摩擦焊知识

摩擦焊

 摩擦焊原理与分类

 惯性摩擦焊

 搅拌摩擦焊

 摩擦焊设备

定义：摩擦焊是利用焊件相对摩擦运动产生的热量来实现材料可靠连接的一种压力焊方法。其焊接过程是在压力的作用下，相对运动的待焊材料之间产生摩擦，使界面及其附近温度升高并达到热塑性状态，随着顶锻力的作用界面氧化膜破碎，材料发生塑性变形与流动，通过界面元素扩散及再结晶冶金反应而形成接头

一、摩擦焊原理及分类

 1．1 摩擦焊的分类

 摩擦焊的方法很多，一般根据焊件的相对运动和工艺特点进行分类，主要方法如图1所示。在实际生产中，连续驱动摩擦焊、相位控制摩擦焊、惯性摩擦焊和搅拌摩擦焊应用的比较普遍。

 通常所说的摩擦焊主要是指连续驱动摩擦焊、相位控制摩擦焊、惯性摩擦焊和轨道摩擦焊，统称为传统摩擦焊，它们的共同特点是靠两个待焊件之间的相对摩擦运动产生热

能。而搅拌摩擦焊、嵌入摩擦焊、第三体摩擦焊和摩擦堆焊，是靠搅拌头与待焊件之间的相对摩擦运动产生热量而实现焊接。

1．2 摩擦焊原理

 同种材质焊接时，最初界面接触点上产生犁削-粘合现象。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面。界面上的犁削-粘合-撕裂过程进行时，摩擦力矩增加时界面温度增高。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

 异种金属的机理比较复杂，除了犁削-粘合-剪切撕裂无力现象外，金属的物理与力学性能、相互间固溶度及金属间化和物等，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，在结合面附近很窄的区域内有可能发生一定程度的合金化，这一薄层的性能会对整个接头的性能有重要影响。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接性很难预料。

1.2.1． 连续驱动摩擦焊1.2.2 惯性摩擦焊1.2.3 相位摩擦焊1.2.4 径向摩擦焊1.2.5 摩擦堆焊1.2.6 线性摩擦焊1.2.7 搅拌摩擦焊

二、连续驱动摩擦焊

 2．1 连续驱动摩擦焊基本原理

 2.1.1 焊接过程

 连续驱动摩擦焊接时，通常将待焊工件两端分别固定在旋转夹具和移动夹具内，工件被夹紧后，位于滑台上的移动夹具随滑台一起向旋转端移动，移动至一定距离后，旋转端工件开始旋转，工件接触后开始摩擦加热。此后，则可进行不同的控制，如时间控制或摩擦缩短量（又称摩擦变形量）控制。当达到设定值时，旋转停止，顶锻开始，通常施加较大的顶锻力并维持一段时间，然后，旋转夹具松开，滑台后退，当滑台退到原位置时，移动夹具松开，取出工件，至此，焊接过程结束。

2.1.1 焊接过程

2.1.2 摩擦焊接产热

 摩擦焊接过程中，两工件摩擦表面的金属质点，在摩擦压力和摩擦扭矩的作用下，沿工件径向与切向力的合成方向作相对高速摩擦运动，在界面形成了塑性变形层。该变形层是把摩擦的机械功转变成热能的发热层，它的温度高、能量集中，具有很高的加热效率。

 （1）摩擦加热功率

 摩擦加热功率的大小及其随摩擦时间的变化，决定了焊接温度及其温度场的分布，

直接影响接头的加热过程、焊接生产率和焊接质量，同时也关系到摩擦焊机的设计与制造。摩擦加热

2．2 摩擦焊焊接工艺

 2.2.1 工艺特点

 1) 焊接施工时间短，生产效率高。例如发动机排气门双头自动摩擦焊机的生产率可达800～1200件/h。对于外ф127mm、内径ф95mm的石油钻杆与接头的焊接，连续驱动摩擦焊仅需要十几秒钟。

