(焊接课件先进连接技术)摩擦焊.ppt

1、2:081摩擦焊连接原理与工艺2:082主要内容n摩擦焊原理与分类n惯性摩擦焊n搅拌摩擦焊n摩擦焊设备2:083定义n摩擦焊是利用焊件相对摩擦运动产生的热量来实现材料可靠连接的一种压力焊方法。其焊接过程是在压力的作用下，相对运动的待焊材料之间产生摩擦，使界面及其附近温度升高并达到热塑性状态，随着顶锻力的作用界面氧化膜破碎，材料发生塑性变形与流动，通过界面元素扩散及再结晶冶金反应而形成接头。2:084一、摩擦焊原理及分类一、摩擦焊原理及分类 n11 摩擦焊的分类摩擦焊的分类n摩擦焊的方法很多，一般根据焊件的相对运动和工艺特点进行分类，主要方法如图1所示。在实际生产中，连续驱动摩擦焊、相位控制摩擦

2、焊、惯性摩擦焊和搅拌摩擦焊应用的比较普遍。n通常所说的摩擦焊主要是指连续驱动摩擦焊、相位控制摩擦焊、惯性摩擦焊和轨道摩擦焊，统称为传统摩擦焊，它们的共同特点是靠两个待焊件之间的相对摩擦运动产生热能。而搅拌摩擦焊、嵌入摩擦焊、第三体摩擦焊和摩擦堆焊，是靠搅拌头与待焊件之间的相对摩擦运动产生热量而实现焊接。2:0852:0862:087一、摩擦焊原理及分类一、摩擦焊原理及分类n n12 摩擦焊原理摩擦焊原理n此图为摩擦焊的基本形式，两个圆断面的金属工件摩擦焊前，工件1夹持在可以旋转的夹头上，工件2夹持在能够向前移动加压的夹头上。焊接开始时，工件1首先高速旋转，然后工件2向工件1方向移动、接触，并施

3、加足够大的摩擦压力，这时开始了摩擦加热过程，摩擦表面消耗的机械能直接转换成热能。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1的转动，同时工件2向前快速移动，对接头施加较大的顶锻压力，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，全部过程结束。通常只有23s。n在整个焊接过程中，摩擦界面温度一般不会超过材料熔点，所以属于固相焊接。2:0882:0892:08102:081112 摩擦焊原理摩擦焊原理n同种材质焊接时，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-

4、粘合-撕裂过程进行时，摩擦力矩增加时界面温度增高。当整个界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下不断被挤出形成飞边，工件轴向长度也不断缩短n异种金属的机理比较复杂，除了犁削-粘合-剪切撕裂无力现象外，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用，焊接时由于机械混合和扩散作用，在结合面附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。机械混合和相互镶嵌对结合也会有一定作用。这种复杂性使得异种金属的摩擦焊接性很难预料。2:08121.2.1 连续驱动摩擦焊连续驱动摩擦焊 n连续驱

5、动摩擦焊原理如图2所示，是在摩擦压力的作用下被焊界面相互接触，通过相对运动进行摩擦，使机械能转变为热能，利用摩擦热去除界面的氧化物，在顶锻力的作用下形成可靠接头。该过程所产生的摩擦加热功率为n Pk 式中 P摩擦加热功率；n 摩擦系数；n k系数；n 摩擦压力；n 摩擦相对运动速度。2:08131.2.2 惯性摩擦焊惯性摩擦焊 n图3是惯性摩擦焊接示意图，工件的旋转端被夹持在飞轮里，焊接过程开始时首先将飞轮和工件的旋转端加速到一定的转速，然后飞轮与主电机脱开，同时，工件的移动端向前移动，工件接触后开始摩擦加热。在摩擦焊加热过程中，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

6、束。惯性摩擦焊的飞轮储存的能量A与飞轮转动惯量J和飞轮角速度的关系为n对实心飞轮,式中 G飞轮重力；n R飞轮半径；n g重力加速度。n惯性摩擦焊的主要特点是恒压、变速，它将连续驱动摩擦焊的加热和顶锻结合在一起。在实际生产中，可通过更换飞轮或不同尺寸飞轮的组合来改变飞轮的转动惯量，从而改变加热功率。22JA22GRJg2:08141.2.3 相位摩擦焊相位摩擦焊n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，要求工件焊后棱边对齐、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。n（1）机械同步相位摩擦焊 如图4所示，焊接

7、前压紧校正凸轮，调整两工件的相位并夹持工件，将静止主轴制动后松开并校正凸轮，然后开始进行摩擦焊接。摩擦结束时，切断电源并对驱动主轴制动，在主轴接近停止转动前松开制动器，此时立即压紧校正凸轮，工件间的相位得到保证，然后进行顶锻。2:08151.2.3 相位摩擦焊相位摩擦焊n（2）插销配合摩擦焊 如图5所示，相位确定机构由插销、插销孔和控制系统组成。插销位于尾座主轴上，尾座主轴可自由转动，在摩擦加热过程中制动器B将其固定。加热过程结束时，使主轴制动，当计算机检测到主轴进入最后一转时，给出信号，使插销进入插销孔，与此同时，松开尾座主轴的制动器B，使尾座主轴能与主轴一起转动，这样，即可保证相位，又可防

