0 引言

在“雙碳”背景下，以零碳驅(qū)動為導向，通過結(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渲挟a(chǎn)品輕量化將進一步挖潛技術產(chǎn)品跨界創(chuàng)新應用，以實現(xiàn)節(jié)能減排降碳目標。慣性摩擦焊技術能極大地提高焊接質(zhì)量和效率，延長焊接件使用壽命，促進產(chǎn)品輕量化和能源利用效率提升，從而實現(xiàn)節(jié)能減排，必然能為產(chǎn)業(yè)碳達峰碳中和發(fā)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(zhuǎn)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(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)。動力單元驅(qū)動旋轉(zhuǎn)端，達到所需的設定轉(zhuǎn)速后與旋轉(zhuǎn)端脫開。在動力脫開的同時，對不旋轉(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。存儲在旋轉(zhuǎn)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(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間，至此整個焊接過程結(jié)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(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，對這些焊接類型進行各項性能指標比較，具體對比結(jié)果如表1。

具體而言，慣性摩擦焊具有以下優(yōu)點：

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

7）更容易實現(xiàn)全自動生產(chǎn)及智能化生產(chǎn)管理（包括焊接質(zhì)量在線診斷、設備狀態(tài)遠程診斷、生產(chǎn)數(shù)據(jù)云儲存分析等）。

據(jù)統(tǒng)計，我國現(xiàn)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(chǎn)業(yè)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(chǎn)制造受限于焊接工藝和材質(zhì)，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(chuàng)新突破新的焊接工藝和新的汽車材質(zhì)，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(chuàng)新應用，實現(xiàn)汽車輪轂輕量化，將有效降低汽車產(chǎn)業(yè)和汽車使用環(huán)節(jié)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(tài)環(huán)保無污染。

4）焊接遠低于熔融溫度，不會產(chǎn)生凝固缺陷，焊縫質(zhì)量穩(wěn)定且重復性好，真正能達到6σ質(zhì)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(xù)驅(qū)動摩擦焊，慣性摩擦焊瞬間焊接功率更高、能實現(xiàn)異種材料焊接，大幅度增加工藝應用領域。

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

2000 年以來，石油鉆桿市場國內(nèi)需求迅猛發(fā)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(nèi)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(nèi)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(xiàn)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(qū)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(chǎn)成本，較大幅度地提高生產(chǎn)效率，延長產(chǎn)品的使用壽命，實現(xiàn)生產(chǎn)過程節(jié)能環(huán)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(fā)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(shù)。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(chǎn)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(fā)作為主要參數(shù)，提供了氣候變量和ET0之間的數(shù)學表達式，為敏感度計算奠定基礎，但參考蒸散發(fā)與真實的蒸散發(fā)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(chǎn)區(qū)80%以上品種為富士，這本身就隱藏著生產(chǎn)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(nèi)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(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，自然會規(guī)避花期凍害），適度調(diào)整富士單一獨大局面，將是蘋果產(chǎn)業(yè)健康快速發(fā)展的關鍵因素之一。

為了降低成本，減輕重量，先進航空發(fā)動機的壓氣機轉(zhuǎn)子已基本采用焊接連接代替螺栓連接，可提高發(fā)動機的工作穩(wěn)定性。例如空客A380 使用的Trent 900 發(fā)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(fā)動機重要轉(zhuǎn)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(fā)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(qū)動齒輪軸，較大的齒輪盤同相對細長的中心軸的組合。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(zhì)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(fā)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(guī)模交通工業(yè)生產(chǎn)制造領域。其中，汽車制造中的一項重要應用是將慣性旋轉(zhuǎn)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(qū)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(zhì)。在輪轂結(jié)構(gòu)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(lián)合申請的相關輪轂制造專利，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)摩擦焊技術焊接輪轂可實現(xiàn)極高的焊接效率（焊接熱輸入在2 s內(nèi)完成）。

