整体叶盘制造新技术——线性摩擦焊

1929年德国的Richter和1959年俄罗斯的Vill分别提出了线性摩擦焊的概念，1969年英国出版了一项专利主要描述了焊接低碳钢的线性往复机构，到了80年代线性摩擦焊技术才真正地被大家接受，经过40多年的发展，线性摩擦焊已成为钛合金整体叶盘制造中一项比较理想的工艺，具有独特优势。

线性摩擦焊的原理如图1所示，其原理是将一件工件夹持于往复运动机构中（称为往复运动工件），另一件夹持于尾座夹具中（称为移动工件），焊接过程中通过一定的摩擦压力使两工件紧密接触。同时，往复运动工件以一定的频率和振幅做线性往复运动，使其与移动工件摩擦产热，随着界面温度的升高，界面处产生塑化金属层，并且挤出飞边，达到稳定状态后，摩擦停止，继续施加顶锻力，在力和温度的共同作用下界面处发生原子扩散和再结晶，从而形成接头。

线性摩擦焊属于固相焊接技术，焊前、焊后的辅助清理工作较少，而且焊接过程无烟尘、飞溅、辐射，不需要添加保护气体和焊料，焊接接头不存在传统熔焊过程的疏松、夹杂、气孔、裂纹等缺陷，焊接接头质量高，并且可进行异种材料的焊接，尤其适用于高温合金和钛合金等贵金属的连接，焊接过程可完全机械化并能实现自动控制，可大大减少贵重金属的浪费。

目前，制造整体叶盘有以下几种技术途径：线性摩擦焊、五坐标数控加工、电解加工、扩散焊和电子束焊。与其他技术相比较，线性摩擦焊在整体叶盘的制造上具有独特的优势，采用该技术可实现空心叶片与轮盘的连接，可实现异种材料整体叶盘的制造，还可以对损坏的单个叶片进行修理。与机械加工制造整体叶盘相比，线性摩擦焊可节省大量贵重金属材料，大幅度提高加工效率。

线性摩擦焊技术的三个重要组成是工艺、设备和夹具，利用线性摩擦焊制造整体叶盘的过程是：首先，将单个叶片与轮盘分别加工；第二步，采用线性摩擦焊技术实现叶片和轮盘的可靠连接；最后，在五坐标数控铣床上用棒铣刀将多余材料铣掉。其中工艺是接头性能优良的保证，而设备和夹具是焊接质量和焊接精度的保证。

从1929年线性摩擦焊的概念被提出到目前为止，国外有许多研究者对该技术进行了研究。研究范围涉及焊接工艺、组织分析、检验方法、性能测试、数值模拟及设备研制等。

国外已经针对航空发动机整体叶盘常用的钛合金如Ti64、Ti6242、Ti6246、Ti17等开展了线性摩擦焊焊接工艺研究，包括焊接主要工艺参数改变时，其组织的变化、对焊接性能的影响、焊接后接头区残余应力的测试，研究了焊接接头热力影响区宽度对接头性能的影响及焊后热处理工艺，并对焊接接头进行了较全面的性能测试。开展了线性摩擦焊的数值模拟研究，对线性摩擦焊过程的温度场等进行了相关的预测。研究成果已经用于钛合金线性摩擦焊整体叶盘的制造。同时国外还开展了TiAl和单晶、镍基高温合金等材料线性摩擦焊工艺的探索性研究，例如对于单晶的线性摩擦焊，开展了晶粒取向对其焊接性的影响，并对接头的组织进行了观察和分析。

