1、第10章摩擦焊10.1摩擦焊原理及分类10.1.1摩擦焊的分类10.1.2摩擦焊原理.2连续驱动摩擦焊.2.1连续驱动摩擦焊基本原理10.2.2摩擦焊焊接工艺.焊接参数检测及控制10.2.4典型材料的摩擦焊10.3搅拌摩擦焊10.3.1搅拌摩擦焊接过程10.3.2搅拌摩擦焊工艺10.3.3典型材料的搅拌摩擦焊10.3.4搅拌摩擦焊新技术10.4摩擦焊设备10.4.1传统摩擦焊设备.搅拌摩擦焊设备10.1.1摩擦焊的分类图-摩擦焊方法及分类10.1.2摩擦焊原理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.搅拌摩擦焊图-连续驱动摩擦焊原理示意图压力使待
2、焊材料紧密接触对运动产生摩擦热净化界面顶锻力的作用下形成接头图-机械同步相位摩擦焊示意图图-插销配合摩擦焊示意图图-径向摩擦焊示意图1旋转圆环2待焊管子圆环速度轴向顶锻压力径向压力图-摩擦堆焊示意图1堆焊金属圆棒2堆焊件3堆焊焊缝图-线性摩擦焊示意图图-搅拌摩擦焊原理示意图.2.1连续驱动摩擦焊基本原理1.焊接过程2.摩擦焊接产热1.焊接过程()初始摩擦阶段()此阶段是从两个工件开始接触的点起，到摩擦加热功率显著增大的点止。()不稳定摩擦阶段()不稳定摩擦阶段是摩擦加热过程的一个主要阶段，该阶段从摩擦加热功率显著增大的点起，越过功率峰值点，到功率稳定值的点为止。()稳定摩擦阶段()稳定摩擦阶段
3、是摩擦加热过程的主要阶段，其范围从摩擦加热功率稳定值的点起，到接头形成最佳温度分布的点为止，这里的点也是焊机主轴开始停车的时间点(可称为点)，也是顶锻压力开始上升的点(图-的点)以及顶锻变形量的开始点。()停车阶段()停车阶段是摩擦加热过程至顶锻焊接过程的过渡阶段，是从主轴和工件一起开始停车减速的点起，到主轴停止转动的点止。()纯顶锻阶段()从主轴停止旋转的(或)点起，到顶锻压力上升至最大位的点为止。()顶锻维持阶段()该阶段从顶锻压力的最高点开始，到接头温度冷却到低于规定值为止。图-摩擦焊接过程示意图工作转速摩擦压力顶锻压力摩擦变形量顶锻变形量摩擦加热功率摩擦加热功率峰值时间摩擦时间实际摩擦
4、加热时间实际顶锻时间2.摩擦焊接产热()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。()摩擦焊接表面温度摩擦焊接表面的温度会直接影响接头的加热温度、温度分布、摩擦系数、接头金属的变形与扩散。图-摩擦加热功率分布图10.2.2摩擦焊焊接工艺1.工艺特点2.接头形式设计.摩擦焊焊接参数.焊接参数对接头质量的影响1.工艺特点)焊接施工时间短，生产效率高。)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。)机械化、自动化程度高，焊接质量稳定。)适合各类异种材料的
5、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。)可以实现同直径、不同直径的棒材和管材的焊接。)焊接时不产生烟雾、弧光以及有害气体等，不污染环境。)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。)对形状及组装位置已经确定的构件，很难实现摩擦焊接。)接头容易产生飞边，必须焊后进行机械加工。)夹紧部位容易产生划伤或夹持痕迹。2.接头形式设计)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。)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。)同种材料的两个焊件断面尺寸应尽量相同，以保
6、证焊接温度分布均匀和变形层厚度相同。)一般倾斜接头应与中心线成的斜面。)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。)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。)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
7、提高生产率。)待焊表面应避免渗氮、渗碳等。)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。图-连续驱动摩擦焊接头的基本形式)相同直径)不同直径(有凸台)不同直径(无凸台)薄板与棒(或管)倾斜接头)带飞边槽的接头.摩擦焊焊接参数()连续驱动摩擦焊主要参数有转速、摩擦压力、摩擦时间、摩擦变形量、停车时间、顶锻时间、顶锻压力、顶锻变形量。()对于惯性摩擦焊在参数选取上与连续驱动摩擦焊有所不同，主要的参数有起始转速、转动惯量和轴向压力。()连续驱动摩擦焊)转速与摩擦压力。)摩擦时间。)摩擦变形量。)停车时间。)顶锻压力、顶锻变形量和顶锻速度。()对于惯性摩擦焊
