摩擦焊在车辆制造的运用与讨论

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本文作者：矫洪智作者单位：机械工业第九设计研究院有限公司

1摩擦焊技术优点

传统的摩擦焊定义是利用工件接触端面在相对运动中互相摩擦所产生的热，使端部达到热塑状态，然后迅速顶锻，完成焊接的一种压力焊接方法。该种焊接方法因为没有填充金属，是工件本身金属在热塑状态形成固相连接，所以有的学者认为该方法应该称之为摩擦锻接。摩擦焊起源于100多年前的英国，经半个多世纪的研究发展，摩擦焊技术逐渐成熟起来，进入推广应用阶段。自从20世纪50年代以来，摩擦焊以其优质、高效、低耗环保的突出优点受到所有工业强国的重视。自1957年哈尔滨焊接研究所开始研究摩擦焊技术以来，摩擦焊已经在我国汽车制造、电力电气、石油钻探、工艺装备等工业部门得到广泛应用。

摩擦焊接技术的主要优点如下。a.接头质量好且稳定。焊接过程由机器控制，参数容易监控，不依赖于操作者的技术水平。接头属固相热压连接，为锻造组织，焊缝不会出现气孔、偏析和夹杂，裂纹等铸造组织结晶缺陷，焊接接头强度远大于熔焊、钎焊的强度，能够达到母材金属的强度。b.效率高。对焊件准备通常要求不高，焊接设备容易自动化，可实现大规模流水生产，每件焊接时间以秒计，一般只需零点几秒至几十秒。例如发动机排气门的摩擦焊接生产率能够达到1200件/h。c.节能、节材、低耗。所需功率仅为传统焊接工艺的1/51/15，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。d.焊接性好。能够实现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的焊接，如高速钢与碳钢、耐热钢与低合金钢、高温合金与合金钢、不锈钢与低碳钢、不锈钢与电磁铁，以及铝与铜、铝与钢等的焊接。e.环保，无污染。焊接过程不产生烟尘或有害气体，不产生飞溅，没有弧光和火花，没有放射线。

2摩擦焊技术的分类

（1）旋转摩擦焊

这种焊接方法是以一个工件的中心线为轴，相对另一个工件作旋转运动。主要用于具有圆形横断面的工件。在电控技术和机械技术高度发展的前提下，目前可实现有相位要求的工件的摩擦焊，扩大了旋转摩擦焊的应用领域。目前，生产中对如六方形断面的零件、八方钢、汽车操纵杆、花键轴、拨叉、两端带法兰的轴等均可采用相位摩擦焊。

（2）线性摩擦焊

线性摩擦焊是利用两个工件以一定的频率和振幅往复运动而产生的热量进行焊接。可以将方形、圆形、多边形截面的金属或塑料焊接在一起；也可以焊接不规则截面的构件如叶片、涡轮等。

（3）径向摩擦焊

径向摩擦焊是引入中间旋转加压圆环，从而改变摩擦面的方向，焊件也由相对旋转加压变为相对固定加压，非常适合于长管子的焊接。

（4）搅拌摩擦焊

搅拌摩擦焊是1991年英国焊接研究所发明的一种固相连接技术，是利用特殊形状的搅拌头，旋转着插入被焊零件，然后沿着零件需要焊接的界面移动，通过搅拌头相对于材料的摩擦，使处于热塑性状态的材料在热和压力的联合作用下形成致密的固相接头。在航空、航天、船舶、海洋工业、武器装备及高速列车等领域的轻结构制造中已经得到广泛应用。搅拌摩擦焊原理见图1。

（5）超声波焊接

超声波焊接是利用超声波频率产生的机械振动，在静压力下将弹性振动能量转变为工件之间的摩擦功，使母材产生形变和有限的温升，在母材不发生熔化的情况下实现连接的一种固相焊接技术。这种焊接方法在汽车微电子领域、注塑件的连接中应用广泛。

3摩擦焊在汽车工业中的主要应用

（1）旋转摩擦焊

旋转摩擦焊目前已经应用于冲焊结构车桥、气门、安全气囊、操纵杆、花键轴、拨叉、异种金属管件的焊接。最成功的应用是载货车车桥轮毂轴管的摩擦焊。冲焊车桥的壳体材料为16MnR，是低碳合金钢；轮毂轴管材料为40Cr或40MnB，是中碳合金钢，焊接时容易产生裂纹。目前，对于该处焊缝主要采用的焊接工艺有真空电子束焊接、CO2气体保护自动焊接和摩擦焊焊接。3种焊接方法的工艺性能对比见表1。3种焊接方法的经济性对比分析见表2。

从表1、表2可得出如下结论。a.摩擦焊比真空电子束焊、CO2气体保护焊的运行费用成本低，而且产量越大，摩擦焊的运行成本优势越明显。b.摩擦焊基本不产生废气、辐射，属于绿色环保工艺。c.从产品的疲劳寿命和生产效率上看，摩擦焊工艺优越于真空电子束焊和CO2气体保护焊工艺。

