摩擦焊概述
摩擦焊
应用
应用
摩擦焊接以其优质、高效、节能、无污染的技术特色，在航空、航天、核能、兵器、汽车、电力、海洋开发、 机械制造等新技术和传统产业部门得到了愈来愈广泛的应用。下面以摩擦焊接在航空航天工业与汽车工业中的应 用举例说明。
擦而粘结、焊合的现象是很普遍的。在金属的切削加工和机器的高速转动过程中， 常常发现两个金属零件表面，由于摩擦生热而焊接在一起的情况。例如：在车削加工时，车刀上产生积屑瘤；在 钻削加工时，钻头和工件常常粘结在一起；滑动轴承由于烧轴而卡住等等。当然，这些情况一直是人们努力避免 的事故。做为一种焊接现象来分析，它们的过程并不是完善的，焊接质量也并不理想。但是，我们通过对这些粘 结、焊合现象的分析，有助于了解摩擦焊的实质。
工艺发展
工艺发展
摩擦焊工艺方法已由传统的几种形式发展到二十多种，极大地扩展了摩擦焊接的应用领域。被焊零件的形状 由典型的圆截面扩展到非圆截面（线性摩擦焊）和板材（搅拌摩擦焊），所焊材料由传统的金属材料拓宽到粉末 合金、复合材料、功能材料、难熔材料，以及陶瓷—金属等新型材料及异种材料领域。
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随着现代高性能军用航空发动机的不断更新，其主要性能指标推重比亦不断提高。同时对发动机的结构设计、 材料及制造工艺均提出了更高的要求。从70年代起，以美国GE公司为代表，在军用航空发动机转子部件（盘+盘、 盘+轴）制造中，率先成功地采用了惯性摩擦焊接技术。美国Textron Lycoming公司生产的新型大功率T55涡轮 喷气发动机的前盘与前轴、后轴的连接都是采用盘+轴一体的摩擦焊接结构。P&W公司将摩擦焊接列为80年代发动 机制造中的五项重大焊接技术之一；德国MTU公司正在开展高压压气机转子等大型部件的摩擦焊接技术研究；法 国海豚发动机也将摩擦焊接推广应用于减速器锥形齿轮的焊接，等等。国外一些先进的航空发动机制造公司已将 摩擦焊接作为焊接高推重比航空发动机转子部件的主导的、典型的和标准的工艺方法。普遍认为摩擦焊是可靠、 再现性好和可信赖的焊接技术。
摩擦焊
摩擦焊1摩擦焊接概述：摩擦焊接是在轴向压力与扭矩作用下，利用焊接接触端面之间的相对运动及塑性流动所产生的摩擦热及塑性变形热使接触面及其近区达到粘塑性状态并产生适当的宏观塑性变形，然后迅速顶锻而完成焊接的一种压焊方法。
摩擦焊的分类2摩擦焊原理简介：摩擦焊是利用金属焊接表面摩擦生热的一种热压焊接法。
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，取出工件，至此，焊接过程结束。
摩擦焊接是一种优质、高效、节能的固态连接技术，被广泛应用于航空、航天、石油、汽车等领域中。
在摩擦焊接过程中，主轴转速、焊接压力、焊接时间以及焊接变形量是影响焊接质量的重要工艺参数。
对这些参数实现精确的检测和控制，是获得优质焊接接头的保障。
因此，研制一套控制精度高、响应速度快、具有丰富的数据处理能力且易于升一级和扩充的开放式控制系统具有重要意义。
摩擦焊流程示意图摩擦焊具有下列优点：（1）焊接质量好而稳定。
由于摩擦焊是一种热压焊接法，摩擦不仅能消除焊接表面的氧化膜, 同时在较大的顶锻压力作用下, 还能挤碎和挤出由于高速摩擦而产生的塑性变形层中氧化了的部分和其它杂质, 并使焊缝金属得到锻造组织。
（2）摩擦焊不仅能焊接黑色金属、有色金属、同种异种金属, 而且还能焊接非金属材料, 如塑料、陶瓷等。
（3）对具有紧凑的回转断面的工件的焊接,都可用摩擦焊代替闪光焊、电阻焊及电弧焊。
并可简化和减少锻件和铸件, 充分利用轧制的棒材和管材。
（4）焊件尺寸精度高。
采用摩擦焊工艺生产的柴油发动机预燃烧室, 全长最大误差为士0.1毫米。
摩擦焊介绍全解课件
图10 摩 擦 焊 接 过 程 示 意 图 n—工作转速 py—摩擦压力 P.一顶锻压力 △l,一摩擦变形量 △1.一顶锻变形量 P— 摩擦加热功率 P.. 一摩擦加热功率峰值 t一时间 I,—摩擦时间 a— 实际摩擦加热时间 1.一实际顶锻时间
点开始，到摩擦加热功率显 著增大的B 点为止。摩擦开 始时，由于摩擦焊接表面存 在氧化膜、油、灰尘和吸附 着一些气体，使得摩擦系数 小，随后摩擦压力逐渐增大， 摩擦加热功率慢慢增加使得 焊件表面的温度上升。
图10 摩擦焊接过程示意图 n—工作转速 Py一摩擦压力 p.一顶锻压力 △l,一摩擦变形量 △/.一顶锻变形量 P— 摩擦加热功率 P.— 摩擦加热功率峰值 t一时间 I,—摩擦时间 tx—实际摩擦加热时间 1.一实际顶锻时间
摩擦焊焊接工艺特点
（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
n/r.minT
摩擦焊接过程
(3)稳定摩擦阶段 从摩擦加热功率稳定值d 点起 到接头形成最佳温度分布的 e 点为止。 e 点与工件开始停止 旋转的e,, 顶锻压力开始上 升的 f 点以及顶锻变形的开始 点，它们在时间上是重合的。 在这个阶段中，各焊接工艺参 数的变化趋于稳定，只有摩擦 变形量不断增大，飞边增大， 接头的热影响区增宽。
摩擦焊焊接使用场景
摩擦焊焊接使用场景摩擦焊是一种常用的金属焊接技术，它通过在接触面上施加一定的力和旋转摩擦来产生热量，使材料局部熔化并形成焊接接头。
摩擦焊具有高效、环保、节能的特点，被广泛应用于各个领域。
