慣性摩擦焊技術在“雙碳”背景下的創新應用研究

0 引言

在“雙碳”背景下，以零碳驅動為導向，通過結構降、工藝降碳、系統降碳、循環降碳和科技降碳等方面的舉措，樹立產業發展的新思維、新觀念，構建產業發展新體系。產業發展將逐步向能源零碳化、產業綠色化、產品輕量化和資源循環化有序實施，其中產品輕量化將進一步挖潛技術產品跨界創新應用，以實現節能減排降碳目標。慣性摩擦焊技術能極大地提高焊接質量和效率，延長焊接件使用壽命，促進產品輕量化和能源利用效率提升，從而實現節能減排，必然能為產業碳達峰碳中和發揮積極作用。

1 技術特點

1.1 基本原理

慣性摩擦焊技術采用慣性飛輪旋轉儲能的方式，為相互摩擦的焊接面提供能量，最終達到固相焊接（非熔融焊接）的目的。焊接面一側是旋轉端，另一側是不旋轉端。將兩件需要焊接在一起的工件分別夾持在旋轉端和不旋轉。動力單元驅動旋轉端，達到所需的設定轉速后與旋轉端脫開。在動力脫開的同時，對不旋轉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。存儲在旋轉飛輪中的動能隨著焊接面的摩擦，不斷釋放能量給焊接面，轉速逐漸降低。飛輪完全停轉后，持續施加頂力并保持一段時間，至此整個焊接過程結束（見圖1）。

這是一首主張勤勞工作、志不可荒的詩。 值得注意的是，作者并不是一味警戒世人，而是既同意應該快樂的時候就快樂，只是必須有節制。 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路線接近的連續摩擦焊更加節能，且能夠完成高溫合金的焊接，相較于更常規的電弧焊，則有明顯的工藝優勢，對這些焊接類型進行各項性能指標比較，具體對比結果如表1。

具體而言，慣性摩擦焊具有以下優點：

1）焊接溫度低，因此耗能低，較傳統焊接節電量最高達80%。

7）更容易實現全自動生產及智能化生產管理（包括焊接質量在線診斷、設備狀態遠程診斷、生產數據云儲存分析等）。

據統計，我國現有轎車保有量2.85 億輛，每年新增2 500 萬輛；大型車輛（含客貨車）保有量近1 000萬輛，每年新增110萬輛；消耗成品油4億t/a，碳排放量約為10億t/a。我國汽車產業致力于提升車輛制動性能、加速性能、操控性能和舒適性，由于車輛生產制造受限于焊接工藝和材質，車輛運行油耗一直居高不下。在“雙碳”背景下，如不降低汽車性能，必須大力推進汽車輕量化和新能源化,并加快科技創新突破新的焊接工藝和新的汽車材質，并加快在輪轂輕量化領域予以先行、先試。因此，慣性摩擦焊工藝與陶鋁等新型材料的創新應用，實現汽車輪轂輕量化，將有效降低汽車產業和汽車使用環節的電耗、油耗和碳排放量。

3）無需耗材，不需要助焊劑、填充材料或保護氣體，生態環保無污染。

4）焊接遠低于熔融溫度，不會產生凝固缺陷，焊縫質量穩定且重復性好，真正能達到6σ質量水平的焊接工藝。

5）焊接表面無嚴格預處理要求，減少工序而降低加工成本，且進一步減少工藝能耗和碳排放量。

6）相比于連續驅動摩擦焊，慣性摩擦焊瞬間焊接功率更高、能實現異種材料焊接，大幅度增加工藝應用領域。

使用corrcoef函數時，兩個序列的元素個數應相同。先設定一個隨機數列，然后用corrcoef(x，y)得出兩數列的相關系數。

2000 年以來，石油鉆桿市場國內需求迅猛發展，中國從國外進口焊接石油鉆桿用慣性摩擦焊機Model 320BX（160 t 頂力）和 Model 400B（250 t頂力）40 余臺套。2011 年，國內首臺160 t 頂力慣性摩擦焊機研制成功，相當于美國MTI 公司Model 320BX；2013 年國內首臺250 t 頂力慣性摩擦焊機研制成功，相當于美國MTI公司Model 400BX。

2 國際現狀分析

慣性摩擦焊直接利用工件本體進行焊接，不需要焊材，焊接熱影響區域小，焊接強度可達到本體強度。材料適應性強，可用于同種、異種材料的焊接，可以大大降低生產成本，較大幅度地提高生產效率，延長產品的使用壽命，實現生產過程節能環保無煙霧。慣性摩擦焊接擅長進行軸類部件全端面焊接的工作，在零件減重、高強度焊接以及異種材料焊接等任務中均有重要地位。國際上在20 世紀60年代初發明了慣性摩擦焊。

