蘇 宇，馬鐵軍，李文亞，楊夏煒，周 軍，張學(xué)軍

（1.西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院陜西省摩擦焊接工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710072；2.機(jī)械科學(xué)研究院哈爾濱焊接研究所，哈爾濱150028；3.北京航空材料研究院，北京100095）

蘇 宇

西北工業(yè)大學(xué)碩士研究生，主要從事與摩擦焊相關(guān)的研究工作。

線性摩擦焊（Linear Friction Welding，LFW）是摩擦焊技術(shù)的一種，其焊接原理如圖1（a）所示。摩擦副中一側(cè)的工件被往復(fù)機(jī)構(gòu)驅(qū)動，在軸向壓力作用下相對于另一側(cè)被夾緊的工件沿焊接面上某一方向以一定的振幅和頻率作直線往復(fù)相對運(yùn)動，從而產(chǎn)生大量摩擦熱使焊接面軟化形成粘塑性金屬層，金屬層不斷被擠出形成飛邊，當(dāng)接頭達(dá)到一定縮短量時兩焊件迅速對中并施加頂鍛壓力完成焊接。

LFW能夠?qū)崿F(xiàn)非軸對稱復(fù)雜截面同質(zhì)及異質(zhì)材料的固相連接，有效避免熔焊中易出現(xiàn)的偏析、裂紋、氣孔等缺陷，成為目前國際公認(rèn)的理想的航空發(fā)動機(jī)整體葉盤焊接制造與維修關(guān)鍵技術(shù)[1]。圖1（b）是Rolls-Royce公司焊接的EJ200發(fā)動機(jī)風(fēng)扇整體葉盤[2]。此外，LFW拓展了旋轉(zhuǎn)摩擦焊的應(yīng)用范圍，能夠解決傳統(tǒng)熔焊方法或其他摩擦焊難焊或無法焊接的部件，可用于貴金屬復(fù)雜零件的預(yù)成形。圖1（c）為TWI開發(fā)的LFW近終型結(jié)構(gòu)件[3]，被關(guān)橋院士稱為“塊體組焊固相增材制造技術(shù)”[4]。LFW的潛在應(yīng)用包括渦輪、齒輪、導(dǎo)電板及雙金屬鑿刃，也可用來焊接大截面的塑料部件，以及塑料或金屬的復(fù)合焊件[5]，在滑輪發(fā)電機(jī)、渦輪增壓器等方面也有推廣應(yīng)用價值[6]，因此在航空航天及其他制造領(lǐng)域結(jié)構(gòu)整體化設(shè)計與制造中應(yīng)用前景非常廣闊。

圖1 LFW原理及應(yīng)用示例Fig.1 Principle and applied examples of LFW

相對旋轉(zhuǎn)摩擦焊，LFW出現(xiàn)的時間較晚。1969年英國一項(xiàng)專利主要描述了焊接低碳鋼的線性往復(fù)機(jī)構(gòu)，到了20世紀(jì)80年代，TWI、University of Bristol和 Rolls-Royce公司開始合作對LFW進(jìn)行系統(tǒng)研究，研制出LFW原型機(jī)，可用于方形、圓形、多邊形等不規(guī)則截面的金屬和塑料構(gòu)件的焊接。MTU和Rolls-Royce等公司為進(jìn)行航空發(fā)動機(jī)整體葉盤的焊接制造與修復(fù)，最先開始推動和發(fā)展了LFW新設(shè)備和新技術(shù)，并于2000年開始逐步成功應(yīng)用于不同型號航空發(fā)動機(jī)整體葉盤制造[1,7]。

航空發(fā)動機(jī)整體葉盤等重要構(gòu)件對接頭的焊接質(zhì)量與位置精度均有著很高的要求。一方面，須依靠LFW設(shè)備本體，如回位精度、裝夾精度及足夠的強(qiáng)度與剛性等來保證；另一方面，焊接過程振動頻率、振幅、摩擦壓力及頂鍛壓力等規(guī)范參數(shù)的精確控制至關(guān)重要。因此，研發(fā)高精度、高穩(wěn)定性的LFW設(shè)備及測控系統(tǒng)，有利于實(shí)現(xiàn)線性摩擦焊過程的精確控制與深入研究，對于推動LFW技術(shù)應(yīng)用于我國整體葉盤及其他重要構(gòu)件的工程制造具有重要的研究價值。

