線性摩擦焊裝備研究進(jìn)展與應(yīng)用

李鰲，劉劍雄，曾家興，萬(wàn)祥明，賈有東，劉建新

（650504 云南省 昆明市 昆明理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院）

0 引言

線性摩擦焊（LFW: Linear Friction Welding）是一種較先進(jìn)的壓力焊焊接技術(shù)。隨著國(guó)家對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械化重視程度越來越高，機(jī)械化生產(chǎn)是大勢(shì)所趨。耕地、播種、移栽以及收獲機(jī)械等裝備質(zhì)量水平都需要進(jìn)一步提高。將線性摩擦焊用于農(nóng)業(yè)裝備鏈條、鏈殼的焊接，會(huì)大大增強(qiáng)焊縫強(qiáng)度，獲得更好經(jīng)濟(jì)性能。為進(jìn)一步提升難焊材料的焊接性能，將這一技術(shù)應(yīng)用到各專門領(lǐng)域，研究人員進(jìn)行線性摩擦焊設(shè)備的研發(fā)是有重要意義的[1-2]。

本文介紹了不同振動(dòng)方式的原理、優(yōu)點(diǎn)和不足，從設(shè)備角度綜述了國(guó)內(nèi)不同種類的線性摩擦焊裝備的焊接能力、進(jìn)行的振動(dòng)方式的探索以及與機(jī)器結(jié)構(gòu)相關(guān)的研究，并對(duì)今后線性摩擦焊機(jī)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用做出展望。

1 線性摩擦焊技術(shù)概述

線性摩擦焊是通過振動(dòng)體振動(dòng)，帶動(dòng)夾具夾持的待焊材料往復(fù)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)材料產(chǎn)生一定的塑性變形后，通過施加頂鍛力進(jìn)行頂鍛。這種焊接方式區(qū)別于熔化焊，避免了各種焊縫問題，更容易生成緊密的焊縫結(jié)構(gòu)，提升焊縫材料性能。根據(jù)Vairis[3]的研究，線性摩擦焊的過程可以分為以下4 個(gè)階段：（1）初始階段：一個(gè)待焊件靜止不動(dòng)，另一個(gè)待焊件在振動(dòng)力的作用下做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在壓力作用下不斷靠近，隨著接觸面積越來越大，摩擦加劇并產(chǎn)生摩擦熱。（2）過渡階段：當(dāng)產(chǎn)生到足夠量的摩擦熱，金屬開始產(chǎn)生塑性變形，這個(gè)階段摩擦焊接面達(dá)到最大，摩擦系數(shù)也達(dá)到最大，產(chǎn)熱主要轉(zhuǎn)變成塑性變形產(chǎn)熱。（3）穩(wěn)定階段：塑性變形產(chǎn)熱加劇，生成塑性變形層，在壓力作用下，塑性金屬被擠出，形成飛邊。（4）頂鍛階段：按照時(shí)間控制或者變形量控制達(dá)到焊接需求，即產(chǎn)生了足夠的軸向伸縮量，快速停下來實(shí)現(xiàn)對(duì)中，施加頂鍛力并停留一段時(shí)間。這段過程中，軸向伸縮量發(fā)生急劇變化，生成緊致的焊縫。

2 電磁式線性摩擦焊設(shè)備

電磁式焊接設(shè)備是將交流電加到線圈上，產(chǎn)生振動(dòng)，帶動(dòng)工件和夾具進(jìn)行往返運(yùn)動(dòng)，當(dāng)振動(dòng)停止，利用軸向液壓產(chǎn)生的力進(jìn)行頂鍛，完成焊接。電磁線性摩擦焊設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)是通過改變一些參數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)振幅和頻率的無級(jí)調(diào)節(jié)，并且能夠達(dá)到較高的頻率；最主要的缺點(diǎn)是僅能產(chǎn)生較小激振力，不能焊接大面積的材料，不適合導(dǎo)熱性好諸如金屬材料的焊接，僅適用于一些導(dǎo)熱性差、熱輸入小的焊接，例如塑料的焊接。

