摩擦焊
摩擦焊PPT课件
摩擦焊的应用
各类同质、异质金属连接
汽车半轴、汽车凸轮轴、汽车动力转向轴节点、汽车前 后桥、发动机汽门顶杆、集成齿轮、拨叉、花键套管、 连轴器、传动轴、驱动桥壳、制动凸轮、排气阀、液压 油缸推杆、气囊充气器、涡轮增压器转子 、印刷机滚 子、电机轴、船用马达驱动轴、石油与地质钻杆、长冲 程超高强度抽油杆、双金属轴瓦、双金属刀具、铜铝导 电接头等
d-35s
e-40s
f-55s
稳态焊敷阶段
400kgf– 1825rpm– 2.2mm/s
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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
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惯性摩擦焊过程
旋转焊件与飞轮相连。 焊接时飞轮被加速到设 定转速，以动能形式储 存能量，随后电动机与 主轴脱离 储存在飞轮中的动能通 过摩擦逐渐转换为热能， 而飞轮转速则不断降低， 至主轴停止转动
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线性摩擦焊 LFW
LFW焊接过程
摩擦副一侧工件被一对 往复机构驱动着相对于 另一侧被夹紧的工件表 面作相对运动，并在其 轴向施加压力下，随着 摩擦运动的进行，摩擦 表面被清理并产生摩擦 热，摩擦表面的金属逐 渐达到粘塑性状态并产 生变形，形成飞边。然 后，停止往复运动并施 加顶锻力，完成焊接
LinFricTM型线性摩擦焊机
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线性摩擦焊
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线性摩擦焊接
主要适用于多数的热塑性部件，包括非晶态的和 半晶质的
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
现代连接技术
材料科学与工程学院
现代连接技术
现代连接技术
——摩擦焊 汇报人： 指导教师：
西南石油大学材料科学与工程学院
现代连接技术
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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现代连接技术
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。
图4 连续驱动摩擦焊接基本结构
西南石油大学材料科学与工程学院
摩擦焊的工艺过程
摩擦焊的工艺过程
摩擦焊是一种无焊接材料的热机械连接方法，利用工件在高速摩擦过程中的塑性变形和表面摩擦产生的热量来达到连接的目的。
其工艺过程如下：
1. 准备工件：准备待连接的工件，确保其表面光洁。
2. 安装夹具：将工件固定在专用夹具上，以保证焊接过程中的稳定性和准确性。
3. 运动开始：启动摩擦焊设备，使工件开始在轴向施力下产生旋转和线性运动。
4. 摩擦阶段：当工件开始旋转和线性运动时，由于摩擦力的存在，工件的表面开始产生高温，并呈塑性变形状态。
5. 塑性变形：在高温和压力的共同作用下，工件表面的金属开始流动，使工件表面产生较高的塑性变形。
6. 温度控制：在摩擦阶段，通过调节摩擦焊设备的参数，如速度、压力等，控制工件表面的温度，以达到合适的焊接温度区间。
7. 温度补偿：由于焊接过程中会产生较高的温度，需要在摩擦焊设备中进行温度补偿，以确保焊接过程的稳定性和可控性。
8. 冷却阶段：焊接完成后，将工件冷却至室温，使焊接处形成
稳定的连接。
9. 结果检验：对焊接处进行质量检验，确保连接的牢固性和可靠性。
10. 后续处理：根据需要，对焊接处进行后续处理，如去毛刺、研磨、抛光等，以提高连接的外观和表面光洁度。
以上就是摩擦焊的工艺过程，具体操作中应根据具体工件的要求和材料特性进行调整。
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
一,摩擦焊的原理及分类 (一)摩擦焊原理 摩擦焊: 摩擦焊 : 是利用焊件接触端面相对运动中相互 摩擦所产生的热,使端部达到热塑性状态,然后迅速 顶锻,完成焊接的一种压焊方法. 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.
2. 缺点 1) 摩擦焊主要是一种工件高速旋转的焊接方法,其中一 个工件必须有对称轴,且它能绕此轴旋转.因此工件 的形状和尺寸受到限制,对于非圆形截面工件的焊接 很困难,盘状工件或薄壁管件,由于不易夹固也很难 施焊. 2) 由于受摩擦焊机主轴电动机功率和压力不足限制,目 前最大焊接的截面仅为200cm2. 3) 摩擦焊机的一次性投资较,摩擦焊工艺
�
与闪光焊,电阻对焊比较,摩擦焊有如下特点: 1. 优点 1) 接合表面的清洁度,不像电阻对焊时那么重要,因 为摩擦过程能破坏和消除表面层. 2) 受热更集中于接合面处,因为全部能量的转换仅发 生在该处,故焊接接头热影响区很窄. 3)局部受热与不发生熔化使得比其它焊接方法更适于 焊接异种金属.
