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钛合金整体叶盘线性摩擦焊
技术综述
北京航空制造工程研究所 姚希珍 胡 泽
采用线性摩擦焊加工整体叶盘可以节约大量的贵重
合金，可以对损坏的单个叶片进行修理；还可以将2种不
同材料焊接在一起，这样可以根据叶片、轮盘的工作条件
选用不同的材料，使转子结构的重量进一步降低。Linear Friction Welding Technology for Titanium Alloy Disc
姚希珍馆员，就职于北京航空制造工程研究所科研管理部，从事科技情报与文献管理工作。
整体叶盘是新一代航空发动机
实现结构创新与技术跨越的重要部
件。它具有减重、减级、增效并提高
可靠性等优点。美国国防部与工业
界开展的综合高性能涡轮发动机技
术计划（IHPTET）中指出：到2020
年，战斗机的涡轮都将采用整体叶盘
结构。整体叶盘与叶片和盘装配结
构相比能够减少零件重量20%以上，并能极大提高工作效率，从而节省燃
油并减少气体排放。如果进一步集
成焊接盘鼓或纵排整体叶盘，结构将
更紧凑，重量也更轻。
目前整体叶盘绝大多数采用钛
合金材料，Rolls-Royce公司指出，整
体叶盘涡轮重量最多可减少50%。
美国F-119、F-135航空发动机的
风扇和压气机均为整体叶盘结构。
F119高压压气机共6级，都是整体
叶盘结构，其中1~2级使用钛合金材
料，最初采用整体锻件铣削加工成叶
盘，最近改用叶片和盘分别加工后用
线性摩擦焊连接成整体叶盘。欧洲
EJ200发动机钛合金风扇和压气机
第一级原采用电子束焊接叶盘，后改用线性摩擦焊连接[1]。
线性摩擦焊的原理
线性摩擦焊的原理如图1所示，
线性摩擦焊焊接过程是待焊的一对
工件中，一件加持于往复运动机构
中，称为线性往复运动工件，另一件
夹持于尾座夹具中，称为移动工件。
图1 线性摩擦焊原理图44航空制造技术·2011 年第 16 期新视点NEW VIEWPOINT
焊接时往复运动工件在动力源驱动
下开始高频、小振幅往复运动，移动
目前最先进的焊接工艺，搅拌摩擦焊，你知道原理吗
搅拌摩擦焊是由英国焊接技术研究所于1991年发明的新型焊接技术，其原理如下图所示。
一根安装在主轴上的形状为蜗杆形式的搅拌针在一定压力下被插入焊缝位置，搅拌针的长度一般要比焊缝深度略浅，以此来保证主轴的轴肩能紧贴被焊接的工件表面。当工件与搅拌针和轴肩摩擦生热，焊缝附近的材料会因受热产生严重的塑性变形，但是，并不是熔化，只是成为一种“半流体”的状态，随着主轴带动搅拌针沿着焊缝的走向进给，搅拌针不断把已经处于“半流体”状态的材料搅拌到身后，当主轴离开后，这些材料将冷却固化，从而形成一条稳定的焊缝。
大家都知道，以铝合金和镁合金为代表的轻质合金是航空航天器的主要结构材料之一。然而这些轻质合金的可焊性都非常差，传统的各种熔焊工艺都无法从根本上杜绝热裂纹、气孔和夹渣等这些焊接缺陷的产生，需要靠操作者具有非常高超的技术和工艺才能保证焊接质量。并且，熔焊的高温会产生大量热量和有毒的烟气，这对操作者的身体健康也造成了很大的威胁。而搅拌摩擦焊的出现从根本上解决了这一系列问题。
其次，相较于传统熔焊工艺在焊缝附近形成重新铸造形态，搅拌摩擦焊由于主轴会给被焊接的工件部位施加一个很大的压力，所以在焊缝附近得到的是锻造形态，这种锻造形态组织比铸造形态组织致密得多，因而焊接后零件的机械性能也比传统熔焊工艺做出来的好得多。
而搅拌摩擦焊最大的优势体现在其本质是把机械能转化成焊接所需要的热能，所以可以用特定的公式相当准确的计算出焊接热及其引发的工件热变形的量，从而为事前的补偿和事后的纠正提供了几乎不依赖操作者经验的定量的依据，这是任何一种传统焊接工艺都望尘莫及的。 此外，搅拌摩擦焊不需要焊料，这节约了不少成本，因为高端焊料往往都是非常昂贵的。
当然，搅拌摩擦焊也有自身不少的局限性，比如，只适合焊接熔点相对较低的材料(如铝合金、镁合金或者铜合金);工件需要承受很大的紧固力固定在工作台上，并以很大的压紧力压紧，这可能造成额外的变形;对于不规则的异形焊缝的焊接速度较慢，搅拌针和轴肩材料损耗速度较快等。