振動(dòng)摩擦焊是基于電磁振動(dòng)原理發(fā)展的焊接方法。1986 年，美國(guó)索尼克斯公司根據(jù)這一理論開發(fā)設(shè)備進(jìn)行塑料材質(zhì)的焊接，研究人員將這項(xiàng)技術(shù)運(yùn)用于電池殼體與殼蓋之間的焊接，取得了較好的焊接效果[4]?；诿绹?guó)艾默生Branson 摩擦焊接機(jī)，科研人員分別研究了工藝條件對(duì)聚丙烯樹脂PP 和增強(qiáng)尼龍焊縫的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響[5-6]?；谀猃?jiān)谌粘Ｉ钪械膹V泛應(yīng)用，通過在必能信MINI 2 型振動(dòng)摩擦焊機(jī)上對(duì)尼龍電池殼進(jìn)行焊接，進(jìn)行了熱力學(xué)分析，對(duì)焊接工藝參數(shù)的選擇以及防止尼龍電池殼焊接過程中的過熱變形進(jìn)行了深刻的分析[7]。

綜上所述，電磁式線性摩擦焊適用于塑料場(chǎng)合的焊接，在日常生活中有著廣泛應(yīng)用。

3 機(jī)械式線性摩擦焊設(shè)備

研究人員通過改進(jìn)電磁振動(dòng)性能，對(duì)焊接過程進(jìn)行熱力學(xué)分析，研究焊后材料的性能，對(duì)機(jī)械式線性摩擦焊技術(shù)進(jìn)行研究。

機(jī)械式線性摩擦焊機(jī)將電機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成焊件的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行摩擦焊接。機(jī)械式往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括單曲柄連桿機(jī)構(gòu)、雙曲柄連桿機(jī)構(gòu)、曲柄搖臂機(jī)構(gòu)、單凸輪機(jī)構(gòu)、雙凸輪機(jī)構(gòu)，以及調(diào)幅式機(jī)構(gòu)。最突出的優(yōu)點(diǎn)是制造成本低，易于實(shí)現(xiàn)，缺點(diǎn)是難以實(shí)現(xiàn)對(duì)中要求，在快速急停中，很難實(shí)現(xiàn)上下兩振動(dòng)體完全重合，使得焊接不精確。目前機(jī)械式線性摩擦焊可用于各種非金屬和金屬，但是由于機(jī)器現(xiàn)存的一些缺點(diǎn)，不是主要研究方向[8-13]。

相關(guān)研究中，西北工業(yè)大學(xué)最早研制出一臺(tái)機(jī)械式線性摩擦焊樣機(jī)XMH-160，整個(gè)焊接過程主要由往復(fù)振動(dòng)系統(tǒng)和加壓頂鍛系統(tǒng)來完成，并通過回位機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)待焊物體的對(duì)中[8]。研究者基于這臺(tái)線性摩擦焊設(shè)備先后對(duì)鈦合金、銅、鋼等進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值分析，研究焊縫成型過程，進(jìn)行了焊接功率、摩擦系數(shù)、摩擦變形量等基礎(chǔ)理論的研究；Nicholas[9]采用雙曲柄連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)往復(fù)振動(dòng)，使得整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程更加平穩(wěn)，但對(duì)中性這一問題沒有得到很好的解決；馬鐵軍[10]等采用曲柄搖臂機(jī)構(gòu)，雖然對(duì)中性得到了比較好的解決，但是到達(dá)極限位置后，由于瞬時(shí)慣性力的存在，運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn)，機(jī)構(gòu)難以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的焊接。劉銀勛[11]基于雙曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一套變相機(jī)構(gòu)，這套機(jī)構(gòu)通過改變2 個(gè)曲柄的相位差來改變兩個(gè)滑塊的平均位移，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)振幅可調(diào)節(jié)；南昌航空大學(xué)的徐嘉鵬[12]、龔玉兵[13]等分別設(shè)計(jì)了雙凸輪機(jī)構(gòu)，獲得更高的頻率和穩(wěn)定性，將縮小的比例模型建立出來，并分析其運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

