慣性摩擦焊技術(shù)在“雙碳”背景下的創(chuàng)新應(yīng)用研究

0 引言

在“雙碳”背景下，以零碳驅(qū)動(dòng)為導(dǎo)向，通過(guò)結(jié)構(gòu)降、工藝降碳、系統(tǒng)降碳、循環(huán)降碳和科技降碳等方面的舉措，樹(shù)立產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新思維、新觀念，構(gòu)建產(chǎn)業(yè)發(fā)展新體系。產(chǎn)業(yè)發(fā)展將逐步向能源零碳化、產(chǎn)業(yè)綠色化、產(chǎn)品輕量化和資源循環(huán)化有序?qū)嵤?，其中產(chǎn)品輕量化將進(jìn)一步挖潛技術(shù)產(chǎn)品跨界創(chuàng)新應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排降碳目標(biāo)。慣性摩擦焊技術(shù)能極大地提高焊接質(zhì)量和效率，延長(zhǎng)焊接件使用壽命，促進(jìn)產(chǎn)品輕量化和能源利用效率提升，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，必然能為產(chǎn)業(yè)碳達(dá)峰碳中和發(fā)揮積極作用。

1 技術(shù)特點(diǎn)

1.1 基本原理

慣性摩擦焊技術(shù)采用慣性飛輪旋轉(zhuǎn)儲(chǔ)能的方式，為相互摩擦的焊接面提供能量，最終達(dá)到固相焊接（非熔融焊接）的目的。焊接面一側(cè)是旋轉(zhuǎn)端，另一側(cè)是不旋轉(zhuǎn)端。將兩件需要焊接在一起的工件分別夾持在旋轉(zhuǎn)端和不旋轉(zhuǎn)。動(dòng)力單元驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)端，達(dá)到所需的設(shè)定轉(zhuǎn)速后與旋轉(zhuǎn)端脫開(kāi)。在動(dòng)力脫開(kāi)的同時(shí)，對(duì)不旋轉(zhuǎn)端施加所需的軸向頂力，使兩件焊接工件相互接觸，表面摩擦生熱，形成焊接面。存儲(chǔ)在旋轉(zhuǎn)飛輪中的動(dòng)能隨著焊接面的摩擦，不斷釋放能量給焊接面，轉(zhuǎn)速逐漸降低。飛輪完全停轉(zhuǎn)后，持續(xù)施加頂力并保持一段時(shí)間，至此整個(gè)焊接過(guò)程結(jié)束（見(jiàn)圖1）。

這是一首主張勤勞工作、志不可荒的詩(shī)。 值得注意的是，作者并不是一味警戒世人，而是既同意應(yīng)該快樂(lè)的時(shí)候就快樂(lè)，只是必須有節(jié)制。 這就符合人情，深厚得多。 所謂思深便是如此。

1.2 典型工藝分析

慣性摩擦焊相較于技術(shù)路線接近的連續(xù)摩擦焊更加節(jié)能，且能夠完成高溫合金的焊接，相較于更常規(guī)的電弧焊，則有明顯的工藝優(yōu)勢(shì)，對(duì)這些焊接類(lèi)型進(jìn)行各項(xiàng)性能指標(biāo)比較，具體對(duì)比結(jié)果如表1。

具體而言，慣性摩擦焊具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）焊接溫度低，因此耗能低，較傳統(tǒng)焊接節(jié)電量最高達(dá)80%。

7）更容易實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)生產(chǎn)及智能化生產(chǎn)管理（包括焊接質(zhì)量在線診斷、設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程診斷、生產(chǎn)數(shù)據(jù)云儲(chǔ)存分析等）。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)現(xiàn)有轎車(chē)保有量2.85 億輛，每年新增2 500 萬(wàn)輛；大型車(chē)輛（含客貨車(chē)）保有量近1 000萬(wàn)輛，每年新增110萬(wàn)輛；消耗成品油4億t/a，碳排放量約為10億t/a。我國(guó)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)致力于提升車(chē)輛制動(dòng)性能、加速性能、操控性能和舒適性，由于車(chē)輛生產(chǎn)制造受限于焊接工藝和材質(zhì)，車(chē)輛運(yùn)行油耗一直居高不下。在“雙碳”背景下，如不降低汽車(chē)性能，必須大力推進(jìn)汽車(chē)輕量化和新能源化,并加快科技創(chuàng)新突破新的焊接工藝和新的汽車(chē)材質(zhì)，并加快在輪轂輕量化領(lǐng)域予以先行、先試。因此，慣性摩擦焊工藝與陶鋁等新型材料的創(chuàng)新應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輪轂輕量化，將有效降低汽車(chē)產(chǎn)業(yè)和汽車(chē)使用環(huán)節(jié)的電耗、油耗和碳排放量。

