、钢材等高熔点材料。美国MEGASTIR公司研制了配备强制冷却装置的多晶立方氮化硼PCBN搅拌头，与美国能源部合作开发钢管搅拌摩擦焊口，且于2003年将该系统用于野外钢合金天然气管道的连接。
  国内外摩擦焊接技术研究现状
1.国外技术研究现状
     虽然搅拌摩擦焊技术是一项很新的技术，距发明才短短的10余年，但是由于其所具有的独特优势，已经在汽车、航空航天、船舶、轨道交通、电力电子、建筑等多个领域获得了突破性的发展和应用，尤其是在铝合金上已经获得了大规模的工业应用。典型的实例包括：美国航空航天局的Delta系列火箭、美国Eclipse小型商务机、阿里亚娜火箭发动机、挪威铝合金快艇、日本新干线等。因此说，搅拌摩擦焊技术已是一项十分成熟的技术。
在挪威，已用该技术焊接快艇长为20m的铝合金结构件;美国洛克希德-马丁航空航天公司用该技术焊接了航天飞机外部储存液态氧的低温容器，在马歇尔航天飞行中心，也已用该技术焊接了大型圆筒形容器。但是，FSW技术在船舶制造与海洋工业和宇航工业中有更广泛的应用前景，在铁路运输、公路运输、建筑工业、电器行业中也有很大的应用潜力。美国几大汽车制造商已经投资共同研究FSW技术的商业应用，可能的应用领域包括：发动机与底盘的托架，液压成形管道的配件，空间构件、货车本体、吊车、燃料箱、大篷车、摩托车与自行车框架、起重箱及镁、铝镁合金接头等。随着对FSW技术研究工作的深入，其在工业领域中的应用将不断扩大。
2.国内技术研究现状
     目前国内的汽车工业生产采用的多是国外已经成熟运用的设计和技术，对于产生刚10多年，工业化应用才刚刚开始的FSW技术的应用尚属空白。但是无论从汽车性能还是燃油消耗方面考虑，轻量化是汽车工业发展的必然趋势，而铝合金、镁合金是汽车轻量化发展中主要采用的两种替代性材料，鉴于FSW技术在焊接铝合金、镁合金及其他新型材料方面的比较优势，其必将成为国内汽车工业中最主要的制造手段之一。
     经过几十年的发展，摩擦焊技术在国内目前已经具备了包括工艺、设备、控制、检验等整套完备的专业技术规模，并且在基础理论研究上也形成了一定的独立体系。
     目前我国摩擦焊技术的应用比较广泛，可焊接直径φ3.0～φ120mm的工件以及8000m的大截面管件，同时还开发了相位和径向摩擦焊技术以及搅拌摩擦焊技术。不仅可焊接钢、铝、铜，而且还成功焊接了高温、强度级相差很大的异种钢和异种金属以及形成低熔点共晶和脆性化合物的异种金属。
     近几年来，搅拌摩擦焊技术也引起了我国科技工作者的高度重视，先后开展了对铝合金(如防锈铝、锻铝、硬铝、超硬铝等)，纯铜及PVC塑料等材料的搅拌摩擦焊研究，同时还在积极开展钛合金、镁合金和钢铁材料的搅拌摩擦焊工艺研究，同时对搅拌摩擦焊的机理、微观组织、力学性能和搅拌摩擦焊的核心技术搅拌头等都展开了深入的研究，并取得了一定的工程应用。
    技术应用
     自FSW发明以来，由于其焊缝组织好、接头力学性能优异，已经在汽车、航空航天、造船及铁道车辆等制造领域显示出强劲的创新活力和广阔的应用前景，并得到广泛应用。
     1.陆路交通
     对于陆路交通工业，FSW在列车制造领域的应用主要为：高速列车、轨道列车、地铁车厢和有轨电车、集装箱等;在汽车上主要应用于发动机、底盘、车身支架、汽车轮毂、液压成形管附件、车门预成型件、车体空间框架、货车车体、载货车的尾部升降平台、汽车起重器以及装甲车的防护甲板等。法国Alstom公司和丹麦DanStir公司目前正在进行车辆部件的FSW工业化研究;日立公司在进行单层和双层挤压件连接时都采用了FSW技术，用于市郊特快列车车辆的制造;日本住友轻金属公司已将F S W工艺用于地铁车辆，焊接工件长度已超过76m，且接合质量良好;日本住友轻金属公司生产的FSW焊接板已用于日本新干线车辆的制造，时速达285km/h，质量完全合格。
    2.航空航天
     在航空领域中，飞机制造零部件的装配连接使用了大量铆接和螺栓联接结构，如在空中客车A340飞机上使用了超过100万个铆钉，如果用FSW代替铆接，一方面FSW具有比铆接更快的制造速度，另一方面FSW在减少制造过程库存零部件的同时，还大大减轻了飞机的结构质量。总之，FSW技术的出现为航空航天工业设计和制造提供了一种新的方法和途径，并逐步投入到实际生产中。
     2.造船
     船舶制造和海洋工业是FSW首先得到商业应用的两个工业领域，主要应用在甲板、侧板、防水壁板、船体外壳、主体结构件、直升机降落平台、水上观测站、海洋运输结构件、帆船桅杆及结构件等。铝合金材料传统连接方法为铆接和弧焊连接，铆接增加了制造时间、人力和物料使用量，且铝合金熔焊时易产生变形、缺陷和烟尘等，也限制了弧焊的使用。所以FSW技术的发展，以高集成度的预成型模块化制造来代替传统的船舶加强件结构的制造，是船舶制造技术发展的必然和革命性的进步。
    4.工具行业
    在生产各种钻头、丝锥、铰刀、刀头等过程中，全国已有30余家工具厂采用摩擦焊新技术。所用设备为国 产C20、C25、C40等摩擦焊机或专用工具摩擦焊机。
    5.其他领域
    在其他方面，FSW也有较多的应用，如民用建筑工业中的铝合金桥梁、装饰板、门窗框架、管线、铝合金反应器、热交换器等;电子工业中的发动机壳体、电器连接件、电器封装等。此外，FSW还应用在冰箱冷却板、厨房电器、 “白色 ”家用物品和工具、天然气和液化气储箱、家用装饰等。
总之，FSW技术的开发和应用才刚刚开始，今后将会具有巨大的潜在应用前景。
    技术发展趋势
     作为革命性的绿色焊接技术，FSW的出现对连接技术的发展产生了巨大的冲击和推动，其应用速度已远远超过了对焊 ——从金属发展到复合材料和钢铁材料过程，在异种材料焊接中也显示了良好的开端。随着焊接设备和搅拌头的发展，应用FSW的可焊材料会更加广泛，同时可提高焊接速度、优化接头性能、降低成本及实现自动化生产。
    搅拌摩擦加工在细晶超塑性铝合金制备和铝基合金微观结构改性方面的研究表明，它是一种非常有效的加工技术，最近在复合材料制备、材料合成等方面也显示出了良好的应用前景。相信随着研究的深入，搅拌摩擦加工将发展成为一种成熟的、多用途的材料加工技术，并在工业领域得到实际应用。
    我国摩擦焊技术的发展现状还很不适应国民经济高速发展的需要。今后5～10年内我国的摩擦焊工作者还要在材料的焊接性、摩擦焊的焊接方法、摩擦焊设备和摩擦焊的应用领域展开更加深入的研究。摩擦焊接工艺的新发展，即第三体摩擦焊、线形摩擦焊、搅拌摩擦焊和嵌入摩擦焊。