固态焊接技术要点.docx

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1、【中文摘要】焊接技术水平是一个国家机械制造和科学技术发展水平的重要标志之一。 随着材料科学的发展，越来越多的焊接技术发展并应用于各个领域，焊接技术的 发展和应用直接关系到产品的质量和性能，随着焊接技术的日趋成熟，在此基础 上一些新的焊接技术也诞生，比如本文所要谈的固态焊接技术。本文主要介绍现阶段固态焊接技术的现状，以及在材料科学发展的基础上 诞生的固态焊接技术在一些科技领域的具体应用，并通过对各种固态焊接方法的 原理进行分析揭示其各自的优越性及其应用工况,最后对固态焊接技术的发展趋 势进行了展望。【关键词】固态焊接技术 工艺 材料 发展趋势应用目录一、 焊接技术的发展历史1二、 固态焊接技术4

2、（一）材料科学的发展4（二）固态焊接技术的概念5（三）固态焊接技术的形式6三、固态焊接技术的原理及特点6（一）电阻焊6（二）超声波焊8（三）摩擦焊8（四）扩散焊9（五）电磁焊10四、固态焊接技术的应用11（一）惯性摩擦焊的应用11（二）线性摩擦焊的应用12（三）扩散焊的应用13五、固态焊接技术的发展趋势14六、参考文献16七、致谢18一、焊接技术发展史19世纪80年代，焊接只用于铁匠锻造上。工业化的发展和两次世界大战的爆 发对现代焊接的快速发展产生了影响。基本焊接方法一电阻焊、气焊和电弧焊都 是在一战前发明的。但20世纪早期，气体焊接切割在制造和修理工作中占主导地 位。过些年后，电焊得到了同样

3、的认可。（一）电阻焊首例电阻焊要追溯到1856年。James Joule（Joule加热原理发明者）成功 用电阻加热法对一捆铜丝进行了熔化焊接。第1台电阻焊机用于对接焊。1886年， 英国的Elihu Thomson造出了第1个焊接变压器并在来年为此项工艺申请了专利。 该变压器在2V空载电压时能产生200A电流输出。此后，Thomson又发明了点焊 机、缝焊机、凸焊机以及闪光对焊机，后来点焊成为电阻焊最常用的方法，如今 已广泛应用于汽车工业和对其它许多金属片的焊接上。1964年，Unimation生 产的首批用于电阻点焊的机器人在通用汽车公司使用。（二）气焊19世纪末，一种氧乙炔火焰的气焊在法

4、国出现了。大约在1900年,Edmund Fouche和Charles Picard造出了第一支焊炬。实验证明焊炬发出的火焰炙热， 大约在3100. C以上。后来焊炬成为了焊接切割钢时的重要工具。早在英国的Edmund Davy发现当碳化物在水中分解时能产生一种可燃性气体 之前就发现了乙炔气体。当乙炔燃烧时，其亮无比，这一点成为它的主要用途。 然而，在传输使用乙炔时经常发生爆炸。人们发现丙酮能溶解大量乙炔，尤其是 压力增加时。1896年，Le Chatelier发明了一种安全的方法储存乙炔。那就是 在圆瓶内使用丙酮和多孔石来储存乙炔。其他许多国家利用这项法国发明储存乙 炔。但时有报道在传输过程

5、中发生爆炸。瑞典人Gustaf Dahlen改变了渗透物的 成分，成功做到了让乙炔100%安全。（三）电弧焊1810年，Humphrey Davy在电路的两极造了一个稳定的电弧 电弧焊的基 础。在1881年的巴黎“首届世界电器展”上，俄罗斯人Nikolai Benardos展示 了一种电弧焊的方法。他在碳极和工件间打出一个弧。填充金属棒或填充金属丝 可以送进这个电弧并熔化。那时他是法国Cabot实验室的学生，和他的朋友 Stanislav Olszewski 一道于1885年至1887年间在几个国家得到了专利权。该专 利展示了早期电极夹，参见图2。到19世纪末和20世纪上半叶，碳弧焊越来越流

6、行。Benardos, Nicolai Slavianoff的同胞进一步完善了这一焊接法。1890年， 他用金属棒代替碳棒作为电极并获得专利。电极熔化，从而充当热源和填充金属。但是，焊缝不能隔绝空气，质量问题也接踵而来。瑞典人Oscar Kjellberg 在使用该方法修理船上的蒸汽锅炉时注意到焊接金属上到处都是气孔和小缝，这 样的话根本不可能让焊缝防水。为了改善这种方法，他发明了涂层焊条，于1907 年6月29日获得专利（瑞典专利号27152）。质量改善后，电焊技术得到突破，现 在也能应用于工业。这家电焊公司（ESAB，瑞典语首字母缩略）作为一家轮船修 理公司于1904年9月12日成立。此后

