1、材料科学与工程学院压力焊辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院特种焊接技术特种焊接技术1第四章第四章 摩擦焊摩擦焊1辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院特种焊接技术特种焊接技术金属材料加工系金属材料加工系 刘少平精心制作刘少平精心制作 第四章第四章摩摩 擦擦 焊焊 材料科学与工程学院压力焊辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院特种焊接技术特种焊接技术2第四章第四章 摩擦焊摩擦焊2 传统摩擦焊是利用焊件接触表面相互摩擦所产传统摩擦焊是利用焊件接触表面相互摩擦所产生的热量，使其达到热塑性状态，然后迅速顶锻完
2、生的热量，使其达到热塑性状态，然后迅速顶锻完成焊接的一种压力焊方法。在车削工件时切屑往往成焊接的一种压力焊方法。在车削工件时切屑往往牢牢地粘在刀头上，轴与轴瓦之间润滑不良时也会牢牢地粘在刀头上，轴与轴瓦之间润滑不良时也会产生局部焊合，摩擦焊就是从这些现象出发而发明产生局部焊合，摩擦焊就是从这些现象出发而发明的。利用摩擦热焊接起源于的。利用摩擦热焊接起源于1891年，至今只有一百年，至今只有一百多年的历史，自上世纪多年的历史，自上世纪50年代摩擦焊真正焊出合格年代摩擦焊真正焊出合格接头以来，就以其优质、高效、低耗、环保的突出接头以来，就以其优质、高效、低耗、环保的突出优点受到所有工业国家的重视。
3、我国摩擦焊的研究优点受到所有工业国家的重视。我国摩擦焊的研究始于始于1957年，发源地是哈尔滨焊接研究所。年，发源地是哈尔滨焊接研究所。简简 介介材料科学与工程学院压力焊辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院特种焊接技术特种焊接技术3第四章第四章 摩擦焊摩擦焊31 摩擦焊的特点及分类摩擦焊的特点及分类 一、传统摩擦焊的基本特点一、传统摩擦焊的基本特点 1、固态焊接，接头质量好且稳定、固态焊接，接头质量好且稳定 焊接过程由机器控制，不受操作人员的技术水焊接过程由机器控制，不受操作人员的技术水平和工作态度的影响。焊接过程不发生熔化，属固平和工作态度的影响。焊接过程不发
4、生熔化，属固相热压焊，接头为锻造组织，焊接接头强度远大于相热压焊，接头为锻造组织，焊接接头强度远大于熔焊、钎焊，达到甚至超过母材的强度。熔焊、钎焊，达到甚至超过母材的强度。2、效率高、效率高 焊件准备一般要求不高，设备容易自动化，可焊件准备一般要求不高，设备容易自动化，可在流水线上生产，每件焊接时间以秒计，一般只需在流水线上生产，每件焊接时间以秒计，一般只需零点几秒至几十秒，是其它焊接方法如熔焊、钎焊零点几秒至几十秒，是其它焊接方法如熔焊、钎焊不能相比的。不能相比的。材料科学与工程学院压力焊辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院特种焊接技术特种焊接技术4第四章第四
5、章 摩擦焊摩擦焊4 3、节能、节材、低耗、节能、节材、低耗 所需功率仅及传统焊接工艺的所需功率仅及传统焊接工艺的1/51/15，不需，不需焊条、焊剂、保护气体等，不需填加金属，也不需焊条、焊剂、保护气体等，不需填加金属，也不需消耗电极。消耗电极。4、焊接性好，适于同种或异种材料连接、焊接性好，适于同种或异种材料连接 特别适合异种材料的焊接，与其它焊接方法相特别适合异种材料的焊接，与其它焊接方法相比，摩擦焊有得天独厚的优势，如钢和紫铜、钢和比，摩擦焊有得天独厚的优势，如钢和紫铜、钢和铝、钢和黄铜等等。铝、钢和黄铜等等。5、环保、无污染、环保、无污染 焊接过程中不产生烟尘或有害气体、不产生飞焊接过
6、程中不产生烟尘或有害气体、不产生飞溅、没有弧光和火花、没有放射线。被誉为绿色焊溅、没有弧光和火花、没有放射线。被誉为绿色焊接技术。接技术。材料科学与工程学院压力焊辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院特种焊接技术特种焊接技术5第四章第四章 摩擦焊摩擦焊5 二、我国摩擦焊应用及研究现状二、我国摩擦焊应用及研究现状 摩擦焊技术在国内目前已经具备了包括工艺、摩擦焊技术在国内目前已经具备了包括工艺、设备、控制、检验等整套完备的专业技术规模，基设备、控制、检验等整套完备的专业技术规模，基础理论研究也形成了一定的独立体系。在我国摩擦础理论研究也形成了一定的独立体系。在我国摩擦
