摩擦焊

摩擦焊定义：摩擦焊(Frictionwelding)是一种固相热压焊，它是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，使界面及其附近达到热塑性状态并在压力作用下产生适当的宏观塑性变形而形成接头。一、摩擦焊的发展•摩擦焊始于1891年，当时美国批准了这种焊接方法的第一个专利，主要利用摩擦焊来连接钢缆——随后德国、英国、美国和日本等国家也先后开展了摩擦焊的生产与应用。•由于摩擦焊方法具有许多突出的优点，各国对这一方法都很重视。目前俄罗斯、英国、日本、德国及美国等国家已将摩擦焊技术广泛应用于汽车、拖拉机、刀具、航空、军工、石油、化工等行业设备的制造部门，每年焊接的焊件达亿万件，取得的经济效益无法计量。•我国早在1957年就建立了摩擦焊试验室，并且实验成功了铝-铜摩擦焊。在摩擦焊机的设计制造和各种材质不同接头型式(管-管，棒-棒，管-棒，管-板)的焊接工艺、摩擦焊接头焊后热处理、焊后接头无损检验和焊接过程中焊接参数的监控等的研究中取得许多成果。1960年，用于水内冷电机紫铜-不锈钢拼头套制造上——1965年用于铜-铝导电子上——1970年用于异种钢排气阀、锅炉水冷壁、刀具、化工阀门上——1978年用于钻杆上。二、摩擦焊的优点及应用1.摩擦焊的热影响区小，不会产生通常熔化焊的缺陷，焊接生产率高，产品质量稳定，成品率可达到了99.96％～99.98％。如德国在汽车零件排气阀的焊接加工中，用摩擦焊代替闪光焊，废品率由原来1.4％降到0.04％～0.01％；英国一家汽车厂对200万汽车后桥进行摩擦焊时，没有发现一件废品。2.摩擦焊接的加工精度也不断提高，如长度可控制在±0.2mm以内，同轴度小于0.2mm。3.摩擦焊耗能低，节能显著，如摩擦焊所需动力是闪光焊的1/5～1/10。多年来，摩擦焊以其优质、高效、节能和无污染的技术特色，深受制造业的重视，特别是近年来不断开发出的摩擦焊新技术。4.在电力、化学、机械制造、石油天然气、汽车制造等产业部门得到了愈来愈广泛的应用，而且在航空、航天、核能、海洋开发等高技术领域也展现了新的应用前景。三、摩擦焊的分类按相对运动形式和工艺特点对摩擦焊的分类见图1。四、摩擦焊的工作原理连续驱动摩擦焊是最典型的摩擦焊方法，其原理是利用被焊工件的相对转动，同时施加适当的轴向压力(摩擦压力)，使工件接触面相互摩擦而升温，当温度达到使焊接件接触端部呈热塑性状态时，迫使工件相对转动迅速停止，同时将轴向压力加大，并适当保压一段时间以产生足够塑性变形，从而使两工件牢固地焊接在一起。具体过程如图2（a～c）所示：五、摩擦焊的工作原理图21—主轴；2—转动夹具；3、4—工件；5—固定夹具；6—溜板；7—操纵液压缸（1）将两个被焊工件3和4分别卡在转动卡具2和固定卡具5上，主轴1带动转动夹具2旋转，操纵液压缸7，使溜板6向左移动，被焊工件3和4的焊接表面接触；（2）工件3相对工件4旋转，并在摩擦压力F1的共同作用下产生的摩擦热，使焊接界面的温度急剧上升，被焊金属达到塑性状态，塑性变形使一些金属被挤出形成飞边；（3）主轴1刹车，同时施加顶锻力F2，使被焊工件3和4焊接在一起，同时有较多的金属挤出。连续驱动摩擦焊过程所产生的摩擦加热功率为：Ρ=μΚPV式中—摩擦加热功率；—摩擦系数；—系数；—摩擦压力；—摩擦相对运动速度。kpvPkpvPkpvP1.惯性摩擦焊惯性摩擦焊工作原理如图3所示：旋转焊件与飞轮相连，焊接开始时首先将飞轮1和旋转的工件2加速到一定的转速，然后飞轮与主电机脱开，同时，可移动的工件3端向前移动，工件接触后开始摩擦加热，而飞轮受摩擦扭矩的制动作用，转速逐渐降低，当转速为零时，焊接过程结束。图3惯性摩擦焊原理示意图2.线性摩擦焊(Linearfrictionwelding)图4线性摩擦焊示意图待焊工件一个固定，另一个以一定的速度作往复运动，或两个工件作相对往复运动，在垂直于往复运动方向的压力作用下，随摩擦运动的进行，摩擦表面被清理并产生摩擦热，摩擦表面的金属逐渐达到粘塑性状态并产生变形。