LFW設(shè)備分類

LFW設(shè)備最核心的技術(shù)是采用何種振動源輸出需要的振動頻率和振幅，以及如何實(shí)現(xiàn)精確回位對中。在LFW設(shè)備研發(fā)的歷程中，先后產(chǎn)生了3類往復(fù)運(yùn)動激勵方式的焊機(jī)，分別是：電磁式、機(jī)械式和液壓式[5]。

（1）電磁式LFW焊機(jī)。

其原理是通過電磁鐵的吸合和釋放來實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動，如圖2（a）所示。其優(yōu)點(diǎn)包括：頻率易調(diào)節(jié)，可調(diào)范圍大（最高可達(dá)2000Hz），振幅可以實(shí)時控制，易實(shí)現(xiàn)逐漸回零；主要局限性在于：推力較小，冷卻結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。因此，此類焊機(jī)不太適合金屬材料的焊接，僅限于一些需要熱輸入較小材料，如塑料件的焊接[5]。

（2）機(jī)械式LFW焊機(jī)。

原理是利用旋轉(zhuǎn)電動機(jī)加上一套將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為往復(fù)運(yùn)動并可實(shí)現(xiàn)振動回位的特殊機(jī)構(gòu)。國外最早研發(fā)用于整體葉盤焊接的機(jī)械式LFW焊機(jī)原理如圖2（b）所示[8]。系統(tǒng)由一個直流電機(jī)帶動雙曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動，軸上安裝的旋轉(zhuǎn)相位變換器可以在0°～180°之間改變兩個連桿之間的相位差來調(diào)節(jié)運(yùn)動系統(tǒng)的振幅與回位。該設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)在于往復(fù)牽引力大、成本低，能夠焊接較大截面的金屬工件，但振動與回位機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜，體積大、噪聲大、頻率偏低、控制難度大。

（3）液壓式LFW焊機(jī)。

其原理如圖2（c）所示，是利用伺服閥為振動油缸的上下腔提供交變油壓，從而產(chǎn)生往復(fù)運(yùn)動，當(dāng)上下腔油壓相等時實(shí)現(xiàn)振動回位。此類設(shè)備易于實(shí)現(xiàn)更大的焊接力，而且在很低的頻率下也可得到很大的激振力，材料適應(yīng)性較強(qiáng)，但對液壓元器件和液壓油清潔度等要求很高，對操作和維護(hù)人員的專業(yè)水平也有較高的要求[5]。

圖2 LFW設(shè)備原理圖Fig.2 Principle diagram of the LFW equipment

綜合比較上述3類LFW設(shè)備目前的技術(shù)水平[5,8-9]可得出：僅機(jī)械式和液壓式焊機(jī)適用于整體葉盤及其他金屬構(gòu)件的焊接工程制造。二者相比，液壓式焊機(jī)的振動頻率（可達(dá)200Hz以上）比機(jī)械式的頻率（一般在100Hz以下）要高，對于導(dǎo)熱非常好的材料，如鋁合金等的焊接是非常有利的。TWI曾采用液壓式焊機(jī)成功焊接了鋁合金整體葉盤模擬樣件。對于鈦合金、高溫合金以及鋼等導(dǎo)熱差的材料，機(jī)械式與液壓式焊機(jī)的振動頻率均能滿足要求。機(jī)械式焊機(jī)的振幅（可達(dá)5mm以上）比液壓式焊機(jī)的振幅（一般在3mm以內(nèi)）要大，可補(bǔ)償偏低的振動頻率，以滿足較大截面接頭焊接熱輸入的要求。

LFW設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀(jì)80年代中期，英國Rolls-Royce與德國MTU公司為研制用于歐洲戰(zhàn)斗機(jī)的發(fā)動機(jī)EJ200，開始與TWI合作研發(fā)LFW新設(shè)備。該項(xiàng)目于1985年啟動，由TWI提供技術(shù)指導(dǎo)，Allwood、Searle和Timney公司負(fù)責(zé)設(shè)計，Blacks公司負(fù)責(zé)機(jī)器制造，耗資150萬英磅，于1990年研制出世界上第一臺用于航空發(fā)動機(jī)整體葉盤制造和維修的機(jī)械式LFW焊機(jī)（圖2（b）即為其設(shè)備原理）。該設(shè)備工件分度臺可以提供+0.026°的定位精度，有一個主驅(qū)動馬達(dá)，功率89kW，可以進(jìn)行4000r/m的無級變速，振幅0～3mm，振動頻率可達(dá)75Hz，用 5～147kN 的壓力可以焊接斷面達(dá)2000mm2以上的工件。經(jīng)過近10年的焊接及相關(guān)試驗(yàn)研究，從2000年開始用于EJ200和F119等發(fā)動機(jī)部分整體葉盤的制造，以取代原來的電子束焊接[10-14]。