一、汽车制造在汽车制造领域，摩擦焊被广泛应用于车身结构的焊接。
由于摩擦焊不需要额外的焊接材料和气体保护，可以减少生产成本并提高生产效率。
同时，摩擦焊还能够实现不同材料的焊接，如铝合金与钢的焊接，使得汽车结构更加轻量化，提高燃油经济性。
二、航空航天在航空航天领域，摩擦焊被广泛应用于航空发动机的制造。
发动机的高温、高压环境对焊接接头的质量要求极高，传统的焊接方法往往难以满足要求。
而摩擦焊由于其焊接速度快、接头质量高的特点，成为航空发动机制造的理想选择。
另外，在航天器的制造中，摩擦焊也能够实现航天器的轻量化和结构强度的提升。
三、轨道交通在轨道交通领域，摩擦焊被广泛应用于铁路轨道的连接。
传统的焊接方法容易造成焊接接头的应力集中和脆性断裂，而摩擦焊能够实现铁路轨道的无缝连接，提高轨道的牢固性和平整度，提高列车的运行安全性和乘坐舒适度。
四、能源装备在能源装备领域，摩擦焊被广泛应用于核电站的焊接。
核电站的工作环境极端恶劣，对焊接接头的质量要求极高。
摩擦焊由于其无需额外材料和气体保护的特点，能够减少污染和危险物质的产生，保证核电站的安全运行。
五、电子设备在电子设备制造领域，摩擦焊被广泛应用于电子元器件的连接。
摩擦焊能够实现不同材料的焊接，如金属与陶瓷的焊接，提高电子元器件的性能和可靠性。
同时，摩擦焊还能够实现微小尺寸的焊接，适用于微电子器件的制造。
摩擦焊作为一种先进的焊接技术，已经在各个领域得到了广泛应用。
它不仅提高了焊接效率和质量，还减少了环境污染和能源消耗。
随着科技的不断发展，摩擦焊技术将会得到进一步的改进和应用，为各个领域的发展带来更大的推动力。
摩擦焊资料
(2)效率高。对焊件准备通常要求不高，焊接设备自动化程度高，可在流水线上生产，每件 焊接时间以秒计，一般只需零点几秒至几十秒，是其它焊接方法如熔焊、钎焊不能相比的；
(3)节能、节材、低耗。所需功率仅及传统焊接工艺的 1/5～1/15，不需焊条、焊剂、钎料、 保护气体，不需填加金属，也不需消耗电极；
(4)焊接性好。特别适合异种材料的焊接，与其它焊接方法相比，摩擦焊有得天独厚的优势， 如钢和紫铜、钢和铝、钢和黄铜等等；
不锈钢和铁焊接产品
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20 钢和 45 钢焊接
不锈钢和铁
摩擦焊接主要型号有：
a、连续驱动摩擦焊机：C25、C50、C100、 C200、C250、C320、C500、C630、C800、
C1200
b、惯性摩擦焊机：CG63
c、可根据用户产品的具体要求进行个性化设计最大顶锻力 （KN）从 0.5T-130T(1、
增加位 移控制。2、增加计算机监测系统。3、增加计算机闭环控制系统)
附：主要产品及参数
最大顶锻力 主轴转速
焊机型号
KN
r/min
铝合金 摩擦焊
铝合金摩擦焊铝合金摩擦焊是一种常用的焊接方法，通过摩擦热量产生和塑性变形来实现焊接。
本文将从铝合金摩擦焊的原理、工艺、优势和应用等方面进行详细阐述。
一、铝合金摩擦焊的原理铝合金摩擦焊是指利用机械摩擦热量和塑性变形来实现焊接的方法。
在焊接过程中，两块铝合金工件通过施加一定的压力，使其接触面产生相对的摩擦，摩擦热量使接触面温度升高，达到可塑性变形的温度。
随后，继续施加压力，使接触面发生塑性变形，形成焊缝。
最后，通过冷却，焊缝得以固化。
二、铝合金摩擦焊的工艺1. 准备工作：选择合适的铝合金材料，清洁工件表面，调整焊接设备参数。
2. 焊接设备：铝合金摩擦焊设备主要包括工作台、夹具、电机、压力系统和温度控制系统等。
3. 焊接工艺参数：包括摩擦时间、摩擦转速、压力大小等。
这些参数需要根据铝合金材料的性质和焊接要求来确定。
4. 焊接过程：首先，将两块铝合金工件固定在工作台上，使其接触面平整。
然后，启动电机，通过摩擦产生摩擦热量，使接触面温度升高。
接着，施加一定压力，使接触面发生塑性变形，形成焊缝。
最后，冷却焊缝，使其固化。
5. 后处理：焊接完成后，需要对焊缝进行清理和表面处理，以提高焊接质量和外观。
三、铝合金摩擦焊的优势铝合金摩擦焊具有以下几个优势：1. 高效节能：摩擦焊是一种非常高效的焊接方法，焊接速度快，能耗低。
2. 无污染：摩擦焊过程中不需要使用焊接剂和填充材料，不会产生有害气体和废渣，对环境无污染。
3. 焊接质量好：铝合金摩擦焊焊接接头强度高，焊缝形貌美观，无气孔和夹杂物。
4. 适用范围广：铝合金摩擦焊适用于各种铝合金材料的焊接，包括硬铝合金、软铝合金和铝合金与其他金属的焊接。
四、铝合金摩擦焊的应用铝合金摩擦焊广泛应用于航空航天、汽车制造、电子电气、轨道交通等领域。
具体应用包括以下几个方面：1. 航空航天领域：铝合金摩擦焊用于飞机结构件、发动机零部件和航天器舱壁等焊接。
2. 汽车制造领域：铝合金摩擦焊用于汽车车身、发动机散热器和悬挂系统等焊接。
摩擦焊
特种焊接方法与工艺大作业——摩擦焊焊接技术姓名：***学号： 20班级： 10焊接天津滨海职业学院2011年12月摩擦焊焊接技术一、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。
二、摩擦焊的基本原理摩擦焊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。
