线性摩擦焊（LinearFrictionWelding，LFW）是摩擦焊技术的一种，其焊接原理如图1（a）所示。摩擦副中一侧的工件被往复机构驱动，在轴向压力作用下相对于另一侧被夹紧的工件沿焊接面上某一方向以一定的振幅和频率作直线往复相对运动，从而产生大量摩擦热使焊接面软化形成粘塑性金属层，金属层不断被挤出形成飞边，当接头达到一定缩短量时两焊件迅速对中并施加顶锻压力完成焊接。 LFW 能够实现非轴对称复杂截面同质及异质材料的固相连接，有效避免熔焊中易出现的偏析、裂纹、气孔等缺陷，成为目前国际公认的理想的航空发动机整体叶盘焊接制造与维修关键技术。图1（b）Rolls-Royce 公司焊接的EJ200 发动机风扇整体叶盘。此外，LFW 拓展了旋转摩擦焊的应用范围，能够解决传统熔焊方法或其他摩擦焊难焊或无法焊接的部件，可用于贵金属复杂零件的预成形。图1（c）为TWI 开发的LFW 近终型结构件，被关桥院士称为“块体组焊固相增材制造技术”。LFW 的潜在应用包括涡轮、齿轮、导电板及双金属凿刃，也可用来焊接大截面的塑料部件，以及塑料或金属的复合焊件，在滑轮发电机、涡轮增压器等方面也有推广应用价值，因此在航空航天及其他制造领域结构整体化设计与制造中应用前景非常广阔。相对旋转摩擦焊，LFW 出现的时间较晚。1969 年英国一项专利主要描述了焊接低碳钢的线性往复机构，到了20 世纪80 年代，TWI、University of Bristol 和Rolls-Royce 公司开始合作对LFW 进行系统研究，研制出LFW 原型机，可用于方形、圆形、多边形等不规则截面的金属和塑料构件的焊接。MTU 和Rolls-Royce等公司为进行航空发动机整体叶盘的焊接制造与修复，最先开始推动和发展了LFW 新设备和新技术，并于2000 年开始逐步成功应用于不同型号航空发动机整体叶盘制造。航空发动机整体叶盘等重要构件对接头的焊接质量与位置精度均有着很高的要求。一方面，须依靠LFW 设备本体，如回位精度、装夹精度及足够的强度与刚性等来保证；另一方面，焊接过程振动频率、振幅、摩擦压力及顶锻压力等规范参数的精确控制至关重要。因此，研发高精度、高稳定性的LFW 设备及测控系统，有利于实现线性摩擦焊过程的精确控制与深入研究，对于推动LFW技术应用于我国整体叶盘及其他重要构件的工程制造具有重要的研究价值。 LFW 设备分类LFW 设备最核心的技术是采用何种振动源输出需要的振动频率和振幅，以及如何实现精确回位对中。在LFW 设备研发的历程中，先后产生了3 类往复运动激励方式的焊机，分别是：电磁式、机械式和液压式。 1电磁式LFW 焊机其原理是通过电磁铁的吸合和释放来实现往复运动，如图2（a）所示。其优点包括：频率易调节，可调范围大（最高可达2000Hz），振幅可以实时控制，易实现逐渐回零；主要局限性在于：推力较小，冷却结构复杂，成本高。因此，此类焊机不太适合金属材料的焊接，仅限于一些需要热输入较小材料，如塑料件的焊接[5]。2机械式LFW 焊机原理是利用旋转电动机加上一套将旋转运动转化为往复运动并可实现振动回位的特殊机构。国外最早研发用于整体叶盘焊接的机械式LFW 焊机原理如图2（b）所示。系统由一个直流电机带动双曲柄连杆机构运动，轴上安装的旋转相位变换器可以在0°~180°之间改变两个连杆之间的相位差来调节运动系统的振幅与回位。该设备的优点在于往复牵引力大、成本低，能够焊接较大截面的金属工件，但振动与回位机构比较复杂，体积大、噪声大、频率偏低、控制难度大。3液压式LFW 焊机其原理如图2（c）所示，是利用伺服阀为振动油缸的上下腔提供交变油压，从而产生往复运动，当上下腔油压相等时实现振动回位。此类设备易于实现更大的焊接力，而且在很低的频率下也可得到很大的激振力，材料适应性较强，但对液压元器件和液压油清洁度等要求很高，对操作和维护人员的专业水平也有较高的要求。综合比较上述3 类LFW 设备目前的技术水平可得出：仅机械式和液压式焊机适用于整体叶盘及其他金属构件的焊接工程制造。二者相比，液压式焊机的振动频率（可达200Hz 以上）比机械式的频率（一般在100Hz 以下）要高，对于导热非常好的材料，如铝合金等的焊接是非常有利的。TWI 曾采用液压式焊机成功焊接了铝合金整体叶盘模拟样件。对于钛合金、高温合金以及钢等导热差的材料，机械式与液压式焊机的振动频率均能满足要求。