7、，在20世纪30年代，又发明了不少新焊接法。 直到那时，所有的金属电弧焊都是通过手工焊的方法完成的。人们不断尝试用连 续丝让该工艺自动化。最成功的发明是埋弧焊，在这种焊接方法中，电弧埋在一 层粒状熔剂里。气体保护电弧焊早在1890年就由C. L. Coffin获得了专利。但在二战期间， 航空业需要找到焊接镁和焊接铝的方法。1940年，在美国，用隋性气体保护电弧 的实验开展得如火如荼。通过使用钨电极，不用熔化电极也可以打出电弧。这样 的话，不管有没有填充金属都可以进行焊接。这种方法现在称为TIG焊接（钨极 惰性气体保护电弧焊）。过些年以后，用连续放入金属丝作为电极的MIG焊接工 艺（熔化极惰性气

8、体保护电弧焊）出现了。起初，保护气体为隋性气体氦或氩。 因为CO2更容易找到（活性气体保护电弧焊MAG）,Lyubavskii和Novoshilov 成功使用了它。他们使用“浸沾转移”法减少了由产生激烈的飞溅引起的一些问 题。到那时为止，我们今天使用的大多数焊接工艺都已发明。接下来又出现了其 他一些焊接法，诸如激光束焊和搅拌摩擦焊，两者都是由英国焊接学会发明的。（四）焊接电源19世纪末以前没有出现电焊的理由之一就是缺乏合适的电源。18世纪末期， 意大利人Volta和Galvani成功发现了电流。1831年，Michael Faraday创立了 变压器和电机原理，这是对电源的重要发展。首批焊接实

9、验的开展是通过不同类型的方法来解决焊接电源的。1801年， Humphrey Davy先生在首批电弧实验中使用电池作为电源。Benardos在碳弓瓜焊实 验中使用一台22马力的蒸汽机驱动直流电机，用150个电池来发电。单是电池的 总重量就达到2400kg。1905年，德国AEG公司生产了焊接发电机。它由三相异步电动机驱动，其特 性适合焊接，重1000kg,电流250A。直流电直到20世纪20年代才适合用于电弧焊。 焊接变压器很快变得受欢迎，因为它的价格较便宜，消耗能源相对较少。20世纪50年代末，固体焊接整流器问世。最初使用的是硒整流器，接着很快 出现了硅整流器。此后，硅可控整流器的出现实现了

10、电子控制焊接电流。这些整 流器现在都普遍使用，尤其是用于大型焊接电源。焊接逆变器的出现是在电源上 最引人注目的发展。伊萨首个逆变器模型造于1970年。但是逆变器在1977年以前 没有普遍用于工业。1984年，伊萨推出140A “Caddy”牌逆变器，重量只有8kg。（五）先进的焊接工艺等离子焊接出现时，实验证明它是更集中、更炙热的能源，利用它可以提高 焊接速度，减少线能量。20世纪60年代出现的激光电子束焊接也与之有相似的好 处。质量提高，容差减小，超过了以前可能达到的标准。对新材料和不同金属组 合都能进行焊接。电子束狭窄，要求必需使用机械化设备。从1964年起，机器人就已经用于电阻焊。大约1

11、0年后出现电弧焊机器人。电 动机器人可以设计得非常精确，达到熔化极惰性气体保护电弧焊焊接的要求。最 初，机器人内输入的焊接数据和手工焊使用的焊接数据是相同的。人们进行了许 多尝试来提高熔化极惰性气体保护电弧焊工艺的生产力。加拿大人John Church 使用了快速送丝速度和由4种成分组成的保护气体来做此尝试。工艺相似，仍然 使用同样的焊接设备，但却有可能让焊接速度提高一倍。在同一熔池内使用两根 焊丝的焊接法一一双丝焊或双芯焊，实验证明更富有成效。最新高效焊接法是混 合焊一一这种方法结合了两种不同的工艺。激光熔化极惰性气体保护电弧焊混合 焊是最有发展前景的。这种焊接速度极快，熔深大。机械化焊接打

