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1、第四单元 摩擦焊,4.1 摩擦焊概述 4.2 传统摩擦焊工艺与设备 4.3 搅拌摩擦焊,综合知识模块,4.1 摩擦焊概述,4.1.1 摩擦焊的基本原理 4.1.2 摩擦焊的分类及特点 4.1.3 摩擦焊的应用,4.1 摩擦焊概述,摩擦焊（friction welding，FRW）是利用焊件接触端面相对运动中相互摩擦所产生的热，使端面达到热塑性状态，然后迅速顶锻，完成焊接的一种固相焊接方法。,4.1.1 摩擦焊的基本原理,4.1.2 摩擦焊的分类及特点,一、摩擦焊的分类 二、常规摩擦焊方法 三、摩擦焊的特点,一、摩擦焊的分类,摩擦焊方法的种类很多，其分类方法通常有两种: 一是根据焊件的相对运动形
2、式分类； 二是按焊接过程的工艺特点分类,1按焊件相对运动形式进行分类,1）焊件绕轴旋转：连续驱动摩擦焊、惯性摩擦焊、混合型旋转摩擦焊、相位控制摩擦焊等； 2）焊件不运动：径向摩擦焊、搅拌摩擦焊； 3）其他运动形式：摩擦堆焊、线性摩擦焊、轨道摩擦焊等。,2按焊接工艺特点进行分类,1）根据界面温度可分为普通(高温)摩擦焊、低温摩擦焊、超塑性摩擦焊和气体保护摩擦焊； 2）根据工艺措施可分为感应加热摩擦焊、导电加热摩擦焊和封闭摩擦焊； 3）复合运动可分为钎层摩擦焊、嵌入式摩擦焊和第三体摩擦焊。 4）根据焊接环境可分为空间摩擦焊和水下摩擦焊。,二、常规摩擦焊方法,1. 连续驱动摩擦焊 2. 惯性摩擦焊
3、3. 相位摩擦焊 4. 径向摩擦焊 5. 摩擦堆焊 6线性摩擦焊 7嵌入式摩擦焊 8超塑性摩擦焊 9第三体摩擦焊,1. 连续驱动摩擦焊,2. 惯性摩擦焊,3. 相位摩擦焊,相位摩擦焊主要用于相对位置有要求的工件，如六方钢、八方钢、汽车操纵杆等，要求焊件焊后棱边对齐、方向对正或相位满足要求。 在实际应用中，主要有机械同步相位摩擦焊、插销配合摩擦焊和同步驱动摩擦焊。,1）机械同步相位摩擦焊,2）插销配合摩擦焊,4. 径向摩擦焊,5. 摩擦堆焊,6线性摩擦焊,7嵌入式摩擦焊,8超塑性摩擦焊,超塑性摩擦焊工艺是前苏联学者在20世纪80年代末提出来的。 超塑性摩擦焊的核心是通过严格控制摩擦焊过程，使得焊
4、合区金属处于超塑性状态，利用金属在超塑性状态下的优异性能，实现低温高质量连接的摩擦焊方法。,9第三体摩擦焊,对于陶瓷陶瓷、金属陶瓷、热固性塑料热塑性材料基复合材料等难焊材料，可以利用第三体摩擦焊方法形成高强度接头,三、摩擦焊的特点,1. 焊接质量好而且稳定 2适焊材料范围广 3焊接时间短，生产率高 4焊件尺寸精度高、成本低 5机械化、自动化程度高 6焊机功率小、节能、无污染,4.1.3 摩擦焊的应用,1. 适用的材料 2应用的行业及其产品,1. 适用的材料,1）高温时，塑性良好的同种金属及能够互相固溶和扩散的异种金属，都具有较好的焊接性，能够获得强度高，延性好的焊接接头。 2）焊接能产生脆性合
5、金的异种金属时，如铝-铜、铝-钢、钛-钢等，若不设法防止脆性合金层增厚，则很难保证接头的强度和塑性。,3）高温强度高、塑性低、导热性好的材料不容易焊接。两种金属的高温力学性能和物理性能差别越大，越不容易焊接，如不锈钢-铜，硬质合金-钢等。 4）活性金属(如钛锆等)，淬硬性好的钢材，表面氧化膜不易破碎或有镀膜、渗层等及摩擦系数太小(如铸铁，黄铜等)的金属很难进行焊接。,1. 适用的材料,2应用的行业及其产品,刀具制造业：钻头、立铣刀、丝锥、绞刀； 机器制造业：轴类零件、管子、螺杆、顶杆； 汽车、拖拉机制造业：半轴、齿轮轴； 石油化工行业中石油钻杆，高压阀门的阀体，管道等；锅炉制造中蛇形管对接；
