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本文作者：矯洪智作者單位：機械工業第九設計研究院有限公司

1摩擦焊技術優點

傳統的摩擦焊定義是利用工件接觸端面在相對運動中互相摩擦所產生的熱，使端部達到熱塑狀態，然后迅速頂鍛，完成焊接的一種壓力焊接方法。該種焊接方法因為沒有填充金屬，是工件本身金屬在熱塑狀態形成固相連接，所以有的學者認為該方法應該稱之為摩擦鍛接。摩擦焊起源于100多年前的英國，經半個多世紀的研究發展，摩擦焊技術逐漸成熟起來，進入推廣應用階段。自從20世紀50年代以來，摩擦焊以其優質、高效、低耗環保的突出優點受到所有工業強國的重視。自1957年哈爾濱焊接研究所開始研究摩擦焊技術以來，摩擦焊已經在我國汽車制造、電力電氣、石油鉆探、工藝裝備等工業部門得到廣泛應用。

摩擦焊接技術的主要優點如下。a.接頭質量好且穩定。焊接過程由機器控制，參數容易監控，不依賴于操作者的技術水平。接頭屬固相熱壓連接，為鍛造組織，焊縫不會出現氣孔、偏析和夾雜，裂紋等鑄造組織結晶缺陷，焊接接頭強度遠大于熔焊、釬焊的強度，能夠達到母材金屬的強度。b.效率高。對焊件準備通常要求不高，焊接設備容易自動化，可實現大規模流水生產，每件焊接時間以秒計，一般只需零點幾秒至幾十秒。例如發動機排氣門的摩擦焊接生產率能夠達到1200件/h。c.節能、節材、低耗。所需功率僅為傳統焊接工藝的1/51/15，不需焊條、焊劑、釬料、保護氣體，不需填加金屬，也不需消耗電極。d.焊接性好。能夠實現高溫強度級相差很大的異種鋼和異種金屬，以及形成低熔點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.環保，無污染。焊接過程不產生煙塵或有害氣體，不產生飛濺，沒有弧光和火花，沒有放射線。

2摩擦焊技術的分類

（1）旋轉摩擦焊

這種焊接方法是以一個工件的中心線為軸，相對另一個工件作旋轉運動。主要用于具有圓形橫斷面的工件。在電控技術和機械技術高度發展的前提下，目前可實現有相位要求的工件的摩擦焊，擴大了旋轉摩擦焊的應用領域。目前，生產中對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工件以一定的頻率和振幅往復運動而產生的熱量進行焊接。可以將方形、圓形、多邊形截面的金屬或塑料焊接在一起；也可以焊接不規則截面的構件如葉片、渦輪等。

（3）徑向摩擦焊

徑向摩擦焊是引入中間旋轉加壓圓環，從而改變摩擦面的方向，焊件也由相對旋轉加壓變為相對固定加壓，非常適合于長管子的焊接。

（4）攪拌摩擦焊

攪拌摩擦焊是1991年英國焊接研究所發明的一種固相連接技術，是利用特殊形狀的攪拌頭，旋轉著插入被焊零件，然后沿著零件需要焊接的界面移動，通過攪拌頭相對于材料的摩擦，使處于熱塑性狀態的材料在熱和壓力的聯合作用下形成致密的固相接頭。在航空、航天、船舶、海洋工業、武器裝備及高速列車等領域的輕結構制造中已經得到廣泛應用。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生的機械振動，在靜壓力下將彈性振動能量轉變為工件之間的摩擦功，使母材產生形變和有限的溫升，在母材不發生熔化的情況下實現連接的一種固相焊接技術。這種焊接方法在汽車微電子領域、注塑件的連接中應用廣泛。

3摩擦焊在汽車工業中的主要應用

（1）旋轉摩擦焊

旋轉摩擦焊目前已經應用于沖焊結構車橋、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，焊接時容易產生裂紋。目前，對于該處焊縫主要采用的焊接工藝有真空電子束焊接、CO2氣體保護自動焊接和摩擦焊焊接。3種焊接方法的工藝性能對比見表1。3種焊接方法的經濟性對比分析見表2。