由于Liu et al.（2011）研究假定4個氣象要素是相互獨立的變量，故可采用式（5）計算氣象要素的敏感度系數。然而，變量之間并非完全獨立，其相互作用也可能對 ET0趨勢產生影響（Ning et al.，2016），忽略該部分可能會導致誤差。此外，本研究以參考蒸散發作為主要參數，提供了氣候變量和ET0之間的數學表達式，為敏感度計算奠定基礎，但參考蒸散發與真實的蒸散發量不一致，故貢獻率分析存在一定不確定性（Martí et al.，2015）。

2.1 航空和軍工領域

5.3 配置品種要多元化 蘋果產區80%以上品種為富士，這本身就隱藏著生產風險（相當于把所有雞蛋放在一個籃子里），不少種植戶的果園內也是單一的富士品種，沒有授粉樹。沒有“因地適栽”的品種多元化、特色化布局，如果遭遇災害天氣，損失會很大。因此，適時調整品種結構，發展多樣化、特色化名優品種（不同品種花期不一致，自然會規避花期凍害），適度調整富士單一獨大局面，將是蘋果產業健康快速發展的關鍵因素之一。

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采用焊接連接代替螺栓連接，可提高發動機的工作穩定性。例如空客A380 使用的Trent 900 發動機采用了摩擦慣性焊技術，使其燃油效率比競爭對手高25%。GE 公司的航空發動機重要轉動件幾乎全部采用慣性摩擦焊技術。

2.2 船舶和海洋工程領域

在國外船舶及海洋工程領域，慣性摩擦焊的應用對于提升相關裝備零部件制造水平、降低制造成本發揮了重要作用，其中比較典型的應用是眾多船用盤軸類零件的制造。例如，船用驅動齒輪軸，較大的齒輪盤同相對細長的中心軸的組合。傳統的制作工藝往往采用整體鍛件，之后通過精加工制作，其缺點是鍛件毛坯需要耗費大量的材料，同時加工到成品還需要耗費大量的加工時間，導致制作成本很高。當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量可靠性前提下，制作成本可大大降低。

2.3 汽車制造領域

歐美發達國家已將慣性摩擦焊技術及相關應用設備廣泛應用于大規模交通工業生產制造領域。其中，汽車制造中的一項重要應用是將慣性旋轉摩擦焊技術用于汽車輪轂的焊接制造。車用輪轂作為汽車承載與驅動的關鍵部件，在設計中越來越趨向于高強度、輕量化的設計，這一特點在新能源、高速、重載汽車輪轂設計中尤為突出。目前，輪轂普遍采用鋁合金、鋁鎂合金或鎂合金（超跑類）作為其主體材質。在輪轂結構設計方面，為了兼顧強度與輕量化要求，在輪轂重要承載部位往往采用中空設計。例如，德國保時捷公司與KUKA 公司聯合申請的相關輪轂制造專利，其核心焊接工藝為慣性旋轉摩擦焊，并且披露了用慣性旋轉摩擦焊技術焊接輪轂可實現極高的焊接效率（焊接熱輸入在2 s內完成）。

3 國內現狀分析

國內慣性摩擦焊機已研究多年，上海已具有國內該領域領先的技術團隊。目前，國內企業已研發生產出技術成熟的 160 t、250 t、400 t 慣性摩擦焊機，并應用于各石油鉆桿生產線，相比較國外而言，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。慣性摩擦焊接設備及工藝由歐美壟斷，對我國高端制造產業形成一定的制約因素，大噸位慣性摩擦焊技術是卡脖子技術之一。

綜上所述，慣性摩擦焊技術應用將帶來很高的社會及經濟效益。綠色環保、無污染、能耗低、焊接時間短、生產效率高、生產成本低，容易實現智能化全自動生產，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、汽車工程、農機工程等諸多領域有著廣泛的應用前景。

根據美國等發達國家碳達峰工作經驗，交通部門較工業部門碳達峰晚了40 年左右。我國為順利完成碳達峰整體目標，交通部門必須通過制造領域快速碳達峰，應用領域加速低碳化產品應用等結構調整，壓縮碳達峰周期的并舉措施來解決。汽車輪轂輕量化將是交通領域有效促進生產制造領域節能節材和應用領域節能降碳并舉的碳達峰標桿舉措，是汽車產業實現碳達峰碳中和的必由之路。

