摩擦焊

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摩擦焊焊接工艺——CDFW
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。 5）一般倾斜接头应与中心线成30-50度的斜面。 6）为了增大焊缝面积，可以把焊缝接头设计成搭接或锥 形接头。 7）焊接大截面焊接接头时，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，使其在焊接时不受阻碍的被挤出。 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。
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摩擦焊焊接工艺——CDFW
（1）转速和摩擦压力 当工件的直径一定时，转速就代表摩擦速度。一般将达到焊接 温度时的转速称为临界摩擦速度，为了使变形层加热到金属材料的 焊接温度，转速必须大于临界摩擦速度。 摩擦压力对焊接接头的质量有很大影响，为了产生足够的摩擦 加热功率，保证摩擦表面的全面接触，摩擦力不能太小。摩擦力大 时，接头的温度梯度大，变形层金属不易被氧化。一般情况下摩擦 力为定值，但是为了满足工艺要求，还可以不断上升，或采用两级 或三级加压。 （2）摩擦时间与摩擦变形量 摩擦时间短，焊接表面加热不完全，不能形成完整的塑性变形 层，接头上的温度和温度分布不能满足焊接质量要求。摩擦时间过 长，接头温度分布宽，高温区金属容易过热，摩擦变形量大，飞边 大，消耗的热量多。
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——摩擦焊 汇报人： 指导教师：
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摩擦焊技术

摩擦焊的定义 摩擦焊基本原理 摩擦焊的特点 摩擦焊的分类 摩擦焊的应用 摩擦焊的焊接设备 摩擦焊焊接工艺 传统摩擦焊接头质量控制
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图4 连续驱动摩擦焊接基本结构
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1、主轴系统 主轴系统由主轴电动机、带传动轮、离合器、制动器、旋转主 轴和轴承等组成。主轴电动机一般采用交流电动机，通过带传动轮 直接带动主轴。摩擦加热终了时要求主轴迅速停车。对于功率较小、 生产率不高的摩擦焊机，可以采用电动机反制动或能耗制动停车； 生产率高和主轴电动机功率大的焊机，普遍采用离合-制动联合装置。 2、液压系统 加压系统主要包括加压机构和受力机构两部分，加压机构由加 压方式决定。摩擦焊机加压方式有丝杠-螺母、凸轮等机械加压、气 压、液压和气-液联合加压。 受力机构的作用是为了平衡轴向力和摩擦转矩以及防止焊机变 形，保持主轴与加压系统的同轴度。 3、机身 机身一般为卧式，少数为立式，用来安装主轴、加压机构及导轨 等。机身应有足够的刚度和强度，以防止焊接时产生变形和振动。
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摩擦焊焊接设备——IFW
惯性摩擦焊是另外一种典型的摩擦焊工艺，其设备结构见图5
图5 惯性摩擦焊焊机主要结构
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摩擦焊焊接工艺——CDFW
1、接头形式的设计 连续驱动摩擦焊可以实现圆棒-圆棒、圆管-圆管、圆棒-圆管、 圆棒-板材及圆管-板材的可靠连接，接头形式对焊接质量尤 为重要。 连续驱动摩擦焊焊接接头形式在设计时主要遵循一下原则： 1）两被焊件中，最好旋转件是圆形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截面尺寸应尽量相同，以保证焊接 温度分布均匀和变形层厚度相同。
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摩擦焊焊接工艺——CDFW
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、平面度和粗糙度。 2、接头表面准备 焊接前还需对焊件作如下处理 1) 焊件的摩擦端面应平整，中心部位不能有凹面或中 心孔，以防止焊缝中含空气和氧化物。 2) 当结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）摩擦焊对焊件结合面的粗糙度、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施焊。
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4、夹头 夹头分为旋转和固定两种。为了使夹持牢靠，不出现打滑旋转、 后退、振动等，夹头与工件的接触部分硬度要高，耐磨性要好。 5、控制系统 控制系统包括焊接操作程序控制和焊接参数控制等。程序控制 即控制摩擦焊机按预先规定的动作次序完成送料、夹紧焊件、主轴 旋转、摩擦加热、顶锻焊接、切除飞边和退出焊件等操作。 6、辅助装置 辅助装置主要包括自动送料、卸料以及自动切除飞边等。
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摩擦焊的特点




1、焊接施工时间短，生产效率高。 2、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。 3、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，不需要特殊的焊接技术人员。 4、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-铜、钛-铜、金属间化合物-钢等都可以进行焊接。 5、可以实现同直径、不同直径的棒材和管材的焊接。 6、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5-10倍。
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摩擦焊分类
摩擦焊的分 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， 见图3。
图3 摩擦焊分类
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摩擦焊的应用