3）無(wú)需耗材，不需要助焊劑、填充材料或保護(hù)氣體，生態(tài)環(huán)保無(wú)污染。

4）焊接遠(yuǎn)低于熔融溫度，不會(huì)產(chǎn)生凝固缺陷，焊縫質(zhì)量穩(wěn)定且重復(fù)性好，真正能達(dá)到6σ質(zhì)量水平的焊接工藝。

5）焊接表面無(wú)嚴(yán)格預(yù)處理要求，減少工序而降低加工成本，且進(jìn)一步減少工藝能耗和碳排放量。

6）相比于連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊，慣性摩擦焊瞬間焊接功率更高、能實(shí)現(xiàn)異種材料焊接，大幅度增加工藝應(yīng)用領(lǐng)域。

使用corrcoef函數(shù)時(shí)，兩個(gè)序列的元素個(gè)數(shù)應(yīng)相同。先設(shè)定一個(gè)隨機(jī)數(shù)列，然后用corrcoef(x，y)得出兩數(shù)列的相關(guān)系數(shù)。

2000 年以來(lái)，石油鉆桿市場(chǎng)國(guó)內(nèi)需求迅猛發(fā)展，中國(guó)從國(guó)外進(jìn)口焊接石油鉆桿用慣性摩擦焊機(jī)Model 320BX（160 t 頂力）和 Model 400B（250 t頂力）40 余臺(tái)套。2011 年，國(guó)內(nèi)首臺(tái)160 t 頂力慣性摩擦焊機(jī)研制成功，相當(dāng)于美國(guó)MTI 公司Model 320BX；2013 年國(guó)內(nèi)首臺(tái)250 t 頂力慣性摩擦焊機(jī)研制成功，相當(dāng)于美國(guó)MTI公司Model 400BX。

2 國(guó)際現(xiàn)狀分析

慣性摩擦焊直接利用工件本體進(jìn)行焊接，不需要焊材，焊接熱影響區(qū)域小，焊接強(qiáng)度可達(dá)到本體強(qiáng)度。材料適應(yīng)性強(qiáng)，可用于同種、異種材料的焊接，可以大大降低生產(chǎn)成本，較大幅度地提高生產(chǎn)效率，延長(zhǎng)產(chǎn)品的使用壽命，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程節(jié)能環(huán)保無(wú)煙霧。慣性摩擦焊接擅長(zhǎng)進(jìn)行軸類(lèi)部件全端面焊接的工作，在零件減重、高強(qiáng)度焊接以及異種材料焊接等任務(wù)中均有重要地位。國(guó)際上在20 世紀(jì)60年代初發(fā)明了慣性摩擦焊。

由于Liu et al.（2011）研究假定4個(gè)氣象要素是相互獨(dú)立的變量，故可采用式（5）計(jì)算氣象要素的敏感度系數(shù)。然而，變量之間并非完全獨(dú)立，其相互作用也可能對(duì) ET0趨勢(shì)產(chǎn)生影響（Ning et al.，2016），忽略該部分可能會(huì)導(dǎo)致誤差。此外，本研究以參考蒸散發(fā)作為主要參數(shù)，提供了氣候變量和ET0之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式，為敏感度計(jì)算奠定基礎(chǔ)，但參考蒸散發(fā)與真實(shí)的蒸散發(fā)量不一致，故貢獻(xiàn)率分析存在一定不確定性（Martí et al.，2015）。

2.1 航空和軍工領(lǐng)域

5.3 配置品種要多元化 蘋(píng)果產(chǎn)區(qū)80%以上品種為富士，這本身就隱藏著生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)（相當(dāng)于把所有雞蛋放在一個(gè)籃子里），不少種植戶的果園內(nèi)也是單一的富士品種，沒(méi)有授粉樹(shù)。沒(méi)有“因地適栽”的品種多元化、特色化布局，如果遭遇災(zāi)害天氣，損失會(huì)很大。因此，適時(shí)調(diào)整品種結(jié)構(gòu)，發(fā)展多樣化、特色化名優(yōu)品種（不同品種花期不一致，自然會(huì)規(guī)避花期凍害），適度調(diào)整富士單一獨(dú)大局面，將是蘋(píng)果產(chǎn)業(yè)健康快速發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。

