摩擦焊接技術(shù)的特點(diǎn)
⑴固態(tài)焊接
摩擦焊接過(guò)程中，被焊材料通常不熔化，仍處于固相狀態(tài)，焊合區(qū)金屬為鍛造組織。與熔化焊接相比，在焊接接頭的形成機(jī)制和性能方面，存在著顯著區(qū)別。首先，摩擦焊接頭不產(chǎn)生與熔化和凝固冶金有關(guān)的一些焊接缺陷和焊接脆化現(xiàn)象，如粗大的柱狀晶、偏析、夾雜、裂紋和氣孔等；其次，軸向壓力和扭矩共同作用于摩擦焊接表面及其近區(qū)，產(chǎn)生了一些力學(xué)冶金效應(yīng)，如晶粒細(xì)化、組織致密、夾雜物彌散分布，以及摩擦焊接表面的“自清理”作用等；再者，摩擦焊接時(shí)間短，熱影響區(qū)窄，熱影響區(qū)組織無(wú)明顯粗化。上述三方面均有利于獲得與母材等強(qiáng)的焊接接頭。這一特點(diǎn)是決定摩擦焊接頭具有優(yōu)異性能的關(guān)鍵因素。
⑵廣泛的工藝適應(yīng)性
上述特點(diǎn)亦決定了摩擦焊接對(duì)被焊材料具有廣泛的工藝適應(yīng)性。除傳統(tǒng)的金屬材料外，還可焊接粉未合金、復(fù)合材料、功能材料、難熔材料等新型材料，并且特別適合于異種材料，如鋁—銅、銅—鋼、高速鋼—碳鋼、高溫合金—碳鋼等的焊接，甚至陶瓷—金屬、硬質(zhì)合金—碳鋼、鎢銅粉末合金—銅等性能差異非常大的異種材料亦可采用摩擦焊接方法連接。因此，為了降低結(jié)構(gòu)成本或充分發(fā)揮不同材料各自性能優(yōu)勢(shì)而采用異種材料結(jié)構(gòu)時(shí)，摩擦焊接是解決連接問(wèn)題的優(yōu)選途徑之一。對(duì)某些新材料，如高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子部件采用的U700高鋁高鈦鎳基合金和飛機(jī)起落架采用的AISI4340(300M)超高強(qiáng)鋼等，由于合金元素含量較高，采用熔化焊接可能在焊接或焊后熱處理過(guò)程中產(chǎn)生裂紋，熔焊焊接性較差，而摩擦焊接已被確認(rèn)為是焊接這類材料最可靠的焊接方法。
摩擦焊接還具有廣泛的結(jié)構(gòu)尺寸和接頭形式適應(yīng)性?，F(xiàn)有的摩擦焊機(jī)可以焊接截面積為1~161 000 mm2的中碳鋼工件。可用于管對(duì)管、棒對(duì)棒、棒對(duì)管、棒(管)對(duì)板的焊接，也可將管和棒焊接到底盤(pán)及突出部位，在任何位置都可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位。
⑶焊接過(guò)程可靠性高
摩擦焊接過(guò)程完全由焊接設(shè)備控制，人為因素影響很小。焊接過(guò)程中所需控制的焊接參數(shù)較少，只有壓力、時(shí)間、速度和位移。特別對(duì)國(guó)外廣泛采用的慣性摩擦焊接，當(dāng)飛輪轉(zhuǎn)速被設(shè)定時(shí)，實(shí)際上只需控制軸向壓力一個(gè)參數(shù)，易于實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程和焊接參數(shù)的自動(dòng)控制，以及焊接設(shè)備的自動(dòng)化，從而使焊接操作十分簡(jiǎn)便，焊機(jī)運(yùn)行和焊接質(zhì)量的可靠性、重現(xiàn)性大大提高。將計(jì)算機(jī)技術(shù)引入到摩擦焊接過(guò)程控制中，對(duì)焊接參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)與閉環(huán)控制，可進(jìn)一步提高摩擦焊接過(guò)程的控制精度與可靠性。摩擦壓力控制精度可達(dá)±0.3MPa，主軸轉(zhuǎn)速控制精度可達(dá)±0.1%。
⑷焊件尺寸精度較高
由于摩擦焊接為固態(tài)連接，其加熱過(guò)程具有能量密度高、熱輸入速度快以及沿整個(gè)摩擦焊接表面同步均勻加熱等特點(diǎn)，故焊接變形較小。在保證焊接設(shè)備具有足夠大的剛性、焊件裝配定位精確以及嚴(yán)格控制焊接參數(shù)的條件下，焊件尺寸精度較高。焊接接頭的長(zhǎng)度公差和同軸度可控制在±0.25 mm左右。
⑸高效
據(jù)美國(guó)G.E.公司(即通用電氣公司)報(bào)道[8]，采用慣性摩擦焊接TF39航空發(fā)動(dòng)機(jī)大截面、薄壁(直徑為610 mm，壁厚為3.8 mm)壓氣機(jī)盤(pán)時(shí)，其焊接循環(huán)時(shí)間僅需3 s左右；美國(guó)HUGHES(休斯)公司焊接高強(qiáng)度、大截面石油鉆桿(直徑127 mm，壁厚為15 mm)的焊接循環(huán)時(shí)間也只需15 s左右。一般說(shuō)來(lái)，摩擦焊接的生產(chǎn)效率要比其它焊接方法高一倍至一百倍，非常適合于大批量生產(chǎn)。若配備有自動(dòng)上下料及焊前、焊后輔助工序的機(jī)械化裝置，生產(chǎn)效率會(huì)進(jìn)一步提高。
⑹低耗
摩擦焊接不需要特殊的焊接電源，所需能量?jī)H為傳統(tǒng)焊接工藝的20%左右，亦不需要填加其它消耗材料，如焊條、焊劑、電極、保護(hù)氣體等，因此是一種節(jié)能、低耗的連接工藝。
⑺清潔
摩擦焊接過(guò)程中不產(chǎn)生火花、飛濺、煙霧、弧光、高頻和有害氣體等對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響的污染源，是一種清潔的生產(chǎn)工藝。
另外，摩擦焊接還具有易于操作、對(duì)焊接面要求不高等優(yōu)點(diǎn)。其局限性是受被焊零件形狀的限制，即摩擦副中一般至少要求一個(gè)零件是旋轉(zhuǎn)件。目前主要用于圓柱形軸心對(duì)稱零件的焊接。但近期研究的相位控制摩擦焊接、線性摩擦焊接、攪拌摩擦焊接等成功地解決了軸心不對(duì)稱且具有相位要求的非圓柱形構(gòu)件乃至板件對(duì)接等焊接問(wèn)題，進(jìn)一步擴(kuò)大了摩擦焊接的應(yīng)用范圍。
總之，摩擦焊接是一種優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、清潔的先進(jìn)焊接制造工藝，在高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)部門具有巨大的技術(shù)潛力和廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。通過(guò)與計(jì)算機(jī)、信息處理、軟件、自動(dòng)控制、過(guò)程模擬、虛擬制造等高技術(shù)的緊密結(jié)合，摩擦焊接正在以高新技術(shù)面貌展現(xiàn)在人們面前。
