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1、LOGO焊接成型原理焊接成型原理长春工业大学材料科学与工程学院长春工业大学材料科学与工程学院课件制作：徐世伟课件制作：徐世伟指导教师：刘耀东指导教师：刘耀东第九章第九章 摩擦焊连接方法与基本原理摩擦焊连接方法与基本原理 摩擦焊摩擦焊(Friction Welding)是一种压焊方法，是一种压焊方法，它是在外力作用下，利用焊件接触面之间的相对摩擦它是在外力作用下，利用焊件接触面之间的相对摩擦运动和塑性流动所产生的热量，使接触面及其临近区运动和塑性流动所产生的热量，使接触面及其临近区金属达到粘塑性状态并产生适当的宏观塑性变形，通金属达到粘塑性状态并产生适当的宏观塑性变形，通过两侧材料间的相互扩散和
2、动态再结晶而完成焊接的。过两侧材料间的相互扩散和动态再结晶而完成焊接的。Contents 摩擦焊基本原理摩擦焊基本原理摩擦焊基本原理摩擦焊基本原理摩擦焊分类摩擦焊分类摩擦焊分类摩擦焊分类摩擦焊接过程分析摩擦焊接过程分析摩擦焊接过程分析摩擦焊接过程分析摩擦焊规范参数摩擦焊规范参数摩擦焊规范参数摩擦焊规范参数9.19.29.39.4摩擦焊接头的缺陷及检测摩擦焊接头的缺陷及检测摩擦焊接头的缺陷及检测摩擦焊接头的缺陷及检测9.59 .1 摩擦焊基本原理摩擦焊基本原理u图图9一一1是摩擦焊的基本形式，两个圆断面的金属是摩擦焊的基本形式，两个圆断面的金属工件摩擦焊前，工件工件摩擦焊前，工件1夹持在可以旋转
3、的夹头上，夹持在可以旋转的夹头上，工件工件2夹持夹持 图图9，1摩擦焊原理示意图摩擦焊原理示意图 1一工件一工件;2一工件一工件;3一旋转夹头一旋转夹头;4一移动夹头一移动夹头(a)形成相对转动形成相对转动b) 施加压力两界面接触施加压力两界面接触(C)进行焊接进行焊接(d)焊接结束焊接结束 在能够向前移动加压的夹头上。焊接开始时，工件在能够向前移动加压的夹头上。焊接开始时，工件在能够向前移动加压的夹头上。焊接开始时，工件在能够向前移动加压的夹头上。焊接开始时，工件1 1首先以首先以首先以首先以 高速旋转，然后工件高速旋转，然后工件高速旋转，然后工件高速旋转，然后工件2 2向工件向工件向工件向
4、工件1 1方向移动、接触，并施加足方向移动、接触，并施加足方向移动、接触，并施加足方向移动、接触，并施加足够大的摩探压力，这时开始了摩擦加热过程，摩擦表面消耗够大的摩探压力，这时开始了摩擦加热过程，摩擦表面消耗够大的摩探压力，这时开始了摩擦加热过程，摩擦表面消耗够大的摩探压力，这时开始了摩擦加热过程，摩擦表面消耗的机械能直接转换成热能。的机械能直接转换成热能。的机械能直接转换成热能。的机械能直接转换成热能。 摩擦一段时间后，接头金属的摩擦加热温度达到焊接摩擦一段时间后，接头金属的摩擦加热温度达到焊接摩擦一段时间后，接头金属的摩擦加热温度达到焊接摩擦一段时间后，接头金属的摩擦加热温度达到焊接温度
5、，立即停止工件温度，立即停止工件温度，立即停止工件温度，立即停止工件1 1的转动，同时工件的转动，同时工件的转动，同时工件的转动，同时工件2 2向前快速移动，向前快速移动，向前快速移动，向前快速移动，对接头施加较大的顶锻压力，使其产生一定的顶锻变形量。对接头施加较大的顶锻压力，使其产生一定的顶锻变形量。对接头施加较大的顶锻压力，使其产生一定的顶锻变形量。对接头施加较大的顶锻压力，使其产生一定的顶锻变形量。压力保持一段时间后，松开两个夹头，取出焊件，全部焊接压力保持一段时间后，松开两个夹头，取出焊件，全部焊接压力保持一段时间后，松开两个夹头，取出焊件，全部焊接压力保持一段时间后，松开两个夹头，取
6、出焊件，全部焊接过程结束，通常全部焊接过程只要过程结束，通常全部焊接过程只要过程结束，通常全部焊接过程只要过程结束，通常全部焊接过程只要2 23 S3 S的时间。的时间。的时间。的时间。 在整个焊接过程中，摩擦界面温度一般不会超过材料熔在整个焊接过程中，摩擦界面温度一般不会超过材料熔在整个焊接过程中，摩擦界面温度一般不会超过材料熔在整个焊接过程中，摩擦界面温度一般不会超过材料熔点，所以摩擦焊属于固相焊接。点，所以摩擦焊属于固相焊接。点，所以摩擦焊属于固相焊接。点，所以摩擦焊属于固相焊接。 同种材质摩擦焊时，最初界面接触点上产生犁削一粘同种材质摩擦焊时，最初界面接触点上产生犁削一粘同种材质摩擦焊