設(shè)備理論研究方面，杜建國(guó)[14]等針對(duì)機(jī)械式振動(dòng)、氣壓式頂鍛線性摩擦焊設(shè)備，指出了導(dǎo)致機(jī)頭振動(dòng)的原因以及對(duì)焊縫造成的不良影響，并提出了改進(jìn)的措施；杜隨更[15]等建立了振動(dòng)摩擦過程的動(dòng)力學(xué)模型，從數(shù)學(xué)角度指出夾具的剛性是影響焊縫的重要因素，并對(duì)焊接摩擦力、焊接摩擦功率進(jìn)行了分析。王慶[16-17]等以曲柄滑塊機(jī)構(gòu)為研究目標(biāo)，建立其動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)焊機(jī)功率、慣性力以及電機(jī)功率與工藝參數(shù)的關(guān)系進(jìn)行研究；馬鐵軍[18]等基于XMH-160 型線性摩擦焊設(shè)備，采集線電壓和線電流計(jì)算電機(jī)的輸入功率，通過計(jì)算損耗進(jìn)而計(jì)算摩擦功率。

設(shè)備控制研究方面，劉銀勛[11]針對(duì)設(shè)計(jì)的可調(diào)幅摩擦焊設(shè)備，通過粒子群優(yōu)化算法對(duì)PID 控制器進(jìn)行優(yōu)化，得到更加準(zhǔn)確的液壓頂鍛伺服控制系統(tǒng)；杜建國(guó)[19]等針對(duì)機(jī)械式振動(dòng)、液壓頂鍛線性摩擦焊接機(jī)，開發(fā)了一套以89C52 芯片為核心的單片機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)變形量與焊接功率值的控制；肖華[20-21]等針對(duì)機(jī)械式振動(dòng)、氣壓式頂鍛線性摩擦焊接機(jī)研制了一種以89C52 芯片為核心的單片機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)摩擦產(chǎn)熱功率的控制；龔玉兵[13]等采用氣壓提供頂鍛力，選用PLC 進(jìn)行閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)力和時(shí)間的精確控制；溫國(guó)棟[22]等將模糊控制理論運(yùn)用于機(jī)械式振動(dòng)線性摩擦焊機(jī)模糊控制器的設(shè)計(jì)，通過改進(jìn)算法得到更精確和期望的控制方式。

上述學(xué)者在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)上主要集中于重新設(shè)計(jì)振動(dòng)往返機(jī)構(gòu)，研究其運(yùn)動(dòng)規(guī)律，通過改變振動(dòng)頻率或者提升焊接結(jié)束的對(duì)中來增強(qiáng)設(shè)備性能。在理論研究方面多集中于哪些因素影響實(shí)際焊接效果，建立了動(dòng)力學(xué)模型、分析振動(dòng)，研究工藝參數(shù)的改變對(duì)焊接性能的影響。對(duì)于頂鍛力的施加，有液壓施力和氣壓施力，重點(diǎn)研究的是控制系統(tǒng)，通過控制系統(tǒng)編程以及算法優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對(duì)所需參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和基本控制，得到實(shí)際需要的焊接界面效果。