8、止插销进入插销孔时引起冲击。n（3）同步驱动摩擦焊 采用两个电动机驱动，为了保证工件两端旋转时的相位关系，两主轴通过齿轮、同步杆和花键作同步旋转，在整个焊接过程保持工件的相位关系不变。2:08161.2.4 径向摩擦焊径向摩擦焊 n径向摩擦焊的原理如图6所示，待焊的管子2开有坡口，管内套有芯棒，然后装上带有斜面的旋转圆环1，焊接时圆环旋转并向两个管子施加径向摩擦压力P。当摩擦加热过程结束时，圆环停止旋转，并向圆环施加顶锻压力Po。由于被焊接的管子本身不转动，管子内部不产生飞力，全部焊接过程大约需要10s，因此主要用于管子的现场装配焊接。2:08171.2.5 摩擦堆焊摩擦堆焊 n摩擦堆焊的原理

9、如图7所示。堆焊时，堆焊金属圆棒1以高速n1旋转，堆焊件（母材）也同时以转速n2旋转，在压力P的作用下圆棒与母材摩擦生热。由于待堆焊的母材体积大，导热性好，冷却速度快，使堆焊金属过渡到母材上，当母材相对于堆焊金属圆棒转动或移动时形成堆焊焊缝。2:08181.2.6 线性摩擦焊线性摩擦焊n线性摩擦焊原理如图8所示。待焊的两个工件一个固定，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，在压力F的作用下两工件的界面摩擦产生热量，从而实现焊接。该方法的主要优点是不管工件是否对称，均可进行焊接。近年来，线性摩擦焊的研究较多，主要用于飞机发动机涡轮盘与叶片的焊接，还用于大型塑料管道的现场焊接安装

10、。2:08191.2.7 搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊n搅拌摩擦焊（FSW）是英国焊接研究所（简称TWI）于1991年发明的一种用于低熔点合金板材焊接的固态连接技术。它是由摩擦焊派生发展起来的。由于这种工艺能进行板材的对接，并具有固相焊接接头独特的优点，因而在焊接高强度铝合金板材方面获得成功。n搅拌摩擦焊的工作原理如图9所示，将一个耐高温硬质材料制成的一定形状的搅拌针旋转深入到两被焊材料连接的边缘处，搅拌头调整旋转，在两焊件连接边缘产生大量的摩擦热，从而在连接处产生金属塑性软化区，该塑性软化区在搅拌头的作用下受到搅拌、挤压，并随着搅拌头的旋转沿焊缝向后流动，形成塑性金属流，并在搅拌头离开后的冷却过程中

11、，受到挤压而形成固相焊接接头。2:0820二、连续驱动摩擦焊 n21 连续驱动摩擦焊基本原理连续驱动摩擦焊基本原理n2.1.1 焊接过程焊接过程n连续驱动摩擦焊接时，通常将待焊工件两端分别固连续驱动摩擦焊接时，通常将待焊工件两端分别固定在旋转夹具和移动夹具内，工件被夹紧后，位于定在旋转夹具和移动夹具内，工件被夹紧后，位于滑台上的移动夹具随滑台一起向旋转端移动，移动滑台上的移动夹具随滑台一起向旋转端移动，移动至一定距离后，旋转端工件开始旋转，工件接触后至一定距离后，旋转端工件开始旋转，工件接触后开始摩擦加热。此后，则可进行不同的控制，如时开始摩擦加热。此后，则可进行不同的控制，如时间控制或摩擦缩

12、短量（又称摩擦变形量）控制。当间控制或摩擦缩短量（又称摩擦变形量）控制。当达到设定值时，旋转停止，顶锻开始，通常施加较达到设定值时，旋转停止，顶锻开始，通常施加较大的顶锻力并维持一段时间，然后，旋转夹具松开，大的顶锻力并维持一段时间，然后，旋转夹具松开，滑台后退，当滑台退到原位置时，移动夹具松开，滑台后退，当滑台退到原位置时，移动夹具松开，取出工件，至此，焊接过程结束。取出工件，至此，焊接过程结束。2:08212.1.1 焊接过程焊接过程&n对于直径为16mm的45号钢，在2000r/min转速、8.6MPa摩擦压力、0.7s摩擦时间和161MPa的顶锻压力下，整个摩擦焊接过程如图10所示。从

13、图中可知，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。2:0822n（1）初始摩擦阶段（t1）此阶段是从两个工件开始接触的a点起，到摩擦加热功率显著增大的b点止。摩擦开始时，由于工件待焊接表面不平，以及存在氧化膜、铁锈、油脂、灰尘和吸附气体等，使得摩擦系数很大。随着摩擦压力的逐渐增大，摩擦加热功率也慢慢增加，最后摩擦焊接表面温度将升到200300左右。n在初始摩擦阶段，由于两个待焊工件表面互相作用着较大的摩擦压力和具有很高的相对运动速度，使凸凹不平的表面