TWI后來擁有了一臺液壓式LFW焊機(jī)——LinFric焊機(jī)（圖3），它由8個歐洲公司合作研發(fā)而成。該設(shè)備利用液壓驅(qū)動器（與疲勞試驗(yàn)機(jī)所使用的驅(qū)動器相似）和液壓蓄能器實(shí)現(xiàn)快速能量釋放，振動頻率的范圍為25～125Hz，振幅達(dá)到±3mm，最大頂鍛力為200kN，焊接橫截面同樣可達(dá)2000mm2。液壓振蕩器還可以提供非正弦的振動曲線，可以優(yōu)化工件的幾何結(jié)構(gòu)并適用于多種焊接材料。LinFric焊機(jī)的研發(fā)旨在大幅降低LFW設(shè)備的成本，使技術(shù)更適合包括航空在內(nèi)的各種行業(yè)的潛在用戶[15]。

美國MTS公司制造的液壓式LFW焊機(jī)原理如圖2（c）所示，設(shè)計了一個完全開放的床面，可以放置較大的焊接組件。與機(jī)械式焊機(jī)相比，該設(shè)備其更加緊湊，維護(hù)成本較低[15]。該焊機(jī)頂鍛力達(dá)到40t，振動頻率達(dá)到250Hz，振幅達(dá)到±4.0mm，焊后誤差小于0.25mm，主要用于為P&W公司焊接F119發(fā)動機(jī)風(fēng)扇整體葉盤，且用于一些汽車結(jié)構(gòu)件及塑料管接頭的焊接。

2010年Moog和Thompson公司聯(lián)合研發(fā)出世界上最大的E100型LFW焊機(jī)。E100采用了立體建造模式，該方式不僅能確保線性焊接過程中的閉環(huán)監(jiān)控，還能對擺動的部件進(jìn)行高度精準(zhǔn)的最終位置控制。這種特殊設(shè)計還意味著可以將摩擦壓力和鍛壓力施加到焊接中點(diǎn)，進(jìn)而使較大的焊接力能夠均勻分布，以盡量減少焊件的形變程度。該焊機(jī)頂鍛力達(dá)到 100t、振動頻率為 20～100Hz，最大焊接面積達(dá)10000mm2，主要被用來研究生產(chǎn)噴氣發(fā)動機(jī)整體葉盤焊接的新技術(shù)。

國外LFW焊機(jī)制造商主要有美國的MTI、英國的Thompson及德國的MTU公司等[16]。在國內(nèi)，目前有3家單位擁有自主研制的LFW設(shè)備，分別是西北工業(yè)大學(xué)、中航工業(yè)北京航空制造工程研究所（625所）及哈爾濱焊接研究所。

北京625所于2006年研制成功國內(nèi)第一臺液壓式LFW設(shè)備，該設(shè)備采用電液伺服控制系統(tǒng)，振動焊件的激振力為147kN，水平方向的頂鍛力為196kN，可實(shí)現(xiàn)最大2000mm2鈦合金的焊接[17]。該設(shè)備針對航空發(fā)動機(jī)整體葉盤及多種鈦合金材料開展了LFW焊接工藝、連接機(jī)理等研究。為了推廣LFW應(yīng)用，還針對飛機(jī)的框梁等主承力結(jié)構(gòu)開展了焊接試驗(yàn)、接頭熱處理及全面力學(xué)性能測試等研究[18]。文獻(xiàn)[17]通過實(shí)際檢測得出：該設(shè)備焊后試件的振動方向、橫向及軸向誤差分別為±0.35mm、±0.1mm及±0.35mm，與國外設(shè)備3個方向誤差為±0.1mm的指標(biāo)相比還有較大差距。文中還指出，導(dǎo)致振動方向誤差的眾多因素中設(shè)備振動的影響最大，通過測試與分析提出了改進(jìn)方案。

