一、摩擦焊技术的发展与展望
摩擦焊技术的发展与展望
利用摩擦热焊接起源于一百多年前，此后经半个多世纪的研究发展，摩擦焊技术才逐渐成熟起来，并进入推广应用阶段。自从上世纪五十年代摩擦焊真正焊出合格焊接接头以来，就以其优质、高效、低耗环保的突出优点受到所有工业强国的重视。我国的摩擦焊研究始于1957年，发源地是哈尔滨焊接研究所，是世界上最早开展摩擦焊研究的几个国家之一，取得了很多引人注目的成果。
摩擦焊技术的主要优点归结为如下几个方面：
(1)接头质量好且稳定。焊接过程由机器控制，参数设定后容易监控，重复性好，不依赖于操作人员的技术水平和工作态度。焊接过程不发生熔化，属固相热压焊，接头为缎造组织，因此焊缝不会出现气孔、偏析和夹杂，裂纹等铸造组织的结晶缺陷，焊接接头强度远大于熔焊、钎焊的强度，达到甚至超过母材的强度;
(2)效率高。对焊件准备通常要求不高，焊接设备容易自动化，可在流水线上生产，每件焊接时间以秒计，一般只需零点几秒至几十秒，是其它焊接方法如熔焊、钎焊不能相比的;
(3)节能、节材、低耗。所需功率仅及传统焊接工艺的1/5～1/15，不需焊条、焊剂、钎料、保护气体，不需填加金属，也不需消耗电极;
(4)焊接性好。特别适合异种材料的焊接，与其它焊接方法相比，摩擦焊有得天独厚的优势，如钢和紫铜、钢和铝、钢和黄铜等等;
(5)环保，无污染。焊接过程不产生烟尘或有害气体，不产生飞溅，没有孤光和火花，没有放射线。
由于以上这些优点，摩擦焊技术被誉为未来的绿色焊接技术。
摩擦焊技术在国内的发展及应用状况
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。
1摩擦焊工艺研究与应用
目前我国摩擦焊技术的应用比较广泛，可焊接直径3.0～120mm的工件以及8000mm2的大截面管件，同时还开发了相位焊和径向摩擦焊技术，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。如高速钢—碳钢、耐热钢—低合金钢、高温和金—合金钢、不锈钢—低碳钢、不锈钢—电磁铁以及铝—铜、铝—钢等。近年来随着我国航空航天事业的发展，也加速了摩擦焊技术向这些领域的渗透，进行了航空发动机转子、起落架结构件、紧固件等材料(Ln718 Ti17 300M GH159 GH4169)以及金属与陶瓷、复合材料、粉末高温合金的摩擦焊工艺试验研究，某些电工材料的钎焊工艺也开始用摩擦焊接所取代。如电磁铁—不锈钢、钨铜合金等。目前我国采用摩擦焊接方法焊接的产品有：锅炉行业的蛇形管摩擦焊接，阀门行业的阀门法兰和阀体密封座的摩擦焊接，轴瓦行业的止推边轴瓦的摩擦焊接，工具行业的钻头、铣刀、铰刀的刃部与柄部的摩擦焊接，汽车及机车行业发动机的双金属排气阀、气门顶杆、柴油机预热室喷咀、半轴、扭力管、内燃机增压器涡轮轴，潜水电泵转轴，紫铜不锈钢水接头，铝铜过渡接头，纺织机梭子芯，关节轴承，泥瓦工具，地质钻杆，石油钻杆、实心、空心抽油杆，航空发动机集成齿轮，木工多用机床上的刀轴等等。
2理论研究及工程应用
我国科技人员对摩擦焊接表面高温塑性金属层的形成、流动、扩展和焊接接头形成机理，摩擦焊接的能量转换及过程控制，大截面石油钻杆摩擦焊接工艺和强韧性控制，摩擦焊接接头灰斑缺陷形成机制及焊接接头断口形貌与断裂应变，铝—铜薄壁管摩擦焊接机理与接头性能和焊缝化合物相形成机制等方面进行了较深入地基础理论研究工作。
在工程应用上针对急待解决的一系列问题开展了摩擦焊技术研究的课题。其中摩擦焊接头形变热处理的工艺试验研究是一项有代表性的应用科学研究工作，这项研究率先在摩擦焊领域中引入形变强化与相变强化相结合通过改变传统的连续驱动摩擦焊过程，把焊接工艺同焊后热处理工艺实行工序兼并，利用焊接余热和刹车能耗在摩擦焊机上直接对摩擦焊接头进行形变热处理，机上配备的热处理装置可以更有效地实现相变条件的控制，这样就可以把摩擦焊过程中高温形变引入的'大量位错等用淬火相变牢固地钉扎住，充分发挥形变强化与相变强化的双重作用取得的以往用单一方法不能达到的强韧化效果。