4 液壓式線性摩擦焊設(shè)備

液壓式線性摩擦焊機(jī)通過控制電液伺服閥，將液壓油按照輸入電流信號(hào)的大小，按比例輸入到振動(dòng)油缸活塞的兩側(cè)，使油缸產(chǎn)生激振力，驅(qū)動(dòng)夾具和待焊工件進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)工件塑性變形達(dá)到一定程度時(shí)，添加軸向壓力，進(jìn)行頂鍛完成焊接。優(yōu)點(diǎn)是能夠產(chǎn)生大的激振力，可以焊接熔點(diǎn)較高的金屬以及大面積材料；缺點(diǎn)是對(duì)液壓元件要求高，對(duì)油溫控制和電磁閥頻率要求高。目前，大力發(fā)展液壓振動(dòng)線性摩擦焊是主要方向。下文主要介紹3種液壓式線性摩擦焊設(shè)備。

4.1 北京航空制造工程研究所線性摩擦焊設(shè)備

2006 年，通過將電液伺服技術(shù)運(yùn)用到線性摩擦焊領(lǐng)域，成功研制了一臺(tái)液壓式線性摩擦焊設(shè)備。資料顯示，其激振力可以達(dá)到147 kN，頂鍛力達(dá)196 kN，頻率達(dá)125 Hz、流量達(dá)760 L/min?，F(xiàn)有焊接實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驅(qū)崿F(xiàn)2 000 mm2鈦合金的焊接。該研究所在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了激振力超過600 kN，頂鍛力達(dá)750 kN 的液壓式線性摩擦焊設(shè)備[23-24]。該研究所利用該設(shè)備進(jìn)行了大量研究，大多用的是航空發(fā)動(dòng)機(jī)急需研究的鈦合金材料，如TC4、TC11、TC17 等，改變工藝參數(shù)對(duì)焊接性能的影響，研究焊后接頭的力學(xué)性能[25-27]。

基于該設(shè)備的相關(guān)研究中，欒海英[28]設(shè)計(jì)了線性摩擦焊電液伺服系統(tǒng)，對(duì)振動(dòng)系統(tǒng)和頂鍛系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模，分析了電液伺服閥和液壓缸的動(dòng)態(tài)特性。通過推導(dǎo)，計(jì)算出液壓激振力中的焊接摩擦力，進(jìn)而得到產(chǎn)熱功率的計(jì)算方法；王穎[24]通過大量的計(jì)算以及仿真實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一套液壓伺服系統(tǒng)，采用一個(gè)小流量的伺服閥，對(duì)振動(dòng)缸停止后進(jìn)行精確定位，使之能快速精準(zhǔn)停止；尚增溫[29]采用在流量伺服閥外附加固定節(jié)流孔的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)力和位移的精確控制，使設(shè)備具有更加優(yōu)異的性能。張?jiān)娗鏪30-31]等重新設(shè)計(jì)了頂鍛電液伺服系統(tǒng)，經(jīng)過對(duì)比，采用長(zhǎng)行程油缸和短行程油缸串聯(lián)的方式。長(zhǎng)行程油缸采取位置控制，短行程油缸采取位置控制和力控制，并進(jìn)行了AMESim 的仿真驗(yàn)證；李輝[23]等設(shè)計(jì)了高剛度頂鍛滑臺(tái)以應(yīng)對(duì)滑臺(tái)剛性不足的問題，防止產(chǎn)生振動(dòng)與沖擊，為優(yōu)化線性摩擦焊設(shè)備提供了方案；耿大喜[32]等針對(duì)彈性變形導(dǎo)致夾具剛性不足和機(jī)床之間有縫隙這一現(xiàn)象，詳細(xì)研究其運(yùn)動(dòng)情況，分析了對(duì)產(chǎn)熱功率造成的影響，并提出了解決方案。

4.2 哈爾濱焊接研究所線性摩擦焊設(shè)備

該所自主研發(fā)了HSMZ-30 型線性摩擦焊機(jī)，采用液壓系統(tǒng)進(jìn)行振動(dòng)和力的頂鍛，最大頂鍛力為30 t，最大振動(dòng)力15 t，最大振動(dòng)頻率為100 Hz。從僅能查到的一些參數(shù)可知，基于液壓振動(dòng)高頻性能較差，實(shí)際上達(dá)不到想要的頻率，能夠穩(wěn)定焊接鎳基高溫合金的頻率范圍在0～30 Hz，振幅范圍在0～5 mm[33-35]。