7、焊已获得广泛的应用，可焊直径焊已获得广泛的应用，可焊直径3.0120 mm的工的工件以及件以及8000mm 的大截面管件，同时还开发了相位的大截面管件，同时还开发了相位焊、径向摩擦焊、搅拌摩擦焊技术。不仅可以焊接焊、径向摩擦焊、搅拌摩擦焊技术。不仅可以焊接钢、铝、铜，还成功焊接了高温强度级相差很大的钢、铝、铜，还成功焊接了高温强度级相差很大的异种钢和异种金属以及形成低熔点共晶和脆性化合异种钢和异种金属以及形成低熔点共晶和脆性化合物的异种金属。如高速钢碳钢、耐热钢低合金物的异种金属。如高速钢碳钢、耐热钢低合金钢、高温合金合金钢、不锈钢低碳钢、不锈钢钢、高温合金合金钢、不锈钢低碳钢、不锈钢电磁铁以
8、及铝铜、铝钢等。电磁铁以及铝铜、铝钢等。材料科学与工程学院压力焊辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院特种焊接技术特种焊接技术6第四章第四章 摩擦焊摩擦焊6 锅炉行业的蛇形管摩擦焊接；阀门行业的阀门锅炉行业的蛇形管摩擦焊接；阀门行业的阀门法兰和阀体密封座的摩擦焊接；轴瓦行业的止推片法兰和阀体密封座的摩擦焊接；轴瓦行业的止推片轴瓦的摩擦焊接；工具行业的钻头、铣刀、铰刀的轴瓦的摩擦焊接；工具行业的钻头、铣刀、铰刀的刃部与柄部的摩擦焊接；汽车及机车行业发动机的刃部与柄部的摩擦焊接；汽车及机车行业发动机的双金属排气阀、气门顶杆、柴油机预热室喷嘴、半双金属排气阀、气门顶杆、
9、柴油机预热室喷嘴、半轴、扭力管、内燃机增压器涡轮轴；潜水泵转轴，轴、扭力管、内燃机增压器涡轮轴；潜水泵转轴，紫铜不锈钢水接头，铝铜过渡接头；紫铜不锈钢水接头，铝铜过渡接头；纺织机的梭子芯，关节轴承；泥瓦工纺织机的梭子芯，关节轴承；泥瓦工 具；地质钻杆，石油钻杆、实心、空具；地质钻杆，石油钻杆、实心、空 心抽油杆；航空发动机集成齿轮；木心抽油杆；航空发动机集成齿轮；木 工多用机床上的刀轴等。工多用机床上的刀轴等。我国摩擦焊的主要产品我国摩擦焊的主要产品材料科学与工程学院压力焊辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院特种焊接技术特种焊接技术7第四章第四章 摩擦焊摩擦焊7
10、三、传统摩擦焊的分类三、传统摩擦焊的分类 （一）分类方法（一）分类方法 1、按摩擦焊接头的摩擦运动形式、按摩擦焊接头的摩擦运动形式 a）旋转式摩擦焊）旋转式摩擦焊 连续驱动摩擦焊、惯性摩擦焊、相位摩擦焊。连续驱动摩擦焊、惯性摩擦焊、相位摩擦焊。是以焊件表面的中心为轴作旋转摩擦运动，用是以焊件表面的中心为轴作旋转摩擦运动，用于焊接具有旋转界面的焊件。例如棒类、管类等，于焊接具有旋转界面的焊件。例如棒类、管类等，只要两个焊件表面有一个是能够旋转截面就可采用只要两个焊件表面有一个是能够旋转截面就可采用摩擦焊工艺。摩擦焊工艺。b）焊件不运动的径向摩擦焊。）焊件不运动的径向摩擦焊。c）按其它运动形式可分
11、）按其它运动形式可分 线性摩擦焊、轨道摩擦焊、摩擦堆焊等。线性摩擦焊、轨道摩擦焊、摩擦堆焊等。材料科学与工程学院压力焊辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院特种焊接技术特种焊接技术8第四章第四章 摩擦焊摩擦焊8 2、按工艺特点分、按工艺特点分 a）按界面温度分高温摩擦焊、低温摩擦焊和超）按界面温度分高温摩擦焊、低温摩擦焊和超塑性摩擦焊。塑性摩擦焊。b）根据工艺措施分气体保护、感应加热、导电）根据工艺措施分气体保护、感应加热、导电加热和封闭摩擦焊。加热和封闭摩擦焊。c）复合工艺可分钎层摩擦焊、嵌入摩擦焊和第）复合工艺可分钎层摩擦焊、嵌入摩擦焊和第三体摩擦焊等。三体摩
12、擦焊等。通过与相关学科及高新技术的紧密结合，摩擦通过与相关学科及高新技术的紧密结合，摩擦焊工艺方法已由传统的几种形式发展到焊工艺方法已由传统的几种形式发展到20多种，扩多种，扩展了摩擦焊的应用领域。焊件的形状由典型的圆截展了摩擦焊的应用领域。焊件的形状由典型的圆截面扩展到非圆截面（如现行摩擦焊等）。但目前广面扩展到非圆截面（如现行摩擦焊等）。但目前广泛应用的仍然是连续驱动和惯性摩擦焊。泛应用的仍然是连续驱动和惯性摩擦焊。材料科学与工程学院压力焊辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院特种焊接技术特种焊接技术9第四章第四章 摩擦焊摩擦焊9传统摩擦焊的分类传统摩擦焊的分
