摩擦焊技术：绿色环保、高效减排、降低成本

摩擦焊是在压力作用下，通过待焊界面的摩擦使界面及其附近温度升高，材料的变形抗力降低、塑性提高、界面的氧化膜破碎，伴随着材料产生塑性变形与流动，通过界面上的扩散及再结晶冶金反应而实现连接的固态连接方法。图5-17所示为传统摩擦焊接过程示意图。

图5-17 传统摩擦焊接过程示意图

当两个圆形截面焊件进行摩擦对接焊时，首先使焊件1以中心线为轴高速旋转；然后将焊件2向焊件1方向移动、接触，并施加一定的轴向压力，接触端面就开始摩擦并产生热量；当达到给定的摩擦时间或规定的摩擦变形量，即接头加热达到焊接温度时，立即停止焊件1的转动，同时施加更大的顶锻压力，进行顶锻完成焊接。焊接过程不加填充金属，不需要焊剂或保护气体，全部焊接过程只需要几秒钟。

根据焊件的相对运动形式或工艺特点，对摩擦焊进行分类，如图5-18所示。

图5-18 摩擦焊工艺方法分类

摩擦焊具有焊接质量好且稳定，可焊接大多数同种和异种金属，焊接时间短、生产率高，焊件尺寸精度高、成本低等优点。

一般说来，摩擦焊的生产效率要比其他焊接方法高1～100倍，适合于大批量生产。例如发动机排气门双头自动摩擦焊机的生产率可达800～1200件/h。对于外径φ127mm、内径φ95mm的石油钻杆与端头的焊接，采用连续驱动摩擦焊，仅需要十几秒钟就能完成。

由于摩擦焊节省电能，接头焊前不需特殊处理，焊接时不需要填充材料和保护气体，加工成本显著降低。如载货汽车推进轴用摩擦焊代替CO₂气体保护焊，成本降低约30%。给定焊接条件后，操作简单，对焊工的技艺水平要求不高，整体机械化、自动化程度高。

和闪光焊相比，摩擦焊焊机功率小，电功率和能量仅为1/10～1/5。焊接时不产生烟雾、弧光以及有害气体等，不污染环境。

搅拌摩擦焊作为一种很有潜力的焊接技术，由于其原理简单、高效、污染小、焊接消耗材料少等诸多优点，将应用于更广的领域。搅拌摩擦焊焊接工艺如图5-19所示。

图5-19 搅拌摩擦焊焊接工艺

1.接头形式 通常搅拌摩擦焊采用平板对接和搭接形式进行焊接，也可实现多种接头的焊接，如多层对接、多层搭接、T形接头、V形接头、角接等，并在实际工业制造中得到了应用，如图5-20所示。(www.xing528.com)

图5-20 搅拌摩擦焊接头形式

由图5-20d所示可以看到，多重板可实现一次焊接，焊接质量和效率高，这是搅拌摩擦焊的一大优点。

2.焊接速度 搅拌摩擦焊焊接速度是根据搅拌头的形状和被焊金属来定。几乎与熔化极惰性气体保护焊（Metal Inertgas Welding，MIG）相同，或比MIG稍快一些，一般为30～100cm/min。

例如，在板厚为5mm时，焊接铝的速度最大为700mm/min；焊接铜的焊速为100mm/min；焊接铝合金时焊速处于500～150mm/min范围内。

3.铝合金搅拌摩擦焊 以铝合金搅拌摩擦焊接为例，目前已经在飞机、火箭、快艇、邮轮、火车车厢等铝合金结构制造领域得到广泛应用，已成功应用于Al-Cu合金、Al-Mg合金、Al-Mg-Si合金、Al-Zn-Mg合金及Al-Li合金等，图5-21所示为中国搅拌摩擦焊中心采用搅拌摩擦焊生产的铝合金产品。

对于厚度为12.5mm的Al-Si-Mg铝合金材料的搅拌摩擦焊，可单道焊双面成形，总功率输入约为3kW；焊接过程不需要填充焊丝和惰性气体保护；焊前不需要开坡口和对材料表面作特殊的处理，有利于实现全位置焊接以及高速连接，是一种高效、节能的连接方法。

英国焊接研究所开发的单道100mm厚铝合金板材的搅拌摩擦焊技术，相对于熔焊（必须采用多道焊），焊接效率得到很大提高。

图5-21 搅拌摩擦焊生产的铝合金产品

北京赛福斯特技术有限公司针对大厚度铝合金板的搅拌摩擦焊，开展搅拌头设计、工艺参数优化和专用设备研制等工作，已成功实现了单道40mm、双道70mm厚5A06/5A05（LF6/LF5）铝合金板的搅拌摩擦焊连接，接头性能达到母材的75%以上。与以往采用MIG相比，搅拌摩擦焊接头质量显著提高，变形量小，且操作简单，同时无需填充焊丝和使用保护气体，整个焊接过程绿色环保，制造成本降低，生产效率大幅提高。图5-22所示为70mm铝合金搅拌摩擦焊大厚板。

图5-22 70mm铝合金搅拌摩擦焊大厚板