特种焊接技术摩擦焊

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（frictionwelding，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摩擦焊的基本原理两焊件接合面之间在较高的压力下高速旋转相互摩擦产生了两个重要的效果：一是破坏了接合面的氧化膜或其他污物，使纯净金属暴露出来；另一个是摩擦产热，使接合面很快形成热塑性层。摩擦焊接头是在被焊金属熔点以下形成的，所以摩擦焊属于固相焊接方法。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。摩擦焊的各种方式a)普通型b)两件异向旋转型c)中间旋转型(双接头)d)两头工件同向旋转型(双接头)e)中间两工件旋转型(双焊件)f)径向焊接型g)轨道式摩擦焊二、常规摩擦焊方法1.连续驱动摩擦焊2.惯性摩擦焊3.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7.摩擦焊金属焊接变形小，接头焊前不需特殊清理。8.摩擦焊的工作场地卫生，没有火花，弧光；没有有害气体，有利于环境保护，适于设置在自动生产线上。加工成本与电弧焊比较可降低30%左右三、摩擦焊的特点9.对于非圆形横断面工件的焊接比较困难，盘状工件和薄壁管件，由于不容易夹固也很难焊接。10.由于受到摩擦焊机主轴电动机功率和压力不足的限制，目前最大的焊接断面为200cm2。11.摩擦焊机的一次性投资较大。因此只有当大批量集中生产时，才能降低焊接生产成本。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。降低焊接温度或减少加热时间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；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）初始摩擦阶段（t1）2）不稳定摩擦阶段(t2)3）稳定摩擦阶段（t3）4）停车阶段（t4）5）纯顶锻阶段（t5）6）顶锻维持阶段（t6）最后摩擦焊接表面温度将升到200～300℃左右接触良好的塑性金属封闭了整个摩擦面，并使之与空气隔开变形层金属从摩擦表面挤出形成飞边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——最高温度不应超过焊件材料的固相线温度。摩擦焊热源特点：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）焊件表面的摩擦不仅产生热量，而且还能破坏和清除表面的氧化膜。3f1RnpKP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摩擦焊的接头形式a)相同直径b）不同直径（有凸台）c）不同直径（无凸台）d）薄板与棒（或管）e）倾斜接头f）带飞边槽的接头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。焊接性能差别较大的异种金属时，也可以采用锥型接头，要把凸锥设计在强度高的材料一方。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。在摩擦焊过程中的轴向压力作用下，焊件会产生轴向缩短，而在结合处产生飞边，在准备毛坯时，轴向的尺寸需留有余量。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）摩擦变形量4）停车时间5）顶锻压力、顶锻变形量和顶锻速度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（直接影响摩擦扭矩、摩擦加热功率、接头温度场、塑性层温度以及摩擦变形速度）当工件直径一定时，接合面上任一点的摩擦速度与转速成正比。为了使变形层加热到焊接温度，平均摩擦速度必须高于最低摩擦速度。为了产生足够的加热热量和保证摩擦表面的全面接触，摩擦压力不能太小。当摩擦压力增大时，摩擦扭矩增大，摩擦加热功率升高，摩擦变形速度也相应增大，变形层加厚，深塑区径向增长，并移向外圆，形成的是粗大而不对称的飞边。低碳钢和低合金钢，摩擦压力一般为41～83MPa；中、高碳钢摩擦压力一般为41～103MPa。1．连续驱动摩擦焊的工艺参数2）摩擦时间（影响接头温度、温度场和质量）摩擦时间将决定接头的加热程度，轴向变形量和焊接能量的消耗。摩擦时间太短，接合面加热不足，摩擦时间太长，接头金属容易过热，变形量和飞边大，消耗的加热能量多。合适的摩擦时间，使加热阶段终了的瞬间，接头中沿轴向有较厚的变形层或高温区和较小的飞边，在顶锻焊接阶段时能产生较大的轴向变形量，使变形层沿工件径向有较大的扩展，这样的飞边形状封闭圆滑，有利于改善接头的焊接质量。碳钢工件的摩擦时间一般在1～40s.1．连续驱动摩擦焊的工艺参数3）摩擦变形量与转速、摩擦压力、摩擦时间、材质的状态和变形抗力有关，在焊接碳钢时，摩擦变形量通常选取的范围为1～l0mm。4）停车时间为了保证焊接质量，当变形层较厚时，停车时间要短。当变形层较薄，而且希望在停车阶段产生较厚的变形层时，停车时间要延长。甚至可以在停车前就施加顶锻压力，或停车时不制动。通常制动停车时间的选择范围为0.1～1S。1．连续驱动摩擦焊的工艺参数5）顶锻压力、顶锻变形量和顶锻速度顶锻压力要能挤碎和挤出变形层中氧化了的金属和其它有害杂质，并使接头金属得到锻造，结合紧密，晶粒细化，从而使性能提高。顶锻变形量就是顶锻时的轴向缩短量，是顶锻压力作用的结果。顶锻压力的大小取决于焊接工件的材料，接头的温度和变形层厚度，还和摩擦压力的大小有关。焊接材料的高温强度高时，需要较大的顶锻压力。接头的温度高，变形层厚时，较小的顶锻压力就可以得到要求的顶锻变形量，当顶锻压力确定以后，为了得到要求的变形量，对顶锻速度的控制也有较高的要求。一般顶锻压力应为摩擦压力的2～3倍强规范：转速较低，摩擦压力较大，摩擦时间较短。弱规范：转速较高，摩擦压力小，摩擦时间长。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—能相互溶解和扩散的两种材料，容易进行摩擦焊接。2．材料表面的氧化膜—金属表面的氧化膜如果容易破碎，容易焊接。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．材料的碳当量与