摩擦焊

機械零件的金屬表面由於摩擦而粘結、焊合的現象是很普遍的。在金屬的切削加工和機器的高速轉動過程中，常常發現兩個金屬零件表面，由於摩擦生熱而焊接在一起的情況。例如：在車削加工時，車刀上產生積屑瘤；在鑽削加工時，鑽頭和工件常常粘結在一起；滑動軸承由於燒軸而卡住等等。當然，這些情況一直是人們努力避免的事故。做為一種焊接現象來分析，它們的過程並不是完善的，焊接質量也並不理想。但是，我們通過對這些粘結、焊合現象的分析，有助於了解摩擦焊的實質。

摩擦破壞了金屬表面的氧化膜。摩擦生熱降低了金屬的強度，但提高了它的塑性。摩擦表面金屬產生了塑性變形與流動，防止了金屬的氧化，促進了焊接金屬原子的互相擴散，形成了牢固的焊接接頭。這就是摩擦焊的實質。

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。

摩擦焊相較傳統熔焊最大的不同點在於整個焊接過程中，待焊金屬獲得能量升高達到的溫度並沒有達到其熔點，即金屬是在熱塑性狀態下實現的類鍛態固相連接。

相對傳統熔焊，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、質量穩定、一致性好，可實現異種材料焊接等。

摩擦焊接的起源可追溯到公元1891年，當時美國批准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。隨後德國、英國、蘇聯、日本等國家先後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，摩擦焊接以其優質、高效、節能、無污染的技術特色，深受製造業的重視，特別是不斷開發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、海洋開發等高技術領域及電力、機械製造、石油鑽探、汽車製造等產業部門得到了愈來愈廣泛的應用。

摩擦焊在國內外的發展為什麼非常迅速，應用非常廣泛，這是由於它本身具有一系列的優點。這些優點包括如下幾個方面：

1、接頭的焊接質量好、穩定。我國用低溫摩擦焊生產的鋁銅過渡接頭，其廢品率低於0.01%；鍋爐廠採用摩擦焊代替閃光焊生產省煤器蛇形管，焊接的廢品率由原來的10%降低到0.001%。西德用摩擦焊代替閃光焊生產汽車排氣門，焊接的廢品率由原來的1.4%下降到0.04~0.01%。從以上例子可以看到，摩擦焊的廢品率非常低，是一般焊接方法的1%左右。

2、適於焊接異種鋼和異種金屬。摩擦焊不僅可以焊接普通的異種鋼，還可以焊接常溫和高溫機械、物理性能差別很大的異種鋼和異種金屬，如碳素結構鋼—高速工具鋼；銅—不鏽鋼等。此外，還能很好地焊接那些產生脆性合金的異種金屬，如鋁—銅、鋁—鋼等。

3、焊件尺寸精度高。用摩擦焊生產的柴油發動機預燃燒室，全長的最大誤差為士0.1毫米。有些專用摩擦焊機可以保證焊件的長度公差為土0.2毫米，偏心度小於0.2毫米。因此，摩擦焊不僅用來焊接毛坯，而且還可以焊接裝配好的成品。

4、焊機功率小、省電能。摩擦焊和閃光焊相比較，節省電能為80~90%左右。

5、摩擦焊的工作場地衛生，沒有火花、弧光及有害氣體，有利於環境保護，適於和其他先進的金屬加工方法一起用於自動生產線。

摩擦焊接以其優質、高效、節能、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、機械製造等新技術和傳統產業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與汽車工業中的應用舉例說明。

(1)航空航天工業

隨著現代高性能軍用航空發動機的不斷更新，其主要性能指標推重比亦不斷提高。同時對發動機的結構設計、材料及製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，在軍用航空發動機轉子部件（盤+盤、盤+軸）製造中，率先成功地採用了慣性摩擦焊接技術。美國Textron Lycoming公司生產的新型大功率T55渦輪噴氣發動機的前盤與前軸、后軸的連接都是採用盤+軸一體的摩擦焊接結構。P&W公司將摩擦焊接列為80年代發動機製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；法國海豚發動機也將摩擦焊接推廣應用於減速器錐形齒輪的焊接，等等。國外一些先進的航空發動機製造公司已將摩擦焊接作為焊接高推重比航空發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、再現性好和可信賴的焊接技術。

在飛機製造中，摩擦焊接也展現了新的應用前景。AISI4340超高強度鋼因其具有高的缺口敏感性和焊接脆化傾向，當用來製造飛機起落架時，國外規定不允許採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、拉杆的摩擦焊接。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、飛機鉤頭螺栓等均採用了摩擦焊接，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。

某太空梭三部發動機上1800個高溫合金噴射器柱全部是由摩擦焊接方法焊接到發動機上的。

(2)汽車工業

國外在汽車零配件規模化生產中，摩擦焊接技術佔有較重要的地位。據不完全統計，美國、德國、日本等工業發達國家的一些著名汽車製造公司，已有百餘種汽車零配件採用了摩擦焊接技術。

國內外在發動機雙金屬排氣閥生產中廣泛採用了摩擦焊接技術將NiCr20TiAl、5Cr21Mn9Ni4、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，特別適合於空心閥的製造。採用鍛焊複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、發電機支座、粘性傳動風扇聯軸節、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、司機側氣囊充氣器、萬向節組件、凸輪軸、水泵轂和軸、直接離合器鼓和轂組件、後橋殼管、傾斜轉向軸、叉、冷卻風扇電機殼體和軸、等速萬向節、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、空調機蓄壓器等的製造過程中均可利用摩擦焊接工藝簡化製造工藝和降低生產成本。

摩擦焊技術經過長年的發展，已經發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。

關於傳統摩擦焊的定義：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，然後迅速頂鍛，完成焊接的一種壓焊方法。

摩擦焊工藝方法已由傳統的幾種形式發展到二十多種，極大地擴展了摩擦焊接的應用領域。被焊零件的形狀由典型的圓截面擴展到非圓截面（線性摩擦焊）和板材（攪拌摩擦焊），所焊材料由傳統的金屬材料拓寬到粉未合金、複合材料、功能材料、難熔材料，以及陶瓷—金屬等新型材料及異種材料領域。