实现了在不降低接头强度的前提下，韧性超过调质母材的水平，这套技术不仅提高了焊接质量而且简化了工艺，减少了焊后热处理的加热次数，降低了成本。该项研究成果处于世界领先地位，目前在抽油杆、油管的生产和钻杆的修复上进行了推广应用。为控制铝—铜过渡接头脆性层的产生，研究了低温摩擦焊并应用于生产。近年来对超塑性温度范围内相变温度以下摩擦焊进行了研究，并取得了阶段性成果;在焊接质量监控方面，先后研制了摩擦焊功率极值控制仪及微机质量监控装置。微机质量监控装置是对焊接过程的轴向压力、主轴转速、摩擦扭矩、焊件轴向缩短量、时间、焊接温度及形变热处理温度等影响焊接接头质量的主要参数的变化进行监控。在新材料的焊接性，摩擦焊接信息过程与传感技术，摩擦焊接参数计算和实时监测与闭环控制，摩擦焊缝缺陷形成机制与力学行为，摩擦焊接头强韧性控制，摩擦焊接物理参量场(温度场，应力应变场)数值模拟，以及高速摄影、频谱分析等相关试验技术等方面也开展了较系统深入的研究工作。
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)、紫铜、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、镁合金和黑色金属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。
3摩擦焊机的生产与相关技术
我国现有六百余台摩擦焊机，绝大部分是连续驱动摩擦焊机。近年来由于加强了与德国KUKA、日东株氏会社、美国MTI公司等摩擦焊机制造公司的交流与引进样机，焊机先后采用了液压马达驱动的主轴系统，串联轴承组——平衡油缸液力平衡旋转活塞，多片式粉末冶金涂层离合器，滚动导轨和可编程序控制器(PLC)控制等多项先进技术，使焊机制造水平有了较大的提高。
随着实际生产的需要。国内对于其它型式的摩擦焊机也进行了研制，如长春焊接设备厂研制了小吨位的惯性焊机，相位摩擦焊机，哈尔滨焊接研究所研制了具有形变热处理功能带机上淬火装置及自动去飞边装置的混合式摩擦焊机，变频调速相位摩擦焊机。哈尔滨量具刃具厂研制了20T双头摩擦焊机，中国兵器工业第五九研究所研制了小吨位径向摩擦焊机，北京赛福斯特技术有限公司研制了系列搅拌摩擦焊机等等，这些焊机有的技术指标和制造水平已达到或接近国外同类焊机的水平。
面对国内市场的需要，摩擦焊机的生产也在向系列化方向发展，目前国内生产的焊机最大吨位是1250kN，最小是5KN。总之，在国内的焊机系列中，变型少，品种也比较单一，还没有巨型机和微型机。与焊机相配套的去飞边装置，自动上下料装置，焊后热处理，无损检测装置等虽有不同的类型，但是这些还比较专业化，没有形成标准通用的系列，有待不断的完善。我国也有了自己的摩擦焊机行业标准，随着制造技术的提高，这个标准也将有待向着较高水平方向修订。
摩擦焊技术发展的展望
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。
1材料的焊接性
主要瞄准那些难以熔焊的及新兴的焊接材料的焊接，象钛合金与不锈钢的摩擦焊接、钛与铝的摩擦焊接、纯钛与纯铜的摩擦焊接、高熔点材料的摩擦焊接、轻金属的摩擦焊接、粉末合金材料的摩擦焊接、新兴材料的摩擦焊接、铸造合金的摩擦焊接、钢材与活性金属的摩擦焊接等等材料的摩擦焊接性研究。对材料摩擦焊接物理、化学、力学冶金的基础理论进一步深入研究，拓宽摩擦焊可焊材料领域。
2摩擦焊方法
今后5—10年要加大力度开发一些新的摩擦焊方法，逐步完善并扩大其应用范围。
(1)相位摩擦焊
可实现有相位要求的工件的摩擦焊接，扩大了摩擦焊的应用领域。目前生产中对如六方形断面的零件、八方钢、汽车操作杆、花键轴、拨叉、两端带法兰的轴等均要求采用相位摩擦焊。在电控技术和机械技术高度发展的前提下，为大吨位相位摩擦焊机的研制提供了可能。
(2)线性摩擦焊