焊接过程不加填充金属，不需焊剂，也不用保护气体，全部焊接过程只需几秒钟。
两焊件结合面之间在较高的压力下高速旋转相互摩擦产生了两个重要的效果：一是破坏了结合面的氧化膜或其他污物，使纯净金属暴露出来；另一个是摩擦生热，使结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结合面外形成飞边，剩余的塑性变形金属就构成了焊缝金属，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。
三、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。
四、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。
GW66_摩擦焊接继续简介
414
6
1315
345
5
904 1093 2500
276
4
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871 2000
723
207
3
542 649 1500
138
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362
427 1000
C(1138℃)
d
b
p
n
69
≈
1
181 204
500
≈ ≈ ≈a
0
Mr
0.2 0.4 0.6
e(1093℃) T △L
0.8 1.0 1.2 t(s)
Байду номын сангаас
摩擦焊的应用范围
3. 轮船用螺旋桨的轴一般需要使用两种材料制成， 一端需要耐腐蚀用不锈钢，另一端需要耐磨用渗 碳合金钢，该件最适合使用摩擦焊接，使用摩擦 焊接方法可以获得比使用其他焊接方法更好的焊 接质量。
4. 使用摩擦焊接技术是连接弹用发动机中轴和叶 盘的最佳方法。该件叶盘是K24铸造高温合金，轴 是马氏体不锈钢，这两种材料若使用电子束焊接 将会产生大量的气孔和“黑线”等缺陷，而使用 摩擦焊接将不会产生任何问题。
• 规定焊机可焊出零件的精度为:
•
同轴度TIR≤0.25mm
•
平面度FLATNESS≤0.25mm
•
轴向缩短量(△L)重复精度≤±0.25mm
•
480B惯性摩擦焊机的特点
•
480B惯性摩擦焊机的最大转速为600r/min（无飞轮），
最大转动惯量为10750Kgm2，最大焊接压力386吨，最大焊接
面积27097mm2；480B焊机整体使用了平衡受力机构进行设计，
具有高精度的滚动滑台进给装置(0.0127mm/300mm)，该设备
摩擦焊焊接深度
摩擦焊焊接深度
摩擦焊接是一种固相连接的焊接方法，它利用摩擦热使材料达到塑性状态并完成连接。
对于摩擦焊焊接深度，一般有以下要点：
1. 焊接强度：焊接的最大强度大约可以达到母材的75%。
当焊接深度为1.5毫米时，焊接强度通常会达到最大值。
2. 焊接深度范围：为了获得高强度的焊接效果，建议将零件的焊接深度设计在1.2mm到2.2mm之间。
在这个范围内，焊接强度可以接近最大值，并且能够保证焊接质量。
3. 振动摩擦焊接：振动摩擦焊接是摩擦焊接的一种，它适用于塑料材料的焊接。
振动摩擦焊接的振幅（峰值到峰值的距离）对于不同的频率有不同的推荐范围。
例如，常用的高频振动摩擦焊接（240Hz）的振幅大小为0.4-1.8mm，而低频（120Hz）振动摩擦焊接的振幅大小为1.8-
4.0mm。
4. 技术发展：摩擦焊接技术不断发展，包括超塑性摩擦焊接、线性摩擦焊接、搅拌摩擦焊接等新技术，这些技术在航空、航天、核能、海洋开发等领域得到了广泛的应用。
摩擦焊接的焊接深度对焊接质量和强度有着直接的影响。
在设计和实施摩擦焊接过程时，选择合适的焊接深度是非常重要的，这需要根据具体的材料特性、焊接设备和目标应用来确定。
同时，随着技术的不断进步，摩擦焊接的方法和技术也在不断创新和完善，以适应不
同领域的特殊需求。
摩擦焊相关知识点总结
摩擦焊相关知识点总结一、摩擦焊的原理摩擦焊的原理是利用摩擦热效应和机械压力使焊件表面发生塑性变形，从而实现焊接。
摩擦焊的工作原理可以概括为以下几个步骤：1. 接触阶段：两个焊件通过机械压力贴合在一起，形成接触面。
同时，旋转摩擦焊工具，使摩擦热由焊接接触面产生，达到加热的效果。
2. 加热阶段：摩擦焊工具将焊接接触面加热至塑性变形温度，使接触面材料软化并产生塑性变形。
3. 搅拌阶段：通过机械压力和旋转摩擦焊工具使焊接接触面产生搅拌效应，使焊件之间的金属颗粒混合在一起，实现焊接。
4. 冷却阶段：停止摩擦热效应，等待焊接接触面冷却固化，形成坚固的焊接接头。
摩擦焊的原理可以表述为摩擦热效应、塑性变形和搅拌效应的综合作用。
通过控制摩擦焊的工艺参数，可以达到理想的焊接效果和焊缝质量。
二、摩擦焊的工艺参数摩擦焊的工艺参数是影响焊接质量和性能的重要因素，包括摩擦焊工具的转速、轴向压力、径向力、加热时间和冷却时间等。
下面分别对这些工艺参数进行详细介绍：1. 转速：摩擦焊工具的转速是影响摩擦热效应的重要参数。
较高的转速可以产生更多的摩擦热，加热焊接接触面更快，但也可能导致过高的焊接温度和金属流动速度，导致焊接质量下降。
因此，在实际操作中需要根据焊接材料的性质和厚度选择合适的转速。
2. 轴向压力：轴向压力是通过摩擦焊工具施加在焊接接触面上的压力，是实现摩擦焊的关键参数。