12、开了投入到新应用中去的大门。窄间隙焊既节省时间，又节省 耗材，减少了热影响区焊接的变形。起初使用的是熔化极惰性气体保护电弧焊工 艺，后来也使用埋弧焊和钨极惰性气体保护电弧焊。1980年前后，伊萨把重型埋 弧焊、窄间隙焊设备运往了前苏联Volgadonsk。1992年，TWI获得搅拌摩擦焊专 利权。这种焊接法对铝很适用。铝不用熔化就能接合并形成高质量接合点。该工 艺不使用耗材，能源消耗少，它的另一个好处就是对环境影响小。此工艺非常简 单有效，是20世纪最重要的焊接创新之一。二、固态焊接技术(一) 发展背景材料科学(materials science)是研究材料的组织结构、性质、生产流程和 使用效

13、能，以及它们之间相互关系的科学。材料科学是多学科交叉与结合的结晶， 是一门与工程技术密不可分的应用科学。人类社会的发展历程，是以材料为主要标志的。100万年以前，原始人以石 头作为工具，称旧石器时代。1万年以前，人类对石器进行加工，使之成为器皿 和精致的工具，从而进入新石器时代。新石器时代后期，出现了利用粘土烧制的 陶器。人类在寻找石器过程中认识了矿石，并在烧陶生产中发展了冶铜术，开创 了冶金技术。公元前5000年，人类进入青铜器时代。公元前1200年，人类开始使 用铸铁，从而进入了铁器时代。随着技术的进步，又发展了钢的制造技术。18 世纪，钢铁工业的发展，成为产业革命的重要内容和物质基础。1

14、9世纪中叶，现 代平炉和转炉炼钢技术的出现，使人类真正进入了钢铁时代。与此同时，铜、铅、 锌也大量得到应用，铝、镁、钛等金属相继问世并得到应用。直到20世纪中叶， 金属材料在材料工业中一直占有主导地位。20世纪中叶以后，科学技术迅猛发展， 作为发明之母和产业粮食的新材料又出现了划时代的变化。首先是人工合成高分 子材料问世，并得到广泛应用。先后出现尼龙、聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯等 塑料，以及维尼纶、合成橡胶、新型工程塑料、高分子合金和功能高分子材料等。 仅半个世纪时间，高分子材料已与有上千年历史的金属材料并驾齐驱，并在年产 量的体积上已超过了钢，成为国民经济、国防尖端科学和高科技领域不可缺少的

15、 材料。其次是陶瓷材料的发展。陶瓷是人类最早利用自然界所提供的原料制造而 成的材料。50年代，合成化工原料和特殊制备工艺的发展，使陶瓷材料产生了一 个飞跃，出现了从传统陶瓷向先进陶瓷的转变，许多新型功能陶瓷形成了产业， 满足了电力、电子技术和航天技术的发展和需要。结构材料的发展，推动了功能材料的进步。20世纪初，开始对半导体材料进 行研究。50年代，制备出错单晶，后又制备出硅单晶和化合物半导体等，使电子 技术领域由电子管发展到晶体管、集成电路、大规模和超大规模集成电路。半导 体材料的应用和发展，使人类社会进入了信息时代。现代材料科学技术的发展，促进了金属、非金属无机材料和高分子材料之间 的密切

16、联系，从而出现了一个新的材料领域一一复合材料。复合材料以一种材料 为基体，另一种或几种材料为增强体，可获得比单一材料更优越的性能。复合材 料作为高性能的结构材料和功能材料，不仅用于航空航天领域，而且在现代民用 工业、能源技术和信息技术方面不断扩大应用。（二）固态焊接技术的概念固态焊接，顾名思义、简而言之即：非熔化焊接、非机械连接、非胶接连接。随着科技的发展，新技术、新材料的不断涌现，新型金属材料、陶瓷材料、 复合材料、有序金属间化合物和功能材料等需求的日益增长，在其构件的制造过 程中，不可避免地存在着结构分离面和工艺分离面，故当它们作为结构材料应用 时，会遇到大量同质材料、异质材料乃至多层材料

17、的连接问题。由于新材料所具有的优异特性或功能，以及在极限工作条件下对焊接接头的 成份、组织、性能和可靠性寿命等提出的极为苛刻的要求，已经很难、甚至不可 能采用传统的焊接技术作为它们的连接工艺。这样，就使得更多的人对固态焊接 技术的产品，有了广泛的需求。固态焊接技术（包括摩擦焊接、扩散焊接、爆炸 焊接、超声波焊接、热压焊接等）最重要的技术优势是在被焊接材料不熔化的条 件下，通过加热、加压和塑性流变使接触界面高度激活、相互扩散和动态再结晶 而形成连接，其接合区为锻造组织。因此，固态焊接这种特有的热力耦合作用过 程对被焊接材料原有的组织结构、理化性能所造成的焊接损伤和破坏性影响最 小，连接接头的可靠

