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摘要：从工艺原理、特点及生产应用及效果等方面，介绍了利用摩擦热焊接的连续驱动摩擦焊接技术。这种高质量低成本的焊接工艺，在生产中具有诱人的前景。
关键词：驱动摩擦焊 原理 工艺特点 应用 发展现状
中图分类号：TG4 文献标识码：A 文章编号：1007-3973(2011)001-030-02
近年来为了适应新材料与新结构的应用，国内外在摩擦焊接及相关技术方面取得了重大进展。其中以线性摩擦焊、摩擦堆焊、搅拌摩擦焊、摩擦塞焊等被认为是“科学摩擦”的先进摩擦焊接技术最具代表性的技术。。这不仅扩展了摩擦焊的应用范围，而且提高了焊接件的整体性能和可靠性。
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，也取得了很多引人瞩目的成果。随着国内摩擦焊接技术的成熟，摩擦焊接设备也逐渐被应用到各个工业中，如航空、航天及核工业等高新技术领域。
1 连续驱动摩擦焊原理
连续驱动摩擦焊接是最典型的摩擦焊接方法，其原理是在摩擦压力的作用下被焊界面相互接触，通过相对运动进行摩擦，使机械能转变为热能，利用摩擦热去除界面的氧化物，在顶锻力的作用下形成可靠接头，具体过程如下图所示。
2 连续驱动摩擦焊工艺特点
由于连续驱动摩擦焊过程中热输入相对于熔焊过程较小，接头部位不存在金属熔化，是一种固态焊接过程，在合金中保持母材的冶金性能。其主要优点如：
(1)焊缝是在塑性状态下挤压而成，避免了熔焊时熔池凝固过程产生的裂缝、气孔等缺陷：
(2)压力与扭矩的力学冶金效应使得晶粒细化、组织致密、夹杂物弥散分布，不仅接头质量高，而且再现性好；
(3)焊件被刚性固定，固态焊加热温度低，故焊件不易变形，对较薄铝合金结构的焊接极为有利，也是熔焊方法难以做到的；
(4)适合异种材料焊接。通常认为不可组合或很难焊的金属材料，如铝，钢、铝，铜、钛，铜等都可以进行摩擦焊：
(5)焊件尺寸精度高；
(6)成本低，环境清洁、安全。
在实际应用中摩擦焊工艺也有如下缺点与局限性：
(1)待焊工件必须有一个工件能绕其对称轴旋转，因此对非圆形截面的工件或形状及组装位置己确定的构件或盘状薄零件等，施焊困难；
(2)工件加工与对准要求严格，工件截面较大时不易保证均匀摩擦与加热：
(3)接头焊后产生飞边，需进行机械去除；
(4)夹紧部位易产生划伤或夹持痕迹等。
3 连续驱动摩擦焊的应用及发展现状
国外摩擦焊机施力系统一般为电伺服控制系统，焊机控制软件设计很完善，广泛采用windows平台，集过程控制和焊接数据管理于一体，可实现摩擦焊接过程的实时控制、参数设置、曲线显示，并且提供了如自故障诊断、联网、历史数据管理等功能。德国Thompson(TFW)公司生产的摩擦焊机配置了可编程控制器和工业计算机，可以实现焊接回放，并记录焊接循环过程参数。美国MTI公司设计的通用式(连续驱动和惯性)摩擦焊机采用了液压比例控制技术，实现了连续驱动焊和惯性焊的转换；并在2004年芝加哥国际制造技术展览会上展示了专有的摩擦焊接控制包。
相对而言，国内摩擦焊接过程控制技术还较落后。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。国内生产的摩擦焊机液压系统基本都采用开关型液压控制阀，故障发生频繁，可控性差，无法进行焊接过程闭环控制，轴向压力控制精度低，限制了摩擦焊接在一些高技术产业部门的应用。焊机系列中，变型少、品种单一，无巨型机和微型机，与焊机相配套的去飞边装置，自动上下料装置，焊后热处理，无损检测装置没有形成标准通用的系列，有待不断的完善。近年来我国加强了与德国KUKA、目东株氏会社、美国MTI公司等公司的交流与合作，引进了多项先进技术，促进了摩擦焊接技术的更广泛应用及发展。戴勇波。等人针对连续驱动摩擦焊接难以建立精确模型和全参数化准确控制的特点，提出了连续驱动摩擦焊接专家系统的控制方法，利用VC++6.0开发软件，结合SQL语言和Access数据库完成功能的实现，大大提高了摩擦焊的精度和效率。
目前我国摩擦焊技术的应用比较广泛，可焊接直径3.0～120mm的工件及8000mm2的大截面管件。不仅可焊接钢、铝、铜，还可焊接线膨胀系数相差较大的异种钢和异种金属。国内外采用摩擦焊工艺的产品有阀门、钻杆、排气阀、轴承等。