适当的轴向压力可以保证焊接接触面的紧密贴合，增加金属材料的接触面积，有利于摩擦热的传递和焊接质量的提高。
3. 径向力：对于摩擦搅拌焊接，径向力是对工件施加垂直于焊缝方向的压力。
通过施加适当的径向力可以保证焊接接触面的搅拌效果，防止焊接接触面出现空隙和气孔，提高焊接质量。
4. 加热时间：加热时间是摩擦焊加热阶段的持续时间，通过控制加热时间可以控制焊接接触面的温度和软化程度，影响焊接质量和强度。
5. 冷却时间：冷却时间是摩擦焊冷却阶段的持续时间，通过控制冷却时间可以保证焊接接触面充分冷却和固化，形成坚固的焊接接头。
摩擦焊
单道焊接过程
对于0.75～50mm铝合金可一道焊接 至今还没有明确搅拌摩擦焊可焊厚度的上 下限 在大厚度焊接时可以采用两道或多道焊
30
搅拌摩擦焊
接头力学性能提高
FSW接头静态性能一般超过 熔焊接头 FSW接头性能数据分散性小 FSW接头比熔焊接头疲劳性 能更优 对某些铝合金材料，焊缝和 热影响区的断裂韧性甚至超 过母材
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FSW在航空航天的应用
型 号：SuperStirTM 名 称：Delta II太空 船燃料箱内焊专用设备 制造日期：1999年 制 造 商: ESAB 采 购 方：Boeing
提高强度 30-50% 总 成 本 60% 节约时间 23-60天 Delta II太空船燃料箱内焊专用FSW设备
1999年，波音公司采用FSW生产Delta II和III运载火箭贮箱
3
摩擦焊接概念
摩擦焊（Friction Welding），
在轴向压力与扭矩作用下，利用焊接接触端面之间的 相对运动及塑性流动所产生的摩擦热及塑性变形热使 接触面及其近区达到粘塑性状态并产生适当的宏观塑 性变形，（有时需要迅速顶锻），通过两侧材料的相 互扩散和动态再结晶而完成连接的一种压焊方法
主要由连续驱动摩擦焊、惯性摩擦焊、搅拌摩擦 焊、线性摩擦焊、三体摩擦焊和摩擦堆焊等组成 摩擦焊是一种优质、高效、节能、无污染的固相 连接方法
d-35s
e-40s
f-55s
稳态焊敷阶段
400kgf– 1825rpm– 2.2mm/s
22
搅拌摩擦点焊 FSSW
（Friction Stir Spot Welding）是FSW中的特定 形式，是针对汽车铝结构车 身的连接而进行开发研究的 FSSW装置安装在机器人臂 上，施焊时由机器人臂移到 要焊部位，夹紧臂下降夹紧 要焊的板，然后搅拌头下降 进行焊接，焊接结束后松开 夹紧臂，整个装置由机器人 臂移到新的点焊位置
摩擦焊
h)角接
搅拌摩擦焊作为一种新型连接技术，也存在如下定缺点: (1)目前焊接速度不高 对板材进行单道连接时，焊接速度低于电
弧焊。
(2)焊件的夹持要求较高 不同的结构需要不同的工装夹具，设备 的灵活性差。
(3)焊缝尾端留有“ 匙孔”，需要用其他焊接方法填充。 (4)焊缝背面需要有垫板，在封闭结构中垫板的取出比较困难。 (5)刀头因磨损消耗太快，虽然目前正在尝试用更为耐磨的陶瓷
图5 搅拌摩擦焊示意图
4.嵌入摩擦焊(Friction plunge welding)
嵌入摩擦焊是利用摩擦焊原理 把相对较硬的材料（工件1）嵌入到 较软的材料（工件2）中。如图所示， 两个焊件之间相对运动所产生的摩 擦热使得较软材料局部呈现热塑性 状态，并在拘束肩的作用下产生塑 性变形，流入预先加工好的硬材料 的凹区中，拘束肩迫使软材料紧紧 包住硬材料的连接头，当转动停止、 焊件冷却后，即形成可靠接头。如 图6所示。
六、材料的摩擦焊接性
材料的摩擦焊接性是指材料在一定的摩擦焊工艺条件下，获得优质 摩擦焊接接头的能力。所谓优质接头，是指接头与母材等强度、等塑性 。摩擦焊具有广泛的工艺适应性，适用于摩擦焊的材料有金属材料、陶 瓷材料、复合材料、塑料等。 影响材料摩擦焊接性的因素主要有：
(1)材料的互溶和扩散性
(2)材料表面的氧化膜是否易破碎 表面氧化膜易破碎的金属的摩擦
摩擦焊接原理
摩擦焊接原理
摩擦焊接原理是利用摩擦热和机械力来使焊接界面达到高温和高压，从而实现金属材料的固态连接。
该焊接方法不需要外源热源，减少了焊接过程中的能量消耗和环境污染。
摩擦焊接过程中，两个焊接接头之间施加一定的压力，然后通过旋转或振动的方式使接头上产生摩擦热。
摩擦热使接头表面温度升高，接触面变软，形成塑性流动。
继续施加压力，使两个接头的金属发生冷焊，从而形成稳定的焊缝。
摩擦焊接的过程中，尤其是在焊接界面处，发生了多种物理和化学变化。
首先是金属表面发生塑性变形，表面粗糙度得到减小，提高了连接强度。
其次，由于高温条件下金属表面的原子扩散和扩散深度增加，接头界面的金属原子结合紧密，形成具有良好连接性能的焊缝。
此外，摩擦焊接还可以在焊缝处产生残余压应力，有助于提高焊接接头的疲劳寿命和抗腐蚀能力。
摩擦焊接适用于焊接不同种类的金属材料，如铝合金、钛合金、铜、镍和钢等。
它被广泛应用于航空航天、汽车制造和高速列车等领域，因其焊接速度快、焊接接头质量好、无环境污染等优点而备受青睐。
尽管摩擦焊接有许多优点，但也存在一些局限性。
摩擦焊接的焊接接头较硬，脆性相对较高，容易出现裂纹。
此外，由于焊接过程中需要施加较大的力，对设备的要求较高，使得摩擦焊接设备价格较贵。
总之，摩擦焊接是一种先进的金属焊接技术，其原理是通过摩
擦热和机械力将金属材料固态连接。