14、迅速产生2:0823n塑性变形和机械挖掘现象。塑性变形破坏了界面的金属晶粒，形成一个晶粒细小的变形层，变形层附近的母材也沿摩擦方向产生塑性变形。金属互相压入部分的挖掘，使摩擦界面出现同心圆痕迹，这样又增大了塑性变形。因摩擦表面不平，接触不连续，以及温度升高等原因，使摩擦表面产生振动，此时空气可能进入摩擦表面，使高温下的金属氧化。但由于t1时间很知，摩擦表面的塑性变形和机械挖掘又可以破坏氧化膜，因此，对接头的影响不大。当焊件断面为实心圆时，其中心的相对旋转速度为零，外缘速度最大，此时焊接表面金属处于弹性接触状态，温度沿径向分布不均匀，摩擦压力在焊接表面上呈双曲线分布，中心压力最大，外缘最小。在压

15、力和速度的综合影响下，摩擦表面的加热往往从距圆心半径2/3左右的地方首先开始。2:0824n（2）不稳定摩擦阶段（t2）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b点起，越过功率峰值c点，到功率稳定值的d点为止。由于摩擦压力较初始摩擦阶段增大，相对摩擦破坏了焊接金属表面，使纯净的金属直接接触。随着摩擦焊接表面的温度升高，金属的强度有所降低，而塑性和韧性却有很大的提高，增大了摩擦焊接表面的实际接触面积。这些因素都使材料的摩擦系数增大，摩擦加热功率迅速提高。当摩擦焊接表面的温度继续增高时，金属的塑性增高，而强度和韧性都显著下降，摩擦加热功率也迅速降低到稳定值d点。因

16、此，摩擦焊接的加热功率和摩擦扭矩都在c点呈现出最大值。在45号钢的不稳定摩擦阶段，待焊表面的温度由200300升高到12001300，而功率峰值出现在600700左右。这时摩擦表面的机械挖掘现象减少，振动降低，表面逐渐平整，开始产生金属的粘结现象。高温塑性状态的局部金属表面互相焊合后，又被工件旋转的扭力矩剪断，并彼此过渡。随着摩擦过程的进行，接触良好的塑性金属封闭了整个摩擦面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。n（3）稳定摩擦阶段（t3）稳定摩擦阶段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d点起，到接头形成最佳温度分布的e点为止，这里的e点也是焊机主轴开始停车的

17、时间点（可称为e点），也是顶锻压力开始上升的点（图10的点）以及顶锻变形量的开始点。在稳定摩擦阶段中，工件摩擦表面的温度继续升高，并达到1300左右。这时金属的粘结现象减少，分子作用现象增强。稳定摩擦阶段的金属强度极低，塑性很大，摩擦系数很小，摩擦稳定摩擦阶段的金属强度极低，塑性很大，摩擦系数很小，摩擦加热功率也基本上稳定在一个很低的数值。加热功率也基本上稳定在一个很低的数值。此外，其它连接参数的变化也趋于稳定，只有摩擦变形量不断增大，变形层金属在摩擦扭矩的轴向压力作用下，从摩擦表面挤出形成飞边，同时，界面附近的高温金属不断补充，始终处于动平衡状态，只是接头的飞边不断增大，接头的热影响区变宽。

18、2:0825n（4）停车阶段（t4）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e点起，到主轴停止转动的g点止。从图10可知，实际的摩擦加热时间从a点开始，到g点结束，即tt1+t2+t3+t4。尽管顶锻压力从点施加，但由于工件并未完全停止旋转，所以g点以前的压力，实质上还是属于摩擦压力。顶锻开始后，随着轴向压力顶锻开始后，随着轴向压力的增大，转速降低，摩擦扭矩增大，并再次出现峰值，的增大，转速降低，摩擦扭矩增大，并再次出现峰值，此值称为后峰值扭矩。同时，在顶锻力的作用下，接此值称为后峰值扭矩。同时，在顶锻力的作用下，接头中的高温金属被大量挤出，工件的变形量

19、也增大。头中的高温金属被大量挤出，工件的变形量也增大。因此，停车阶段是摩擦焊接的重要过程，直接影响接因此，停车阶段是摩擦焊接的重要过程，直接影响接头的焊接质量，要严格控制。头的焊接质量，要严格控制。n（5）纯顶锻阶段（t5）从主轴停止旋转的g(或g)点起，到顶锻压力上升至最大位的h点止。在这个阶段在这个阶段中，应施加足够大的顶锻压力，精确控制顶锻变形量中，应施加足够大的顶锻压力，精确控制顶锻变形量和顶锻速度，以保证获得优异的焊接质量。和顶锻速度，以保证获得优异的焊接质量。2:0826n（6）顶锻维持阶段（t6）该阶段从顶锻压力的最高点h开始，到接头温度冷却到低于规定值为止。在实际焊接控制和自动