從表1、表2可得出如下結論。a.摩擦焊比真空電子束焊、CO2氣體保護焊的運行費用成本低，而且產量越大，摩擦焊的運行成本優勢越明顯。b.摩擦焊基本不產生廢氣、輻射，屬于綠色環保工藝。c.從產品的疲勞壽命和生產效率上看，摩擦焊工藝優越于真空電子束焊和CO2氣體保護焊工藝。

（2）攪拌摩擦焊

目前，汽車制造呈現出材料輕量化、多樣化、高強度的發展趨勢，鋁合金、鎂合金、塑鋁復合部件等輕質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，歐洲汽車工業用鋁量增長最快，每輛汽車平均增加用鋁26kg，增長率為28%。汽車上應用的鋁部件主要為發動機、輪轂、傳動裝置、熱交換器、轎車底盤及其零部件、防護罩和車體結構件等，其中鋁合金輪轂應用最為廣泛。國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，具有適宜的力學性能、優異的耐腐蝕性、可焊接性能、成形性能和良好的表面處理性能等特點，而且具備特有的再生性，是汽車實現減重、節能、環保和安全的首選材料。汽車用鋁具有明顯的減重節能效果，是促進汽車輕量化的重要材料。鋁合金材料代替傳統的鋼鐵制造汽車，可使整車質量減輕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。據有關部門測算，1輛車若減重10%，可相對減少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，提升汽車鋁合金應用水平，對節約能源有十分重要的意義。

攪拌摩擦焊技術剛好可以滿足鋁合金等輕質材料對新型連接技術的要求。目前，攪拌摩擦焊在汽車制造工業中已經實現的應用有：發動機、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、發動機罩蓋、行李箱蓋、轎車鋁合金車身框架、載貨車車身輕質合金部件、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，可在優化結構強度和剛度設計的同時，大大減少汽車制造中的模具數量，還縮短了工藝流程。

用攪拌摩擦焊技術制造汽車輪轂的工藝流程：采用攪拌摩擦焊技術將鋁合金板材焊接為筒體→將筒體采用成形技術壓制成輪輞→將鍛造的中心零件與鍛鋁制造的輻條用攪拌摩擦焊技術連接起來成為輪輻→將輪輞、輪輻采用攪拌摩擦焊技術焊接起來。見圖2~圖5。目前，我國鋁車輪加工工藝的80%以上采用低壓鑄造技術。低壓鑄造技術的工藝流程：模具清掃→模具控溫→噴膜→合型熔料→熔化、精煉→變質、除氣、調溫→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，熔煉是鑄造生產的關鍵工序。由于鋁合金在高溫下會因氧化、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，精煉時要通入凈化氣體去渣、排氣，添加變質劑，細化晶粒。

對比目前我國普遍采用的鋁合金輪轂低壓鑄造技術，攪拌摩擦焊技術具有非常明顯的優點。而且與低壓鑄造技術生產鋁車輪對比，攪拌摩擦焊工藝具有非常大的經濟效益，例如建年產50萬只鋁車輪生產廠，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摩擦焊應用新思路的探討

（1）薄鋼板摩擦焊接設備研發的思路

白車身總成的焊接在汽車產品的焊接中是最主要的組成部分，是以薄板搭接或對接焊接為主。摩擦焊接在這方面還沒有應用。筆者認為在這方面可以進行研發線性摩擦焊，尤其是在不等厚板的拼焊上可以應用。目前，不等厚板的拼焊主要有不等厚板激光拼焊技術和不等厚板滾焊（縫焊）技術，前者的質量好，但是成本高；后者成本低，但是焊縫的強度等質量參數與本體金屬相差較大。如果能研發出相應的薄板線性摩擦焊接設備，替代激光拼焊設備，將是薄板焊接和摩擦焊接工藝的一大創新。筆者認為摩擦焊接還可以在凸焊螺母的焊接和螺柱（螺釘）焊接上進行研究。研發中、小功率的摩擦焊接設備，同時與機器人相配合，以實現在白車身總成焊接中的應用。

（2）在產品設計時，材料選擇向適合于攪拌摩擦焊的方向發展

目前，攪拌摩擦焊適合于焊接熔點比較低的合金、塑鋁復合材料、硬質塑料，如熔點在500~700℃的鋁合金、鎂合金等材料。在汽車產品設計時采用上述材料，既可以減輕車體質量還可以實現材料替代，以緩解鋼鐵材料資源日益緊缺的情況。