机械式焊机的振幅（可达5mm 以上）比液压式焊机的振幅（一般在3mm 以内）要大，可补偿偏低的振动频率，以满足较大截面接头焊接热输入的要求。LFW 设备的发展现状20 世纪80 年代中期，英国Rolls-Royce 与德国MTU 公司为研制用于欧洲战斗机的发动机EJ200，开始与TWI 合作研发LFW 新设备。该项目于1985 年启动，由TWI 提供技术指导，Allwood、Searle 和Timney 公司负责设计，Blacks 公司负责机器制造，耗资150 万英磅，于1990 年研制出世界上第一台用于航空发动机整体叶盘制造和维修的机械式LFW 焊机（图2（b）即为其设备原理）。该设备工件分度台可以提供+0.026°的定位精度，有一个主驱动马达，功率89kW，可以进行4000r/m 的无级变速，振幅0~3mm，振动频率可达75Hz，用5~147kN 的压力可以焊接断面达2000mm2 以上的工件。经过近10 年的焊接及相关试验研究，从2000 年开始用于EJ200 和F119 等发动机部分整体叶盘的制造，以取代原来的电子束焊接。 TWI 后来拥有了一台液压式LFW 焊机——LinFric 焊机（图3），它由8 个欧洲公司合作研发而成。该设备利用液压驱动器（与疲劳试验机所使用的驱动器相似）和液压蓄能器实现快速能量释放，振动频率的范围为25~125Hz，振幅达到±3mm，最大顶锻力为200kN，焊接横截面同样可达2000mm2。液压振荡器还可以提供非正弦的振动曲线，可以优化工件的几何结构并适用于多种焊接材料。LinFric 焊机的研发旨在大幅降低LFW 设备的成本，使技术更适合包括航空在内的各种行业的潜在用户。LFW 焊机原理如图2（c）所示，设计了一个完全开放的床面，可以放置较大的焊接组件。与机械式焊机相比，该设备其更加紧凑，维护成本较低。该焊机顶锻力达到40t，振动频率达到250Hz，振幅达到±4.0mm，焊后误差小于0.25mm，主要用于为PW公司焊接F119 发动机风扇整体叶盘，且用于一些汽车结构件及塑料管接头的焊接。2010 年Moog 和Thompson 公司联合研发出世界上最大的E100 型LFW 焊机。E100 采用了立体建造模式，该方式不仅能确保线性焊接过程中的闭环监控，还能对摆动的部件进行高度精准的最终位置控制。这种特殊设计还意味着可以将摩擦压力和锻压力施加到焊接中点，进而使较大的焊接力能够均匀分布，以尽量减少焊件的形变程度。该焊机顶锻力达到100t、振动频率为20~100Hz，最大焊接面积达10000mm2，主要被用来研究生产喷气发动机整体叶盘焊接的新技术。国外LFW 焊机制造商主要有美国的MTI、英国的Thompson 及德国的MTU 公司等。在国内，目前有3 家单位拥有自主研制的LFW 设备，分别是西北工业大学、中航工业北京航空制造工程研究所（625 所）及哈尔滨焊接研究所。 北京625 所于2006 年研制成功国内第一台液压式LFW 设备，该设备采用电液伺服控制系统，振动焊件的激振力为147kN，水平方向的顶锻力为196kN，可实现最大2000mm2钛合金的焊接。该设备针对航空发动机整体叶盘及多种钛合金材料开展了LFW 焊接工艺、连接机理等研究。为了推广LFW 应用，还针对飞机的框梁等主承力结构开展了焊接试验、接头热处理及全面力学性能测试等研究。LFW 设备的不足及展望LFW 打破了传统旋转摩擦焊只限于焊接圆或管截面焊件的局限，极大地拓展了摩擦焊接的应用范围，但是设备成本较高、技术难度大，在工业方面的成熟应用还仅限于航空发动机整体叶盘制造领域，因此，大幅降低设备制造成本是实现线性摩擦焊技术大面积推广的努力方向之一；国内设备在接头焊后轴向与周向等精度等方面与国外还存在一定的差距，还需要在设备本体结构与焊接过程测控技术上不断改进；另外，随着新材料的出现以及应用部门对接头性能要求的增加，还需要进一步在材料与结构的焊接工艺性、接头性能与服役可靠性、大吨位焊接设备及高精度控制、数字化/ 智能制造等方面开展更加深入的研究。End转载请注明出处“航空制造网”微信公众号并附二维码文章节选自《航空制造技术》杂志，《整体叶盘线性摩擦焊接设备研制与发展现状》作者：苏 宇，马铁军，李文亚，杨夏炜，周 军， 张学军免责声明：本公众号所载内容为本公众号原创或网络转载，转载内容版权归原作者所有。如涉及作品内容、版权或其他问题，请跟我们联系！转载内容为作者个人观点，并不代表本公众号赞同其观点和对其真实性负责。本公众号拥有对此声明的最终解释权。