20、摩擦焊机的程序设计时，应精密控制该阶段的时间tu（tut3+t4）。在顶锻维持阶段，在顶锻维持阶段，顶锻时间、顶锻压力和顶锻速度应相互配合，以获得顶锻时间、顶锻压力和顶锻速度应相互配合，以获得合适的摩擦变形量合适的摩擦变形量I和顶锻变形量和顶锻变形量Iu。在实际计算时，摩擦变形速度一般采用平均摩擦变形速度（I/t），顶锻变形速度也采用其平均值Iu/（t4+t5）。n总之，在整个摩擦焊接过程中，待焊的金属表面经历了从低温到高温摩擦加热，连续发生了塑性变形、机械挖掘、粘接和分子连接的过程变化，形成了一个存在于全过程的高速摩擦塑性变形层，摩擦焊接时的产热、变形和扩散现象都集中在变形层中。在停车阶段和

21、顶锻焊接过程中，摩擦表面的变形层和高温区金属被部分挤碎排出，焊缝金属经受锻造，形成了质量良好的焊接接头。2:08272.1.2 摩擦焊接产热摩擦焊接产热 n摩擦焊接过程中，两工件摩擦表面的金属质点，在摩擦压力和摩擦扭矩的作用下，沿工件径向与切向力的合成方向作相对高速摩擦运动，在界面形成了塑性变形层。该变形层是把摩擦的机械功转变成热能的发热层，它的温度高、能量集中，具有很高的加热效率。n（1）摩擦加热功率n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。摩擦加热功率就是焊接热源的功率，它的计算

22、与分布如下：2:08282.1.2 摩擦焊接产热摩擦焊接产热n对圆形的焊接工件，假设沿摩擦表面半径方向的摩擦压力p和摩擦系数为常数。为了求出功率分布，在摩擦表面上取一半径为r的圆环，该环的宽度为dr（图11），其面积为dA，则dA2rdr，则作用在圆环上的摩擦力为n以O点为圆心的摩擦扭矩为 n圆环上的摩擦加热功率为 n摩擦加热功率沿接合面半径R方向上的分布dP/dr如图11所示。加热功率在圆心处为零，在外边缘最大。ffdF=pdA=2 prdr2fdM=rdF=2 p r dr-3dP1.02dM 10 n2:0829（1）摩擦加热功率n将上两式积分，可以得到摩擦焊接表面上总的摩擦扭矩和加热功

23、率为n n M摩擦扭矩；n P摩擦加热功率；n p摩擦压力；n n工件转速；n 摩擦系数；n r圆环半径；n R待焊工件半径。3f2 p/3MR-33f2 10p/3Pn R 2:0830（1）摩擦加热功率n摩擦表面上总的加热热量为n Q接合面总的摩擦加热热量；n t摩擦时间；n to摩擦加热开始时间（设to0）；n tn实际摩擦加热时间；n k常数。2:0831n实际上p（r）不是常数，在初始摩擦阶段和不稳定摩擦阶段的前期，摩擦表面还没有全面产生塑性变形，主要是弹性接触，摩擦压力在中心高，外圆低。因此沿摩擦焊接表面半径R的摩擦加热功率最大值不在外圆，而在距圆心2/3R左右的地方，这一点不仅符

24、合计算结果，也被试验所证实。n在稳定摩擦阶段，摩擦表面全部产生塑性变形，成为塑性接触时，p（r）才可以认为等于常数。此外，（r）在初始摩擦阶段和不稳定摩擦阶段也不是常数，由高温金属组成的高速塑性变形层热源，在距圆心1/21/3半径处形成环状加热带，随着摩擦加热的进行，环状加热带向圆心和外圆迅速展开，当进入稳定摩擦阶段时，摩擦表面的温度才趋于平衡，此时可以认为（r）是常数。2:0832（2）摩擦焊接表面温度 n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。其加热面的温度由摩擦加热功率和散热条件所决定。n在焊接圆断面工件时，摩擦焊接热源被认为是一个线性传播的

25、连续均布的面状热源。如果不考虑向周围空间的散热，根据雷卡林的焊接热过程计算公式，同种金属摩擦焊接表面的温度为n T(0,t)摩擦焊接表面温度（0表面热源中心，t是摩擦加热时间）；n q2单位面积上的加热热量；n 焊件热导率；n c焊件热容。2:0833（2）摩擦焊接表面温度n在式（10）中，如果选定焊接所需要的温度为Tw，热源温度升高到Tw所需要的摩擦加热时间为t，则该式可以写成n （11）n从式（11）可以看出，当Tw和t确定以后，能够计算出q2的数值，并可以根据q2的要求选择焊接参数。式（10）和式（11）适合于计算以稳定摩擦阶段为主的摩擦加热过程。n实际上，不论何种材料的摩擦焊接，摩擦表