18、性寿命最高，这些都是其它传统的熔化焊接、机械连接和胶 接工艺所不能比拟的。通过与材料技术、信息技术、计算机技术、机电一体化技术、过程仿真技术、 无损检测技术的相互渗透融合，在先进材料、机电一体化及先进制造技术领域中， 当前，固态焊接这一在国际、国内有着40余年历史，历经不断发展、不断成熟、 日臻完美的传统技术正在以全新的面貌展示在人们面前。（三）固态焊接技术的形式固态焊接方法指两块被焊材料在固态下（无熔池）通过接触面上的扩散和再 结晶过程达到牢固结合的一种方法。焊接特点：固态焊接方法不发生原子熔化再形核，这样就可以避免一些相变 的发生，减少焊接界面处一些化合物的形成，从而最大程度上增强了界面结

19、合强 度。常见的固态焊接方法：电阻焊、超声波焊、摩擦焊、扩散焊、电磁焊等。三、固态焊接技术的原理及特点（一）电阻焊电阻焊是将被焊工件压紧于两电极之间，并施以电流，利用电流流经工件接 触面及邻近区域产生的电阻热效应将其加热到熔化或塑性状态，使之形成金属结 合的一种方法。电阻焊方法主要有四种，即点焊、缝焊、凸焊、对焊。压力1. 点焊点焊是将焊件装配成搭接接头，并压紧在两柱状电极之间，利用电阻热熔化 母材金属，形成焊点的电阻焊方法。点焊主要用于薄板焊接。点焊的工艺过程：1、预压，保证工件接触良好。2、通电，使焊接处形成熔核及塑性环。3、断电锻压，使熔核在压力继续作用下冷却结晶，形成组织致密、无缩孔、

20、 裂纹的焊点。图2点焊原理图2. 缝焊缝焊的过程与点焊相似，只是以旋转的圆盘状滚轮电极代替柱状电极，将焊 件装配成搭接或对接接头，并置于两滚轮电极之间，滚轮加压焊件并转动，连续 或断续送电，形成一条连续焊缝的电阻焊方法。缝焊主要用于焊接焊缝较为规则、要求密封的结构，板厚一般在3mm以下。F图3缝焊原理图3. 对焊对焊是使焊件沿整个接触面焊合的电阻焊方法。(1) 电阻对焊电阻对焊是将焊件装配成对接接头，使其端面紧密接触，利用电阻热加热至 塑性状态，然后断电并迅速施加顶锻力完成焊接的方法。电阻对焊主要用于截面简单、直径或边长小于20mm和强度要求不太高的焊 件。(2) 闪光对焊闪光对焊是将焊件装配

21、成对接接头，接通电源，使其端面逐渐移近达到局部 接触，利用电阻热加热这些接触点，在大电流作用下，产生闪光，使端面金属熔 化，直至端部在一定深度范围内达到预定温度时，断电并迅速施加顶锻力完成焊 接的方法。闪光焊的接头质量比电阻焊好，焊缝力学性能与母材相当，而且焊前不需要 清理接头的预焊表面。闪光对焊常用于重要焊件的焊接。可焊同种金属，也可焊 异种金属；可焊0.01mm的金属丝，也可焊20000mm的金属棒和型材。电阻焊接的品质是由以下4个要素决定的：1.电流；2.通电时间；3.加压力；4. 电阻顶端直径。(HA图4闪光对焊原理图4. 凸焊凸焊是点焊的一种变型形式；在一个工件上有预制的凸点，凸焊时

22、，一次可 在接头处形成一个或多个熔核。图5凸焊原理图（二）超声波焊金属材料的超声波焊接是利用超声频率（超过16KHz）的机械振动能量， 连接同种金属或异种金属的一种特殊方法。金属在进行超声波焊接时，既不向工 件输送电流，也不向工件施以高温热源，只是在静压力之下，将框框振动能量转 变为工作间的摩擦功、形变能及有限的温升。焊接特点：接头间的冶金结合是母材不发生熔化的情况下实现的一种固态焊 接，因此它有效地克服了电阻焊接时所产生的飞溅和氧化等现象。超声波焊接金属方法主要使用点焊。点焊：A、将二片塑胶分点熔接无需预 先设计焊线，达到熔接目的。B、对比较大型工件，不易设计焊线的工件进行 分点焊接，而达到