国外线性摩擦焊设备发展经历了三个阶段：

曲柄连杆式：正弦往复运动，结构简单，成本低，工作频率 5~100Hz。

电磁式：频域范围宽，加速度波形失真小。但电功率大，冷却方式结构复杂，成本高。

电液伺服式：最高频率约为500Hz，成本低，所需动力电功率小。

目前，线性摩擦焊设备主要采用的是电液伺服式。

与真空扩散焊、电子束焊制造整体叶盘的方法相比，线性摩擦焊技术以其焊缝质量高、无烟尘和飞溅、无需填充材料和气体保护、材料损耗少、焊缝缺陷少等优点，已成为航空发动机材料整体叶盘制造和修复的关键技术，在航空制造业受到了广泛的青睐。在20世纪80年代后期，MTU公司与罗罗公司合作，把线性摩擦焊用于欧洲战斗机“台风”发动机3级低压压气机整体叶盘的制造并取得成功，目前已经提供了100多个线性摩擦焊焊接的整体叶盘。美国F-22“猛禽”战斗机是全球唯一进入服役的第四代战斗机，采用的发动机为普惠公司研制的F119发动机，其风扇和压气机1~2级均采用罗罗公司研制的线性摩擦焊整体叶盘结构。其中风扇是采用宽弦空心叶片结构。美国在“联合攻击战斗机”（JSF）项目中研制的F-35“闪电”Ⅱ战斗机是在研的第四代多功能战斗机，采用的也是普惠公司研制的发动机F135，该发动机的升力风扇以及一、二级风扇（为空心叶片）也是罗罗公司提供的线性摩擦焊连接的整体叶盘。通用电气公司F136发动机的3级叶片全部采用罗罗公司生产的线性摩擦焊整体叶盘结构，同时也在探索在将来航空发动机的制造和维修中使用线性摩擦焊。

此外，线性摩擦焊整体叶盘在民机方面也有应用，日本开展的一项小型民机飞机发动机的研究计划中，其高压压气机整体叶盘采用了线性摩擦焊制造。美国波音787客机的发动机也采用了线性摩擦焊整体叶盘结构。

线性摩擦焊技术已成为国外第四代战斗机整体叶盘的主流制造技术之一，以中航工业制造所为代表的国内机构在上世纪90年代初就开始跟踪线性摩擦焊技术的进展，并针对航空发动机整体叶盘典型结构及材料开展了线性摩擦焊工艺的研究、设备的研制、连接机理的研究和数值模拟研究，研制的单元考核件和整体叶盘模拟件均通过了试验考核，技术水平与国外相当。

线性摩擦焊是一项绿色环保的固态焊接技术，由于其焊接质量优良，已成为钛合金整体叶盘制造的主流技术之一，并且在国外的航空发动机上取得成功应用，并将进一步应用于飞机部件以及民用涡轮机的制造，线性摩擦焊技术这朵整体叶盘制造技术中的奇葩，在未来一定会大放异彩。（季亚娟）
http://www.cannews.com.cn/epaper ... /story/332166.shtml1929年德国的Richter和1959年俄罗斯的Vill分别提出了线性摩擦焊的概念，1969年英国出版了一项专利主要描述了焊接低碳钢的线性往复机构，到了80年代线性摩擦焊技术才真正地被大家接受，经过40多年的发展，线性摩擦焊已成为钛合金整体叶盘制造中一项比较理想的工艺，具有独特优势。

线性摩擦焊的原理如图1所示，其原理是将一件工件夹持于往复运动机构中（称为往复运动工件），另一件夹持于尾座夹具中（称为移动工件），焊接过程中通过一定的摩擦压力使两工件紧密接触。同时，往复运动工件以一定的频率和振幅做线性往复运动，使其与移动工件摩擦产热，随着界面温度的升高，界面处产生塑化金属层，并且挤出飞边，达到稳定状态后，摩擦停止，继续施加顶锻力，在力和温度的共同作用下界面处发生原子扩散和再结晶，从而形成接头。

线性摩擦焊属于固相焊接技术，焊前、焊后的辅助清理工作较少，而且焊接过程无烟尘、飞溅、辐射，不需要添加保护气体和焊料，焊接接头不存在传统熔焊过程的疏松、夹杂、气孔、裂纹等缺陷，焊接接头质量高，并且可进行异种材料的焊接，尤其适用于高温合金和钛合金等贵金属的连接，焊接过程可完全机械化并能实现自动控制，可大大减少贵重金属的浪费。

目前，制造整体叶盘有以下几种技术途径：线性摩擦焊、五坐标数控加工、电解加工、扩散焊和电子束焊。与其他技术相比较，线性摩擦焊在整体叶盘的制造上具有独特的优势，采用该技术可实现空心叶片与轮盘的连接，可实现异种材料整体叶盘的制造，还可以对损坏的单个叶片进行修理。与机械加工制造整体叶盘相比，线性摩擦焊可节省大量贵重金属材料，大幅度提高加工效率。