（2）搅拌摩擦焊

目前，汽车制造呈现出材料轻量化、多样化、高强度的发展趋势，铝合金、镁合金、塑铝复合部件等轻质材料使用的比例越来越大。目前，北美的汽车平均用铝量居世界之首，欧洲汽车工业用铝量增长最快，每辆汽车平均增加用铝26kg，增长率为28%。汽车上应用的铝部件主要为发动机、轮毂、传动装置、热交换器、轿车底盘及其零部件、防护罩和车体结构件等，其中铝合金轮毂应用最为广泛。国外采用铝合金制造的汽车零部件见表3。铝合金材料不仅密度小，具有适宜的力学性能、优异的耐腐蚀性、可焊接性能、成形性能和良好的表面处理性能等特点，而且具备特有的再生性，是汽车实现减重、节能、环保和安全的首选材料。汽车用铝具有明显的减重节能效果，是促进汽车轻量化的重要材料。铝合金材料代替传统的钢铁制造汽车，可使整车质量减轻30%~40%，例如轮毂采用铝合金比钢制轮毂轻2kg左右，1辆车至少减轻10kg。据有关部门测算，1辆车若减重10%，可相对减少6%~8%的燃油消耗，燃油效率提高5.5%。由此可见，加快铝轮毂的装车率，提升汽车铝合金应用水平，对节约能源有十分重要的意义。

搅拌摩擦焊技术刚好可以满足铝合金等轻质材料对新型连接技术的要求。目前，搅拌摩擦焊在汽车制造工业中已经实现的应用有：发动机、底盘、车身支架、铝合金轮毂、散热器、液压成形管附件、铝合金车门、发动机罩盖、行李箱盖、轿车铝合金车身框架、载货车车身轻质合金部件、燃油箱、旅行车的铝合金车身、客车车身等。使用不等厚板坯料的焊接缝合技术，可在优化结构强度和刚度设计的同时，大大减少汽车制造中的模具数量，还缩短了工艺流程。

用搅拌摩擦焊技术制造汽车轮毂的工艺流程：采用搅拌摩擦焊技术将铝合金板材焊接为筒体→将筒体采用成形技术压制成轮辋→将锻造的中心零件与锻铝制造的辐条用搅拌摩擦焊技术连接起来成为轮辐→将轮辋、轮辐采用搅拌摩擦焊技术焊接起来。见图2~图5。目前，我国铝车轮加工工艺的80%以上采用低压铸造技术。低压铸造技术的工艺流程：模具清扫→模具控温→喷膜→合型熔料→熔化、精炼→变质、除气、调温→升压→充型保压→凝固→去压→松型、开模取铸件→整形清理→初检。其中，熔炼是铸造生产的关键工序。由于铝合金在高温下会因氧化、吸气而造成烧损，夹渣气孔等缺陷，因此必须在工艺上采取合理的熔炼工艺，熔化过程要添加适量的熔剂，精炼时要通入净化气体去渣、排气，添加变质剂，细化晶粒。

对比目前我国普遍采用的铝合金轮毂低压铸造技术，搅拌摩擦焊技术具有非常明显的优点。而且与低压铸造技术生产铝车轮对比，搅拌摩擦焊工艺具有非常大的经济效益，例如建年产50万只铝车轮生产厂，采用低压铸造工艺投资总额约9700万元以上，而采用搅拌摩擦焊工艺投资总额约在5800万元左右。

4摩擦焊应用新思路的探讨

（1）薄钢板摩擦焊接设备研发的思路

白车身总成的焊接在汽车产品的焊接中是最主要的组成部分，是以薄板搭接或对接焊接为主。摩擦焊接在这方面还没有应用。笔者认为在这方面可以进行研发线性摩擦焊，尤其是在不等厚板的拼焊上可以应用。目前，不等厚板的拼焊主要有不等厚板激光拼焊技术和不等厚板滚焊（缝焊）技术，前者的质量好，但是成本高；后者成本低，但是焊缝的强度等质量参数与本体金属相差较大。如果能研发出相应的薄板线性摩擦焊接设备，替代激光拼焊设备，将是薄板焊接和摩擦焊接工艺的一大创新。笔者认为摩擦焊接还可以在凸焊螺母的焊接和螺柱（螺钉）焊接上进行研究。研发中、小功率的摩擦焊接设备，同时与机器人相配合，以实现在白车身总成焊接中的应用。

（2）在产品设计时，材料选择向适合于搅拌摩擦焊的方向发展

目前，搅拌摩擦焊适合于焊接熔点比较低的合金、塑铝复合材料、硬质塑料，如熔点在500~700℃的铝合金、镁合金等材料。在汽车产品设计时采用上述材料，既可以减轻车体质量还可以实现材料替代，以缓解钢铁材料资源日益紧缺的情况。