為了降低成本，減輕重量，先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子已基本采用焊接連接代替螺栓連接，可提高發(fā)動(dòng)機(jī)的工作穩(wěn)定性。例如空客A380 使用的Trent 900 發(fā)動(dòng)機(jī)采用了摩擦慣性焊技術(shù)，使其燃油效率比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手高25%。GE 公司的航空發(fā)動(dòng)機(jī)重要轉(zhuǎn)動(dòng)件幾乎全部采用慣性摩擦焊技術(shù)。

2.2 船舶和海洋工程領(lǐng)域

在國(guó)外船舶及海洋工程領(lǐng)域，慣性摩擦焊的應(yīng)用對(duì)于提升相關(guān)裝備零部件制造水平、降低制造成本發(fā)揮了重要作用，其中比較典型的應(yīng)用是眾多船用盤(pán)軸類(lèi)零件的制造。例如，船用驅(qū)動(dòng)齒輪軸，較大的齒輪盤(pán)同相對(duì)細(xì)長(zhǎng)的中心軸的組合。傳統(tǒng)的制作工藝往往采用整體鍛件，之后通過(guò)精加工制作，其缺點(diǎn)是鍛件毛坯需要耗費(fèi)大量的材料，同時(shí)加工到成品還需要耗費(fèi)大量的加工時(shí)間，導(dǎo)致制作成本很高。當(dāng)采用慣性摩擦焊接替代整體鍛件后，在保持與整體鍛造零件同樣的質(zhì)量可靠性前提下，制作成本可大大降低。

2.3 汽車(chē)制造領(lǐng)域

歐美發(fā)達(dá)國(guó)家已將慣性摩擦焊技術(shù)及相關(guān)應(yīng)用設(shè)備廣泛應(yīng)用于大規(guī)模交通工業(yè)生產(chǎn)制造領(lǐng)域。其中，汽車(chē)制造中的一項(xiàng)重要應(yīng)用是將慣性旋轉(zhuǎn)摩擦焊技術(shù)用于汽車(chē)輪轂的焊接制造。車(chē)用輪轂作為汽車(chē)承載與驅(qū)動(dòng)的關(guān)鍵部件，在設(shè)計(jì)中越來(lái)越趨向于高強(qiáng)度、輕量化的設(shè)計(jì)，這一特點(diǎn)在新能源、高速、重載汽車(chē)輪轂設(shè)計(jì)中尤為突出。目前，輪轂普遍采用鋁合金、鋁鎂合金或鎂合金（超跑類(lèi)）作為其主體材質(zhì)。在輪轂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，為了兼顧強(qiáng)度與輕量化要求，在輪轂重要承載部位往往采用中空設(shè)計(jì)。例如，德國(guó)保時(shí)捷公司與KUKA 公司聯(lián)合申請(qǐng)的相關(guān)輪轂制造專(zhuān)利，其核心焊接工藝為慣性旋轉(zhuǎn)摩擦焊，并且披露了用慣性旋轉(zhuǎn)摩擦焊技術(shù)焊接輪轂可實(shí)現(xiàn)極高的焊接效率（焊接熱輸入在2 s內(nèi)完成）。

3 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀分析

國(guó)內(nèi)慣性摩擦焊機(jī)已研究多年，上海已具有國(guó)內(nèi)該領(lǐng)域領(lǐng)先的技術(shù)團(tuán)隊(duì)。目前，國(guó)內(nèi)企業(yè)已研發(fā)生產(chǎn)出技術(shù)成熟的 160 t、250 t、400 t 慣性摩擦焊機(jī)，并應(yīng)用于各石油鉆桿生產(chǎn)線，相比較國(guó)外而言，各項(xiàng)靜態(tài)及動(dòng)態(tài)參數(shù)指標(biāo)均已達(dá)到國(guó)際同類(lèi)產(chǎn)品先進(jìn)水平。慣性摩擦焊接設(shè)備及工藝由歐美壟斷，對(duì)我國(guó)高端制造產(chǎn)業(yè)形成一定的制約因素，大噸位慣性摩擦焊技術(shù)是卡脖子技術(shù)之一。