搅拌摩擦焊实验报告
1. 实验目的
(1) 了解搅拌摩擦焊的基本原理；
(2) 了解搅拌摩擦焊的设备及其工艺流程；
(3) 初步了解焊接工艺参数对搅拌摩擦焊焊缝成形的影响。
2. 实验概述
搅拌摩擦焊方法与常规摩擦焊一样。搅拌摩擦焊也是利用摩擦热与塑性变形热作为焊接热源。不同之处在于搅拌摩擦焊焊接过程是由一个圆柱体或其他形状（如带螺纹圆柱体）的搅拌针(welding pin)伸入工件的接缝处，通过焊头的高速旋转，使其与焊接工件材料摩擦，从而使连接部位的材料温度升高软化。同时对材料进行搅拌摩擦来完成焊接的。焊接过程如图所示。在焊接过程中工件要刚性固定在背垫上，焊头边高速旋转，边沿工件的接缝与工件相对移动。焊头的突出段伸进材料内部进行摩擦和搅拌，焊头的肩部与工件表面摩擦生热，并用于防止塑性状态材料的溢出，同时可以起到清除表面氧化膜的作用。
在焊接过程中，搅拌针在旋转的同时伸入工件的接缝中，旋转搅拌头（主要是轴肩）与工件之间的摩擦热，使焊头前面的材料发生强烈塑性变形，然后随着焊头的移动，高度塑性变形的材料逐渐沉积在搅拌头的背后，从而形成搅拌摩擦焊焊缝。搅拌摩擦焊对设备的要求并不高，最基本的要求是焊头的旋转运动和工件的相对运动，即使一台铣床也可简单地达到小型平板对接焊的要求。但焊接设备及夹具的刚性是极端重要的。搅拌头一般采用工具钢制成，焊头的长度一般比要求焊接的深度稍短。应该指出，搅拌摩擦焊缝结束时在终端留下个匙孔。通常这个匙孔可以切除掉，也可以用其它焊接方法封焊住。针对匙孔问题，已有伸缩式搅拌头研发成功，焊后不会留下焊接匙孔。
焊接过程中也不需要其它焊接消耗材料，如焊条、焊丝、焊剂及保护气体等。唯一消耗的是焊接搅拌头。
同时，由于搅拌摩擦焊接时的温度相对较低，因此焊接后结构的残余应力或变形也较熔化焊小得多。特别是Al合金薄板熔化焊接时，结构的平面外变形是非常明显的，无论是采用无变形焊接技术还是焊后冷、热校形技术，都是很麻烦的，而且增加了结构的制造成本。
摩擦焊
1摩擦焊接概述：
摩擦焊接是在轴向压力与扭矩作用下，利用焊接接触端面之间的相对运动及塑性流动所产生的摩擦热及塑性变形热使接触面及其近区达到粘塑性状态并产生适当的宏观塑性变形，然后迅速顶锻而完成焊接的一种压焊方法。
摩擦焊的分类
2摩擦焊原理简介：
摩擦焊是利用金属焊接表面摩擦生热的一种热压焊接法。摩擦焊接时，通常将待焊工件两端分别固定在旋转夹具和移动夹具内，工件被夹紧后，位于滑台上的移动夹具随滑台一起向旋转端移动，移动至一定距离后，旋转端工件开始旋转，工件接触后开始摩擦加热。此后，则可进行不同的控制，如时间控制或摩擦缩短量（又称摩擦变形量）控制。当达到设定值时，旋转停止，顶锻开始，通常施加较大的顶锻力并维持一段时间，然后，旋转夹具松开，滑台后退，当滑台退到原位置时，移动夹具松开，取出工件，至此，焊接过程结束。
摩擦焊接是一种优质、高效、节能的固态连接技术，被广泛应用于航空、航天、石油、汽车等领域中。在摩擦焊接过程中，主轴转速、焊接压力、焊接时间以及焊接变形量是影响焊接质量的重要工艺参数。对这些参数实现精确的检测和控制，是获得优质焊接接头的保障。因此，研制一套控制精度高、响应速度快、具有丰富的数据处理能力且易于升一级和扩充的开放式控制系统具有重要意义。
摩擦焊流程示意图
摩擦焊具有下列优点：
（1）焊接质量好而稳定。由于摩擦焊是一种热压焊接法，摩擦不仅能消除焊接表面的氧化膜, 同时在较大的顶锻压力作用下, 还能挤碎和挤出由于高速摩擦而产生的塑性变形层中氧化了的部分和其它杂质, 并使焊缝金属得到锻造组织。
（2）摩擦焊不仅能焊接黑色金属、有色金属、同种异种金属, 而且还能焊接非金属材料, 如塑料、陶瓷等。
（3）对具有紧凑的回转断面的工件的焊接,都可用摩擦焊代替闪光焊、电阻焊及电弧焊。并可简化和减少锻件和铸件, 充分利用轧制的棒材和管材。
（4）焊件尺寸精度高。采用摩擦焊工艺生产的柴油发动机预燃烧室, 全长最大误差为士0.1毫米。专用的摩擦焊机可以保证焊件的长度公差为士0.2 毫米, 偏心度小于0.2毫米