13、类按焊件相对运动形式分按焊件相对运动形式分焊件绕轴焊件绕轴向旋转向旋转其它其它运动运动焊件不焊件不运动运动连续驱动摩擦焊连续驱动摩擦焊惯性摩擦焊惯性摩擦焊相位摩擦焊相位摩擦焊摩擦堆焊摩擦堆焊线性摩擦焊线性摩擦焊轨道摩擦焊轨道摩擦焊径向摩擦焊径向摩擦焊按工艺特点分按工艺特点分界面界面温度温度工艺工艺措施措施复合复合工艺工艺普通（高温）摩擦焊普通（高温）摩擦焊低温摩擦焊低温摩擦焊超塑性摩擦焊超塑性摩擦焊气体保护摩擦焊气体保护摩擦焊感应加热摩擦焊感应加热摩擦焊导电加热摩擦焊导电加热摩擦焊钎层摩擦焊钎层摩擦焊嵌入摩擦焊嵌入摩擦焊三体摩擦焊三体摩擦焊封闭摩擦焊封闭摩擦焊材料科学与工程学院压力焊辽宁工程技
14、术大学辽宁工程技术大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院特种焊接技术特种焊接技术10第四章第四章 摩擦焊摩擦焊10连续驱动摩擦焊原理示意图连续驱动摩擦焊原理示意图a)加压加压P1使待焊材料紧密接触使待焊材料紧密接触b)相对运动产生摩擦热净化界面相对运动产生摩擦热净化界面c)在顶锻力在顶锻力P2作用下形成接头作用下形成接头 是最普通和最常见是最普通和最常见的摩擦焊方法。其焊接的摩擦焊方法。其焊接过程如下：由电动机带过程如下：由电动机带动一个工件旋转，同时动一个工件旋转，同时把另一工件压向旋转工把另一工件压向旋转工件，使其接触面相互摩件，使其接触面相互摩擦产生热量和一定塑性擦产生热量和一定塑性变
15、形，当连接部位处于变形，当连接部位处于高塑形状态时，立即停高塑形状态时，立即停止焊件旋转，同时施加止焊件旋转，同时施加顶锻压力完成焊接。一顶锻压力完成焊接。一般有顶锻保压阶段。般有顶锻保压阶段。（二）连续驱动摩擦焊（二）连续驱动摩擦焊摩摩 擦擦 焊焊材料科学与工程学院压力焊辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院特种焊接技术特种焊接技术11第四章第四章 摩擦焊摩擦焊11 （三）惯性摩擦焊储能摩擦焊（三）惯性摩擦焊储能摩擦焊 旋转焊件与一个飞轮相连。焊接时，飞轮首先旋转焊件与一个飞轮相连。焊接时，飞轮首先被加速到设定转速，以动能形式储存所需的能量，被加速到设定转速，以
16、动能形式储存所需的能量，随后电动机通过离合器与主轴脱离。当移动的焊件随后电动机通过离合器与主轴脱离。当移动的焊件在轴向压力作用下向旋转焊件靠拢、压紧后，储存在轴向压力作用下向旋转焊件靠拢、压紧后，储存在飞轮中的动能通过摩擦逐渐转变为热能，飞轮转在飞轮中的动能通过摩擦逐渐转变为热能，飞轮转速则不断降低，直至主轴停止转动，保压一段时间速则不断降低，直至主轴停止转动，保压一段时间后，焊接停止。又称储能摩擦焊。后，焊接停止。又称储能摩擦焊。工件工件夹具、飞轮夹具、飞轮材料科学与工程学院压力焊辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院特种焊接技术特种焊接技术12第四章第四章 摩
17、擦焊摩擦焊12 （四）相位摩擦焊（四）相位摩擦焊 也称控制摩擦焊。普通摩擦焊在停车顶锻后，也称控制摩擦焊。普通摩擦焊在停车顶锻后，两焊件焊接相位是不能控制的。相位摩擦焊可实现两焊件焊接相位是不能控制的。相位摩擦焊可实现有相位要求工件的摩擦焊接，扩大了摩擦焊的应用有相位要求工件的摩擦焊接，扩大了摩擦焊的应用领域。目前生产中对诸如六方形断面的零件、八方领域。目前生产中对诸如六方形断面的零件、八方钢、汽车操作杆、花键轴、拨叉、两端带法兰的轴钢、汽车操作杆、花键轴、拨叉、两端带法兰的轴等均要求采用相位摩擦焊。在电控和机械技术高度等均要求采用相位摩擦焊。在电控和机械技术高度发展的前提下，为大吨位相位摩擦
18、焊机的研制提供发展的前提下，为大吨位相位摩擦焊机的研制提供了保障。了保障。有三种类型：有三种类型：机械同步摩擦焊机械同步摩擦焊 第三体摩擦焊第三体摩擦焊 同步驱动摩擦焊同步驱动摩擦焊材料科学与工程学院压力焊辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院特种焊接技术特种焊接技术13第四章第四章 摩擦焊摩擦焊13机械同步摩擦焊机械同步摩擦焊插销配合摩擦焊插销配合摩擦焊材料科学与工程学院压力焊辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院特种焊接技术特种焊接技术14第四章第四章 摩擦焊摩擦焊14 （五）线性摩擦焊（五）线性摩擦焊 摩擦副中的一个焊件被往复机
19、构驱动，相对于摩擦副中的一个焊件被往复机构驱动，相对于另一个被夹紧的焊件表面作相对运动。如图，在垂另一个被夹紧的焊件表面作相对运动。如图，在垂直于往复运动方向压力的作用下，摩擦表面被清理直于往复运动方向压力的作用下，摩擦表面被清理并产生摩擦热，表面逐渐达到粘塑性状态并产生变并产生摩擦热，表面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端压力，完成焊接形，然后停止往复运动并施加顶端压力，完成焊接过程。过程。线性摩擦焊可以将线性摩擦焊可以将方形、圆形、多边形截方形、圆形、多边形截面的金属或塑料焊接在面的金属或塑料焊接在一起。它可焊接更不规一起。它可焊接更不规则截面的构件，如叶片则截面的构
