慣性摩擦焊

慣性摩擦焊（Inertia Friction Welding, IFW）是摩擦焊工藝中較典型的一種，卡特彼勒公司在20世紀60年代初發明瞭慣性摩擦焊，世界上比較著名的慣性摩擦焊設備製造商為美國MTI公司。慣性摩擦焊通過在待焊材料之間摩擦，產生熱量，在頂鍛力的作用下材料發生塑性變形與流動，進而連接母材。慣性摩擦焊一般裝有飛輪，飛輪可儲存旋轉的動能，用以提供工件摩擦時需要的能量。慣性摩擦焊在焊接前，將工件分別裝入旋轉端和滑移端，再將旋轉端加速，當旋轉端轉速達到設定值時，主軸的驅動馬達與旋轉端分離。滑移端一般由液壓伺服驅動，朝旋轉端方向移動，工件接觸後開始摩擦同時切斷飛輪的驅動電機供電；當旋轉端的轉速下降到一定值時，開始對待焊工件進行頂鍛，保持一定時間後，滑移端退出，焊接過程結束。在實際生產中，可通過更換飛輪或組合不同尺寸的飛輪來改變飛輪的轉動慣量，從而改變焊接能量及焊接能力。

工件經焊接後，有部分材料會被擠出焊縫，造成飛邊。一般情況下，焊縫的飛邊應被去除。慣性摩擦焊的優點是工藝控制參數少、熱輸入小、變形小、焊縫窄，是少有的真正能達到6σ質量水平（缺陷率為百萬分之3.4以下）的工藝，尤其適用於焊接異種材料，如粉末合金與高温合金的焊接。

慣性摩擦焊的缺點在於設備昂貴，按功率的不同，價格在200萬~ 800萬美元之間；工裝的設計較複雜，僅限於焊接旋轉體的零件，且對截面尺寸有限制。

國內的慣性摩擦焊機已研究多年，國內企業已研發生產出技術成熟的160噸、250噸慣性摩擦焊機並已廣泛應用與各石油鑽桿生產線，相比較國外而言，國內YL-160、YL-250系列慣性摩擦焊機設備質量可靠，性能穩定，各項靜態及動態參數指標均已達到國際同類產品先進水平。國內慣性摩擦焊機設備的價格也大大低於國外同類產品的價格。

慣性摩擦焊作為一種先進的焊接工藝，已成為先進航空發動機的壓氣機轉子及渦輪部件的主要焊接工藝。

為了降低成本，減輕重量，先進航空發動機的壓氣機轉子已基本採用焊接連接代替螺栓連接。這是因為採用焊接結構後，省去了大量的盤與盤之間的連接緊固件，並且減少了轉子在螺栓孔處的截面尺寸。同時，採用焊接連接後，還可以消除應力集中的螺栓孔，提高轉子的剛性，改進轉子的平衡性，提高發動機的工作穩定性。

慣性摩擦焊與電子束焊均被應用於轉子的焊接，但慣性摩擦焊更具有優勢。因為慣性摩擦焊屬於固態焊接過程，焊縫及熱影響區組織好，可焊接異種金屬，焊接過程中不易造成漏焊，缺陷極少（6σ以上的質量水平）。但慣性摩擦焊設備的一次性投入較高。

慣性摩擦焊自出現之後就在各大航空發動機公司得到廣泛應用。GE公司在20世紀60年代中期開始研發慣性摩擦焊技術，並使其應用於旋轉件的焊接；在60年代後期，慣性摩擦焊就得到了批產。GE公司的航空發動機重要轉動件幾乎全部都採用慣性摩擦焊焊接。如GE公司為波音787開發的新一代發動機GEnx，其高壓壓氣機轉子採用慣性摩擦焊焊接。又如由GE與P&W聯合開發的發動機GP7200，用於世界上最大的飛機A380，其高壓壓氣機轉子也採用慣性摩擦焊焊接。同樣，GE90的高壓壓氣機轉子也採用了慣性摩擦焊焊接。慣性摩擦焊的應用使GE公司獲得了巨大的經濟效益。例如，CF6發動機的3~9級壓氣機轉子，原為整體鍛件，重413kg，改為2個鍛件經慣性摩擦焊連接後，重量降至300kg。GE90的風扇盤在最初設計時為Ti17的整體鍛件，後也改為由3個Ti17鍛件經慣性摩擦焊連接，大大降低了製造成本。另外，GE與SNECMA共同開發的CFM56發動機的1~2級壓氣機盤和4~9級壓氣機盤的連接、低壓渦輪軸與盤的連接都採用了慣性摩擦焊。

P&W公司同時採用慣性摩擦焊和電子束焊，電子束焊用於一般轉動件，慣性摩擦焊用於工作温度高、轉速快、受力大的重要轉動件。

R·R公司則在60年代後期開始研究慣性摩擦焊，但在Trent系列發動機中一直採用電子束進行焊接。隨着高温合金向更高耐温能力的方向發展，採用電子束焊接已越來越困難。近幾年，慣性摩擦焊在R·R公司得到了快速發展，並逐漸成為Trent後續衍生機型盤軸的主要焊接方法。R·R公司現已裝備了2000t的慣性摩擦焊設備，用於焊接高壓壓氣機鼓筒。隨着壓氣機壓比及出口温度的進一步增加，壓氣機後幾級需要採用耐温能力更高的材料，如粉末合金。慣性摩擦焊同樣可以用於這類新材料的焊接，R·R公司研製的Trent1000發動機的渦輪後短軸（Inco718合金）和粉末合金渦輪盤（RR1000粉末合金）就採用了慣性摩擦焊。同時，R·R ^[1]  公司已將Inco718與U720Li，Inco718與粉末合金等異種材料的慣性摩擦焊工藝列入了相應的材料工藝標準中。

慣性焊/連續焊焊接過程比較

（a）慣性摩擦焊

●其中一個工件連接到慣性飛輪，另一個被夾緊在非旋轉軸向驅動器中。

●飛輪蓄能和一個工件一起加速到焊接角速度。

●驅動器脱開，工件在驅動下接觸。

●在接觸界面處產生摩擦熱，施加軸向力以完成焊接。

（b）連續摩擦焊

●其中一個工件連接到旋轉電機驅動器， 另一個固定在軸向運動系統中。

●一個工件由電機驅動以需要的速度旋轉。

●施加一定的軸向力使工件彼此接觸摩擦。

●達到一定速度後電機脱開同時進行快速制動。

●制動停止後施加更大軸向力保壓完成焊接。

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