摩擦焊

特种焊接与设备讲解人：韩兆波第四单元摩擦焊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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（了解）4.1.2摩擦焊的分类及特点（掌握）一、摩擦焊的分类二、常规摩擦焊方法三、摩擦焊的特点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。一、摩擦焊的分类二、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。4.1.3摩擦焊的应用（重点掌握）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。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。一传统摩擦焊焊接过程（了解）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。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1．摩擦焊接头的形式设计4.2.2传统摩擦焊的工艺及参数（掌握）一、接头形式设计与表面准备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。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。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二、焊接工艺参数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2．材料表面的氧化膜3．材料的力学性能4．材料的碳当量与淬透性5．高温氧化倾向6．形成脆性相的可能性7．摩擦因数8．材料的脆性4.2.3典型材料的摩擦焊接工艺（重点掌握）1．焊接质量及其控制4.2.4传统摩擦焊质量控制与安全技术（了解）一、焊接缺陷及产生原因缺陷名称缺陷产生的原因接头偏心焊机刚度低，夹具偏心，焊件端面倾斜或在夹头外伸出量太长飞边不封闭转速高，摩擦压力太大或太小；摩擦时间太长或太短，以致顶锻焊接前接头中变形层和高温区太窄；停车慢未焊透焊前摩擦表面清理不良；转速低，摩擦压力太大或太小；摩擦时间短，顶锻压力小接头组织扭曲速度过低，压力过大，停车慢接头过热速度过高，压力过小，摩擦时间长接头淬硬焊接淬火钢时，摩擦时间短，冷却速度快焊接裂纹焊接淬火钢时，摩擦时间短，冷却速度快氧化灰斑焊前焊件清理不良，焊机振动；压力小，摩擦时间短；顶锻焊接前，接头中的变形层和高温区窄脆性合金层焊接易产生脆性合金化合物的异种金属时，加热温度过高，摩擦时间过长，压力较小2．质量控制1)时间控制2)功率峰值控制3)温度控制4)变形量控制5)综合参数控制二、安全技术摩擦焊机的端部像车床床头，用以夹持工件并使之高速旋转。焊机的尾部像一台压力机用以夹持工件和施加压力。对于连续生产的摩擦焊机还要注意使各个动作之间的联锁及保护。焊机主轴停车和停止加压的急停按钮要装在醒目和操作方便的部位，摩擦焊机的操作者要穿工作服，戴护目镜。4.3搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊（FrictionStirWelding，简称FSW）不受轴类零件的限制，可进行板材的对接、搭接、角接及全位置焊接。不会产生与熔化有关的如裂纹、气孔及合金元素的烧损等焊接缺陷；焊接过程中不需要填充材料和保护气体，焊接前无须进行复杂的预处理，焊接后残余应力和变形小；焊接时无弧光辐射、烟尘和飞溅，噪音低4.3.1搅拌摩擦焊的焊接过程及特点（了解）一、搅拌摩擦焊焊接过程二、搅拌摩擦焊的焊接接头三、搅拌摩擦焊的特点一、搅拌摩擦焊焊接过程4.3.2搅拌摩擦焊工艺（掌握）一、搅拌摩擦焊接头形式二、搅拌摩擦焊的热输入与焊接参数三、搅拌摩擦焊接参数的选择一、搅拌摩擦焊接头形式二、搅拌摩擦焊的热输入与焊接参数摩擦热是焊接热源的主体。搅拌摩擦焊热输入的大小可以用n/v表征。三、搅拌摩擦焊接参数的选择搅拌摩擦焊接参数主要包括焊接速度（搅拌焊头沿焊缝方向的行进速度）、搅拌焊头转速、焊接压力、搅拌焊头结构参数（倾角θ）、搅拌焊头插入速度和保持时间等。一、搅拌摩擦焊接工具4.3.3搅拌摩擦焊设备（掌握）1．轴肩2．搅拌针二、搅拌摩擦焊机一、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钢的焊接4.3.4搅拌摩擦焊技术的应用（重点掌握）1铝合金的焊接2钛合金的焊接采用搅拌摩擦焊技术焊接钛合金Ti-6Al-4V，可以得到高质量的焊缝，且焊接速度快、成本低、效益好、操作简单。钛合金的搅拌摩擦焊接性与铜合金相近，难度大于铝合金，低于钢材。3钢的焊接钢的搅拌摩擦焊接头同样存在焊核区、热机影响区和热影响区。焊核区为等轴晶粒组织，晶粒比母材区细小；与铝合金的搅拌摩擦焊接相类似。二、搅拌摩擦焊的工业应用1．搅拌摩擦焊在航天领域的应用2．搅拌摩擦焊在飞机制造领域的应用3．搅拌摩擦焊在轨道交通领域中应用双臂结构空自支撑内部安装轨道连接芯铝挤压件模件高质量高精度车体模式设计815系列EMU常客列车20000系列EMU常客列车683系列EMU高速列车885系列EMU全速列车4．搅拌摩擦焊在汽车制造中的应用5．搅拌摩擦焊在其他工业中的应用搅拌摩擦焊成功地解决了轻合金金属的连接难题，在兵器、建筑、电力、能源、家电等工业中的应用也越来越广泛。课后作业随堂笔记（标清序列号）