20、件，如叶片与涡轮等。与涡轮等。FF被夹持不运动的焊件被夹持不运动的焊件往复运动往复运动材料科学与工程学院压力焊辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院特种焊接技术特种焊接技术15第四章第四章 摩擦焊摩擦焊15 LFW焊接的整体叶盘焊接的整体叶盘 LinFricTM型线性摩擦焊机型线性摩擦焊机 线性摩擦焊的优点线性摩擦焊的优点 （1）可焊接方形、圆形、多边形截面工件。）可焊接方形、圆形、多边形截面工件。（2）固态焊接，金属不熔化固态焊接，金属不熔化、热影响区窄；低热影响区窄；低应力和小变形，高完整性；焊缝的结构强度与弹性应力和小变形，高完整性；焊缝的结构强度与弹性性能
21、与基体金属相同。性能与基体金属相同。（3）可完全机械和自动控制，可靠性高。）可完全机械和自动控制，可靠性高。材料科学与工程学院压力焊辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院特种焊接技术特种焊接技术16第四章第四章 摩擦焊摩擦焊16 （六）径向摩擦焊（六）径向摩擦焊 先将两个开有坡口的两个管端对齐，然后装上先将两个开有坡口的两个管端对齐，然后装上一个加工好的带有斜面的圆环，管内套装有芯棒，一个加工好的带有斜面的圆环，管内套装有芯棒，由于其引入中间旋转加压圆环，摩擦焊时是圆环转由于其引入中间旋转加压圆环，摩擦焊时是圆环转动，不仅改变了摩擦面的方向，焊件也由相对旋转动，不
22、仅改变了摩擦面的方向，焊件也由相对旋转加压变为相对固定加压。加压变为相对固定加压。它非常适合于长管子它非常适合于长管子现场装配焊接，应用于石现场装配焊接，应用于石油和天然气输送管道的焊油和天然气输送管道的焊接。同时它还可把薄壁纯接。同时它还可把薄壁纯铜焊接到钢弹体外壁上，铜焊接到钢弹体外壁上，使军工产品升级换代。使军工产品升级换代。径向摩擦焊示意图径向摩擦焊示意图1-旋转圆环旋转圆环 2-待焊管子待焊管子 n-圆环速度圆环速度 p0-轴向顶锻压力轴向顶锻压力 p-径向压力径向压力材料科学与工程学院压力焊辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院特种焊接技术特种焊接技术
23、17第四章第四章 摩擦焊摩擦焊17 （七）嵌入式摩擦焊（七）嵌入式摩擦焊 利用摩擦焊原理是将相对较硬的材料嵌入到较利用摩擦焊原理是将相对较硬的材料嵌入到较软的材料中。两焊件相对运动所产生的摩擦热在软软的材料中。两焊件相对运动所产生的摩擦热在软材料中产生局部塑性变形，高温塑性材料流入预先材料中产生局部塑性变形，高温塑性材料流入预先加工好的硬材料凹区内，拘束肩迫使高温塑性材料加工好的硬材料凹区内，拘束肩迫使高温塑性材料包住硬材料的连接头。当转动停止，焊件冷却即形包住硬材料的连接头。当转动停止，焊件冷却即形成可靠机械连接接头。成可靠机械连接接头。较硬材料较硬材料较软材料较软材料拘束肩拘束肩材料科学与
24、工程学院压力焊辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院特种焊接技术特种焊接技术18第四章第四章 摩擦焊摩擦焊18 （八）第三体摩擦焊（八）第三体摩擦焊 对于难以焊接的材料组合，如陶瓷陶瓷、金对于难以焊接的材料组合，如陶瓷陶瓷、金属陶瓷、热固性材料热塑性塑料以及复合材料属陶瓷、热固性材料热塑性塑料以及复合材料等，可用此方法。低熔点的第三种物质在轴向压力等，可用此方法。低熔点的第三种物质在轴向压力和扭矩作用下，在间隙中摩擦热作用下产生塑性变和扭矩作用下，在间隙中摩擦热作用下产生塑性变形，冷却固化后将两焊件锁定形成接头。根据材料形，冷却固化后将两焊件锁定形成接头。根据材料
25、的相容性，可能是冶金结合，也可能根本没结合。的相容性，可能是冶金结合，也可能根本没结合。螺柱螺柱拘束肩拘束肩板件板件熔点较低熔点较低的第三体的第三体材料科学与工程学院压力焊辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院特种焊接技术特种焊接技术19第四章第四章 摩擦焊摩擦焊19 （九）摩擦堆焊（九）摩擦堆焊 堆焊金属圆棒高速旋转，并向母材施加摩擦压堆焊金属圆棒高速旋转，并向母材施加摩擦压力。由于母材体积大、导热好、冷速快，堆焊金属力。由于母材体积大、导热好、冷速快，堆焊金属热量高，从而过渡到母材上形成堆焊焊道。热量高，从而过渡到母材上形成堆焊焊道。（十）超塑性摩擦焊（十）超