线性摩擦焊技术，是两个工件以一定的频率和振幅进行往复运动产生热量进行的焊接，它可以将方形、圆形、多边形截面的金属或塑料焊接在一起。它可以焊接更不规则截面的构件，象叶片与涡轮等，以后要深入开展线性摩擦焊机原理、振动系统动力学等的研究，为研制大吨位的性摩擦焊机作准备。
(3)径向摩擦焊
径向摩擦焊由于其引入中间旋转加压圆环，不仅改变了摩擦面的方向，焊件也由相对旋转加压变为相对固定加压，它非常适合于长管子的焊接，同时它还可以把薄壁铜环焊接到弹体外壁上，能够使军工产品升级换代。今后要加强径向摩擦焊机理和瞬间大流量液压系统的研究，为大吨位径向摩擦焊机的研制奠定理论基础。
(4)搅拌摩擦焊
搅拌摩擦焊技术是1991年英国焊接研究所发明的固相连接技术，它在航空、航天、船舶、海洋工业、武器装备以及高速列车等领域的轻结构制造中的应用研究得到广泛开展。同时也引起了我国科技工作者的高度重视，先后开展了一些搅拌摩擦焊的研究工作，今后要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展开更加深入的研究。拓展搅拌摩擦的材料焊接范围，特别是要加强异种材料搅拌摩擦的研究，进一步扩大搅拌摩擦焊的工程应用。同时还要对摩擦堆焊、第三体摩擦焊和嵌入摩擦焊开展研究。
3摩擦焊设备与工程应用
随着摩擦焊技术的广泛应用，摩擦焊设备也得到了迅速的发展，2000年不完全统计全世界共有5000多台摩擦焊机用于焊接生产。
为了适应大型和特殊部件的焊接，要研制我国的大型和微型的摩擦焊机。为适应特种用途还要开发惯性摩擦焊、径向摩擦焊，搅拌摩擦焊、双头摩擦焊，立式摩擦焊及水下摩擦焊等多种特种摩擦焊机。在制造及监控技术方面要本着柔性和自动化来设计。焊机可附加很多自动化设备和加工装置，从而创造出一个高度柔性和自动化的完整系统，以适应用户的各种要求。为强化焊接过程质量保证，除了时间控制、变形量控制、能量控制外，还要开发特殊过程控制技术。如摩擦扭矩和声发射监控技术等。
为了适应焊接生产的自动化要求，要加强相关技术及外围设备的研究。如不同类型的去飞边装置、机器人或其他上下料装置、热处理及无损检验技术，工件可在焊前或焊后在焊机上进行机加工，有的甚至可进行CNC加工。使之在生产线上可靠运行。还可与柔性制造系统(FMS)配合使用。
今后汽车工业将成为摩擦焊最具活力的市场，使用摩擦焊焊接的零部件有涡轮增压器，安全气囊的增压泵，变速器和齿轮箱的驱动轴、后桥、排气阀、气动制动用凸轮等。在工程机械方面，摩擦焊主要用来焊接液压传动部件，如液压缸，活塞杆，尤其是法兰与阀体的焊接，另外在履带支重轮，减震器和齿轮泵转子制造中也可以采用摩擦焊。
要加大对飞机起落架的管与拉杆的摩擦焊接，直升飞机起落架旋翼主传动轴的合金齿轮与高镍合金钢管轴、双金属铆钉、飞机钩头螺栓等摩擦焊研究。逐步扩大摩擦焊应用领域。
结论
纵观国内外摩擦焊发展现状，我国与国际先进水平相比，还很落后。摩擦焊技术在国内的研究开发、推广应用的工作还不能满足国民经济飞速发展的需要，面对国内市场的需求，国际竞争的日益激烈，我国广大摩擦焊科技工作者，任重道远。为适应我国科技发展的需求和缩短同国外同类产品的差距，为加快实现我国摩擦焊技术的现代化。实现摩擦焊技术自身发展的同时，加强同其它学科与边缘学科的结合。愿我们携起手来，用我们的奉献托起我国摩擦焊的今天与未来。
;二、超声波焊接和振动摩擦焊有什么区别
超声波焊多用于塑料制品，靠将超声波传递到待焊件上并压紧，使待焊件结合部位预设的少量塑料在超声波振动作用下熔化（厚塑料制品，薄的如无纺布则不必）并再压力作用下与另一待焊件熔粘成一体。塑料制品形状受限制少，固定简单，无需待焊件运动。
摩擦焊靠两待焊件相对旋转或往复运动，并施加垂直于两待焊件摩擦面的压力，使紧密接触的两待焊件摩擦面因摩擦生热而熔粘成一体。
三、摩擦焊接技术的特点有哪些
摩擦焊接技术的特点
⑴固态焊接