7、时，最初界面接触点上产生犁削一粘同种材质摩擦焊时，最初界面接触点上产生犁削一粘合现象。由于单位压力很大，粘合区增多，继续摩擦使这合现象。由于单位压力很大，粘合区增多，继续摩擦使这合现象。由于单位压力很大，粘合区增多，继续摩擦使这合现象。由于单位压力很大，粘合区增多，继续摩擦使这些粘合点产生剪切撕裂，金属从一个表面迁移到另一个表些粘合点产生剪切撕裂，金属从一个表面迁移到另一个表些粘合点产生剪切撕裂，金属从一个表面迁移到另一个表些粘合点产生剪切撕裂，金属从一个表面迁移到另一个表面。面。面。面。 界面上的犁削一粘合一剪切撕裂过程进行时，摩擦力界面上的犁削一粘合一剪切撕裂过程进行时，摩擦力界面上的犁削
8、一粘合一剪切撕裂过程进行时，摩擦力界面上的犁削一粘合一剪切撕裂过程进行时，摩擦力矩增加使界面温度升高。当整个界面上形成一个连续塑性矩增加使界面温度升高。当整个界面上形成一个连续塑性矩增加使界面温度升高。当整个界面上形成一个连续塑性矩增加使界面温度升高。当整个界面上形成一个连续塑性状态薄层后，摩擦力矩降低到一最小值。界面金属成为塑状态薄层后，摩擦力矩降低到一最小值。界面金属成为塑状态薄层后，摩擦力矩降低到一最小值。界面金属成为塑状态薄层后，摩擦力矩降低到一最小值。界面金属成为塑性状态并在压力作用下不断被挤出形成飞边，工件轴向长性状态并在压力作用下不断被挤出形成飞边，工件轴向长性状态并在压力作用下
9、不断被挤出形成飞边，工件轴向长性状态并在压力作用下不断被挤出形成飞边，工件轴向长度也不断缩短。度也不断缩短。度也不断缩短。度也不断缩短。 异种金属的结合机理比较复杂，除了犁削一粘合一剪异种金属的结合机理比较复杂，除了犁削一粘合一剪异种金属的结合机理比较复杂，除了犁削一粘合一剪异种金属的结合机理比较复杂，除了犁削一粘合一剪切撕裂物理现象外，金属的物理与力学性能、相互间固溶切撕裂物理现象外，金属的物理与力学性能、相互间固溶切撕裂物理现象外，金属的物理与力学性能、相互间固溶切撕裂物理现象外，金属的物理与力学性能、相互间固溶度及金属间化合物等，在结合机理中都会起作用。度及金属间化合物等，在结合机理中都
10、会起作用。度及金属间化合物等，在结合机理中都会起作用。度及金属间化合物等，在结合机理中都会起作用。 焊接时由于机械混合和扩散作用，在结合面附近很窄焊接时由于机械混合和扩散作用，在结合面附近很窄焊接时由于机械混合和扩散作用，在结合面附近很窄焊接时由于机械混合和扩散作用，在结合面附近很窄的区域内有可能发生一定程度的合金化。这一薄层的性能的区域内有可能发生一定程度的合金化。这一薄层的性能的区域内有可能发生一定程度的合金化。这一薄层的性能的区域内有可能发生一定程度的合金化。这一薄层的性能对整个接头的性能会有重要影响。机械混合和相互镶嵌对对整个接头的性能会有重要影响。机械混合和相互镶嵌对对整个接头的性能
11、会有重要影响。机械混合和相互镶嵌对对整个接头的性能会有重要影响。机械混合和相互镶嵌对结合也会有一定作用。这种复杂性使得异种金属的摩擦焊结合也会有一定作用。这种复杂性使得异种金属的摩擦焊结合也会有一定作用。这种复杂性使得异种金属的摩擦焊结合也会有一定作用。这种复杂性使得异种金属的摩擦焊接很难预料。接很难预料。接很难预料。接很难预料。Contents9.2 摩擦焊分类摩擦焊分类 摩擦焊工艺方法目前已由传统的几种形式发展摩擦焊工艺方法目前已由传统的几种形式发展摩擦焊工艺方法目前已由传统的几种形式发展摩擦焊工艺方法目前已由传统的几种形式发展到到到到2020多种，极大地扩展了摩擦焊的应用领域。常用多种，