在未来的发展中，随着对焊接接头质量和效率要求的不断提高，摩擦焊接技术将得到更广泛的应用和推广。
摩擦焊知识简介
摩擦焊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。
连续驱动摩擦焊基本原理1．焊接过程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，取出工件，至此，焊接过程结束。
2．摩擦焊接产热摩擦焊接过程中，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。
3．摩擦焊焊接参数主要参数有转速、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。
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。
1) 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。
2) 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。
摩擦焊
搅拌摩擦焊的接头形式
搅拌摩擦焊工艺
搅拌摩擦焊接参数主要包括 搅拌头转速 n 、焊接速度 v 、 搅拌头仰角和轴肩压力。
以下各图是对铝镁合金的搅 拌摩擦焊接头的检测结果。
摩擦焊工艺参数
连续驱动摩擦的主要工艺参数为转速、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，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映。
转速与摩擦压力 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， 是摩擦焊接最主要的工艺参数。
挪威采用搅拌摩擦焊技术制造船用宽幅铝合金型材
欧洲Fokker宇航公司将搅拌摩擦焊技术用于Ariane 5发动机主承力框的制 造，承力框的材料为7075-T7351，主体结构由12块整体加工的带翼状加强 的平板连接而成，结构制造中用搅拌摩擦焊代替了螺栓连接，为零件之间的 连接和装配提供了较大的裕度，并可减轻结构重量，提高生产效率。
摩擦焊的特点
优点 焊接接头质量高：属固相焊，避免了熔焊时的裂缝、 缺点
气孔等缺陷，接头组织致密，夹杂物呈弥散分布； 焊件的结构形状与焊接位置受限； 工件变形小，尺寸精度高； 对焊件的加工与夹持要求较高； 适合于大多数同种或异种金属的焊接； 接头有飞边，焊后需进行机械加工去除； 易于实现机械化、自动化； 设备一次性投资费用高。 高效、节能、环保。
Eclipse 500型商用喷气客机的搅拌摩擦焊焊接构件
嵩嵩
日本日立公司采用搅拌摩擦焊技术拼接双面铝合金型材来 制造自支撑结构的铝合金车厢。
摩擦焊概述资料
LEE MAN (SCETC)
摩擦焊
7.嵌入式摩擦焊
嵌入式摩擦焊是利用摩擦 焊原理把相对较硬的材料 嵌入到较软的材料中，如 图所示。两个焊件之间相 对运动所产生的摩擦热在 软材料中产生局部塑性变 形，高温塑性材料流入预 先加工好的硬材料的凹区 中。拘束肩迫使高温塑性 材料紧紧包住硬材料的连 接头。当转动停止、焊件 冷却后即形成可靠接头。
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（二）摩擦焊加热功率及其温度
摩擦焊的热源：金属摩擦表面上高速摩擦形成的塑性变形层产生。 塑性变形层—摩擦焊接过程中，两工件摩擦表面的金属质点， 在摩擦压力和摩擦转矩的作用下，沿焊件径向与切向力的合成方 向作相对高速摩擦运动，在界面形成的塑性变形层。 该塑性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。该变形层的温度就 是摩擦焊热源的温度。
设备复杂、一次性投资较大，只有适合大批量生产 摩擦焊接头有飞边
摩擦焊接头的飞边有时是多余并可能产生一定危害，要求 增加清除工序。
非圆形截面焊接较困难，对盘状薄零件和薄壁管件，由于不易夹固，施焊也比较困难 焊件截受功率限制
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受到焊机主轴电动机功率与压力的限制，目前摩擦焊焊件 最大截面积不超过 200cm2。
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惯性摩擦焊从两工件接触摩擦开始，转速就逐渐下降，加热和锻压阶段混在一起， 最后把储存在飞轮上的能量突然输入到接合面上。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。惯性摩擦焊所 需主轴电机功率小，省电能，适合于焊接大截面焊件和异种金属的接头。
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连续驱动摩擦焊工艺在顶锻开始之前就有一 个明显的加热阶段，在这个阶段中焊件转速恒 定不变。如果采用摩擦压力大而摩擦时间短的 强规范时，其摩擦加热功率将以脉冲形式输出， 功率极值很高。
摩擦焊介绍全解
摩擦焊焊接工艺特点
（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。