26、面的最高温度是有限制的，不能超过焊件材料的熔点，此外，在采用式（10）和式（11）进行运算时，还应该考虑到摩擦焊接表面温度与加热功率之间的内在联系、相互制约及摩擦加热功率随摩擦时间变化的特殊规律。222fWt qcT常数2:083422 摩擦焊焊接工艺摩擦焊焊接工艺n2.2.1 工艺特点工艺特点n1)焊接施工时间短，生产效率高。焊接施工时间短，生产效率高。例如发动机排气门双头自动摩擦焊机的例如发动机排气门双头自动摩擦焊机的生产率可达生产率可达8001200件件/h。对于外。对于外127mm、内径、内径95mm的石油钻杆的石油钻杆与接头的焊接，连续驱动摩擦焊仅需要十几秒钟。与接头的焊接，连续驱动

27、摩擦焊仅需要十几秒钟。n2)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。除应力。用摩擦焊生产的柴油发动机预燃烧室，全长误差为用摩擦焊生产的柴油发动机预燃烧室，全长误差为0.1mm；专；专用焊机可保证焊后的长度公差为用焊机可保证焊后的长度公差为0.2mm，偏心度为，偏心度为0.2mm。n3)机械化、自动化程度高，焊接质量稳定。机械化、自动化程度高，焊接质量稳定。当给定焊接条件后，操作简单，当给定焊接条件后，操作简单，不需要特殊的焊接技术人员。不需要特殊的焊接技术人员。n4)适合各类异种材料的焊接，对常规熔化下

28、不能焊接的铝适合各类异种材料的焊接，对常规熔化下不能焊接的铝-钢、铝钢、铝-铜、钛铜、钛-铜、金属间化合物铜、金属间化合物-钢等都可以进行焊接。钢等都可以进行焊接。n5)可以实现同直径、不同直径的棒材和管材的焊接。可以实现同直径、不同直径的棒材和管材的焊接。n6)焊接时不产生烟雾、弧光以及有害气体等，不污染环境。同时，与闪光焊接时不产生烟雾、弧光以及有害气体等，不污染环境。同时，与闪光焊相比，电能节约焊相比，电能节约510倍。倍。n但是，摩擦焊也具有如下但是，摩擦焊也具有如下缺点与局限性缺点与局限性：n1)对非圆形截面对非圆形截面焊接较困难，所需设备复杂；对焊接较困难，所需设备复杂；对盘状薄零

29、件和薄壁管件盘状薄零件和薄壁管件，由于不易夹固，由于不易夹固，施焊也比较困难施焊也比较困难。n2)对形状及组装位置已经确定的构件，很难实现摩擦焊接。对形状及组装位置已经确定的构件，很难实现摩擦焊接。n3)接头容易产生飞边接头容易产生飞边，必须焊后进行机械加工。，必须焊后进行机械加工。n4)夹紧部位容易产生划伤或夹持痕迹。夹紧部位容易产生划伤或夹持痕迹。2:083522 摩擦焊焊接工艺摩擦焊焊接工艺n2.2.2 接头形式设接头形式设计计n连续驱动摩擦焊可连续驱动摩擦焊可以实现棒材以实现棒材-棒材、棒材、管材管材-管材、棒材管材、棒材-管材、棒材管材、棒材-板材板材及管材及管材-板材的可板材的可靠

30、连接。接合面形靠连接。接合面形状对获得高质量的状对获得高质量的接头非常重要，图接头非常重要，图12给出了常用的接给出了常用的接头形式。头形式。2:0836n图12a的接头形式具有相同形状的接合面，如果是同种材料，两者的产热及散热均相同，温度场对称，可以获得较宽的焊接参数和得到可靠性高的接头。如果是异种材料连接，因材料的物理性能不同，产热及散热不一样，温度场不对称，需要在寻找合适的焊接参数和质量上下功夫。n图12b的接头形式较多，两个待焊件的直径不同，此时需将直径大的材料进行焊前加工出凸台，使接合部位的形状相同。为了节省焊前加工的生产成本，可以采用图12c的接头形式直接进行焊接，但应保持使大直径

31、的接合面不产生倾斜；同时，要增大摩擦压力，必须在短时间内停止相对运动，要求设备要有好的刚性。薄板和棒材的摩擦焊接头形式如图12d所示，对设备的同心度要求高。如果是异种材料连接，高温强度好的母材应采用较小的直径。12e是具有一定斜度的接头形式，主要用于机械设备中齿轮的摩擦焊。3-12f的接头允许一定量的飞边存在，主要用于柴油机燃烧室喷嘴、推土机下部动轮的制造。2:08372.2.2 接头形式设计接头形式设计n连续驱动摩擦焊接头形式在设计时主要遵循以下原则：n1)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。n2)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。

32、n3)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。n4)一般倾斜接头应与中心线成3045的斜面。n5)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。n6)为了增大焊缝面积，可以把焊缝设计成搭接或维形接头。n7)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。n8)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