8、)起始转速。)转动惯量。)轴向压力。图-转速与变形层厚度、深塑区位置和飞边的关系(?低碳钢棒，摩擦压力).焊接参数对接头质量的影响()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。()摩擦时间与摩擦变形量摩擦时间决定了接头摩擦加热过程，直接影响接头的加热温度、温度分布和焊接质量。()停车时间图-是停车时间与摩擦峰值扭矩的关系，由于停车时间对摩擦扭矩、变形层厚度和焊接质量有很大影响，因此应根据变形层厚度正确选择该参数。()顶锻压力与变形量顶锻压力的作用是挤碎和挤出变形层中的氧化金属及其他有害杂质，并使接头金属在压力作用下得到锻造，促进晶粒细化，从而提高接头力学性能。图-停车时
9、间和摩擦峰值扭矩的关系.焊接参数检测及控制.焊接参数检测2.焊接参数控制.焊接参数检测()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。()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。()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。()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。()摩擦扭矩的测量摩擦扭矩综合反映了轴向压力、工件转速，界面温度、材质特性及其相互之间的影响，是连续驱动摩擦焊接的一个重要参数，该参数变化速度快、变化范围大。2
10、.焊接参数控制()时间控制主要是控制摩擦时间，可采用计算机的计数器或定时器进行控制。()功率峰值控制利用摩擦加热功率峰值与稳定值之间时间不变的原则进行控制。()变形量控制通常是控制摩擦变形量，但为了克服由于工件表面状态和其他参数变化对这种控制方法带来的不利影响，还可同时对摩擦焊接时间进行监控。()温度控制主要通过对工件表面温度的非接触测量而进行相应的控制。()变参数复合控制该方法主要针对大截面工件的摩擦焊接，其核心是在不同阶段采用不同的控制方案。()控制该方法是通过摩擦扭矩对摩擦时间的积分运算来实现焊接能量控制。()微计算机控制目前的焊接设备大多数具有计算机控制功能，可控制整个焊接过程，包括液
11、压系统控制、摩擦开始点和焊接参数检测，焊接参数复合控制和参数记录、输出等，图-为压力和变形量复合控制流程框图。图-压力和变形量复合控制流程框图10.2.4典型材料的摩擦焊1.材料的摩擦焊接性2.焊接参数选择1.材料的摩擦焊接性)材料的互溶性。)材料表面的氧化膜。)材料的力学性能。)合金的碳当量。)高温氧化性。)生成的脆性相。)摩擦系数。)材料的脆性。图-同种和异种材料组合的摩擦焊接性3.典型材料的摩擦焊接()45号钢的接头组织和性能号钢的摩擦焊接参数见表-，接头的金属组织如图-所示，可以分为正火区、不完全正火区和回火区。()铝-铜过渡接头的焊接对于?铝-铜过渡接头，摩擦焊接参数如表-中的9所示
12、。()高速钢-号钢的焊接高速钢和号钢焊接时，由于高速钢的高温强度高而热导率低，而号钢的高温强度差，为了控制45号钢的变形和流失，提高摩擦压力，增大摩擦加热功率和保证接头外圆焊透，必须采用合适的模子，如图-所示。()锅炉蛇形管的摩擦焊接锅炉制造中，为了节省能量，采用材料为号钢、直径为、壁厚的蛇形管制造。()石油钻杆的焊接石油钻杆是石油钻探中的重要工具，它由带螺纹的工具接头与管体焊接而成。()树脂基管道的线性摩擦焊接近年来，随着热硬化性树脂材料的发展，树脂基管道在城市建设、石油化工等领域的应用越来越多，连接问题也比较突出。图-45号钢摩擦焊接头的金相组织1正火区2不完全正火区3回火区图-铝-铜摩擦
13、焊接示意图1铜工件2铝工件3模子铜工件转速轴向力移动夹头进给速度图-高速钢-号钢摩擦焊接示意图1高速钢2号钢模子10020.tif10.3.1搅拌摩擦焊接过程1.接头形成及组织2.接头力学性能3.搅拌摩擦焊产热1.接头形成及组织()焊核区焊核区的塑性流动是非对称性的，该区经历了高温、大应变后，焊核的中心发生了强烈的变形。()热机影响区热机影响区是一个过渡区域，虽然也经历了连续的温度变化和机械搅拌，但该区的局部应变较焊核区小，明显导致初始拉长晶粒的旋转变形。()热影响区。图-1搅拌摩擦焊接头A母材B热影响区C热机影响区D焊核区图-2搅拌摩擦焊接头各区金相微观组织)焊核区)热机影响区)热影响区2.