6、轻工纺织机械中小型轴类、辊类、管类零件焊接； 电工行业铜-铝接线端子焊接。,4.2 传统摩擦焊的工艺与设备,4.2.1 传统摩擦焊的工艺过程 4.2.2 传统摩擦焊的工艺及参数 4.2.3 典型材料的摩擦焊接工艺 4.2.4 传统摩擦焊设备 4.2.5 传统摩擦焊质量控制与安全技术,4.2.1 传统摩擦焊的工艺过程,一 传统摩擦焊焊接过程 二 摩擦焊加热功率及其温度,一 传统摩擦焊焊接过程,摩擦焊接过程的一个周期可分成摩擦加热过程和顶锻焊接过程两部分。 摩擦加热过程又可以分成四个阶段，即初始摩擦、不稳定摩擦、稳定摩擦和停车阶段。 顶锻焊接过程也可以分为纯顶锻和顶锻维持两个阶段。,1）初始摩擦阶
7、段（t1） 2）不稳定摩擦阶段(t2) 3）稳定摩擦阶段（t0） 4）停车阶段（t4） 5）纯顶锻阶段（t5） 6）顶锻维持阶段（t6）,二 摩擦焊加热功率及其温度,摩擦焊的热源来自金属摩擦表面上高速摩擦形成的塑性变形层。 是以两焊件摩擦表面为中心的金属质点，在摩擦压力和摩擦扭矩的作用下，沿焊件径向与切向力的合成方向作相对高速摩擦运动的塑性变形层。 变形层的温度就是热源的温度。,1. 摩擦加热功率 2摩擦焊接表面温度 1）摩擦焊热源是通过摩擦把机械功转变成热能加热焊件形成接头的。 2）摩擦焊热源的功率和温度不仅取决于焊接参数，还受到焊件材料、形状、尺寸和焊接表面准备情况的影响。 3）焊件表面的
8、摩擦不仅产生热量，而且还能破坏和清除表面的氧化膜。,4.2.2 传统摩擦焊的工艺及参数,一 接头形式设计与表面准备 二 焊接工艺参数,一 接头形式设计与表面准备,1摩擦焊接头的形式设计 2接头表面准备,1摩擦焊接头的形式设计,连续驱动摩擦焊接头形式在设计时主要遵循以下原则,1）两被焊件中，最好旋转件是圆形的且便于绕轴线做高速旋转。 2）焊件应具有较大的刚度，夹紧方便、牢固，要尽量避免采用薄管和薄板接头。 3）同种材料的两个焊件断面尺寸应尽量相同，以保证焊接温度分布均匀和变形层厚度相同。,4）对锻压温度或热导率相差较大的异种材料焊接时，为了使两个零件的顶锻相对平衡，应调整界面的相对尺寸；为了防止
9、高温下强度低的焊件端面金属产生过多的变形流失，需要采用模子封闭接头金属。 5）一般倾斜接头应与中心线成30 45的斜面。 6）为了增大焊缝面积，可以把焊缝设计成搭接或锥形接头。,7）焊接大截面接头时，为了降低加热功率峰值，可采用将焊接端面倒角的方法，使摩擦面积逐渐增大。 8）要注意飞边的流向，让它在焊接时不受阻碍地被挤出。在不可能切除飞边或者要节省飞边切除费用的情况下，可设计带飞边槽的接头。,9）待焊表面应避免渗氮、渗碳等。 10）设计接头形式的同时，还应注意工件的长度、直径公差、焊接端面的垂直度、不平度和表面粗糙度。,2接头表面准备,1）焊件的摩擦端面应平整，中心部位不能有凹面或中心孔，以防
10、止焊缝中内含空气和氧化物。但切断刀留下的中心凸台则无害，有助于中心部位加热。 2）当接合面上具有较厚的氧化层、镀铬层、渗碳层或渗氮层时，常不易加热或被挤出，焊前应进行清除。,3）摩擦焊对焊件接合面的粗糙度、清洁度要求并不严格，如果能加大焊接缩短量，则气割、冲剪、砂轮磨削、锯断的表面均可直接采用。 4）端面垂直度一般小于直径的1%，过大会造成不同轴度的径向力。,二 焊接工艺参数,1连续驱动摩擦焊的工艺参数 2惯性摩擦焊的工艺参数,1连续驱动摩擦焊的工艺参数,连续驱动摩擦焊的工艺参数主要包括主轴转速、摩擦压力、摩擦时间、顶锻压力、顶锻时间、变形量等。 1）转速与摩擦压力 2）摩擦时间 3）摩擦变形
11、量 4）停车时间 5）顶锻压力、顶锻变形量和顶锻速度,2惯性摩擦焊的工艺参数,惯性摩擦焊在参数选取上与连续驱动摩擦焊有所不同，主要的参数有飞轮转动惯量、飞轮起始转速和轴向压力。 1）飞轮转动惯量 2）飞轮初速度 3）轴向压力,4.2.3 典型材料的摩擦焊接工艺,一、材料的摩擦焊接性 二、焊接工艺参数的选择原则 三、典型材料的摩擦焊接,一、材料的摩擦焊接性,材料的摩擦焊接性，是指材料在摩擦焊接过程中焊缝形成和获得满足使用要求接头的能力。 1材料的互溶性 2材料表面的氧化膜 3材料的力学性能 4材料的碳当量与淬透性 5高温氧化倾向,6形成脆性相的可能性 7摩擦因数 8材料的脆性,二、焊接工艺参数的