26、塑性摩擦焊 是由前苏联学者于是由前苏联学者于20世纪世纪80年代发明的。其核心是通过年代发明的。其核心是通过严格控制摩擦焊过程，使得焊严格控制摩擦焊过程，使得焊合的金属处于超塑性状态，从合的金属处于超塑性状态，从而实现低温高质量连接。而实现低温高质量连接。1-1-堆焊金属圆棒堆焊金属圆棒2-2-堆焊件堆焊件3-3-堆焊层堆焊层材料科学与工程学院压力焊辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院特种焊接技术特种焊接技术20第四章第四章 摩擦焊摩擦焊20 以两个圆断面的金属工件为例，摩擦焊前，工以两个圆断面的金属工件为例，摩擦焊前，工件件1夹持在可以旋转的夹头上，工件夹持在
27、可以旋转的夹头上，工件2夹持在能够向夹持在能够向前移动加压的夹头上。焊接开始时，工件前移动加压的夹头上。焊接开始时，工件 1 首先高首先高速旋转，然后工件速旋转，然后工件2向工件向工件1方向移动、接触，并施方向移动、接触，并施加足够大的摩擦压力，开始摩擦加热过程，摩擦表加足够大的摩擦压力，开始摩擦加热过程，摩擦表面消耗的机械能转换成热能。摩擦一段时间后，接面消耗的机械能转换成热能。摩擦一段时间后，接头金属的温度达到焊接温度，立即停止工件头金属的温度达到焊接温度，立即停止工件 1 的转的转动，同时工件动，同时工件 2 向前快速移动，对接头施加较大的向前快速移动，对接头施加较大的顶锻压力，使其产生
28、一定的顶锻变形。压力持续一顶锻压力，使其产生一定的顶锻变形。压力持续一段时间后，松开两个夹头，取出焊件，全部过程结段时间后，松开两个夹头，取出焊件，全部过程结束。通常只有束。通常只有23s。整个焊接过程摩擦界面温度一。整个焊接过程摩擦界面温度一般不会超过材料熔点，所以属于固相焊接。般不会超过材料熔点，所以属于固相焊接。四、摩擦焊的基本原理及焊接过程四、摩擦焊的基本原理及焊接过程（一）摩擦焊的基本原（一）摩擦焊的基本原理理材料科学与工程学院压力焊辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院特种焊接技术特种焊接技术21第四章第四章 摩擦焊摩擦焊21摩擦焊焊接过程示意图摩擦焊
29、焊接过程示意图材料科学与工程学院压力焊辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院特种焊接技术特种焊接技术22第四章第四章 摩擦焊摩擦焊22 同种材质焊接，最初界面接触点上产生犁削同种材质焊接，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。界面上的犁削迁移到另一个表面。界面上的犁削-粘合粘合-撕裂过程撕裂过程进行时，摩擦力矩增加时界面温度增高。当整个界进行时，摩擦力矩增加时界面温度增高。当整个界面上
30、形成一个连续塑性状态薄层后，摩擦力矩降低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，轴向长度也不断缩短。下不断被挤出形成飞边，轴向长度也不断缩短。异种金属的机理比较复杂，除了犁削异种金属的机理比较复杂，除了犁削 -粘合粘合 -剪切撕裂现象外，金属的物理与力学性能、相互间剪切撕裂现象外，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，在结合面附用，焊接时由于机械混合和扩散作用，在结合面附
31、近很窄的区域内有可能发生一定程度的合金化，这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。械混合和相互镶嵌对结合也会有一定作用。材料科学与工程学院压力焊辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院特种焊接技术特种焊接技术23第四章第四章 摩擦焊摩擦焊23 摩擦焊过程的实质是焊接表面金属状态和性能摩擦焊过程的实质是焊接表面金属状态和性能发生变化的过程。发生变化的过程。以以=16mm的的45钢为例，焊接参数为：钢为例，焊接参数为：转速转速2000r/m