23、熔接效果，可同时点焊多点。压部倬臣泳平方向焊头部件B焊揍区域图6超声波焊原理图（三）摩擦焊摩擦焊是在压力作用下，通过待焊工件的摩擦界面及其附近温度升高，材料 的变形抗力降低、塑性提高、界面氧化膜破碎，伴随着材料产生塑性流变，通过 界面的分子扩散和再结晶而实现焊接的固态焊接方法（见图3.1所示）。摩擦焊通常由如下四个步骤构成：1、机械能转化为热能；2、材料塑性变形； 3、热塑性下的锻压力；4、分子间扩散再结晶。图7摩擦焊摩擦焊技术经过长年的发展，已经发展出很多种摩擦焊接的分类：包括惯性 摩擦焊、径向摩擦焊、线性摩擦焊、轨道摩擦焊、搅拌摩擦焊等，而以搅拌摩擦 焊应用较广。1.搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊与

24、常规摩擦焊一样，也是利用摩擦热作为焊接热源。不同之处在 于，搅拌摩擦焊焊接过程是由一个圆柱体形状的焊头伸入工件的接缝处，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3.2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。的L提扑摩，悔第承电捋图8搅拌摩擦焊（四）扩散焊扩散焊是将焊件紧密贴合，在一定温度和压力下保持一段时间，使接触面之

25、间的原子相互扩散形成联接的焊接方法。焊接特点：影响扩散焊过程和接头质量的主要因素是温度压力扩散时间和表 面粗糙度。在一定范围内焊接温度越高，原子扩散越快焊接温度一般为材料熔点 的0.50.8倍，一般在0.7倍的时候效果最好。根据材料类型和对接头质量的要 求，扩散焊可在真空、保护气体或溶剂下进行，其中以真空扩散焊应用最广，这 是因为在真空状态下，焊接过程中焊接界面的气体会被吸到真空中。为了加速焊接过程、降低对焊接表面粗糙度的要求或防止接头中出现有害的 组织，常在焊接表面间添加特定成分的中间夹层材料，其厚度在0.01毫米左右。 扩散焊可与其他热加工工艺联合形成组合工艺，如热耗-扩散焊、粉末烧结-扩

26、散 焊和超塑性成形-扩散焊等。这些组合工艺不但能大大提高生产率，而且能解决单个工艺所不能解决的问 题。如超音速飞机上各种钛合金构件就是应用超塑性成形-扩散焊制成的扩散焊 的接头性能可与母材相同，特别适合于焊接异种金属材料、石墨和陶瓷等非金属材料、弥散强化的高温合金、金属基复合材料和多孔性烧结材料等。加热系统液压系统、水冷系统图9扩散焊原理图U士查卷源网页（五）电磁焊电磁焊是利用由线圈感应产生的脉冲电磁压力进行焊接的。当高压充电电源 给脉冲储能电容器充电后，接通高压间隙放电开关，则电容向线圈快速放电，产 生一瞬时、高压的电磁力，该力迫使焊件高速撞击另一个焊件，当条件（如压力 或速度）满足时，则可

27、使两焊件焊在一起（如图5.1所示）。图10电磁焊焊接特点：（1）焊接过程很短，瞬间（30100 us）即可完成，且无污染；（2） 可焊接异种金属，即使两金属的晶体结构和性能差别很大；（3）可使金属材料和 非金属材料进行连接或焊接；（4） 一般可在常温（即冷态）下进行，且焊接过程 无显明的温升，故可保持材料的原有性能；（5）比爆炸焊安全，且简单易行；（6） 能量易精确控制，重复性好，故容易实现机械化和自动化；（7）兼有电磁成形和 爆炸焊的一些特点。工艺流程：待焊面的表面处理（物理的或化学的）f焊接f后序处理，如热 处理、性能及质量检查等。该工艺的要求：（1）待焊表面应认真清理，使其干净 和无污染

28、；（2）材料应具有良好的导电性和耐冲击性能；（3）为了有利于射流的 形成，应有初始接触角存在；（4）表面处理后应立即进行焊接，否则会因处理过 的表面上重新形成吸附层和氧化层，而增加焊接难度，甚至无法焊接。四、固态焊接方法的应用（一）惯性摩擦焊的应用惯性摩擦焊作为一种先进的焊接工艺，已成为先进航空发动机的压气机转子 及涡轮部件的主要焊接工艺。为了降低成本，减轻重量，先进航空发动机的压气机转子已基本采用焊接连 接代替螺栓连接。这是因为采用焊接结构后，省去了大量的盘与盘之间的连接紧 固件，并且减少了转子在螺栓孔处的截面尺寸。同时，采用焊接连接后，还可以 消除应力集中的螺栓孔，提高转子的刚性，改进转子