12、选择原则,碳钢的连续驱动摩擦焊接参数选择范围为：摩擦速度0.63m/s，摩擦压力20100 MPa，摩擦时间140s，变形量1l0mm，停车时间0.11s，顶锻压力100200 MPa，顶锻变形量16mm，顶锻速度1040 mm/ s。 焊接高温强度差别比较大的异种钢或某些不产生脆性化合物的异种金属时，除了在高温强度低的材料一方加模子以外，还要适当延长摩擦时间，提高摩擦压力和顶锻压力。,三典型材料的摩擦焊接,1铝-铜过渡接头的低温摩擦焊 2高速钢-45号钢刀具的封闭摩擦焊 3锅炉蛇形管的摩擦焊 4石油钻杆的摩擦焊 5树脂基管道的线性摩擦焊接,1铝-铜过渡接头的低温摩擦焊,2高速钢-45号钢刀具
13、的封闭摩擦焊,3锅炉蛇形管的摩擦焊,锅炉制造中，为了节省能量，采用材料为20号钢、直径为32mm、壁厚4mm的蛇形管制造。 在摩擦焊接时，由于管子长达12m左右，需要解决长管的平稳旋转、焊接质量稳定和减少内毛刺等问题。 为了提高和稳定蛇形管的焊接质量、减少内毛刺，选择采用强规范摩擦焊。,4石油钻杆的摩擦焊,石油钻杆是由带螺纹的工具接头与管体焊接而成。 工具接头材料为35CrMo钢，管体材料为40Mn2钢。常用钻杆的焊接断面为140mm 20mm，127mm l0mm。 采用大型焊机,，了降低摩擦加热功率（特别是峰值功率），需采用弱规范焊接。,5树脂基管道的线性摩擦焊接,采用振动夹头使待焊界面上
14、下摩擦，当达到可以接合的温度后停止振动摩擦，施加顶锻压力实现焊接。 树脂基管道线性摩擦焊接的主要参数是振动频率、振幅和顶锻压力。 对于外径216mm，壁厚16mm的管道，振幅可选择lmm左右，振动频率在15Hz以下，接头的屈服强度可达20 MPa以上，几乎与母材等强度，伸长率达到了母材的72%。,4.2.4 传统摩擦焊设备,一、传统摩擦焊设备的组成 二、典型设备的技术参数,一、传统摩擦焊设备的组成,传统摩擦焊设备可分为连续驱动摩擦焊机和惯性摩擦焊机两类。 连续驱动摩擦焊机通常由六部分组成，即主轴系统、加压系统、机身、夹头、控制系统及辅助装置,1. 主轴系统 2. 加压系统 3. 机身 4夹头
15、5控制系统 6辅助装置,二、典型设备的技术参数,表4-10和表4-11是部分国内连续驱动摩擦焊机和混合式摩擦焊机的型号、技术指标和适用范围 表4-12是部分惯性摩擦焊机的型号和技术指标。,4.2.5 传统摩擦焊质量控制与安全技术,一、焊接质量及其控制 二、安全技术,一、焊接质量及其控制,1焊接缺陷及产生原因 2质量控制,1焊接缺陷及产生原因,2质量控制,1)时间控制 2)功率峰值控制 3)温度控制 4)变形量控制 5)综合参数控制,二、安全技术,摩擦焊机的端部像车床床头，用以夹持工件并使之高速旋转。焊机的尾部像一台压力机用以夹持工件和施加压力。 对于连续生产的摩擦焊机还要注意使各个动作之间的联
16、锁及保护。 焊机主轴停车和停止加压的急停按钮要装在醒目和操作方便的部位，摩擦焊机的操作者要穿工作服，戴护目镜。,4.3 搅拌摩擦焊,搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding，简称FSW）不受轴类零件的限制，可进行板材的对接、搭接、角接及全位置焊接。 不会产生与熔化有关的如裂纹、气孔及合金元素的烧损等焊接缺陷； 焊接过程中不需要填充材料和保护气体，焊接前无须进行复杂的预处理，焊接后残余应力和变形小；焊接时无弧光辐射、烟尘和飞溅，噪音低,4.3 搅拌摩擦焊,4.3.1 搅拌摩擦焊的焊接过程及特点 4.3.2 搅拌摩擦焊工艺 4.3.3 搅拌摩擦焊设备 4.3.4 搅拌摩擦焊技术的应用,4.3.1 搅拌摩擦焊的焊接过程及特点,一、搅拌摩擦焊焊接过程 二、搅拌摩擦焊的焊接接头 三、搅拌摩擦焊的特点,一、搅拌摩擦焊焊接过程,二、搅拌摩擦焊的焊接接头,1接头的分区,2接头力学性能,三、