2017 年，上海團隊開展了400 t 慣性摩擦焊機的技術攻關，并于2019 年成功完成了400 t 慣性摩擦焊機的研制（圖2 所示）。該慣性摩擦焊機和國際知名企業產品性能相當，填補了國內空白,實現了400 t 以上大型慣性摩擦焊卡脖子技術的突破，為各領域高端制造工藝突破創造了良好的技術條件。

4 碳中和應用場景

4.1 輪轂輕量化應用場景

為保證碾壓的剛性效果，應將初壓以強振狀態碾壓2遍，并把初壓區域的長度控制在20m以內。復壓應緊跟在初壓作業以后，同樣以剛性碾振壓2遍來保證路面碾壓作業效果。終壓只需剛性碾靜壓1遍來消除機械設備運行使用產生的輪跡。

國際慣性摩擦焊技術應用最成功的代表性企業是美國MTI公司。該公司擁有摩擦焊接設備領域的多種類、完整系列專利，可以提供慣性摩擦、直接驅動和混合摩擦等多種形式的摩擦焊機。在大噸位慣性摩擦焊接裝備及技術（400～2 000 t）領域上，具有全球領先的壟斷性地位，且在航空航天、軍工及眾多民用領域有著廣泛的應用。美國MTI公司擁有目前世界上最大的2 000 t慣性摩擦焊機，用于航空發動機鈦合金轉子的焊接。

2）焊接能量密度高，熱影響區小，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成本低。

據分析，如我國存量汽車（含大型車輛）替換為應用陶鋁等新型材料，并采用慣性摩擦焊新焊接工藝生產的輕量化汽車輪轂，可實現節油6 600萬t/a，節約鋁材料900萬t/a，實現綜合減排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 萬輛汽車（含大型車輛）替換為輕量化汽車輪轂，可實現節油350萬t/a、節電40 億kWh/a、節鋁材80 萬t/a，實現綜合減排1 500 萬tCO

/a，其中直接減排1 000 萬 tCO

/a，節約電解鋁間接減排500 萬tCO

/a。如存量汽車按10年進行輕量化輪轂替代，每年綜合減排3 700萬tCO

。

根據《山西省運城市第二次水資源調查評價報告》中伍姓湖與地下水互補關系微弱的結論，加之歷時較短故不統計湖周邊浸潤帶的散發量、湖面降水量和湖水滲漏補給量。

4.2 電解鋁碳中和應用

電解鋁行業是我國碳排放重點行業之一。我國電解鋁產量為3 700 萬t，行業總耗電約5 000 億kWh，總排放量約為4.26 億tCO

，約占全社會凈排放總量5%。在碳達峰碳中和背景下，目前電解鋁行業正在加快供給側改革，規劃行業產能規模和空間布局，通過產業向大型水電、大型光伏和風電供能基地集聚，以推動碳達峰碳中和目標的落實。

目前，我國鋼鐵有色、石化化工等高排放產業碳達峰碳中和工作方案均提出大力提升水電、光電、風電等新能源應用比例的工作舉措，這將嚴重制約電解鋁行業在新能源應用的進度，行業碳中和工作目標完成的形勢也極其嚴峻。因此，加大力度提升電解鋁行業綜合能效是2030年前碳達峰目標實現的核心舉措。據調查，我國電解鋁綜合能源效率比國際先進水平低15%，在現有產能下我國電解鋁多耗電120 億kWh/a，因此電解鋁產業應加快推進技術革新提升產品綜合能效，盡早達到國際先進水平。

慣性摩擦焊在陽極導桿生產中的跨界創新應用實現了鋁和鋼直接焊接，且產品質量更加穩定。工件與工件之間的全端面連接，使焊縫處不再存在縫隙，提升陽極導桿的導電率。該創新陽極導桿能實現每噸鋁生產節電300 kWh，延長使用壽命一倍以上。我國電解鋁行業推廣應用可實現年節電量120 億 kWh，減碳近 1 000 萬 t，節約更新和修復陽極導桿原材料27 萬t，可實現電解鋁行業綜合能效達到國際先進水平。

塔體高一丈，呈上細下粗的圓臺形，塔內一具骸骨，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 結語

綜上所述，慣性摩擦焊技術的創新突破，有效地緩解了歐美發達國家對我國航空航天、燃氣輪機和新能源汽車關鍵部件等高端制造的斷鏈和卡脖子。同時，創新應用于陽極導桿、汽車輪轂等領域，有效支撐了我國電解鋁、新能源汽車等重點行業節能降碳。加快推進國家級先進焊接技術創新中心建設，加快搭建先進焊接技術共享服務平臺，加快推廣慣性摩擦焊技術應用場景的推廣應用，將是產業碳達峰碳中和重要舉措之一。