29、的平衡性，提高发动机的工 作稳定性。目前，惯性摩擦焊与电子束焊均被应用于转子的焊接，但惯性摩擦焊更具 有优势。因为惯性摩擦焊属于固态焊接过程，焊缝及热影响区组织好，可焊接异 种金属，焊接过程中不易造成漏焊，缺陷极少（6 a以上的质量水平）。但惯性 摩擦焊设备的一次性投入较高。惯性摩擦焊自出现之后就在各大航空发动机公司得到广泛应用。GE公司在 20世纪60年代中期开始研发惯性摩擦焊技术，并使其应用于旋转件的焊接；在 60年代后期，惯性摩擦焊就得到了批产。GE公司的航空发动机重要转动件几乎 全部都采用惯性摩擦焊焊接。如GE公司为波音787开发的新一代发动机GEnx， 其高压压气机转子采用惯性摩擦焊

30、焊接。又如由GE与P&W联合开发的发动机 GP7200，用于世界上最大的飞机A380，其高压压气机转子也采用惯性摩擦焊焊 接。同样，GE90的高压压气机转子也采用了惯性摩擦焊焊接。惯性摩擦焊的应 用使GE公司获得了巨大的经济效益。例如，CF6发动机的39级压气机转子， 原为整体锻件，重413kg，改为2个锻件经惯性摩擦焊连接后，重量降至300kg。 GE90的风扇盘在最初设计时为Ti17的整体锻件，后也改为由3个Ti17锻件经 惯性摩擦焊连接，大大降低了制造成本。另外，GE与SNECMA共同开发的CFM56 发动机的12级压气机盘和49级压气机盘的连接、低压涡轮轴与盘的连接都采 用了惯性摩擦焊

31、。P&W公司同时采用惯性摩擦焊和电子束焊，电子束焊用于一般转动件， 惯性摩擦焊用于工作温度高、转速快、受力大的重要转动件。RR公司则在60年代后期开始研究惯性摩擦焊，但在Trent系列发动 机中一直采用电子束进行焊接。随着高温合金向更高耐温能力的方向发展，采用 电子束焊接已越来越困难。近几年，惯性摩擦焊在RR公司得到了快速发展， 并逐渐成为Trent后续衍生机型盘轴的主要焊接方法RR公司现已装备了 2000t的惯性摩擦焊设备，用于焊接高压压气机鼓筒。随着压气机压比及出口温 度的进一步增加，压气机后几级需要采用耐温能力更高的材料，如粉末合金。惯 性摩擦焊同样可以用于这类新材料的焊接，RR公司研制

32、的Trent1000发动机 的涡轮后短轴（Inco718合金）和粉末合金涡轮盘（RR1000粉末合金）就采用了 惯性摩擦焊。同时，RR公司已将Inco718与U720Li，Inco718与粉末合金等 异种材料的惯性摩擦焊工艺列入了相应的材料工艺标准中。（二）线性摩擦焊的应用近年来，关于线性摩擦焊的研究较多，开展了复杂型面的焊接、铸件与锻件 的焊接、涡轮单晶或定向合金叶片的焊接等。但迄今为止，线性摩擦焊在航空发 动机上最主要的应用是整体叶盘的焊接。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核心部件，也是高 效、低油耗航空发动机所要采用的关键结构。在大型客机、大型运输机发动机中 的风扇、压

33、气机部位使用整体叶盘，可以达到减重、增效、简化零件结构和提高 可靠性的目的。对于空心风扇叶片与风扇盘的连接，为了进一步减轻重量，也可 以采用线性摩擦焊制备成整体叶盘；对军用航空发动机来说，尤为适用，并且线 性摩擦焊是空心叶片与盘连接的唯一可行的方法。与传统的叶盘分离结构相比，整体叶盘有两大优势。一是在结构上，整体叶 盘由于省去了榫槽，减轻了重量，并可进一步缩小壁厚，重量减轻达50%，大 大提高了燃油效率。二是叶盘分离结构中的榫槽在服役过程中易磨蚀，采用整体 叶盘可以避免榫槽磨蚀和修复的问题。整体叶盘的制备方法包括机械加工方法和线性摩擦焊方法。采用机械加工制 备整体叶盘是将锻件直接进行机械加工而