摩擦焊接过程
（６）顶锻维持阶段 从顶锻压力的最高值ｈ点起， 到接头温度冷却至规定值一下 的ｉ点为止。在这个阶段顶锻 时间、顶锻压力和顶锻速度相 互配合，以获得合适的摩擦变 形量和顶锻变形量。
摩擦焊接过程
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
（3）径向摩擦焊
将一个带有斜面的圆环装在一个对开破口的管子端面上，摩擦焊接 时使圆环旋转，并向两个管端施加径向摩擦力。当摩擦终了时，停止圆 环的转动，并向它施加顶锻压力。
摩擦焊的分类
（4）搅拌摩擦焊 搅拌摩擦焊的工作原理为：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， 受到挤压而形成固相焊接接头。
摩擦焊基本原理
摩擦焊基本原理
摩擦焊是一种通过摩擦力产生的热量将金属连接在一起的焊接
方法。
它利用磨擦产生的高温，将两块金属材料及各种附件牢固地结合在一起，形成一个结实的接触连接。
摩擦焊的主要原理是利用弹簧压缩两个金属部件，然后摩擦产生的热量将金属材料熔化。
当铁锈与铁接触时，无需借助外力，就能形成一个热焊接处。
摩擦焊的好处是，它不需要任何外加能源，只需要恒定的摩擦力。
因此，它可以在低温条件下进行焊接，且能够产生稳定的焊缝质量。
另外，摩擦焊还可以实现自动化焊接，具有节省时间和成本的优点。
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摩擦焊接机介绍
摩擦焊接机介绍1、摩擦焊概念摩擦焊是利用工件接触端面相对旋转运动中相互摩擦所产生的热使端部达到热塑性状态，然后迅速顶锻实现的一种固相压焊过程，分连续驱动摩擦焊和惯性摩擦焊两种方法。
2、焊接过程介绍（1）、机械能转化为热能；（2）材料塑性变形；（3）热塑性下的锻压力；（4）分子间扩散再结晶。
3、摩擦焊接点摩擦焊接是使用最原始的焊接原理，但却又是最符合现代最环保先进的绿色焊接方式。
其优点可概括为以下几点：(1)接头质量好且稳定。
焊接过程由机器自动控制，参数设定后容易监控，重复性好，不依赖于操作人员的技术水平和工作态度。
焊接过程不发生熔化，属固相热压焊，接头为锻造组织，因此焊缝不会出现气孔、偏析和夹杂，裂纹等铸造组织的结晶缺陷，焊接接头强度远大于熔焊、钎焊的强度，达到甚至超过母材的强度；(2)效率高。
对焊件准备通常要求不高，焊接设备自动化程度高，可在流水线上生产，每件焊接时间以秒计，一般只需零点几秒至几十秒，是其它焊接方法如熔焊、钎焊不能相比的；(3)节能、节材、低耗。
所需功率仅及传统焊接工艺的1/5～1/15，不需焊条、焊剂、钎料、保护气体，不需填加金属，也不需消耗电极；可改变传统一体化锻造切削方式。
(4)焊接性好。
特别适合异种材料的焊接，与其它焊接方法相比，摩擦焊有得天独厚的优势，如钢和紫铜、钢和铝、钢和黄铜等等；同种材料焊接后强度可胜母材。
(5)环保，无污染。
焊接过程不产生烟尘或有害气体，不产生飞溅，没有孤光和火花，没有放射线。
4、摩擦焊后实验效果（1）显微镜组织观察：相同材质时看不出焊接点。
（2）拉伸测试：焊后强度等同于、甚至超过母材。
（3）冲击测试：根据材质不同有所变化，一般也几乎等同于母材。
（4）弯曲测试：即使焊后不经热处理，也同样经得起严格的弯曲试验，不会产生裂痕。
（5）弯曲疲劳实验：与母材相同。
（6）旋转疲劳实验：与母材相同。
5、荣江摩擦焊机优势（1）配备品质监控系统，可对整个焊接过程全面监控。
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（二）摩擦焊加热功率及其温度
摩擦焊的热源：金属摩擦表面上高速摩擦形成的塑性变形层产生。 塑性变形层—摩擦焊接过程中，两工件摩擦表面的金属质点， 在摩擦压力和摩擦转矩的作用下，沿焊件径向与切向力的合成方 向作相对高速摩擦运动，在界面形成的塑性变形层。 该塑性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。该变形层的温度就 是摩擦焊热源的温度。
摩擦焊
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第五章 摩擦焊 教学目标： 1. 了解传统及新型摩擦焊接技术的原理、工 艺特点、分类及应用范围； 2. 能够制定焊接工艺，熟悉基本操作方法与 安全防护。
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摩擦焊
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第一节 摩擦焊概述
摩擦焊（Frictim Welding，简称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。 摩擦焊以其优质、高效、节能、无污染等优势受到制 造业的重视，特别是近年来开发出的搅拌摩擦焊、超塑性 摩擦焊等新技术，使其在航空航天、核能、海洋开发等技 术领域及电力、机械、石化。汽车制造等产业部门得到了 越来越广泛的应用。
超塑性摩擦焊工艺是前苏联学者在20世纪80年代末提 出来的，其核心是通过严格控制摩擦焊过程，使得焊合 区金属处于超塑性状态，利用金属在超塑性状态下的优 异性能，实现低温高质量连接的摩擦焊方法。