摩擦焊接过程中，被焊材料通常不熔化，仍处于固相状态，焊合区金属为锻造组织(图5-4)。与熔化焊接相比，在焊接接头的形成机制和性能方面，存在着显著区别。首先，摩擦焊接头不产生与熔化和凝固冶金有关的一些焊接缺陷和焊接脆化现象，如粗大的柱状晶、偏析、夹杂、裂纹和气孔等；其次，轴向压力和扭矩共同作用于摩擦焊接表面及其近区，产生了一些力学冶金效应，如晶粒细化、组织致密、夹杂物弥散分布，以及摩擦焊接表面的“自清理”作用等；再者，摩擦焊接时间短，热影响区窄，热影响区组织无明显粗化。上述三方面均有利于获得与母材等强的焊接接头。这一特点是决定摩擦焊接头具有优异性能的关键因素。
⑵广泛的工艺适应性
上述特点亦决定了摩擦焊接对被焊材料具有广泛的工艺适应性。除传统的金属材料外，还可焊接粉未合金、复合材料、功能材料、难熔材料等新型材料，并且特别适合于异种材料，如铝—铜、铜—钢、高速钢—碳钢、高温合金—碳钢等的焊接，甚至陶瓷—金属、硬质合金—碳钢、钨铜粉末合金—铜等性能差异非常大的异种材料亦可采用摩擦焊接方法连接。因此，为了降低结构成本或充分发挥不同材料各自性能优势而采用异种材料结构时，摩擦焊接是解决连接问题的优选途径之一。对某些新材料，如高性能航空发动机转子部件采用的U700高铝高钛镍基合金和飞机起落架采用的AISI4340(300M)超高强钢等，由于合金元素含量较高，采用熔化焊接可能在焊接或焊后热处理过程中产生裂纹，熔焊焊接性较差，而摩擦焊接已被确认为是焊接这类材料最可靠的焊接方法。
摩擦焊接还具有广泛的结构尺寸和接头形式适应性。现有的摩擦焊机可以焊接截面积为1~161 000 mm2的中碳钢工件。可用于管对管、棒对棒、棒对管、棒(管)对板的焊接，也可将管和棒焊接到底盘及突出部位，在任何位置都可以实现准确定位。
⑶焊接过程可靠性高
摩擦焊接过程完全由焊接设备控制，人为因素影响很小。焊接过程中所需控制的焊接参数较少，只有压力、时间、速度和位移。特别对国外广泛采用的惯性摩擦焊接，当飞轮转速被设定时，实际上只需控制轴向压力一个参数，易于实现焊接过程和焊接参数的自动控制，以及焊接设备的自动化，从而使焊接操作十分简便，焊机运行和焊接质量的可靠性、重现性大大提高。将计算机技术引入到摩擦焊接过程控制中，对焊接参数进行实时检测与闭环控制，可进一步提高摩擦焊接过程的控制精度与可靠性。摩擦压力控制精度可达±0.3MPa，主轴转速控制精度可达±0.1%。
⑷焊件尺寸精度较高
由于摩擦焊接为固态连接，其加热过程具有能量密度高、热输入速度快以及沿整个摩擦焊接表面同步均匀加热等特点，故焊接变形较小。在保证焊接设备具有足够大的刚性、焊件装配定位精确以及严格控制焊接参数的条件下，焊件尺寸精度较高。焊接接头的长度公差和同轴度可控制在±0.25 mm左右。
⑸高效
据美国G.E.公司(即通用电气公司)报道[8]，采用惯性摩擦焊接TF39航空发动机大截面、薄壁(直径为610 mm，壁厚为3.8 mm)压气机盘时，其焊接循环时间仅需3 s左右；美国HUGHES(休斯)公司焊接高强度、大截面石油钻杆(直径127 mm，壁厚为15 mm)的焊接循环时间也只需15 s左右。一般说来，摩擦焊接的生产效率要比其它焊接方法高一倍至一百倍，非常适合于大批量生产。若配备有自动上下料及焊前、焊后辅助工序的机械化装置，生产效率会进一步提高。
⑹低耗
摩擦焊接不需要特殊的焊接电源，所需能量仅为传统焊接工艺的20%左右，亦不需要填加其它消耗材料，如焊条、焊剂、电极、保护气体等，因此是一种节能、低耗的连接工艺。
⑺清洁
摩擦焊接过程中不产生火花、飞溅、烟雾、弧光、高频和有害气体等对环境产生影响的污染源，是一种清洁的生产工艺。
另外，摩擦焊接还具有易于操作、对焊接面要求不高等优点。其局限性是受被焊零件形状的限制，即摩擦副中一般至少要求一个零件是旋转件。目前主要用于圆柱形轴心对称零件的焊接。但近期研究的相位控制摩擦焊接、线性摩擦焊接、搅拌摩擦焊接等成功地解决了轴心不对称且具有相位要求的非圆柱形构件乃至板件对接等焊接问题，进一步扩大了摩擦焊接的应用范围。
总之，摩擦焊接是一种优质、高效、低耗、清洁的先进焊接制造工艺，在高新技术产业和传统产业部门具有巨大的技术潜力和广阔的市场应用前景。通过与计算机、信息处理、软件、自动控制、过程模拟、虚拟制造等高技术的紧密结合，摩擦焊接正在以高新技术面貌展现在人们面前。