綜上所述，慣性摩擦焊技術(shù)應(yīng)用將帶來(lái)很高的社會(huì)及經(jīng)濟(jì)效益。綠色環(huán)保、無(wú)污染、能耗低、焊接時(shí)間短、生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)成本低，容易實(shí)現(xiàn)智能化全自動(dòng)生產(chǎn)，因此，在航空航天、軍工制造、鐵路及軌道工程、石油工程、海洋工程、汽車(chē)工程、農(nóng)機(jī)工程等諸多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

根據(jù)美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家碳達(dá)峰工作經(jīng)驗(yàn)，交通部門(mén)較工業(yè)部門(mén)碳達(dá)峰晚了40 年左右。我國(guó)為順利完成碳達(dá)峰整體目標(biāo)，交通部門(mén)必須通過(guò)制造領(lǐng)域快速碳達(dá)峰，應(yīng)用領(lǐng)域加速低碳化產(chǎn)品應(yīng)用等結(jié)構(gòu)調(diào)整，壓縮碳達(dá)峰周期的并舉措施來(lái)解決。汽車(chē)輪轂輕量化將是交通領(lǐng)域有效促進(jìn)生產(chǎn)制造領(lǐng)域節(jié)能節(jié)材和應(yīng)用領(lǐng)域節(jié)能降碳并舉的碳達(dá)峰標(biāo)桿舉措，是汽車(chē)產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和的必由之路。

2017 年，上海團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了400 t 慣性摩擦焊機(jī)的技術(shù)攻關(guān)，并于2019 年成功完成了400 t 慣性摩擦焊機(jī)的研制（圖2 所示）。該慣性摩擦焊機(jī)和國(guó)際知名企業(yè)產(chǎn)品性能相當(dāng)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白,實(shí)現(xiàn)了400 t 以上大型慣性摩擦焊卡脖子技術(shù)的突破，為各領(lǐng)域高端制造工藝突破創(chuàng)造了良好的技術(shù)條件。

4 碳中和應(yīng)用場(chǎng)景

4.1 輪轂輕量化應(yīng)用場(chǎng)景

為保證碾壓的剛性效果，應(yīng)將初壓以強(qiáng)振狀態(tài)碾壓2遍，并把初壓區(qū)域的長(zhǎng)度控制在20m以內(nèi)。復(fù)壓應(yīng)緊跟在初壓作業(yè)以后，同樣以剛性碾振壓2遍來(lái)保證路面碾壓作業(yè)效果。終壓只需剛性碾靜壓1遍來(lái)消除機(jī)械設(shè)備運(yùn)行使用產(chǎn)生的輪跡。

國(guó)際慣性摩擦焊技術(shù)應(yīng)用最成功的代表性企業(yè)是美國(guó)MTI公司。該公司擁有摩擦焊接設(shè)備領(lǐng)域的多種類(lèi)、完整系列專(zhuān)利，可以提供慣性摩擦、直接驅(qū)動(dòng)和混合摩擦等多種形式的摩擦焊機(jī)。在大噸位慣性摩擦焊接裝備及技術(shù)（400～2 000 t）領(lǐng)域上，具有全球領(lǐng)先的壟斷性地位，且在航空航天、軍工及眾多民用領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。美國(guó)MTI公司擁有目前世界上最大的2 000 t慣性摩擦焊機(jī)，用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金轉(zhuǎn)子的焊接。

2）焊接能量密度高，熱影響區(qū)小，焊接速度快，比其它焊接速度快2～100倍，其工作效率高而相對(duì)成本低。

據(jù)分析，如我國(guó)存量汽車(chē)（含大型車(chē)輛）替換為應(yīng)用陶鋁等新型材料，并采用慣性摩擦焊新焊接工藝生產(chǎn)的輕量化汽車(chē)輪轂，可實(shí)現(xiàn)節(jié)油6 600萬(wàn)t/a，節(jié)約鋁材料900萬(wàn)t/a，實(shí)現(xiàn)綜合減排2.2 億tCO

/a，其中直接減排1.65 億tCO

/a，電解鋁間接減排近0.55 億tCO

/a。每年新增的2 600 萬(wàn)輛汽車(chē)（含大型車(chē)輛）替換為輕量化汽車(chē)輪轂，可實(shí)現(xiàn)節(jié)油350萬(wàn)t/a、節(jié)電40 億kWh/a、節(jié)鋁材80 萬(wàn)t/a，實(shí)現(xiàn)綜合減排1 500 萬(wàn)tCO