 2) 因焊接热循环引起的焊接变形小，焊后尺寸精度高，不用焊后校形和消除应力。用摩擦焊生产的柴油发动机预燃烧室，全长误差为±0.1mm；专用焊机可保证焊后的长度公差为±0.2mm，偏心度为0.2mm。

 3) 机械化、自动化程度高，焊接质量稳定。当给定焊接条件后，操作简单，不需要特殊的焊接技术人员。

 4) 适合各类异种材料的焊接，对常规熔化下不能焊接的铝-钢、铝-铜、钛-铜、金属间化合物-钢等都可以进行焊接。

 5) 可以实现同直径、不同直径的棒材和管材的焊接。

 6) 焊接时不产生烟雾、弧光以及有害气体等，不污染环境。同时，与闪光焊相比，电能节约5～10倍。

 但是，摩擦焊也具有如下缺点与局限性：

 1) 对非圆形截面焊接较困难，所需设备复杂；对盘状薄零件和薄壁管件，由于不易夹固，施焊也比较困难。

 2) 对形状及组装位置已经确定的构件，很难实现摩擦焊接。

 3) 接头容易产生飞边，必须焊后进行机械加工。

 4) 夹紧部位容易产生划伤或夹持痕迹。

2.2.2 接头形式设计

 连续驱动摩擦焊接头形式在设计时主要遵循以下原则：

 1) 在旋转式摩擦焊的两个工件中，至少要有一个工件具有回转断面。

 2) 焊接工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) 一般倾斜接头应与中心线成30°～45°的斜面。

 5) 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；为了防止高温下强度低的工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。

 6) 为了增大焊缝面积，可以把焊缝设计成搭接或维形接头。

 7) 焊接大断面接头时，为了降低加热功率峰值，可以采用将焊接端面倒角的方法，使摩擦面积逐渐增大。

 8) 对于棒－棒和棒－板接头，当中心部位材料被挤出形成飞边时要消耗更多的能量，而焊缝中心部位对扭矩和弯曲应力的承担又很少，所以，如果工件条件允许，可将一个或两个零件加工成具有中心孔洞，这样，既可用较小功率的焊机，又可提高生产率。

 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。

2.2.3摩擦焊焊接参数

2.2.4焊接参数对接头质量的影响

 以低碳钢的连续驱动摩擦焊接为例，介绍摩擦焊参数对接头质量的影响。

 （1）转速和摩擦压力 在摩擦焊接参数中，转速和摩擦压力是最主要的焊接参数。当工件直径一定时，转速代表摩擦速度。一般将达到焊接温度时的转速称为临界摩擦速度，为了使界面的变形层加热到金属材料的焊接温度，转速必须高于临界摩擦速度。一般来讲，低碳钢的临界摩擦速度为0.3m/s左右，平均摩擦速度的范围为0.6～3m/s。

接头的质量缺陷及产生原因

2．3 焊接参数检测及控制

 2.3.1焊接参数检测

 摩擦焊接参数大体上可以分为独立参数和非独立参数。独立参数可以单独设定和控制，主要包括主轴转速、摩擦压力、摩擦时间、顶锻压力、顶锻维持时间。所谓非独立参数，就是该参数需要由两个或两个以上的独立参数以及材料的性质所决定，主要包括摩擦焊扭矩、焊接温度、摩擦变形量、顶锻变形量等。

 （1）摩擦开始信号的判定 连续驱动摩擦焊时，无论检测摩擦时间或检测摩擦变形量，都涉及摩擦开始时刻的判定问题。在实际中应用的主要方法有功率极值判定法、压力判定法、主机电流比较法。功率极值判定法是以摩擦加热功率达到峰值的时刻作为摩擦时间的起点。需要注意的是，大面积工件摩擦焊时，在不稳定摩擦阶段存在功率的多峰值现象。压力判定法是当工件接触、开始摩擦时，作用在工作上的压力逐渐升高，以压力继电器动作的时刻作为摩擦时间的开始。主机电流比较法是工件摩擦开始后，以主机电流上升到某一给定值所对应的时刻作为摩擦计时的始点。这三类检测方法都可以通过硬件或软件实现开始信号的检测和判定。