石家庄内燃机公司专门针对双金属气门的连续驱动摩擦焊_工艺进行了分析，考虑了焊前处理及焊后热处理工艺的利弊，从而提供合理的摩擦焊接工艺流程及参数，提高气门的可靠性。山东渤海活塞公司为满足高性能柴油机强化和排放要求的提高，采用连续驱动摩擦焊接工艺，开发了一种新型锻钢结构活塞，研究了其摩擦焊工艺规范，并进行了小批量的生产验证，试验结果表明摩擦焊接头可以满足活塞使用性能及可靠性要求。
国内研究者将目光转向了电气行业。高压电触头是中高壓开关设备中的核心部件，对于电触头灭弧端和导电端的复合连接，国内外普遍采用真空钎焊、电子束焊、液相烧结等工艺，这些加工方法成本高、效率低，或以粗放式用材为代价，或以昂贵的设各为基础，因此在高压电气中，电触头是最为昂贵的元件之一。故有必要对电触头制造工艺进行系统分析，通过多种技术的应用，实现低成本高性能复合，促进电触头制造技术向高效、节铜、环保的方向发展。在此课题背景下，段沛林采用了粉末冶金及连续驱动摩擦焊技术的应用，制造了铜钨合金电触头，并按照相关国家标准要求，在国家权威检测部门进了物理、化学、机械性能试验，及在高压产品上进行了型式试验，试验结果全部合格；并分析了摩擦焊工艺带来的社会效益，节能效果显著。
摩擦焊接工艺在异种材料的焊接性方面表现出很大的优质。异种材料的焊接性往往容易出现脆性的金属间化合物，有发生裂纹的危险。而采用摩擦焊工艺，在压力作用下将金属表面的氧化物或其他污染物破碎并排除，且两材料的结合面不发生熔化，不产生与熔化和凝固7相关的焊接缺陷，接头附近无热影响区接头内部不会产生脆性金属间化合物。无需考虑熔焊时材料熔点相差大、易氧化、易产生裂纹和气孔等问题。因此相对来讲，摩擦焊容易获得质量高的焊接接头。对直径20mm的纯钛和纯铜棒采用摩擦焊并把摩擦压力提高到60～2575MPa，在短时间内加压就可以抑制金属间化合物的产生，并得到性能良好的接头。
4 结束语
为适应我国科技发展的需求和缩短铜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，需加强同其他学科与边缘学科的结合，加强与国外的合作与交流，来促进摩擦设备制造能力和水平的提高。
关键词：驱动摩擦焊 原理 工艺特点 应用 发展现状
中图分类号：TG4 文献标识码：A 文章编号：1007-3973(2011)001-030-02
近年来为了适应新材料与新结构的应用，国内外在摩擦焊接及相关技术方面取得了重大进展。其中以线性摩擦焊、摩擦堆焊、搅拌摩擦焊、摩擦塞焊等被认为是“科学摩擦”的先进摩擦焊接技术最具代表性的技术。。这不仅扩展了摩擦焊的应用范围，而且提高了焊接件的整体性能和可靠性。
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，也取得了很多引人瞩目的成果。随着国内摩擦焊接技术的成熟，摩擦焊接设备也逐渐被应用到各个工业中，如航空、航天及核工业等高新技术领域。
1 连续驱动摩擦焊原理
连续驱动摩擦焊接是最典型的摩擦焊接方法，其原理是在摩擦压力的作用下被焊界面相互接触，通过相对运动进行摩擦，使机械能转变为热能，利用摩擦热去除界面的氧化物，在顶锻力的作用下形成可靠接头，具体过程如下图所示。
2 连续驱动摩擦焊工艺特点
由于连续驱动摩擦焊过程中热输入相对于熔焊过程较小，接头部位不存在金属熔化，是一种固态焊接过程，在合金中保持母材的冶金性能。其主要优点如：
(1)焊缝是在塑性状态下挤压而成，避免了熔焊时熔池凝固过程产生的裂缝、气孔等缺陷：
(2)压力与扭矩的力学冶金效应使得晶粒细化、组织致密、夹杂物弥散分布，不仅接头质量高，而且再现性好；
(3)焊件被刚性固定，固态焊加热温度低，故焊件不易变形，对较薄铝合金结构的焊接极为有利，也是熔焊方法难以做到的；
(4)适合异种材料焊接。通常认为不可组合或很难焊的金属材料，如铝，钢、铝，铜、钛，铜等都可以进行摩擦焊：
(5)焊件尺寸精度高；
(6)成本低，环境清洁、安全。
在实际应用中摩擦焊工艺也有如下缺点与局限性：
(1)待焊工件必须有一个工件能绕其对称轴旋转，因此对非圆形截面的工件或形状及组装位置己确定的构件或盘状薄零件等，施焊困难；