33、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，又可提高生产率。n9)待焊表面应避免渗氮、渗碳等。n10)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。2:0838n接头的设计原则和具体型式都随着产品结构的要求和焊接工艺的改善而不断发展。n 钢棒铝棒铝棒钢棒（a）钢和铝的平面接头 (b）钢做成120锥角、铝以平面配合钢棒铝棒铝棒钢棒(c)钢和铝以120相配合 （d）钢做成凹槽、铝以平面配合2:08392.2.3摩擦焊焊接参数 n（1）连续驱动摩擦焊n1)转速与摩擦压力。转速和摩擦压力直接影响摩擦扭矩、摩擦加热功率、接头温度场、塑

34、性层厚度以及摩擦变形速度等。转速和摩擦压力的选择范围很宽，它们不同的组合可得到不同的规范，常用的组合有强规范和弱规范。强规强规范时，转速较低，摩擦压力较大，摩擦时间短；弱规范时，范时，转速较低，摩擦压力较大，摩擦时间短；弱规范时，转速较高，摩擦压力小，摩擦时间长。转速较高，摩擦压力小，摩擦时间长。n2)摩擦时间。摩擦时间影响接头的加热温度、温度场和质量。如果时间短，则界面加热不充分，接头温度和温度场不能满足焊接要求；如果时间长，则消耗能量多，热影响区大，高温区金属易过热，变形大，飞边也大，消耗的材料多。碳钢工件的摩擦时间一般在140s范围内。n3)摩擦变形量。摩擦变形量与转速、摩擦压力、摩擦时

35、间、材质的状态和变形抗力有关。要得到牢靠的接头，必须有一定的摩擦变形量，通常选取的范围为110mm。2:0840n4)停车时间。停车时间是转速由给定值下降到零时所对应的时间，直接影响接头的变形层厚度和焊接质量。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增加变形层厚度时，则可加长停车时间。n5)顶锻压力、顶锻变形量和顶锻速度。顶锻压力的作用是挤出摩擦塑性变形层中的氧化物和其他有害杂质，并使焊缝得到锻压，结合牢靠，晶粒细化。顶锻压力的选择与材质、接头温度、变形层厚度以及摩擦压力有关。材料的高温强度高时，顶锻压力要大；温度高、变形层厚度小时，顶锻压力要小（较小的顶锻压力就可得到所需

36、要的顶锻变形量）；摩擦压力大时，相应的顶锻压力要小一些。顶锻变形量是顶锻压力作用结果的具体反映，一般选取16mm。顶锻速度对焊接质量影响很大，如顶锻速度慢，则达不到要求的顶锻变形量，一般为1040mm/min。n其中，摩擦变形量和顶锻变形量（总和为缩短量）是其他参数的综合反应。2:08412.2.3摩擦焊焊接参数n（2）对于惯性摩擦焊 在参数选取上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。n1)起始转速。起始转速具体反映在工件的线速度上，对钢-钢焊件，推荐的速度范围为152456m/min。低速（800r/min时，接头强度随着转速的提高而迅速降低。2:08803.2.

37、3 搅拌摩擦焊参数选择搅拌摩擦焊参数选择n转速过低则热输入不足，焊缝内塑性金属软化不足，就会形成如图5所示的焊缝前进侧焊核区与热力影响区的界线。界线左侧为焊核区，晶粒为近球形的精细等轴晶，右侧为3A21防锈铝热力影响区。由于焊接过程中焊缝前进侧塑性金属受到搅拌针的剪切力方向与焊接方向的塑性金属的挤压力方向相反，同时由于焊接热输入不足，降低了前进侧焊核区与热力影响区金属的软化程度，因而影响了金属层之间的结合而形成明显的界线。2:08813.2.3 搅拌摩擦焊参数选择搅拌摩擦焊参数选择n搅拌头转速也是通过改变焊接输入和软化材料流动来影响接头微观结构，进而影响接头强度。当焊接速度为定值、转速较低时（

38、如n500r/min，160mm/min，2），焊接热输入较低，搅拌头前方不能形成足够的软化材料填充搅拌针后方所形成的空腔，焊缝内易形成孔洞缺陷（图28a），从而弱化接头强度。转速提高，焊接峰值温度增大，因而在一定范围内提高转速，热输入增加，有利于提高软化材料填充空腔的能力，避免接头内缺陷的形成，接头内无缺陷（图28b）。2:08823.2.3 搅拌摩擦焊参数选择搅拌摩擦焊参数选择n搅拌头旋转速度和焊接速度的比值对接头性能有一定影响，图29是旋转速度n1000r/min时，不同n/比值对抗拉强度的影响，试验材料为含5质量分数Mg的铝合金。从图中可知，随着n/值的增加，强度和塑性都增加，最大抗拉