32、in；摩擦压力摩擦压力8.6KPa；摩擦时间摩擦时间0.7s；顶锻压力顶锻压力161MPa。摩擦焊接过程的一个摩擦焊接过程的一个 周期，可分摩擦加热过程周期，可分摩擦加热过程 和顶锻过程两部分。加热和顶锻过程两部分。加热 过程四个阶段，顶锻过程过程四个阶段，顶锻过程 两个阶段。共六个阶段。两个阶段。共六个阶段。（二）焊接过程（二）焊接过程摩擦焊焊接过程示意图摩擦焊焊接过程示意图材料科学与工程学院压力焊辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院特种焊接技术特种焊接技术24第四章第四章 摩擦焊摩擦焊24 1）初始摩擦阶段（）初始摩擦阶段（t1）2）不稳定摩擦阶段）不稳定摩
33、擦阶段(t2)3）稳定摩擦阶段（）稳定摩擦阶段（t0）4）停车阶段（）停车阶段（t4）5）纯顶锻阶段（）纯顶锻阶段（t5）6）顶锻维持阶段（）顶锻维持阶段（t6）材料科学与工程学院压力焊辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院特种焊接技术特种焊接技术25第四章第四章 摩擦焊摩擦焊25五、摩擦焊接头的设计五、摩擦焊接头的设计 尽管人们已经对多种形式的摩擦焊工艺进行了尽管人们已经对多种形式的摩擦焊工艺进行了研究，但应用最多的仍是旋转式摩擦焊。因此大多研究，但应用最多的仍是旋转式摩擦焊。因此大多场合，要求摩擦副中至少有一侧截面是圆截面，典场合，要求摩擦副中至少有一侧截面是
34、圆截面，典型接头形式如图。型接头形式如图。a)棒棒-棒棒b)b)管管-管管c c)棒棒-管管d d)板板-棒棒 e e)板板-管管转子和叶轮摩擦焊接头转子和叶轮摩擦焊接头 （一）摩擦焊的接头形式（一）摩擦焊的接头形式材料科学与工程学院压力焊辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院特种焊接技术特种焊接技术26第四章第四章 摩擦焊摩擦焊26（二）连续驱动摩擦焊接头的设计原则（二）连续驱动摩擦焊接头的设计原则 1）两被焊件中，最好旋转件是圆形的且便于）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。绕轴线做高速旋转。2）焊件应具有较大刚度，夹紧方便、牢固，）焊件应具
35、有较大刚度，夹紧方便、牢固，要尽量避免采用薄管和薄板接头。要尽量避免采用薄管和薄板接头。3）同种材料两个焊件的断面尺寸应尽可能相）同种材料两个焊件的断面尺寸应尽可能相同，以保证焊接温度分布均匀和变形层厚度相同。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）对锻压温度或热导率相差较大的异种材料焊接时焊接时，为了使两个零件的顶锻相对平衡，应调整为了使两个零件的顶锻相对平衡，应调整界面的相对尺寸界面的相对尺寸；为了防止高温下强度低的焊件端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面金属产生过多的变形流失，需要采用模子封闭接需要采用模子封闭接头金属。头
36、金属。5）倾斜接头应与中心线呈）倾斜接头应与中心线呈30 45的斜面。的斜面。材料科学与工程学院压力焊辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院特种焊接技术特种焊接技术27第四章第四章 摩擦焊摩擦焊27 6）为了增大焊缝面积，可以把焊缝设计成搭）为了增大焊缝面积，可以把焊缝设计成搭接或锥形接头。接或锥形接头。7）焊接大截面接头时，为了降低加热功率峰）焊接大截面接头时，为了降低加热功率峰值值，可采用将焊接端面倒角的方法可采用将焊接端面倒角的方法，使摩擦面积逐使摩擦面积逐渐增大。渐增大。8）要注意飞边的流向，使其在焊接时不受阻）要注意飞边的流向，使其在焊接时不受阻碍地被挤
37、出碍地被挤出。在不可能切除飞边或者要节省飞边切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。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。）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）设计接头形式的同时，还应注意工件的长度、直径公差度、直径公差、焊接端面的垂直度焊接端面的垂直度、不平度和表面不平度和表面粗糙度。粗糙度。材料科学与工程学院压力焊辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院特种焊接技术特种焊接技术28第四章第四章 摩擦焊摩擦焊28 摩擦焊接性是指材料在摩擦焊过程中焊缝形成摩擦焊接性是