 （2）变形量的测量 变形量的测量比较简单，常采用电感式位移传感器（含差动式）、光栅位移传感器等。摩擦焊接时，将传感器的输出信号输入到计算机中，取出对应于各阶段的特征值（如摩擦开始、顶锻开始、顶锻维持结束等时刻），这些特征值作为计算相应阶段变形量的相对零点。

 （3）主轴的转速和压力的测量 主轴转速测量常采用磁通感应式转速计、光电式转速计以及测速发电机等。压力测量除通常采用压力表外，还采用电阻丝应变片和半导体应变片等。

 （4）接头温度的测量 焊接温度测量一般采用热电偶和红外测温仪两种方法。采用热电偶可以测量摩擦焊工件的内部温度。为了解决工件在转动时的测量问题，可将布置在旋转工件上的热电偶通过补偿导线连接到引电器上，焊接时，引电器的内环随工件一起旋转，各输入端始终与相应内环的输入端相连。应注意，测量前必须对热电偶的动特性进行标定，还应对测得的数据进行修正，才能得到真实的温度。这种测量方法的缺点是热惯性大，反应不够灵敏。红外测温属非接触测量，用于测量工件的表面温度场。该法用光学探测器瞬间接受工件上某个部位的单元信息，扫描机构依次对工件进行二维扫描，接收系统按时间先后依次接受信号，经放大处理，变为一维时序视频信号送到显示器，与同步机构送来的同步信号合成后，显示出焊件图像和温度场的信息。

2.3.2焊接参数控制

2.4 典型材料的摩擦焊

 2.4.1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形成优质接头的能力。所谓优质接头，一般是指与母材等强度及等塑性

 影响材料摩擦焊接性的因素主要有：

 1) 材料的互溶性。同种材料或互溶性好的异种材料容易进行摩擦焊接；有限互溶、不能相互溶接和扩散的两种材料，很难进行摩擦焊接。

 2) 材料表面的氧化膜。金属表面上的氧化膜如果容易破碎，则焊合比较容易，如低碳钢的摩擦焊接性比不锈钢好。

 3) 材料的力学性能。高温强度高、塑性低、导热性好的材料不容易焊接；力学性能差别大的异种材料也不容易焊接。  4) 合金的碳当量。碳当量高、淬硬性好的合金材料焊接比较困难。

 5) 高温氧化性。一些活性金属及高温氧化性大的材料难以焊接。

 6) 生成的脆性相。凡是能形成脆性化合物层的异种材料，很难获得高可靠性的焊接接头。对这类材料，在焊接过程中必须设法降低焊接温度或减少焊接时间，以控制脆性化合物层的长大，或者添加过渡金属层进行摩擦焊接。

 7) 摩擦系数。摩擦系数低的材料，加热功率低，得到的焊接温度低，就不容易保证接头的质量，例如焊接黄铜、铸铁等就比较困难。

 8) 材料的脆性。大多数金属材料都具有很好的摩擦焊接性能，而对于焊接性不好的陶瓷材料及异种材料，为了提高接头性能，摩擦焊接时应选用合适的过渡金属层。

 2.4.2焊接参数选择

 一般来讲，碳钢的连续驱动摩擦焊接参数选择范围为：摩擦速度0.6～3m/s，摩擦

压力20～100MPa，摩擦时间1～40s，变形量1～10mm，停车时间0.1～1s，顶锻压力100～200MPa，顶锻变形量1～6mm，顶锻速度10～40mm/s。中碳钢、高碳钢、低合金钢及其组合的异种钢焊接时，其焊接参数选择可以参考低碳钢的焊接参数。为了防止中碳钢、高碳钢和低合金钢焊缝中的淬火组织，减少焊后回火处理工序，应选用较弱的焊接规范。应注意，焊接高温强度差的高合金钢时，需要增大摩擦压力和顶锻压力，适当延长摩擦时间。焊接管子时，为了减少内毛剌，在保证焊接质量的前提下应尽量减小摩擦变形量和顶锻变形量。