(2)工件加工与对准要求严格，工件截面较大时不易保证均匀摩擦与加热：
(3)接头焊后产生飞边，需进行机械去除；
(4)夹紧部位易产生划伤或夹持痕迹等。
3 连续驱动摩擦焊的应用及发展现状
国外摩擦焊机施力系统一般为电伺服控制系统，焊机控制软件设计很完善，广泛采用windows平台，集过程控制和焊接数据管理于一体，可实现摩擦焊接过程的实时控制、参数设置、曲线显示，并且提供了如自故障诊断、联网、历史数据管理等功能。德国Thompson(TFW)公司生产的摩擦焊机配置了可编程控制器和工业计算机，可以实现焊接回放，并记录焊接循环过程参数。美国MTI公司设计的通用式(连续驱动和惯性)摩擦焊机采用了液压比例控制技术，实现了连续驱动焊和惯性焊的转换；并在2004年芝加哥国际制造技术展览会上展示了专有的摩擦焊接控制包。
相对而言，国内摩擦焊接过程控制技术还较落后。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。国内生产的摩擦焊机液压系统基本都采用开关型液压控制阀，故障发生频繁，可控性差，无法进行焊接过程闭环控制，轴向压力控制精度低，限制了摩擦焊接在一些高技术产业部门的应用。焊机系列中，变型少、品种单一，无巨型机和微型机，与焊机相配套的去飞边装置，自动上下料装置，焊后热处理，无损检测装置没有形成标准通用的系列，有待不断的完善。近年来我国加强了与德国KUKA、目东株氏会社、美国MTI公司等公司的交流与合作，引进了多项先进技术，促进了摩擦焊接技术的更广泛应用及发展。戴勇波。等人针对连续驱动摩擦焊接难以建立精确模型和全参数化准确控制的特点，提出了连续驱动摩擦焊接专家系统的控制方法，利用VC++6.0开发软件，结合SQL语言和Access数据库完成功能的实现，大大提高了摩擦焊的精度和效率。
目前我国摩擦焊技术的应用比较广泛，可焊接直径3.0～120mm的工件及8000mm2的大截面管件。不仅可焊接钢、铝、铜，还可焊接线膨胀系数相差较大的异种钢和异种金属。国内外采用摩擦焊工艺的产品有阀门、钻杆、排气阀、轴承等。
石家庄内燃机公司专门针对双金属气门的连续驱动摩擦焊_工艺进行了分析，考虑了焊前处理及焊后热处理工艺的利弊，从而提供合理的摩擦焊接工艺流程及参数，提高气门的可靠性。山东渤海活塞公司为满足高性能柴油机强化和排放要求的提高，采用连续驱动摩擦焊接工艺，开发了一种新型锻钢结构活塞，研究了其摩擦焊工艺规范，并进行了小批量的生产验证，试验结果表明摩擦焊接头可以满足活塞使用性能及可靠性要求。
国内研究者将目光转向了电气行业。高压电触头是中高壓开关设备中的核心部件，对于电触头灭弧端和导电端的复合连接，国内外普遍采用真空钎焊、电子束焊、液相烧结等工艺，这些加工方法成本高、效率低，或以粗放式用材为代价，或以昂贵的设各为基础，因此在高压电气中，电触头是最为昂贵的元件之一。故有必要对电触头制造工艺进行系统分析，通过多种技术的应用，实现低成本高性能复合，促进电触头制造技术向高效、节铜、环保的方向发展。在此课题背景下，段沛林采用了粉末冶金及连续驱动摩擦焊技术的应用，制造了铜钨合金电触头，并按照相关国家标准要求，在国家权威检测部门进了物理、化学、机械性能试验，及在高压产品上进行了型式试验，试验结果全部合格；并分析了摩擦焊工艺带来的社会效益，节能效果显著。
摩擦焊接工艺在异种材料的焊接性方面表现出很大的优质。异种材料的焊接性往往容易出现脆性的金属间化合物，有发生裂纹的危险。而采用摩擦焊工艺，在压力作用下将金属表面的氧化物或其他污染物破碎并排除，且两材料的结合面不发生熔化，不产生与熔化和凝固7相关的焊接缺陷，接头附近无热影响区接头内部不会产生脆性金属间化合物。无需考虑熔焊时材料熔点相差大、易氧化、易产生裂纹和气孔等问题。因此相对来讲，摩擦焊容易获得质量高的焊接接头。对直径20mm的纯钛和纯铜棒采用摩擦焊并把摩擦压力提高到60～2575MPa，在短时间内加压就可以抑制金属间化合物的产生，并得到性能良好的接头。
4 结束语
为适应我国科技发展的需求和缩短铜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，需加强同其他学科与边缘学科的结合，加强与国外的合作与交流，来促进摩擦设备制造能力和水平的提高。