38、指材料在摩擦焊过程中焊缝形成和获得满足使用要求接头的能力。主要考虑：和获得满足使用要求接头的能力。主要考虑：1）两种材料是否相互溶解和扩散）两种材料是否相互溶解和扩散 不能相互溶解和扩散的材料摩擦焊非常困难甚不能相互溶解和扩散的材料摩擦焊非常困难甚至不能焊接。可见，同种金属或合金焊接性良好。至不能焊接。可见，同种金属或合金焊接性良好。2）表面氧化膜是否容易破碎）表面氧化膜是否容易破碎 容易破碎的容易焊接，如低碳钢比不锈钢易。容易破碎的容易焊接，如低碳钢比不锈钢易。3）高温力学性能与物理性能）高温力学性能与物理性能 通常高温强度高、塑性低、导热性好的材料不通常高温强度高、塑性低、导热性好的材料不
39、容易焊接。异种材料性能相差大也不容易焊接。容易焊接。异种材料性能相差大也不容易焊接。2 材料的摩擦焊性材料的摩擦焊性一、材料的摩擦焊接性特点一、材料的摩擦焊接性特点 材料科学与工程学院压力焊辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院特种焊接技术特种焊接技术29第四章第四章 摩擦焊摩擦焊29 4）合金钢的碳当量与淬透性）合金钢的碳当量与淬透性 淬透性好的材料不容易焊接。淬透性好的材料不容易焊接。5）材料的高温氧化倾向）材料的高温氧化倾向 活泼金属一般难以焊接。活泼金属一般难以焊接。6）两种材料形成脆性相的可能性）两种材料形成脆性相的可能性 凡能形成脆性相的异种材料，焊接
40、过程中要设凡能形成脆性相的异种材料，焊接过程中要设法降低焊接温度和减少加热时间，否则不能获得强法降低焊接温度和减少加热时间，否则不能获得强度高、塑性好的接头。脆性材料不适于摩擦焊。度高、塑性好的接头。脆性材料不适于摩擦焊。7）材料的摩擦系数）材料的摩擦系数 摩擦因数低的材料，由于摩擦加热功率低，不摩擦因数低的材料，由于摩擦加热功率低，不容易保证接头质量。例如黄铜、铸铁等。容易保证接头质量。例如黄铜、铸铁等。摩擦焊接性会随焊接工艺的发展而不断改善。摩擦焊接性会随焊接工艺的发展而不断改善。材料科学与工程学院压力焊辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院特种焊接技术特种焊
41、接技术30第四章第四章 摩擦焊摩擦焊30 1、钛合金的摩擦焊、钛合金的摩擦焊 钛合金与钛合金与 18-8 不锈钢不锈钢的摩擦焊研究较多，采用的摩擦焊研究较多，采用的工艺措施主要是加中间过渡层或加大顶锻力，过的工艺措施主要是加中间过渡层或加大顶锻力，过渡层主要是铝和铜；渡层主要是铝和铜；钛和铝钛和铝摩擦焊接头强度高于铝母材，虽在结合摩擦焊接头强度高于铝母材，虽在结合面上产生面上产生 Al3Ti 薄层，但退火后不会长大。薄层，但退火后不会长大。纯钛与纯铜纯钛与纯铜熔点相差熔点相差 600，并生成，并生成TiCu2以及以及TiCu化合物，不宜采用熔化焊接。采用摩擦焊，在化合物，不宜采用熔化焊接。采用
42、摩擦焊，在短时内加压就可抑制金属化合物的产生，获得性能短时内加压就可抑制金属化合物的产生，获得性能良好的接头。良好的接头。二、不同材料摩擦焊的应用二、不同材料摩擦焊的应用 材料科学与工程学院压力焊辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院特种焊接技术特种焊接技术31第四章第四章 摩擦焊摩擦焊31 2、轻金属的摩擦焊、轻金属的摩擦焊 新近开发的超轻铝合金（如新近开发的超轻铝合金（如 Al-Li 合金），由合金），由于密度小、强度高等优点而在航空航天工程中得到于密度小、强度高等优点而在航空航天工程中得到应用。如采用熔焊，接头易形成缺陷，难以获得优应用。如采用熔焊，接头易形
43、成缺陷，难以获得优质的接头，采用摩擦焊可获得与母材同等强度。质的接头，采用摩擦焊可获得与母材同等强度。3、高温合金及粉末冶金材料的摩擦焊、高温合金及粉末冶金材料的摩擦焊 4、先进材料的摩擦焊、先进材料的摩擦焊 国外国外TiNi形状记忆合金的摩擦焊已取得满意的形状记忆合金的摩擦焊已取得满意的效果，焊后特性与母材相同；陶瓷与金属的摩擦焊效果，焊后特性与母材相同；陶瓷与金属的摩擦焊也取得较大进展，例如也取得较大进展，例如 Si3N4、SiC、ZrO2与铝焊接与铝焊接时，通过加大转速，已成功实现摩擦焊接，但强度时，通过加大转速，已成功实现摩擦焊接，但强度略有降低；钢与陶瓷焊接时，用略有降低；钢与陶瓷焊
44、接时，用 Al/Cu 复合材料作复合材料作中间嵌入层也取得满意效果。中间嵌入层也取得满意效果。材料科学与工程学院压力焊辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院特种焊接技术特种焊接技术32第四章第四章 摩擦焊摩擦焊32 （一）碳钢连续驱动摩擦焊（一）碳钢连续驱动摩擦焊 参数选择范围为：摩擦速度参数选择范围为：摩擦速度 0.63m/s，压力，压力20100 MPa，摩擦时间，摩擦时间140s，变形量，变形量110 mm，停车时间停车时间 0.11s，顶锻压力，顶锻压力100 200MPa，顶锻变，顶锻变形量形量 16 mm，顶锻速度，顶锻速度1040mm/s。中碳钢、高