4.3 西北工業(yè)大學(xué)線性摩擦焊設(shè)備

該校研發(fā)了XMH-250 型線性摩擦焊設(shè)備，并做了有關(guān)的研究。劉明朗[36]等采用改進(jìn)型Smith預(yù)估控制來改進(jìn)常規(guī)PID 控制，減小系統(tǒng)存在的慣性延遲，使得振動(dòng)更加穩(wěn)定；常濤[37]等通過添加蓄能器調(diào)節(jié)振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率，使振幅得到穩(wěn)定提升；方錦輝[38]等為了解決當(dāng)前大流量需求但是伺服閥頻率響應(yīng)跟不上這一現(xiàn)象，提出多個(gè)伺服閥并聯(lián)的方案；杜隨更[39]等針對(duì)線性摩擦焊活塞與振動(dòng)滑塊之間的運(yùn)動(dòng)建立單自由度振動(dòng)學(xué)模型，研究運(yùn)動(dòng)性質(zhì)；銀東東[40]等研究了焊機(jī)的電液伺服施力系統(tǒng)，建立起滑臺(tái)壓力的精確閉環(huán)控制；杜隨更[41]等針對(duì)電液伺服施力系統(tǒng)，研究了開環(huán)和閉環(huán)狀態(tài)下的壓力和速度動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性；巨江濤[42]等研究了滑臺(tái)的動(dòng)頻相應(yīng)規(guī)律，建立了滑臺(tái)系統(tǒng)的兩自由度強(qiáng)迫振動(dòng)力學(xué)模型，利用數(shù)值分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證進(jìn)行振動(dòng)參數(shù)計(jì)算，并通過仿真進(jìn)行了動(dòng)態(tài)分析；李彥默[43]等用該機(jī)器對(duì)S31042 鋼進(jìn)行焊接，研究其焊后接頭組織和力學(xué)性能，取得了良好的焊接效果。

綜上所述，液壓式線性摩擦焊設(shè)備可以對(duì)大面積的高熔點(diǎn)金屬進(jìn)行焊接，是未來發(fā)展的主要方向。研究人員對(duì)液壓式線性摩擦焊設(shè)備的研究多集中于液壓振動(dòng)系統(tǒng)和液壓頂鍛系統(tǒng)，通過對(duì)液壓和控制系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)精確控制，線性摩擦焊設(shè)備在焊接性能上有大幅提升。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了焊后材料的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，對(duì)工藝指導(dǎo)有明顯幫助。

5 結(jié)論與展望

線性摩擦焊作為一種優(yōu)質(zhì)、高效的焊接方法，已經(jīng)成功應(yīng)用于航空領(lǐng)域。目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者研究重點(diǎn)多是數(shù)值模擬焊接過程，研發(fā)出樣機(jī)的機(jī)構(gòu)可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)試焊后材料的性能。但是在開展過的研究工作中，存在理論方法不夠成熟、工藝探索不夠完備的問題，機(jī)器設(shè)備開發(fā)也存在問題，隨著研究的深入和技術(shù)突破，這些問題一定能夠得到解決。例如日照某研發(fā)公司設(shè)計(jì)的G120 鍛造鏈環(huán)專用線性摩擦焊機(jī)，這將是國(guó)內(nèi)第一臺(tái)專門的線性摩擦焊設(shè)備[44]。

今后線性摩擦焊設(shè)備的發(fā)展除了要提升和優(yōu)化焊機(jī)的焊接性能，更要設(shè)計(jì)專用焊機(jī)，完成對(duì)焊接效果不好且難度大的物體的焊接，對(duì)一些領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)批量化、自動(dòng)化焊接，提升機(jī)械制造水平。