12、极大地扩展了摩擦焊的应用领域。常用多种，极大地扩展了摩擦焊的应用领域。常用多种，极大地扩展了摩擦焊的应用领域。常用的摩擦焊工艺有的摩擦焊工艺有的摩擦焊工艺有的摩擦焊工艺有连续驱动摩擦焊连续驱动摩擦焊连续驱动摩擦焊连续驱动摩擦焊、惯性摩擦焊惯性摩擦焊惯性摩擦焊惯性摩擦焊、线性线性线性线性摩擦焊摩擦焊摩擦焊摩擦焊、搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊等。焊件的形状由典型的圆截面等。焊件的形状由典型的圆截面等。焊件的形状由典型的圆截面等。焊件的形状由典型的圆截面扩展到非圆截面扩展到非圆截面扩展到非圆截面扩展到非圆截面( (线性摩擦焊线性摩擦焊线性摩擦焊线性摩擦焊) )和板材和板材和板材和板材(
13、(搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊) )，所焊材料由传统的金属材料拓宽到粉末合金和异种材所焊材料由传统的金属材料拓宽到粉末合金和异种材所焊材料由传统的金属材料拓宽到粉末合金和异种材所焊材料由传统的金属材料拓宽到粉末合金和异种材料领域。料领域。料领域。料领域。 搅拌摩擦焊是英国焊接研究所推出的一项专利技搅拌摩擦焊是英国焊接研究所推出的一项专利技搅拌摩擦焊是英国焊接研究所推出的一项专利技搅拌摩擦焊是英国焊接研究所推出的一项专利技术，其原理见图术，其原理见图术，其原理见图术，其原理见图9 9一一一一2 2。图图9.2搅拌摩擦焊原理搅拌摩擦焊原理 搅拌摩擦焊目前不仅限搅拌摩擦焊目前不仅限搅拌摩
14、擦焊目前不仅限搅拌摩擦焊目前不仅限于对各类铝合金的焊接，也于对各类铝合金的焊接，也于对各类铝合金的焊接，也于对各类铝合金的焊接，也开发应用于钢和钛合金，单开发应用于钢和钛合金，单开发应用于钢和钛合金，单开发应用于钢和钛合金，单面可焊厚度从面可焊厚度从面可焊厚度从面可焊厚度从2mm2mm到到到到25mm ,25mm ,双面焊的厚度可达双面焊的厚度可达双面焊的厚度可达双面焊的厚度可达50mm50mm用常用常用常用常规熔焊方法不能焊接的规熔焊方法不能焊接的规熔焊方法不能焊接的规熔焊方法不能焊接的2xxx2xxx系列铝合金，采用搅拌摩擦系列铝合金，采用搅拌摩擦系列铝合金，采用搅拌摩擦系列铝合金，采用搅
15、拌摩擦焊可以使其焊接性能大为改焊可以使其焊接性能大为改焊可以使其焊接性能大为改焊可以使其焊接性能大为改善。与氢弧焊接头相比，同善。与氢弧焊接头相比，同善。与氢弧焊接头相比，同善。与氢弧焊接头相比，同9.2.1 搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding） 一种铝合金搅拌摩擦焊头的强度高一种铝合金搅拌摩擦焊头的强度高15%20%，伸长率，伸长率高高1倍，断裂韧度高倍，断裂韧度高30%，接头区为细晶组织，焊缝中，接头区为细晶组织，焊缝中无气孔、裂纹等缺陷无气孔、裂纹等缺陷;此外，焊件焊后残余变形很小，焊此外，焊件焊后残余变形很小，焊缝中的残余应力很低。缝中的残余应力很低。 这
16、种方法的这种方法的缺点缺点是，为了避免搅拌引起的振动力使焊是，为了避免搅拌引起的振动力使焊件偏离正确的装配方位，在施焊时必须把焊件刚性固定，件偏离正确的装配方位，在施焊时必须把焊件刚性固定，从而使它的工艺柔性受到限制。从而使它的工艺柔性受到限制。 搅拌摩擦焊技术及其工程应用的开发进展很快，已在搅拌摩擦焊技术及其工程应用的开发进展很快，已在新型运载工具的新结构设计中开始采用，如铝合金高速船新型运载工具的新结构设计中开始采用，如铝合金高速船体结构、高速列车结构及火箭箭体结构等。体结构、高速列车结构及火箭箭体结构等。 连续驱动摩擦焊是一工件固定不转动，另一工件被连续驱动摩擦焊是一工件固定不转动，另一工件被驱动机构驱动到恒定转速驱动机构驱动到恒定转速n。在不转动的工件上施以轴向。在不转动的工件上施以轴向压力压力P1推向转动工件。两工件相接触，焊接过程开始。转推向转动工件。两工件相接触，焊接过程开始。转速仍保持不变。经过一定时间，界面温度达到材料锻造范速仍保持不变。经过一定时间，界面温度达到材料锻造范围，转动工件脱开驱动并制动，转速从围，转动工件脱开驱动并制动，转速从n降至零。在制动降至零。在制