34、成；采用线性摩擦焊方法是将单个的叶 片逐个焊接到轮盘上，虽然焊接后也需要机械加工，但与机械加工制备整体叶盘 相比，加工余量要少得多。具体采用哪种方法制备整体叶盘还要从成本上考虑， 机械加工的成本主要取决于去除的材料量，线性摩擦焊制备整体叶盘的成本主要 取决于叶片的数量，因此，最适合用线性摩擦焊制备的整体叶盘应具有相对少的 叶片数量，并且叶片之间的材料去除量大。一般来说，当整体叶盘的叶片尺寸超 过100mm以上时，较适宜采用线性摩擦焊方法制备。GEnx发动机高压压气机前两级采用了线性摩擦焊制备的整体叶盘结构， CF34的后继机型（NG34）的风扇也准备采用线性摩擦焊制备整体叶盘。RR 公司采用线

35、性摩擦焊制备了 EJ200及联合攻击机JSF发动机的整体叶盘。线性摩擦焊也可应用于整体叶盘的修复。整体叶盘在服役过程中，可能受到 高温高速气流的冲蚀，及可能的外物撞击，叶片不可避免地出现点坑、裂纹、叶 片掉角、叶片卷边甚至断裂等损伤。由于整体叶盘是一体式结构，损伤叶片的更 换非常困难，而如果更换整个整体叶盘则面临高昂的费用和生产周期。整体叶盘 的修复技术已成为制约整体叶盘应用的关键。线性摩擦焊作为整体叶盘单个叶片 的修理工艺，于20世纪80年代中期开发，作为一种重要的修复技术，可以替 换损伤的单个叶片，是一种方便且实用的修复方法。RR公司采用线性摩擦焊 技术开展了整体叶盘的修复研究，并申请了线

36、性摩擦焊修复整体叶盘的专利。（三）扩散焊的应用在航空发动机中，扩散焊最成功的应用是与超塑成形Superplastic Forming 结合使用，制备钛合金空心风扇叶片。由于钛合金的扩散焊与超塑成型的温度在 同一温度区间，风扇叶片复杂的几何形状及内部结构可以在一个制造过程中完 成。大型宽弦风扇叶片是先进航空发动机典型部件之一。R - R公司采用SPF/DW方法制造钛合金宽弦空心风扇叶片已有20年的历史，将其用于Trent系列及RB211发动机。采用SPF/DW方法制造钛合金空心风扇叶片后，与实心风扇叶片 相比，每台份发动机可减重约50kg，并且还可以进一步减轻包容机匣及风扇盘 的重量。P&W公司

37、由于在F119发动机中成功采用扩散焊制备空心风扇叶片，以 及采用线性摩擦焊制备整体叶盘，被美国焊接学会授予杰出开发奖Outstanding Development in Welded Fabrication Award）。目前，我国已能生产4层钛合金超 塑成型/扩散连接风扇导流叶片，并具备了研制大型宽弦风扇叶片的基础和能力。五、固态焊接技术的发展趋势随着科学技术的发展，焊接已从简单的构件连接方法和毛坯制造手段发展成 为制造行业中一项生产尺寸精确的产品的生产手段。因此，保证焊接产品质量的 稳定性和提高劳动生产率已成为焊接生产发展的急待解决的问题。下面举例重点 说明一下。在机械制造业中不少过去一直

38、用整铸整锻方法生产的大型毛坯改成了焊接 结构，这大大简化了生产工艺，降低了成本。许多尖端技术如宇航、核动力等如 果不采用焊接结构，实际上是不可能实现的。焊接在整个工业中的地位还可以从 这样一个事实来判断，即世界主要工业国家每年生产的焊接结构约占钢产量的 45%左右，焊接结构之所以有如此迅速的发展是因为它具有一系列优点。下面举 例说明一下：（一）与铆接相比它可以节省大量金属材料，大约可减轻15-20%的金属材料，因为它不需要辅 助材料，比如角钢、平板，更不需要铆钉，而且柳接件经过很长时间以后有可以 会松动，影响质量，但焊接绝是不可能的，虽然只有一道焊缝，但它属于原子结 核，所以能够充分的解决一切