 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。焊接容易产生脆性化合物的异种金属时，需要采用一定的模具封闭接头金属，降低摩擦速度，增大摩擦压力和顶锻压力。

 焊接大直径工件时，在摩擦速度不变的情况下，应相应地降低转速。工件直径越大，摩擦压力在摩擦表面上的分布越不均匀，摩擦变形阻力越大，变形层的扩展也需要较长的时间。焊接不等端面的碳钢和低合金钢时，由于导热条件不同，在接头上的温度分布和变形层的厚度也不同，为了保证焊接质量，应该采用强规范焊接。

 目前在生产中所采用的焊接参数，都需要通过试验方法确定，还很难采用计算的方法进行参数优化和确定。

三、搅拌摩擦焊

 3.1 搅拌摩擦焊接过程

 3.1.1 接头形成及组织

 搅拌摩擦焊接时，由于轴肩与焊件上表面紧密接触，因而焊缝通常呈V形，接头一般形成三个组织明显不同的区域，如图21、图22所示。焊核区（weld nugget xone,WNZ）位于焊缝中心靠近搅拌针扎入的位置，一般由细小的等轴再结晶组织构成；热机影响区（thermal-mechanically affected zone,TMAZ）位于焊核区两侧，该区域的材料发生程度较小的变形；热影响区（heat-affected zone；HAZ）是在焊接过程中仅受到热循环作用，而未受到搅拌头搅拌作用的影响。不同区域所形成的最终组织与焊接过程中的局部热、机械搅拌的循环历史有关，并且经历了差异较大的塑性流动和热载荷，导致应变、应变率和温度存在较大的差异。

3.1.1 接头形成及组织3.1.2接头力学性能3.1.3搅拌摩擦焊产热

3.2 搅拌摩擦焊工艺

 3.2.1 工艺特点

 （1）与传统摩擦焊及其他焊接方法相比，搅拌摩擦焊有以下优点

 1) 焊接接头质量高，不易产生缺陷。焊缝是在塑性状态下受挤压完成的，属于固相焊接，避免了熔焊时熔池凝固过程中产生裂纹、气孔等缺陷，这对裂纹敏感性强的7000、2000系列铝合金的高质量连接十分有利。

 2) 不受轴类零件的限制，可进行平板的对接和搭接，可焊接直焊缝、角焊缝及环焊缝，可进行大型框架结构及大型筒体制造、大型平板对接等。

 3) 便于机械化、自动化操作，质量比较稳定，重复性高。

 4) 焊接成本较低，不用填充材料，也不用保护气体。厚焊接件边缘不用加工坡口。焊接铝材工件不用去氧化膜，只需去除油污即可。对接时允许留一定间隙，不苛求装配精度。

 5) 焊件有刚性固定，且固相焊时加热温度较低，故焊件不易变形。这点对较薄铝合金结构（如船舱板、小板拼成大板）的焊接极为有利，这是熔焊方法难以做到的。

 6) 安全、无污染、无熔化、无飞溅、无烟尘、无辐射、无噪声、没有严重的电磁干扰及有害物质的产生，是一种环保型连接方法。

 （2）搅拌摩擦焊本身也存在如下缺点

 1) 不同的结构需要不同的工装夹具，设备的灵活性差。

 2) 如不采用专门的搅拌头，焊接结束后搅拌头退出时在焊缝末端会产生凹坑，需要用其他焊接方法补焊。

 3) 目前焊接速度不高。

 4) 焊缝背面需要有垫板，在封闭结构中垫板的取出比较困难。

3.3 典型材料的搅拌摩擦焊

3.4搅拌摩擦焊新技术

四、摩擦焊设备

 4.1传统摩擦焊设备

 4.1.1连续驱动摩擦焊机

 设备组成及要求 普通型连续驱动摩擦焊机主要由主轴系统、加压系统、机身、夹头、检测与控制系统以及辅助装置等六部分组成。