/a，其中直接減排1 000 萬(wàn) tCO

/a，節(jié)約電解鋁間接減排500 萬(wàn)tCO

/a。如存量汽車(chē)按10年進(jìn)行輕量化輪轂替代，每年綜合減排3 700萬(wàn)tCO

。

根據(jù)《山西省運(yùn)城市第二次水資源調(diào)查評(píng)價(jià)報(bào)告》中伍姓湖與地下水互補(bǔ)關(guān)系微弱的結(jié)論，加之歷時(shí)較短故不統(tǒng)計(jì)湖周邊浸潤(rùn)帶的散發(fā)量、湖面降水量和湖水滲漏補(bǔ)給量。

4.2 電解鋁碳中和應(yīng)用

電解鋁行業(yè)是我國(guó)碳排放重點(diǎn)行業(yè)之一。我國(guó)電解鋁產(chǎn)量為3 700 萬(wàn)t，行業(yè)總耗電約5 000 億kWh，總排放量約為4.26 億tCO

，約占全社會(huì)凈排放總量5%。在碳達(dá)峰碳中和背景下，目前電解鋁行業(yè)正在加快供給側(cè)改革，規(guī)劃行業(yè)產(chǎn)能規(guī)模和空間布局，通過(guò)產(chǎn)業(yè)向大型水電、大型光伏和風(fēng)電供能基地集聚，以推動(dòng)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)的落實(shí)。

目前，我國(guó)鋼鐵有色、石化化工等高排放產(chǎn)業(yè)碳達(dá)峰碳中和工作方案均提出大力提升水電、光電、風(fēng)電等新能源應(yīng)用比例的工作舉措，這將嚴(yán)重制約電解鋁行業(yè)在新能源應(yīng)用的進(jìn)度，行業(yè)碳中和工作目標(biāo)完成的形勢(shì)也極其嚴(yán)峻。因此，加大力度提升電解鋁行業(yè)綜合能效是2030年前碳達(dá)峰目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的核心舉措。據(jù)調(diào)查，我國(guó)電解鋁綜合能源效率比國(guó)際先進(jìn)水平低15%，在現(xiàn)有產(chǎn)能下我國(guó)電解鋁多耗電120 億kWh/a，因此電解鋁產(chǎn)業(yè)應(yīng)加快推進(jìn)技術(shù)革新提升產(chǎn)品綜合能效，盡早達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

慣性摩擦焊在陽(yáng)極導(dǎo)桿生產(chǎn)中的跨界創(chuàng)新應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了鋁和鋼直接焊接，且產(chǎn)品質(zhì)量更加穩(wěn)定。工件與工件之間的全端面連接，使焊縫處不再存在縫隙，提升陽(yáng)極導(dǎo)桿的導(dǎo)電率。該創(chuàng)新陽(yáng)極導(dǎo)桿能實(shí)現(xiàn)每噸鋁生產(chǎn)節(jié)電300 kWh，延長(zhǎng)使用壽命一倍以上。我國(guó)電解鋁行業(yè)推廣應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)年節(jié)電量120 億 kWh，減碳近 1 000 萬(wàn) t，節(jié)約更新和修復(fù)陽(yáng)極導(dǎo)桿原材料27 萬(wàn)t，可實(shí)現(xiàn)電解鋁行業(yè)綜合能效達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

塔體高一丈，呈上細(xì)下粗的圓臺(tái)形，塔內(nèi)一具骸骨，瑩白如玉，跪坐于地——在云浮族中，跪姿并不表示卑微下賤，而是謙遜和尊重——兩只枯爪，高高地托舉著一把紅色的刀。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，慣性摩擦焊技術(shù)的創(chuàng)新突破，有效地緩解了歐美發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)我國(guó)航空航天、燃?xì)廨啓C(jī)和新能源汽車(chē)關(guān)鍵部件等高端制造的斷鏈和卡脖子。同時(shí)，創(chuàng)新應(yīng)用于陽(yáng)極導(dǎo)桿、汽車(chē)輪轂等領(lǐng)域，有效支撐了我國(guó)電解鋁、新能源汽車(chē)等重點(diǎn)行業(yè)節(jié)能降碳。加快推進(jìn)國(guó)家級(jí)先進(jìn)焊接技術(shù)創(chuàng)新中心建設(shè)，加快搭建先進(jìn)焊接技術(shù)共享服務(wù)平臺(tái)，加快推廣慣性摩擦焊技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景的推廣應(yīng)用，將是產(chǎn)業(yè)碳達(dá)峰碳中和重要舉措之一。