39、问题。其次焊接结构生产不需打孔，划线的工作量 也比较少，因此比较省工、省时间，工作效率当然就要高多了。（二）与铸件相比焊接结构生产不需要制作木模和砂型，也不需要专门熔炼，浇铸，工序简单， 生产周期短。这一点对于单件和小批量生产特别明显，换句话说，和铸件相比就 是特别的节省时间也就是工作效率高，其次，焊接结构比铸件节省材料，一般情 况下，它比铸钢轻20-30%以上，比铸铁件轻50-60%，这主要是因为焊接结构的 截面可以按设计的需要来选取，不必象铸件那样因工艺的限制而加大尺寸。因为 液体要想让它流动的好充分到位，就必须要有较大的空间，这势必会用到更多的 金属材料。现代焊接技术自诞生以来一直受到诸

40、学科最新发展的直接影响与引导，众所 周知受材料，信息学科新技术的影响，不仅导致了数十种焊接新工艺的问世，而 且也使得焊接工艺操作正经历着手工焊到自动焊，自动化，智能化的过渡，这已 成为公认的发展趋势。在今天焊接作为一种传统技术又面临着21世纪的挑战。一方面，材料作为 21世纪的支柱已显示出几个方面的变化趋势，即从黑色金属向有色金属变化； 从金属材料向非金属材料变化，从结构材料向功能材料变化，从多维材料向低维 材料变化；从单一材料向复合材料变化，新材料连接必然要对焊接技术提出更高 的要求。另一方面，先进制造技术的蓬勃发展，正从住处化，集成化，等几个方 面对焊接技术的发展提出了越来越高的要求。突出

41、“高”“新”以此来迎接21 世纪新技术的挑战。20世纪中期焊接方法也有了突飞猛进的发展，随着科技的进一步发展，出现 了新的高精密度热源电子束，等离子束、激光束等，使其精密度，温度都大大的 高出了电弧焊。真空电子束焊可以一次焊接透200mm的金属，激光焊具有可以在 大气中进行焊接的优点，由于聚焦后的光斑只有0.2-2mm，由于焊缝小，当然变 形也就小多了，接头质量高。比如在航空发动机、汽车车身等重要领域立刻创造 出了明显经济和社会效益，完全等合段挎高效，低耗、清洁、灵活生产的技术发 展方向。新材料的出现对焊接技术提出了新的课题，成为焊接技术发展的重要推动 力，许多新材料，如耐热合金，钛合金，陶瓷

42、等的连接都提出了新的课题。特别 是异种材料之间的连接，采用通常的焊接方法，已经无法完成，固态连接的优越 性日益显现，扩散焊与磨擦焊已成为焊接界的热点，比如金属与陶瓷已经能够进 行扩散连接这在以前是不可想象的，所以固态连接是21世纪将有重大发展的连 接技术。通过前面的介绍我们已经知道焊接现在已从简单的构件连接方法和毛坏制 造手段发展成为制造行业中一项基础工艺和生产尺寸精确的制成品的生产手段。 因此，保证焊接产品质量的稳定性和提高劳动生产率已成为焊接生产发展亟待解 决的问题。使得实现对焊接过程的自动控制、焊接工艺制造的自动化的需求越来 越迫切。另外，计算机技术、控制理论、人工智能、电子技术及机器人

43、技术的发 展为焊接过程自动化提供了十分有利的技术基础，并已渗透到焊接各领域中，取 得了很多成果，焊接过程自动化已成为焊接技术的生长点之一。从焊接技术发展 来看，焊接自动化、机器人化以及智能化已成为趋势。经过总结焊工的智能经验并把它们运用到现在很先进的高科技中，能够快 速、灵活、安全的实现自动化焊接，现在在发达国家焊接自动化控制已经获得了 满意的效果，对于宏观焊接质量（如熔透控制，接头尺寸等）的控制已取得了较 大的进展，对于微观焊接质量（焊缝的金相组织及机械性能）的控制也已经起步。 焊接过程正由宏观向微观、由简单控制向系统的智能控制发展。六、参考文献1. 电弧焊及电渣焊：姜焕中主编，机械工业出版社，19882. 焊接与连接工程学导论：何德孚主编，上海交通大学出版社，19983. 现代焊接方法与设备：吴志强主编，机械工程师进修大学出版社，19894. 焊接工艺人员手册：俞尚知主编，上海科学技术出版社，19915. 焊接方法与设备：雷世明主编，机械工业出版社，19996. 气体保护焊工艺和设备：王震征等主编，西北工业大学出版社，19917. 焊接自动化基础：卢本等编，华中工学院出版社，19858. 电弧焊：周玉生主编，机械工业出版社，19949. 实用焊接手册：北京市技术协作委员会编，水利电力出版社，1985