然后，停止往复运动并施加顶锻力，完成焊接。连续驱动摩擦焊和惯性摩擦焊一般限于把圆柱截面或管截面的焊件焊到相同类型的截面或板上。如图4所示。3.搅拌摩擦焊(Frictionstirwelding)搅拌摩擦焊（FSW）是英国焊接研究所(简称TWI)于1991年发明的一种固相连接技术。由于该工艺能进行板材的对接并具有固相焊接接头独特的优点，因而在低熔点合金板材（尤其高强度铝合金）的焊接方面获得成功。其原理如图5所示。图5搅拌摩擦焊示意图4.嵌入摩擦焊(Frictionplungewelding)嵌入摩擦焊是利用摩擦焊原理把相对较硬的材料（工件1）嵌入到较软的材料（工件2）中。如图所示，两个焊件之间相对运动所产生的摩擦热使得较软材料局部呈现热塑性状态，并在拘束肩的作用下产生塑性变形，流入预先加工好的硬材料的凹区中，拘束肩迫使软材料紧紧包住硬材料的连接头，当转动停止、焊件冷却后，即形成可靠接头。如图6所示。图6嵌入摩擦焊示意图五、摩擦焊接热源的特点对摩擦焊热源与其它焊接技术的热源有很大不同，其主要特点如下：(1)摩擦焊是焊接过程中两工件摩擦表面的摩擦将机械功，转变成热能加热焊接接头。(2)摩擦焊热源的功率和温度不仅取决于焊接工艺规范参数，还受到焊接工件的材料、形状、尺寸及焊接表面准备情况的影响。(3)金属焊接表面的摩擦不仅产热，而且还能破坏和消除表面的氧化膜。变形层金属的封闭、挤出和不断被高温区金属更新，可以防止焊缝金属的继续氧化。六、材料的摩擦焊接性材料的摩擦焊接性是指材料在一定的摩擦焊工艺条件下，获得优质摩擦焊接接头的能力。所谓优质接头，是指接头与母材等强度、等塑性。摩擦焊具有广泛的工艺适应性，适用于摩擦焊的材料有金属材料、陶瓷材料、复合材料、塑料等。影响材料摩擦焊接性的因素主要有：(1)材料的互溶和扩散性(2)材料表面的氧化膜是否易破碎表面氧化膜易破碎的金属的摩擦焊接性好，如低碳钢就比不锈钢易焊接。(3)材料的高温力学性能和物理性能通常高温强度高、塑性差、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)合金的碳当量和淬透性碳当量高、淬透性好的合金材料焊接比较困难。•(5)金属的高温氧化倾向一些活性金属就难以焊接。•(6)金属间生成脆性相的可能性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。•(7)摩擦系数摩擦系数低的材料，摩擦加热功率低，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。七、摩擦焊的技术特点•焊接接头质量高。•适合异种材料的连接。•生产效率高。•尺寸精度高。•易于实现机械化、自动化，操作简单。•环境清洁、安全焊接过程中无污染、无烟尘、无辐射、无有害气体产生。•成本低a.不用填充材料，也不用保护气体；b.厚焊接件边缘不需加工坡口；c.焊接铝材工件不用去氧化膜，只需用溶剂擦去油污即可；d.对接容许留一定间隙，不苛求装配精度；e.节能，与闪光焊相比，电能节约5~10倍；f.焊缝不易产生缺陷。七、摩擦焊的技术特点摩擦焊焊接技术是一种优质、高效、低能、清洁的先进焊接制造工艺，通过与计算机、信息处理软件、自动控制、过程模拟、虚拟制造等高技术的紧密结合，摩擦焊技术也不断发展而且具有更广阔的应用前景。在实际应用中摩擦焊工艺也有其缺点与局限性：(1)对某些摩擦焊而言，待焊件中必须有一个工件能绕其对称轴旋转，如对非圆形截面的工件焊接较困难，所需设备复杂；(2)工件加工与对准要求较严，以保证均匀摩擦与加热，工件截面较大时尤其如此。(3)接头容易产生飞边，焊后必须进行机械加工。(4)夹紧部位容易产生划伤或夹持痕迹。(5)摩擦焊机的一次性投资大，只有大批量集中生产时才能降低焊接生产成本。