摩擦焊工艺

1.接头设计

1）接头设计原则

（1）对旋转式摩擦焊，至少有一个圆形截面。

（2）为了夹持方便、牢固，保证焊接过程不失稳，应尽量避免设计薄管、薄板接头。

（3）一般倾斜接头应与中心线成30°～45°的斜面。

（4）对锻压温度或热导率相差较大的材料，为了使两个零件的锻压和顶锻相对平衡，应调整界面的相对尺寸。

（5）对大截面接头，为了降低摩擦加热时的扭矩和功率峰值，采用端面导角的办法可使焊接时接触面积逐渐增加。

（6）如要限制飞边流出（如不能切除飞或不允许飞边暴露时），应预留飞边槽。

（7）对于棒－棒、和棒－板接头，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，如果工作条件允许，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，又可提高生产率。

（8）采用中心部位突起的接头，见图1，可有效地避免中心未焊合。

（9）摩擦面要避免采用渗碳、渗氮等。

（10）为了防止由于轴向力（摩擦力、顶锻力）引起的滑退，通常在工件后面设置挡块。

（11）工件伸出夹头的尺寸要适当，被焊工件应尽可能有相同的伸出长度。

图1 接头表面突起设计标准

2）摩擦焊接头的形式

表1是摩擦焊接头的基本形式。

表1 摩擦焊接头的基本形式

2.连续驱动摩擦焊的焊接参数

1）主要的焊接参数

可以控制的主要焊接参数有转速、摩擦压力、摩擦时间、摩擦变形量、停车时间、顶锻延时、顶锻时间、顶锻力、顶锻变形量。其中，摩擦变形量和顶锻变形量（总和为缩短量）是其它参数的综合反映。

（1）转速和摩擦压力

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、塑性层厚度以及摩擦变形速度等。

工件直径一定时，转速代表摩擦速度。实心圆截面工件摩擦界面上的平均摩擦速度是距圆心为2/3半径处的摩擦线速度。稳定摩擦扭矩与平均摩擦速度、摩擦压力的关系见图2。摩擦变形速度与平均摩擦速度、摩擦压力的关系见图3。转速对热影响区和飞边形状的影响见图4。

图2 摩擦扭矩与平均摩擦速度、摩擦压力的关系曲线

（低碳钢管φ19mm×3.15mm）

图3 摩擦变形速度与平均摩擦速度、摩擦压力的关系曲线工

（低碳钢管φ19mm×3.15mm）

图4 参数对热影响区和飞边形状的影响

（低碳钢管φ19mm，压力86MPa）

a)n=1000r/min b)n=2000r/min c)n=4000r/min

（2）摩擦时间

摩擦时间影响接头的温度、温度场和质量。如时间短，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，消耗材料多。碳钢工件的摩擦时间一般在1～40s范围内。

（3）摩擦变形量

摩擦变形量与转速、摩擦压力、摩擦时间、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，通常取的范围为1～10mm。

（4）停车时间和顶锻延时

停车时间是转速由给定值下降到零位所对应的时间，当其从短到长变化时，摩擦扭矩后峰值从小到大，见图5。顶锻延时是为了调整摩擦扭矩后峰值和变形层的厚度。

图5 停车时间和摩擦后峰值扭矩的关系

（低碳钢管φ19mm，初始转速2000r/min，摩擦压力44MPa）（5）顶锻力、顶锻变形量和顶锻变形速度

顶锻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，使结合牢固，晶粒细化。

3.惯性摩擦焊工艺

惯性摩擦焊的焊接参数有三个：起始速度、转动惯量和轴向压力。

（1）起始转速。对每一种材料组合，都有与之相应的获得最佳焊缝的起始转速，图6a显示了起始转速对钢—钢工件焊缝深度和形貌的影响。

（2）转动惯量。飞轮转动惯量和起始转速均影响焊接质量。在能量相同的情况下，大而转速慢的飞轮较小，而转速快的飞轮产生较大的顶锻变

形量。飞轮能量从小变大时，对钢—钢工件焊缝形貌和尺寸的影响见

图6c。

（3）轴向压力。轴向压力对焊缝深度和形貌的影响几乎与起始转速的影响相反，见图6b。

图6 焊接参数对熔深和均匀性及顶锻成形的影响

a)起始转速b)轴向压力c)正轮能量