圖3 國外LFW設(shè)備Fig.3 LFW equipment abroad

哈焊所周軍等人基于液壓驅(qū)動方式，也于2015年研制成功了最大頂鍛力30t、最大振動力15t、最高振動頻率50Hz的液壓式LFW焊機(jī)（圖4（a）），目前正在著手各項(xiàng)LFW試驗(yàn)研究。

西北工業(yè)大學(xué)自2000年啟動LFW相關(guān)研究以來，于2003年自制了一臺LFW原型試驗(yàn)裝置，2006年研制成功了具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的機(jī)械式LFW焊機(jī)（XMH-160型）。在此基礎(chǔ)上，通過技術(shù)完善與提升，于2015年又研發(fā)了新一代LFW設(shè)備（XMH-250 型，圖4（b）），其主要技術(shù)指標(biāo)為：振動頻率0～70Hz，振幅0～5mm，最大頂鍛力50t，最大鈦合金焊接面積達(dá)5000mm2。

圖4 國內(nèi)研制的LFW設(shè)備Fig.4 LFW equipment developed at home

XMH-250型LFW焊機(jī)，由驅(qū)動電機(jī)通過特殊的振動-回位機(jī)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為直線往復(fù)運(yùn)動，不僅振幅無級可調(diào)，且可實(shí)現(xiàn)振動焊件的自動回位對中。摩擦/頂鍛壓力系統(tǒng)由比例閥控制，壓力輸出精度高。采用工控機(jī)控制，振幅、頻率及摩擦壓力均可通過數(shù)字調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)在線變幅、變頻及變壓力焊接工藝，對不同接頭尺寸、不同材料零件的焊接具有很高的工藝適應(yīng)性。測控系統(tǒng)通過高精度傳感測量及高速數(shù)據(jù)采集技術(shù)，可對軸向壓力、摩擦力、振動波形、變形量及摩擦功率等全過程參量的變化曲線進(jìn)行采集、顯示及輸出，不僅可用于LFW過程深入研究，還有利于焊接參數(shù)優(yōu)化。目前，上述兩臺焊機(jī)完成了鈦合金、鎳基高溫合金、單晶高溫合金、碳鋼等多種材料[19]及鈦合金整體葉盤模擬件（圖5）的LFW及相關(guān)試驗(yàn)研究。

圖5 鈦合金整體葉盤模擬件Fig.5 Simulation specimen of titanium alloy blisk

盡管國內(nèi)外目前主推液壓式LFW設(shè)備，但西工大研制的機(jī)械式焊機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，制造與維修成本較低，焊接過程穩(wěn)定、可靠，測控系統(tǒng)功能完備，操作方便，不僅能實(shí)現(xiàn)整體葉盤的焊接，也有利于在其他制造業(yè)的推廣。

LFW設(shè)備的不足及展望

LFW打破了傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)摩擦焊只限于焊接圓或管截面焊件的局限，極大地拓展了摩擦焊接的應(yīng)用范圍，但是設(shè)備成本較高、技術(shù)難度大，在工業(yè)方面的成熟應(yīng)用還僅限于航空發(fā)動機(jī)整體葉盤制造領(lǐng)域，因此，大幅降低設(shè)備制造成本是實(shí)現(xiàn)線性摩擦焊技術(shù)大面積推廣的努力方向之一；國內(nèi)設(shè)備在接頭焊后軸向與周向等精度等方面與國外還存在一定的差距，還需要在設(shè)備本體結(jié)構(gòu)與焊接過程測控技術(shù)上不斷改進(jìn)；另外，隨著新材料的出現(xiàn)以及應(yīng)用部門對接頭性能要求的增加，還需要進(jìn)一步在材料與結(jié)構(gòu)的焊接工藝性、接頭性能與服役可靠性、大噸位焊接設(shè)備及高精度控制、數(shù)字化/智能制造等方面開展更加深入的研究。

[1] 張海艷，張連鋒,航空發(fā)動機(jī)整體葉盤制造技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展概述[J],航空制造技術(shù),2013(S2):38-41.

ZHANG Haiyan,ZHANG Lianfeng.Development overview of aeroengine integral blisk and its manufacturing technology at home and abroad[J],Aeronautical Manufacturing Technology,2013(S2): 38-41.

[2] GARCíA A M M,BLISK fabrication by linear friction welding[M],Rijeka: InTech,2010.DOI: 10.5772/21278.