线性摩擦焊技术的三个重要组成是工艺、设备和夹具，利用线性摩擦焊制造整体叶盘的过程是：首先，将单个叶片与轮盘分别加工；第二步，采用线性摩擦焊技术实现叶片和轮盘的可靠连接；最后，在五坐标数控铣床上用棒铣刀将多余材料铣掉。其中工艺是接头性能优良的保证，而设备和夹具是焊接质量和焊接精度的保证。

从1929年线性摩擦焊的概念被提出到目前为止，国外有许多研究者对该技术进行了研究。研究范围涉及焊接工艺、组织分析、检验方法、性能测试、数值模拟及设备研制等。

国外已经针对航空发动机整体叶盘常用的钛合金如Ti64、Ti6242、Ti6246、Ti17等开展了线性摩擦焊焊接工艺研究，包括焊接主要工艺参数改变时，其组织的变化、对焊接性能的影响、焊接后接头区残余应力的测试，研究了焊接接头热力影响区宽度对接头性能的影响及焊后热处理工艺，并对焊接接头进行了较全面的性能测试。开展了线性摩擦焊的数值模拟研究，对线性摩擦焊过程的温度场等进行了相关的预测。研究成果已经用于钛合金线性摩擦焊整体叶盘的制造。同时国外还开展了TiAl和单晶、镍基高温合金等材料线性摩擦焊工艺的探索性研究，例如对于单晶的线性摩擦焊，开展了晶粒取向对其焊接性的影响，并对接头的组织进行了观察和分析。

国外线性摩擦焊设备发展经历了三个阶段：

曲柄连杆式：正弦往复运动，结构简单，成本低，工作频率 5~100Hz。

电磁式：频域范围宽，加速度波形失真小。但电功率大，冷却方式结构复杂，成本高。

电液伺服式：最高频率约为500Hz，成本低，所需动力电功率小。

目前，线性摩擦焊设备主要采用的是电液伺服式。

与真空扩散焊、电子束焊制造整体叶盘的方法相比，线性摩擦焊技术以其焊缝质量高、无烟尘和飞溅、无需填充材料和气体保护、材料损耗少、焊缝缺陷少等优点，已成为航空发动机材料整体叶盘制造和修复的关键技术，在航空制造业受到了广泛的青睐。在20世纪80年代后期，MTU公司与罗罗公司合作，把线性摩擦焊用于欧洲战斗机“台风”发动机3级低压压气机整体叶盘的制造并取得成功，目前已经提供了100多个线性摩擦焊焊接的整体叶盘。美国F-22“猛禽”战斗机是全球唯一进入服役的第四代战斗机，采用的发动机为普惠公司研制的F119发动机，其风扇和压气机1~2级均采用罗罗公司研制的线性摩擦焊整体叶盘结构。其中风扇是采用宽弦空心叶片结构。美国在“联合攻击战斗机”（JSF）项目中研制的F-35“闪电”Ⅱ战斗机是在研的第四代多功能战斗机，采用的也是普惠公司研制的发动机F135，该发动机的升力风扇以及一、二级风扇（为空心叶片）也是罗罗公司提供的线性摩擦焊连接的整体叶盘。通用电气公司F136发动机的3级叶片全部采用罗罗公司生产的线性摩擦焊整体叶盘结构，同时也在探索在将来航空发动机的制造和维修中使用线性摩擦焊。

此外，线性摩擦焊整体叶盘在民机方面也有应用，日本开展的一项小型民机飞机发动机的研究计划中，其高压压气机整体叶盘采用了线性摩擦焊制造。美国波音787客机的发动机也采用了线性摩擦焊整体叶盘结构。

线性摩擦焊技术已成为国外第四代战斗机整体叶盘的主流制造技术之一，以中航工业制造所为代表的国内机构在上世纪90年代初就开始跟踪线性摩擦焊技术的进展，并针对航空发动机整体叶盘典型结构及材料开展了线性摩擦焊工艺的研究、设备的研制、连接机理的研究和数值模拟研究，研制的单元考核件和整体叶盘模拟件均通过了试验考核，技术水平与国外相当。

线性摩擦焊是一项绿色环保的固态焊接技术，由于其焊接质量优良，已成为钛合金整体叶盘制造的主流技术之一，并且在国外的航空发动机上取得成功应用，并将进一步应用于飞机部件以及民用涡轮机的制造，线性摩擦焊技术这朵整体叶盘制造技术中的奇葩，在未来一定会大放异彩。（季亚娟）
http://www.cannews.com.cn/epaper ... /story/332166.shtml