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8.超塑性摩擦焊
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摩擦焊
9.第三体摩擦焊 对于陶瓷-陶瓷、金属-陶瓷、热固性塑 料-热塑性材料基复合材料等难焊材料， 可以利用第三体摩擦焊方法形成高强度 接头，其焊接的示意图如图所示。低熔 点的第三种物质在轴向压力和扭矩作用 下，在接合面间隙中摩擦生热并产生塑 性变形。相对摩擦运动可以产生足够的 清理效果，因而不需要焊剂和保护气氛。 冷却后，第三体材料固化，从而把两个 部件锁定形成可靠接头。两侧部件一般 没有变形。由于第三体材料不熔化，避 免了熔焊过程伴随的一些凝固问题。这 种方法可提供很大的第三体横截面积， 以承受所需的轴向和扭转载荷。接头强 度可超过部件材料的抗拉强度。
焊件精度高、成本低
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摩擦焊 摩擦焊的优点：
机械化、自动化程度高
当给定焊接条件后，摩擦焊操作简单，对焊工的技艺水 平要求不高。
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焊机功率小、节能、无污染
和闪光焊相比，摩擦焊的电功率和能量节约5～10倍以 上。焊接时不产生烟雾、弧光以及有害气体等，不污 染环境。
摩擦焊的缺点：
机器制造业
汽车、拖拉机制造业
半轴、齿轮轴、汽车后桥轴头、排气阀、活塞杆、双金属轴 瓦等。
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。 轻工纺织机械中的小型轴类、辊类、管类零件焊接。 电工行业钢-铝接线端子焊接。
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第二节 传统摩擦焊的工艺与设备
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摩擦焊
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两焊件结合面之间在压力作用下高速相对摩擦产生的效果：
表面清理
破坏了接合面的氧化膜或其他污物，使纯净金属暴露出来 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按合面外而形成飞边， 剩余的塑性变形金属就构成了焊缝金属，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。
摩擦生热
从焊接过程分析可以看出，摩擦焊接头是在被焊金属熔点以下形成 的，所以摩擦焊属于固相焊接方法。
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摩擦焊 二、摩擦焊的分类及特点
（一）摩擦焊的分类 通常所说的摩擦焊主要 是指连续驱动摩擦焊、 惯性摩擦焊、相位控制 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，是靠搅拌工具与待 焊件之间的相对摩擦运 动产生热量而实现焊接。
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摩擦焊
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1.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关系，会 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。
圆形焊件采用连续驱动摩擦焊时，接合面的摩擦加热功率为：
式中 P---摩擦加热功率 ；K1---常数 ；Pf---摩擦压力（MPa） n---工件转速（r/min) ；μ---焊件金属接合面摩擦因数；R---焊件半径（mm）
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三、摩擦焊的应用
1.适用的材料
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摩擦焊 2.应用的行业及其产品
刀具制造业
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钻头、立铣刀、丝锥、绞刀、拉刀等毛坯的焊接，通常是刀刃部（高 速钢）柄部（碳钢）之间的摩擦焊。 轴类零件、管子、螺杆、顶杆、拉杆、拨叉、机床与圆刀主轴、铣床 刀杆、地质钻杆、液压千斤顶、轴与法兰盘等。
一、传统摩擦焊的工艺过程 （一）传统摩擦焊焊接过程
摩 擦 加 热 过 程
初始摩擦阶段t1 塑性变形和 机械挖掘现象 不稳定摩擦阶段t2 金属粘接现象 稳定摩擦阶段t3 粘结现象减少， 分子作用现象增强 停车阶段t4
纯顶锻t5 顶锻维持t6
顶锻焊接过程
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摩擦焊