[3] ADDISON A C,Linear friction welding information for production engineering[C],TWIIndustrial Members Report,Cambridge,UK,2010.

[4] GUAN Q,Generalized additive manufacturing based on welding/joining technologies[J],The Paton Welding Journal,2013(10-11): 33-37.

[5] 欒海英,電液伺服控制線性摩擦焊系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究[D],北京: 機(jī)械科學(xué)研究總院,2007.

LUAN Haiying,Study on the key techniques of the electric-hydraulic servo control linear friction welding system [D],Beijing: Mechanical Science Research Institute,2007.

[6] 劉家富,整體葉盤結(jié)構(gòu)及制造工藝[J],航空科學(xué)技術(shù),1998(6): 23-25.

LIU Jiafu,The structure and manufacturing process of blisk[J],Aeronautical Science and Technology,1998 (6): 23-25.

[7] 張?zhí)飩}，韋依，周夢慰，等,線性摩擦焊在整體葉盤制造中的應(yīng)用[J],航空制造技術(shù),2004(11): 56-58.

ZHANG Tiancang,WEI Yi,ZHOU Mengwei,et al,The application of linear friction welding in the manufacture of bisk[J].Aeronautical Manufacturing Technology,2004(11): 56-58.

[8] 郭勁松,整體葉盤線性摩擦焊接過程動態(tài)仿真[D],西安: 西北工業(yè)大學(xué),2003.

GUO Jinsong,Dynamic simulation of linear friction welding process of blisk[D],Xi’an:Northwestern Polytechnical University,2003.

[9] 溫國棟,異種鈦合金線性摩擦焊溫度場、微觀組織及性能研究[D],西安: 西北工業(yè)大學(xué),2014.

WEN Guodong,Study on temperature field、microstructure and properties of linear friction welded titanium alloy joint[D],Xi’an:Northwestern Polytechnical University,2014.

[10] 朱瑞峰,白鋼,蘇利龍,等,線性摩擦焊及其研究應(yīng)用現(xiàn)狀[J],熱加工工藝,2009,38(9): 100-103.

ZHU Ruifeng,BAI Gang,SU Lilong,et al.Linear friction welding and its status of research and application[J],Hot-working Technology,2009,38(9): 100-103..

[11] 石文,德國MTU公司研究的整體葉盤結(jié)構(gòu)[J],國際航空,1997(10): 57-58.

SHI Wen,The blisk researched by Germany MTU company[J],International Aviation,1997(10): 57-58.

[12] NUNN M E,Aero Engine improvements through linear friction welding[C].The 1st International Conference on Innovation and Integration in Aerospace Sciences,Northern Ireland,UK,2005: 4-5.

[13] STEFFENS K,WILHELM H,Next engine generation: materials,surface technology,manufacturing processes[R],MTU Aero Engine Report,2003: 1-17.

[14] 陳光,新技術(shù)，新工藝和新材料的結(jié)晶普惠公司研制的F119發(fā)動機(jī)[J],國際航空,2000(7): 57-59.

CHEN Guang,The crystallization of new technique,new technology and new material-F119 engine developed by Pratt & Whitney [J].International Aviation,2000(7): 57-59.

[15] SHTRIKMAN M M,Linear friction welding[J],Welding International,2010,24(7):563-569.

[16] CHAMANFAR A,JAHAZI M,CORMIER J ,A review on inertia and linear friction welding of Ni-based superalloys[J].Metallurgical and Materials Transactions A,2015,46(4): 1639-1669.

[17] 李輝，張?zhí)飩}，江樂天,線性摩擦焊設(shè)備的振動測量和分析[J],航空制造技術(shù),2015(11):105-108,118.

LI Hui,ZHANG Tiancang,JIANG Letian.Vibration measurement and analysis of linear friction welding equipment [J],Aeronautical Manufacturing Technology,2015(11):105-108,118.

[18] 許平，畢世權(quán)，蘇智星,等,TA15鈦合金線性摩擦焊在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用研究[J],航空制造技術(shù),2015(17): 69-72,78.

XU Ping,BI Shiquan,SU Zhixing,et al.Application on linear-friction welding of TA15 titanium alloy applied to aircraft structure[J].Aeronautical Manufacturing Technology,2015(17): 69-72,78.

[19] LI W Y,VAIRIS A,PREUSS M,et al,Linear and rotary friction welding review[J].International Materials Reviews,2016,61(2): 71-100.