45、碳钢、低合金钢及其组合的异种钢中碳钢、高碳钢、低合金钢及其组合的异种钢焊接时，为了焊缝中的淬火组织，减少焊后回火处焊接时，为了焊缝中的淬火组织，减少焊后回火处理工序，应选用较弱的焊接规范。同时，焊接高温理工序，应选用较弱的焊接规范。同时，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。形量和顶锻变形量。三、典型材料的摩擦焊三、典型材料的摩擦焊材料科学与工程
46、学院压力焊辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院特种焊接技术特种焊接技术33第四章第四章 摩擦焊摩擦焊33典型材料的惯性摩擦焊参数典型材料的惯性摩擦焊参数材料科学与工程学院压力焊辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院特种焊接技术特种焊接技术34第四章第四章 摩擦焊摩擦焊34 （二）铝铜过渡接头的焊接（二）铝铜过渡接头的焊接 对对850mm铝铝-铜过渡接头，为防止铝在焊接铜过渡接头，为防止铝在焊接过程中流失以及铝、铜试件由于受压失去稳定而产过程中流失以及铝、铜试件由于受压失去稳定而产生弯曲变形，采用如图所示的模子对铝、铜进行封生弯曲变形
47、，采用如图所示的模子对铝、铜进行封闭加热。注意，如果焊接加热温度过高或焊接加热闭加热。注意，如果焊接加热温度过高或焊接加热时间过长，摩擦焊接表面的温度超过铝铜共晶温时间过长，摩擦焊接表面的温度超过铝铜共晶温度（度（548），甚至达到铝的熔点，在高温下容易），甚至达到铝的熔点，在高温下容易形成大量的脆性化合物层，使接头发生脆性断裂。形成大量的脆性化合物层，使接头发生脆性断裂。为了获得优质接头，可采用低温摩擦焊工艺，为了获得优质接头，可采用低温摩擦焊工艺，其特点是转速低，顶锻压力大。低温摩擦焊工艺可其特点是转速低，顶锻压力大。低温摩擦焊工艺可以控制摩擦表面的温度在以控制摩擦表面的温度在460480
48、范围内，保证范围内，保证摩擦表面金属能充分发生塑性变形和促进铝铜原摩擦表面金属能充分发生塑性变形和促进铝铜原子之间的充分扩散，不产生脆性金属间化合物。子之间的充分扩散，不产生脆性金属间化合物。材料科学与工程学院压力焊辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院特种焊接技术特种焊接技术35第四章第四章 摩擦焊摩擦焊35铝铝-铜过渡接头的低温摩擦焊示意图铜过渡接头的低温摩擦焊示意图铝铝-铜摩擦焊示意图铜摩擦焊示意图1-铜工件铜工件 2-铝工件铝工件 n-铜工件转速铜工件转速 F-轴向力轴向力 v-移动卡头进给速度移动卡头进给速度材料科学与工程学院压力焊辽宁工程技术大学辽宁工
49、程技术大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院特种焊接技术特种焊接技术36第四章第四章 摩擦焊摩擦焊36 （三）高速钢（三）高速钢-45钢的焊接钢的焊接 高速钢和高速钢和45钢焊接时，由于高速钢的高温强度钢焊接时，由于高速钢的高温强度高而热导率低，而高而热导率低，而 45 钢的高温强度差，为控制钢的高温强度差，为控制 45钢变形和流失，提高摩擦压力，增大摩擦加热功率钢变形和流失，提高摩擦压力，增大摩擦加热功率和保证接头外圆焊透，须采用合适的模子，将和保证接头外圆焊透，须采用合适的模子，将45号号钢进行封闭加压。为使接头产生足够的塑性变形和钢进行封闭加压。为使接头产生足够的塑性变形和足够大的加热
50、功率，必须提高摩擦压力和顶锻力。足够大的加热功率，必须提高摩擦压力和顶锻力。应注意，为防止接头的焊接热裂纹，材料尽量选择应注意，为防止接头的焊接热裂纹，材料尽量选择不产生碳化物严重偏析的高速钢外，焊前应将高速不产生碳化物严重偏析的高速钢外，焊前应将高速钢进行完全退火，焊接时接头要均匀加热，使温度钢进行完全退火，焊接时接头要均匀加热，使温度分布较宽，摩擦时间不能太短。焊后应进行缓冷，分布较宽，摩擦时间不能太短。焊后应进行缓冷，并立即在并立即在750进行炉中保温，然后再进行退火。进行炉中保温，然后再进行退火。材料科学与工程学院压力焊辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学材料科学与工程学院材料科学与工程学