目前我国摩擦焊技术的应用比较广泛，可焊接直径3.0～ 120mm的工件以及8000mm²的大截面管件，同时还开发了相位焊 和径向摩擦焊技术，以及搅拌摩擦焊技术。不仅可焊接钢、铝、 铜，而且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物的异种金属。如高速钢—碳钢、 耐热钢—低合金钢、高温和金—合金钢、不锈钢—低碳钢、不锈 钢—电磁铁以及铝—铜、铝—钢等。 近年来随着我国航空航天事业的发展，也加速了摩擦焊技术 向这些领域的渗透，进行了航空发动机转子、起落架结构件、紧 固件等材料（Ln718Ti17300M GH159 GH4169）以及金属与陶瓷、 复合材料、粉末高温合金的摩擦焊工艺试验研究，某些电工材料 的钎焊工艺也开始用摩擦焊接所取代。如电磁铁—不锈钢、钨铜 合金等。
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摩擦焊的应用
随着实际生产的需要。国内对于其它型式的摩擦焊机 也进行了研制，如长春焊接设备厂研制了小吨位的惯性焊 机，相位摩擦焊机，哈尔滨焊接研究所研制了具有形变热 处理功能带机上淬火装置及自动去飞边装置的混合式摩擦 焊机，变频调速相位摩擦焊机。哈尔滨量具刃具厂研制了 20T双头摩擦焊机，中国兵器工业第五九研究所研制了小 吨位（25t）径向摩擦焊机，北京赛福斯特技术有限公司 研制了系列搅拌摩擦焊机等等，这些焊机有的技术指标和 制造水平已达到或接近国外同类焊机的水平。
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摩擦焊的特点
摩擦焊也有如下缺点和局限性 （1）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，焊接也比较困难。 （2）对形状及组装位置已经确定的构件，很难实现摩擦焊 接。 （3）接头容易产生飞边，一般焊后需要进行机械加工。 （4）夹紧部位容易产生划伤或夹持痕迹。
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摩擦焊焊接工艺——CDFW
（3）停车时间 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， 因此根据变形层厚度来正确设置该参数。当摩擦表面的变形层很厚 时，停车时间要短。当表面上的变形层比较薄时，为在停车时间能 产生较厚的变形层，停车时间可以延长。 但是要防止过大后峰值扭 矩使接头金属产生扭曲组织，通常停车时间选择范围为0.1~1s。 （4）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。顶锻力太小，接头质量低；顶锻力过大，会使 接头变形量增加，飞边增大，使接头的疲劳强度降低。
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摩擦焊的定义
摩擦焊（Friction Welding，FW）是利用焊件接触的端面相 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。如图１所示
图１ 摩擦焊
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摩擦焊原理
摩擦焊原理：是利用焊件接触端面相对运动中相互摩擦所 产生的热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。焊接过程如图2所示。 焊接过程不加填充金属，不需焊剂，也不用保护气体，整个 焊接过程只需几秒钟。
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摩擦焊的应用视屏

惯性摩擦焊 搅拌摩擦焊 线性摩擦焊
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摩擦焊焊接设备——CDFW
传统摩擦焊设备可分为连续驱动摩擦焊机（CDFW）和惯性摩擦 焊机（IFW）。 连续驱动摩擦焊机通常由六部分组成，即主轴系统、加压系统、 机身、夹头、控制系统及辅助装置。
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摩擦焊焊接工艺——CDFW
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。 3、焊接参数 连续驱动摩擦焊的焊接参数主要包括主轴转速、摩擦压力、摩 擦时间、顶锻压力、顶段时间、变形量等，参数变化如图6。
图6 连续驱动摩擦焊焊接过程参数变化
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E kIn2 kmR2 n 2
式中
E 飞轮的能量（J）； I 转动惯量（kg m 2）； m 飞轮系统的质量（ kg）； n 瞬时转速（r / min）； k 常数。
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图7 惯性摩擦焊焊接过程的参数变化
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摩擦焊的应用
摩擦焊产品：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双金属排气阀、 气门顶杆、半轴、扭力管、内燃机增压器涡轮轴；潜水电 泵转轴，紫铜不锈钢水接头，铝铜过渡接头，纺织机梭子 芯，关节轴承，泥瓦工具，地质钻杆，石油钻杆、实心、 空心抽油杆，航空发动机集成齿轮和叶盘等 我国现有六百余台摩擦焊机，绝大部分是连续驱动摩 擦焊机。近年来由于加强了与德国KUKA、日东株氏会社、 美国MTI公司等摩擦焊机制造公司的交流与引进样机，焊 机先后采用了液压马达驱动的主轴系统。
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摩擦焊焊接工艺——IFW
惯性摩擦焊和连续驱动摩擦焊的焊接工艺区别主要在焊接参 数不同。惯性摩擦焊焊接参数有三个：飞轮转动惯量、飞轮初速 度和轴向压力。前两个参数决定焊接可用的总能量。惯性摩擦焊 的特点是 ①所需时间少，全部焊接过程只有0.3~3s；②控制参数 少。在焊接循环的任意瞬间，飞轮的能量可由下式确定：
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摩擦焊原理
图2 摩擦焊的基本过程
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摩擦焊原理
两焊件接合面之间在压力下高速相对摩擦便产生两个 效果： 1 ）破坏了接合面上的氧化膜或其它污染层，使干净 金属暴露出来； 2 ）发热、使接合面很快形成热塑性层。在随后的摩 擦扭矩和轴向压力作用下这些破碎的氧化物和部分塑性层 被挤出接合面外而形成飞边，剩余的塑性变形金属就构成 焊缝金属，最后的顶锻使焊缝金属获得进一步锻造，形成 了质量良好的焊接接头。 从焊接过程看出，摩擦焊接头是在被焊金属熔点以 下形成的，故摩擦焊属于固态焊接的方法。