39、强度达到310MPa，与母材的实测值相同，伸长率为17，是母材实测值的63。在达到最大强度值后，继续增加n/的数值，强度和塑性反而下降。2:08833.2.3 搅拌摩擦焊参数选择搅拌摩擦焊参数选择n对于Al-5Mg合金的搅拌摩擦焊接，当n/比值一定时，增加旋转速度，接头力学性能有所提高，如图30所示。在n/比值为10时（图29中性能最低的点），随着搅拌头旋转速度的增加，力学性能增加，但当n超过1300r/min时，强度增加的速率开始变缓，塑性与转速的增加近似呈线性关系。最佳的抗拉强度为304MPa，达到母材实测值的97，伸长率为21.4，是母材实测值的78。由此可知，焊接接头性能的高低，除了与

40、n/比值有关外，还与搅拌头旋转速度的绝对值有关。2:08843.2.3 搅拌摩擦焊参数选择搅拌摩擦焊参数选择n（3）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。所谓搅拌头仰角是指搅拌头与焊接工件法线的夹角，它表示向后倾斜的程度。对于高强铝锂合金，在n800r/min、160mm/min的条件下，搅拌头仰角对接头力学性能的影响如图31所示。仰角1时，接头抗拉强度为293.3MPa；当12时，接头强度随着仰角的增大而迅速上升；当25时，接头强度随着仰角的增大呈缓慢上升的趋势，并于5时达到411MPa最大值；当5时，接头强度随着仰角的增大而降低。n仰角主要是通过改变接头致

41、密性、软化材料填充能力、热循环和残余应力来影响接头性能。如果仰角较低，由于轴肩压入量不足，轴肩下方软化材料填充空腔的能力较弱，焊核区/热机影响区界面处易形成孔洞缺陷，导致接头强度较低。若仰角增大，搅拌头轴肩与件的摩擦力增大，焊接热作用程度增大 2:08853.2.3 搅拌摩擦焊参数选择搅拌摩擦焊参数选择n4）轴肩压力 轴肩压力除了影响搅拌摩擦产热以外，还对搅拌后的塑性金属施加压紧力。试验表明，轴肩压力主要影响缝成形。压紧程度偏小时，热塑性金属“上浮”溢出焊缝表面，焊缝内部则由于缺少金属填充而形成孔洞。如果压紧程度偏大，轴肩与焊件的摩擦力增大，摩擦热容易使轴肩平台发生粘附现象，焊缝两侧出现飞边和

42、毛剌，焊缝中心下凹量较大，不能形成良好的焊接接头。关于压力对接头性能的定量影响，还有待于深入研究。2:0886压入量过大，会使金属从焊缝两边溢出而形成如图6所示的飞边；n压入量过小时则使得轴肩对焊缝塑性金属的压力减小，焊接过程中焊缝处的塑性金属只受搅拌针的作用而会出现轴肩旋转痕迹不连续的现象。更重要的是，压入量过小就减少了轴肩与上表面的摩擦热，而且由于搅拌作用使内部金属被搅至表面，焊缝无法填充因而形成了如图7所示的焊接缺陷，从而影响焊缝的成形。2:08873.3 典型材料的搅拌摩擦焊典型材料的搅拌摩擦焊 n3.3.1铝合金的焊接 n铝合金利用搅拌摩擦焊技术，可以克服熔焊时产生气孔、裂纹等缺陷。

43、特别是高强铝合金，熔化焊接的强度系数比较低，采用搅拌摩擦焊接可以大大提高接头强度。图32给出了铝合金熔焊与搅拌摩擦焊的焊接性比较，搅拌摩擦焊可以焊接所有系列的铝合金。2:08883.3.1铝合金的焊接*n表8给出了铝合金搅拌摩擦焊焊接参数。通过研究焊接速度、搅拌头转速、轴向压力、搅拌头仰角以及焊具几何参数对接头性能的影响规律，并进行参数优化，可以找到最佳的焊接参数匹配区间。当以这个区间内的参数进行FSW时，可以获得最佳性能的FSW接头。2:0889*2:08903.3.2镁合金的焊接 n目前有文献报道的采用搅拌摩擦焊接方法焊接的镁合金主要有AZ31(日本)、AZ61、AZ91、MB3等。n对于

44、MB3镁合金，当搅拌头转速过低时，工件不能形成完好的焊缝，在搅拌头后方形成一条沟槽，两试件之间只实现了局部结合，焊缝外观成形不好，内部存在小的空洞和组织疏松，且试样的抗拉强度也低。当旋转速度提高到1500r/min以上时，焊缝组织致密，接头强度可以达到母材强度的9098。当焊接速度变化时，接头强度呈山形变化。对于3mm厚的MB3镁合金板（强度245MPa、伸长率6），焊速为25mm/min时，其强度最低；焊速为48mm/min时，强度上升到最高值；进一步增加焊速到60mm/min，强度反而下降。金相组织观察可知，焊速为25mm/min的焊缝存在明显的过热组织，热影响区晶粒长大严重。这是由于在焊