14、接头力学性能()接头硬度分布在搅拌摩擦焊接过程中，接头不同区域发生了软化，其软化程度的差异，导致了接头硬度分布呈“W”形，图-为-铝合金搅拌摩擦焊接头的硬度分布，其他型号的铝合金也具有相同的趋势。()接头强度从国内外的研究情况来看，目前所开展的FSW研究主要集中在铝合金、镁合金以及纯铜等软质、易于成形的材料上，对钛合金、不锈钢、铝基复合材料也有少量研究。图-3-铝合金接头的显微硬度分布图-4-铝合金接头的温度分布10.3.2搅拌摩擦焊工艺1.工艺特点2.搅拌摩擦焊接头形式3.搅拌摩擦焊参数选择1.工艺特点()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()搅拌摩擦焊本身也存在如下缺点(
15、)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)焊接接头质量高，不易产生缺陷。)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。)便于机械化、自动化操作，质量比较稳定，重复性高。)焊接成本较低，不用填充材料，也不用保护气体。)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。)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。()搅拌摩擦焊本身也存在如下缺点)不同的结构需要不同的工装夹具，设备的灵活性差。)如不采用专门的搅拌头，焊接结束后搅拌头
16、退出时在焊缝末端会产生凹坑，需要用其他焊接方法补焊。)目前焊接速度不高。)焊缝背面需要有垫板，在封闭结构中垫板的取出比较困难。2.搅拌摩擦焊接头形式图-5摩擦焊接头的基本形式)直口对接)对搭混合)单搭接)多搭接)三片T形对接)双片T形对接)边缘对接)角接3.搅拌摩擦焊参数选择()焊接速度图1-为焊接速度对铝锂合金搅拌摩擦焊接头抗拉强度的影响。()搅拌头转速保持焊接速度一定，改变搅拌头旋转速度进行试验，结果表明当旋转速度较低时，不能形成良好的焊缝，搅拌头的后边有一条沟槽。()搅拌头仰角搅拌摩擦焊接时，一般都使搅拌头向后倾斜，以此对焊缝施加压力。()轴肩压力轴肩压力除了影响搅拌摩擦产热以外，还对搅
17、拌后的塑性金属施加压紧力。10026.tif10027.tif图-8搅拌头转速对接头缺陷的影响(，)图-9比值对接头性能的影响图-30搅拌头转速对接头性能的影响图-31搅拌头仰角对接头强度的影响(，)10.3.3典型材料的搅拌摩擦焊1.铝合金的焊接2.镁合金的焊接3.铜合金的焊接4.钛合金的焊接5.铝基复合材料的焊接6.钢的搅拌摩擦焊接图-32铝合金熔化焊与搅拌摩擦焊焊接性比较图-33铜合金搅拌摩擦焊接头微观组织)焊核区)母材区4.钛合金的焊接图-34钛合金搅拌摩擦焊接头微观组织)母材区)焊核区上部)焊核区中部)过渡区图-35搅拌摩擦焊接实例)铜合金管)铝合金筒体构件)板材对接)飞机舱门10.
18、3.4搅拌摩擦焊新技术1.搅拌摩擦点焊2.表面改性3.制造超细晶粒材料4.搅拌摩擦焊接修复5.搅拌摩擦-激光复合焊接技术图-36搅拌摩擦点焊原理图)扎入)搅拌)回抽图-37搅拌摩擦点焊样件)铝合金)高强钢2.表面改性()直接表面改性强化图-为搅拌摩擦加工方法实现表面改性的原理图。()制备复合材料表面改性层复合材料具有高强度、高弹性模量、耐磨性好、抗蠕变和抗疲劳性能优异等特点，但由于陶瓷增强相的加入，使得复合材料延展性、韧性显著降低，通过表面改性可以克服此缺点。图-38搅拌摩擦表面改性原理图图-39搅拌摩擦制备的复合材料表面改性层组织)含量13%)含量27%图-4铝合金微观组织)母材)搅拌摩擦制
19、备的超细晶材料)超细晶材料退火110.4.1传统摩擦焊设备1.连续驱动摩擦焊机2.惯性摩擦焊机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。()典型设备的技术参数表-9和表-0是部分国内连续驱动摩擦焊机和混合式摩擦焊机的型号、技术指标和适用范围，表-1是部分国外厂家的设备型号及主要技术指标。()设备组成及要求)主轴系统。)加压系统。)机身。)夹头。)检测与控制系统。)辅助装置。.搅拌摩擦焊设备1.搅拌摩擦设备2.搅拌头1.搅拌摩擦设备(1)常用搅拌摩擦焊接设备常用的搅拌摩擦焊接设备大致可以分为悬臂式、C型和龙门式三大类型。(2)数控FSW焊接设备这种设备不同于传统的三维刚性控制机械，它利用了六脚昆虫原理，由6个支架组成，每个支架都可以改变长度。(3)搅拌摩擦焊机器人图-悬臂式搅拌摩擦焊接设备图-搅拌摩擦焊机器人2.搅拌头(1)轴肩轴肩在焊接过程中通过与焊件表面间的摩擦提供焊接热源，并形成一个封闭的焊接环境，以阻止高塑性软化材料从轴肩溢出。(2)搅拌针搅拌针主要有锥形螺纹搅拌针、三槽锥形螺纹搅拌针、偏心圆搅拌针、偏心圆螺纹搅拌针、非对称搅拌针、柱形光头和柱形螺纹搅拌针、可伸缩搅拌针等多种形式。10043.tif图-4锥形螺纹搅拌针图-5偏心搅拌针照片)偏心圆)偏心圆螺纹搅拌针