八、搅拌摩擦焊•搅拌摩擦焊是英国焊接研究所(TheWeldingInstitute，简称TWI)于1991年发明并已获得世界范围专利保护的一种新型固相焊接技术，也是世界焊接技术发展史上自发明到工业应用时间跨度最短和发展最快的一项连接技术，被誉为世界焊接史上的“第二次革命”。搅拌摩擦焊技术与传统的焊接技术相比，具有很多优点，因而具有广泛的工业应用前景和发展潜力。近年来，已经有多个国家如英国、美国、法国、德国、瑞典、日本等已经把搅拌摩擦焊技术应用在航空、航天、船舶、列车、电力等工业制造领域，主要用于铝合金、镁合金、铜合金、钛合金、铝基复合材料的焊接。1.我国搅拌摩擦焊的发展中国已于2002年4月由北京航空制造工程研究所与英国焊接研究所在技术合作的基础上成立了中国搅拌摩擦焊中心，近年来我国搅拌摩擦焊技术、工艺、设备等方面都有了突破性的进展，并已在工业产中得到应用，典型应用实例如图所示。铝合金散热器列车用搅拌摩擦焊宽幅型材输变电搅拌摩擦焊热沉器船用搅拌摩擦焊铝合金型材甲板2.搅拌摩擦焊接过程υz-搅拌头扎入速度；ω-搅拌头转速；υt-搅拌头提升速度搅拌摩擦焊接过程分为三个阶段：搅拌头扎入阶段；搅拌头沿焊缝方向行走阶段；搅拌头提起阶段。图8搅拌摩擦焊接过程3．焊接接头形成特点a焊核区；b热－机影响区；c热影响区；d母材图9搅拌摩擦焊接头微观结构4.搅拌摩擦焊技术特点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)生产成本低不用填充材料，也不用保护气体；厚焊接件边缘不用加工坡口(2)接头质量高可以得到等强度接头(3)是一种安全、环保型的连接技术整个焊接过程中无熔化、无飞溅、无烟尘、无辐射、无噪声、无污染等有害物质。(4)广泛的工艺适应性不受是否轴类零件的限制，可实现多种形式，不同位置的焊接(6)焊接后结构的残余应力和变形小更适于薄板焊接。搅拌摩擦焊作为一种新型连接技术，也存在如下定缺点:(1)目前焊接速度不高对板材进行单道连接时，焊接速度低于电弧焊。(2)焊件的夹持要求较高不同的结构需要不同的工装夹具，设备的灵活性差。(3)焊缝尾端留有“匙孔”，需要用其他焊接方法填充。(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。(5)刀头因磨损消耗太快，虽然目前正在尝试用更为耐磨的陶瓷材料替代硬质合金，钴基高温合金等，但陶瓷材料很难达到所需的韧性。2.搅拌摩擦焊接头形式搅拌摩擦焊可以实现棒材-棒材、管材一管材、板材一板材的可靠连接，接头形式可以设计为对接、搭接，可进行直焊缝、角焊缝及环焊缝的焊接。a)直口对接b)对搭混合c)单搭接d)多层搭接e)三片T形对接f)双片T形对接g)边缘对接h)角接图10摩擦焊接头的基本形式搅拌摩擦焊作为一种新型连接技术，也存在如下定缺点:(1)目前焊接速度不高对板材进行单道连接时，焊接速度低于电弧焊。(2)焊件的夹持要求较高不同的结构需要不同的工装夹具，设备的灵活性差。(3)焊缝尾端留有“匙孔”，需要用其他焊接方法填充。(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。(5)刀头因磨损消耗太快，虽然目前正在尝试用更为耐磨的陶瓷材料替代硬质合金，钴基高温合金等，但陶瓷材料很难达到所需的韧性。其他摩擦焊形式1.Corn-stir〔TM〕搅拌摩擦焊接图11Corn-stir〔TM〕搅拌摩擦焊原理示意图2．激光辅助搅拌摩擦焊接技术图12激光辅助搅拌摩擦焊工艺示意图4．搅拌摩擦点焊a)扎入b)搅拌c)回抽图13搅拌摩擦点焊过程示意图1－上连接工具2－搅拌头3－搅拌轴肩4－下连接工具W1、W2－搭接钢板5．搅拌摩擦点焊实例图14搅拌摩擦点焊接头形式6.搅拌头图15各种不同形式的轴肩6.搅拌头a）WhorlTM式b)MXtrifluteTM式图16TWI公司开发两种新型的搅拌头6.搅拌头图17WhorlTM和MXtrifluteTM系列搅拌头的横截面6.搅拌头回抽前回抽后图18CFSWC开发的可回抽式搅拌头图19无“匙孔”FSW焊缝与有“匙孔”FSW焊缝对比