整体叶盘线性摩擦焊接设备研制与发展现状

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1、sDe。吲脚唰。。㈨。㈣m⋯，航空专用装备与发展现状苏宇1，马铁军1，李文亚1，杨夏炜1，周军2，张学军3(1．西北工业大学材料学院陕西省摩擦焊接工程技术重点实验室，西安71()《)72；2．机械科学研究院哈尔滨焊接研究所，哈尔滨150()28；3．北京航空材料研究院，北京1()()f)95)【摘要]线性摩擦焊作为航空发动机整体叶盘制造与修复的一项关键技术得到了快速发展与成功应用，并在航空航天及其他制造领域中具有广阔的前景。主要针对线性摩擦焊的设备研制与发展历程，介绍电磁式、机械式及液压式3类结构的设备工作原理与主要优缺点，同时介绍

2、了国内外用于整体叶盘研制的典型设备的主要性能指标、结构特点及各自开展的研究与应用现状，并在最后指出线性摩擦焊设备现阶段的不足与发展前景关键词：线性摩擦焊；整体叶盘；工作原理DOI：10．16080／j．issnl671-833x．2016．18．053苏宇西jl；-r业大学硕士研究生．主要从事与摩擦焊相关的研究工作。线性摩擦焊(LinearFrictionWelding，LFw)是摩擦焊技术的一种，其焊接原理如图l(a)所示。摩擦副中一侧的T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T件沿焊接面上某一方向以一定的振幅和频

3、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、气孑L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(h)是Rolls—Royce公司焊接的EJ200发动机风扇整体叶盘

4、2I。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l(

5、c)为TwI开发的LFw近终型结构件”I，被关桥院士称为“块体组焊同相增材制造技术”f4I：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15l，在滑轮发电机、涡轮增b)LFW整体叶盘示例。～，。(t·)LFw近终型结构件示例图1LFW原理及应用示例Fig．1PrincipleandappliedexamplesofLFW2016年第18期·航窄制造技术53钐论坛FORUM压器等方面也有推广应用价值f61，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。

6、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、UniversityofBristol和RoUs．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”‘7】。航空发动机整体叶盘等重要构件对接头的焊接质量与

7、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。LFvv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

8、：电磁式、机械式和液压式【5】。(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54航空制造技术·2016年第18期以实时控制，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4】。(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

9、理如图2(b)所示【8】。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，