3 國內(nèi)現(xiàn)狀分析

國內(nèi)慣性摩擦焊機已研究多年，上海已具有國內(nèi)該領域領先的技術團隊。目前，國內(nèi)企業(yè)已研發(fā)生產(chǎn)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(chǎn)線，相比較國外而言，各項靜態(tài)及動態(tài)參數(shù)指標均已達到國際同類產(chǎn)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(chǎn)業(yè)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(jīng)濟效益。綠色環(huán)保、無污染、能耗低、焊接時間短、生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)成本低，容易實現(xiàn)智能化全自動生產(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、汽車工程、農(nóng)機工程等諸多領域有著廣泛的應用前景。

根據(jù)美國等發(fā)達國家碳達峰工作經(jīng)驗，交通部門較工業(yè)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(chǎn)品應用等結(jié)構(gòu)調(diào)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(chǎn)制造領域節(jié)能節(jié)材和應用領域節(jié)能降碳并舉的碳達峰標桿舉措，是汽車產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)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(yè)產(chǎn)品性能相當，填補了國內(nèi)空白,實現(xiàn)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(chuàng)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(tài)碾壓2遍，并把初壓區(qū)域的長度控制在20m以內(nèi)。復壓應緊跟在初壓作業(yè)以后，同樣以剛性碾振壓2遍來保證路面碾壓作業(yè)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(chǎn)生的輪跡。

國際慣性摩擦焊技術應用最成功的代表性企業(yè)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(qū)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(fā)動機鈦合金轉(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成本低。

據(jù)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(chǎn)的輕量化汽車輪轂，可實現(xiàn)節(jié)油6 600萬t/a，節(jié)約鋁材料900萬t/a，實現(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 萬輛汽車（含大型車輛）替換為輕量化汽車輪轂，可實現(xiàn)節(jié)油350萬t/a、節(jié)電40 億kWh/a、節(jié)鋁材80 萬t/a，實現(xiàn)綜合減排1 500 萬tCO

/a，其中直接減排1 000 萬 tCO

/a，節(jié)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(jù)《山西省運城市第二次水資源調(diào)查評價報告》中伍姓湖與地下水互補關系微弱的結(jié)論，加之歷時較短故不統(tǒng)計湖周邊浸潤帶的散發(fā)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(yè)是我國碳排放重點行業(yè)之一。我國電解鋁產(chǎn)量為3 700 萬t，行業(yè)總耗電約5 000 億kWh，總排放量約為4.26 億tCO

，約占全社會凈排放總量5%。在碳達峰碳中和背景下，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，通過產(chǎn)業(yè)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(chǎn)業(yè)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(yè)在新能源應用的進度，行業(yè)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(yè)綜合能效是2030年前碳達峰目標實現(xiàn)的核心舉措。據(jù)調(diào)查，我國電解鋁綜合能源效率比國際先進水平低15%，在現(xiàn)有產(chǎn)能下我國電解鋁多耗電120 億kWh/a，因此電解鋁產(chǎn)業(yè)應加快推進技術革新提升產(chǎn)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(chǎn)中的跨界創(chuàng)新應用實現(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，提升陽極導桿的導電率。該創(chuàng)新陽極導桿能實現(xiàn)每噸鋁生產(chǎn)節(jié)電300 kWh，延長使用壽命一倍以上。我國電解鋁行業(yè)推廣應用可實現(xiàn)年節(jié)電量120 億 kWh，減碳近 1 000 萬 t，節(jié)約更新和修復陽極導桿原材料27 萬t，可實現(xiàn)電解鋁行業(yè)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(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

綜上所述，慣性摩擦焊技術的創(chuàng)新突破，有效地緩解了歐美發(fā)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(chuàng)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(yè)節(jié)能降碳。加快推進國家級先進焊接技術創(chuàng)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(chǎn)業(yè)碳達峰碳中和重要舉措之一。