45、速较慢的情况下，内部金属晶粒经历了长时高温的缘故。焊速为60mm/min的焊缝存在微小的空洞或组织疏松，此现象是因为当焊速过高时，焊接热输入变低，热塑性软化层厚度小，不足以使焊缝完全闭合的结果2:08913.3.3铜合金的焊接 n搅拌摩擦焊接Cu合金，可以消除熔化焊时的焊缝成形能力差、热裂倾向大、难于熔合、未焊透、表面成形差等外观缺陷以及焊缝及热影响区热裂纹、气孔等内部缺陷。在轴肩压力基本恒定的条件下，当4(n/)8时，焊缝外观成形良好，焊缝内部无缺陷；当n/8时，焊接区温度过高，焊缝表面由于过热而氧化成暗褐色。当选用尺寸合适的锥形螺纹形搅拌针时，焊缝成形良好；而选用圆柱形搅拌针时，焊缝容易产

46、生缺陷。这说明螺纹形搅拌针的螺纹槽能改善热塑性材料的流动，从而有利于形成致密的焊缝 2:08923.3.3铜合金的焊接n图33为铜的搅拌摩擦焊接接头组织形貌，焊缝中无任何缺陷，接头成形良好，焊核区平均晶粒尺寸约为70m（母材的平均晶粒尺寸约为100m），并有变形孪晶存在。这说明，焊核区晶粒在搅拌摩擦焊中发生了再结晶而得到了细化。接头横截面显微硬度测试结果显示，焊核区的显微硬度低于母材区的显微硬度值，这是由于焊核区发生了再结晶的原因。试验结果表明，6mm厚的T2纯铜板，最佳焊接规范为：搅拌头旋转速度600950r/min，焊接速度75150mm/min。接头强度超过242MPa，达到母材的88；

47、接头的伸长率超过12，最高为14，是母材的77 2:08933.3.4钛合金的焊接 n图34是Ti-6Al-4V搅拌摩擦焊后接头各区的微观组织照片。与铝合金搅拌摩擦焊接接头微观组织相比，钛合金搅拌摩擦焊接头明显没有热机影响区。焊核区与热影响区之间没有变形晶粒的过渡。钛合金母材的微观组织由等轴和（+）板条状组织构成（图34a）。焊核区上部显微组织为等轴晶粒和（+）的小晶团组织构成（图34b）。并且，等轴晶粒和（+）的尺寸要比母材内的晶粒尺寸小。焊核区中部的微观组织与上部微观组织相近，中介尺寸大一些（图34c）。这可能是因为在焊核区中部散热条件较焊缝上表面差，较长的保温时间，使焊核区中部的组织有时

48、间长大的原因。图34d为焊核区和热影响区交界处的微观组织，该区组织变化较明显，晶粒组织直接从母材较粗大的等轴和（+）板条状变化到焊核区等轴状的和（+）组织。2:08943.3.5铝基复合材料的焊接 n目前用于搅拌摩擦焊接研究的复合材料主要有铝基复合材料6061+20Al2O3、6061+20B4C等。n由铝基复合材料6061+20B4C的接头微观组织分析可知。焊核区的微观组织和母材区的微观组织非常接近。在整个接头上很难区分出焊缝区和母材区。接头的拉伸性能测试结果表明，搅拌摩擦焊接头的力学性能优于TIG(惰性气体钨极保护焊)焊，并且与母材性能很接近。当母材的增强相分布不均匀时，搅拌摩擦焊接头的强

49、度比母材高。铝基复合材料搅拌摩擦焊接时，增强相对搅拌头有较大的摩擦作用，这种磨损使搅拌头产生很大的损耗，损耗的Fe元素最终沉积到焊缝前进侧和焊缝区金属一起形成接头。因此，急需开发耐磨性好的搅拌头。2:08953.3.6钢的搅拌摩擦焊接 n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。对于平均晶粒尺寸约为22.2m的304奥氏体不锈钢，焊接后的焊核区为等轴晶粒组织，晶粒内部含有一定量的位错，平均晶粒尺寸约为14.1m，比母材区略小。焊核区以外为热机影响区为亚晶组织结构，平均晶粒尺寸约为11.2m，与焊核区相近，约为母材区的一半，焊核区和热机影响区的组织发生了回复和再结晶，这与铝合金的搅

50、拌摩擦焊接相类似。2:0896图35是搅拌摩擦焊接应用的典型例子，图a为铜合金管的焊接样件，b为航空航天用铝合金筒体构件的焊接现场照片，c为板材对接，d为飞机舱门的焊接。2:0897n 焊接过程n 搅拌摩擦焊焊接黄铜板全貌n n 搅拌摩擦焊焊接紫铜板全貌2:08983.4搅拌摩擦焊新技术 n3.4.1搅拌摩擦点焊 n图36为搅拌摩擦点焊原理图，旋转的搅拌头在上部顶锻压力的作用下压入工件，保持一定的时间后（一般为几秒钟），将搅拌头回抽提起，完成搅拌摩擦点焊。搅拌摩擦点焊具有变形小、无需进行表面清理、焊具无损耗等特点，既可以实现高质、高效的目标，又可以节约成本。其缺点是焊点部位产生凹坑。2:089