n– 工作转速 Pf—摩擦压力 Pu—顶锻压力 ΔIf—摩擦变形量 ΔIu—顶锻变形量 P—摩擦加热功率 Pmax—摩擦加热功率峰值 t—时间 tf—摩擦时间 th—实际摩擦加热时间 tu--实际顶锻时间
设备复杂、一次性投资较大，只有适合大批量生产 摩擦焊接头有飞边
摩擦焊接头的飞边有时是多余并可能产生一定危害，要求 增加清除工序。
非圆形截面焊接较困难，对盘状薄零件和薄壁管件，由于不易夹固，施焊也比较困难 焊件截受功率限制
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受到焊机主轴电动机功率与压力的限制，目前摩擦焊焊件 最大截面积不超过 200cm2。
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摩擦焊 （三）摩擦焊的特点
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优点：
焊接质量好且稳定
焊接过程中，被焊材料不熔化，不产生与熔化和凝固有关的焊 接缺陷和接头区脆化现象，焊合区金属为锻造组织。焊接时间 短，热影响区窄，易于获得质量良好的焊接接头。 大多数同种和异种金属都可以进行摩擦焊，对常规熔焊方法难以 焊接的铝-钢、铝-铜、钛-铜、金属间化合物-钢等异种材料可以进 行焊接，能够焊接复合材料、功能材料、难熔合金等新型材料。
适焊材料范围广
焊接时间短、生产率高
摩擦焊的生产效率要比其他焊接方法高1～100倍，适合 于大批量生产。例如，发动机排气门双头自动摩擦焊机的 生产率可达 800 ～ 1200 件/h。对于外径Ф 127mm，内 径Ф 95 mm的石油钻杆与端头的焊接，采用连续驱动摩擦 焊，仅需要十几秒钟就能完成。
因焊接热循环引起的焊接变形小，焊后尺寸精度高，不需焊 后校形和消除应力。用摩擦焊生产的柴油发动机预燃烧室， 全长误差为±0.1mm；专用焊机可保证焊后的长度公差为 ± 0.2 mm，偏心度为 0.2 mm。由于摩擦焊省电能，接头 焊前不需特殊处理，焊接时不需要填充材料和保护气体，加 工成本显著降低。如载重汽车推进轴用摩擦焊代替CO2气体 保护焊，成本降低约30％。
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5.摩擦堆焊
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如图所示。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 与母材摩擦产热。由于待堆 焊的母村体积大，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。
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7.嵌入式摩擦焊
嵌入式摩擦焊是利用摩擦 焊原理把相对较硬的材料 嵌入到较软的材料中，如 图所示。两个焊件之间相 对运动所产生的摩擦热在 软材料中产生局部塑性变 形，高温塑性材料流入预 先加工好的硬材料的凹区 中。拘束肩迫使高温塑性 材料紧紧包住硬材料的连 接头。当转动停止、焊件 冷却后即形成可靠接头。
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（二）常规摩擦焊方法
பைடு நூலகம்1.连续驱动摩擦焊
是最常用的一种摩擦焊方 法，焊件由主轴电动机连续 驱动以恒定转速旋转，然后 施加轴向力使焊件间摩擦加 热，达到预定的摩擦时间或 轴向缩短量后，此时焊件的 连接部位处于高温塑性状态， 立即停止焊件的旋转，并施 加轴向顶锻压力。因此，连 续驱动摩擦焊一般有顶锻保 压阶段。
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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、粘结和分子作用四种现象，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。在稳定摩擦阶 段，变形层金属在摩擦转矩和轴向压力的作用下，从摩擦表面挤出形成飞边，同时又被 附近高温区的金属所补充，始终处于动平衡状态。在停车阶段和顶锻焊接过程中，摩擦 表面的变形层和高温区金属被部分挤碎排出，焊缝金属经过锻造，形成了质量良好的焊 接接头。
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3.相位摩擦焊
相位摩擦焊主要用于相对位置有要求的工件，如各种方钢、汽车操纵杆等，要求焊件焊后 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。
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摩擦焊
4.径向摩擦焊
径向摩擦焊的示意图如图4-7 所示，焊前将芯棒插入开有 坡口的两个待焊管子内，然 后装上一个加工好的带有斜 面的圆环。焊接时圆环旋转 并向两个管端施加径向摩擦 压力。当摩擦加热过程结束 时，圆环停止旋转，向圆环 施加顶锻压力，使圆环与两 管端焊牢。由于被连接的管 子本身不转动，管子内部不 产生飞边，整个焊接过程大 约需要10s。孔径向压力摩擦 焊适用于管子的现场装配焊 接。