4) 大多数情况下,接头强度与母材一样高,而且质量稳 定. 5) 大批量生产易实现机械化和自动化.具有自动上,下 料装置的摩擦焊机,其生产率非常高,高达1200件/h. 6) 电功率和总能量消耗比其它焊接方法小,比闪光焊可 节能80%～90%;焊件焊接余量小,焊前不必特殊加 工清理;有时焊接飞边不必消除;不需填充材料,不 需焊剂和保护气体,不必清边,其加工成本与电弧焊 比较可降低30%左右.主轴电动机功率因数高,三相 供电,电网负荷平衡. 7) 工作场地卫生,没火花,弧光,飞溅及有害气体或烟 尘.
摩擦焊
摩擦焊焊接设备
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。
•
摩擦焊的应用
轴承组——平衡油缸液力平衡旋转活塞，多片式粉末冶金 涂层离合器，滚动导轨和可编程序控制器（PLC）控制等 多项先进技术，使焊机制造水平有了较大的提高。 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径 向摩擦焊机[5]，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。
摩擦焊焊接工艺
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。 （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。
摩擦焊焊接工艺
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。
摩擦焊知识——精选推荐
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。
一、摩擦焊原理及分类1．1 摩擦焊的分类摩擦焊的方法很多，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、相位控制摩擦焊、惯性摩擦焊和搅拌摩擦焊应用的比较普遍。
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。
1．2 摩擦焊原理1．连续驱动摩擦焊连续驱动摩擦焊原理如图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 P＝μkρυ（1）式中 P——摩擦加热功率；μ——摩擦系数；k——系数；ρ——摩擦压力；——摩擦相对运动速度。
2．惯性摩擦焊图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ω的关系为Jω2A＝──（2）2GR2J＝──（3）2g对实心飞轮式中 G——飞轮重力；R——飞轮半径；g——重力加速度。
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。
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
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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
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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
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稳态焊敷阶段
400kgf– 1825rpm– 2.2mm/s
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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
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。
二 、焊接工艺参数
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
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
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
4.2.3 典型材料的摩擦焊接工艺 （重点掌握） 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）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。
二、搅拌摩擦焊的热输入与焊接参数
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。
摩擦焊的优缺点
摩擦焊是利用焊件接触端面相互摩擦所产生的热，使端面达到热塑性状态，然后迅速施加顶锻力，实现焊接的一种固相压焊方法。
摩擦焊具有以下优点：
（1）焊接质量稳定，焊件尺寸精度高，接头废品率低于电阻对焊和闪光对焊。
（2）焊接生产率高，比闪光对焊高5～6倍。
（3）适于焊接异种金属，如碳素钢、低合金钢与不锈钢、高速钢之间的连接，铜-不锈钢、铜-铝、铝-钢、钢-锆等之间连接。
（4）加工费用低，省电，焊件无需特殊清理。
（5）易实现机械化和自动化，操作简单，焊接工作场地无火花，弧光及有害气体。
缺点：
靠工件旋转实现，焊接非圆截面较困难。
盘状工件及薄壁管件，由于不易夹持也很难焊接。
受焊机主轴电机功率的限制，目前摩擦焊可焊接的最大截面为20000mm2。
摩擦焊机一次性投资费用大，适于大批量生产。
应用：异种金属和异种钢产品，如电力工业中的铜-铝过渡接头，金属切削用的高速钢-结构钢刀具等；结构钢产品，如电站锅炉蛇形管、阀门、拖拉机轴瓦等。
摩擦焊的原理
摩擦焊的原理关键信息项：1、摩擦焊的定义2、摩擦焊的分类3、摩擦加热过程4、顶锻过程5、摩擦焊的优点6、摩擦焊的应用领域11 摩擦焊的定义摩擦焊是利用工件接触面摩擦产生的热量为热源，使工件在压力作用下产生塑性变形而进行焊接的方法。
111 摩擦焊的工作原理在摩擦焊过程中，两个待焊接的工件相对旋转或移动，通过摩擦产生热量，使接触面上的材料达到塑性状态。
然后，施加轴向压力，使材料在塑性状态下相互扩散和连接，形成牢固的焊接接头。
112 摩擦焊与传统焊接方法的区别与传统的电弧焊、气保焊等焊接方法相比，摩擦焊具有焊接过程中热输入较小、焊接接头质量高、变形小等优点。
12 摩擦焊的分类121 惯性摩擦焊惯性摩擦焊是通过飞轮储存能量，然后在焊接过程中释放能量，使工件摩擦生热。
这种方法适用于焊接大直径、高强度的工件。
122 连续驱动摩擦焊连续驱动摩擦焊是通过电机等驱动装置使工件持续旋转或移动，从而产生摩擦热。
它适用于焊接较小尺寸和较低强度的工件。
123 搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊是通过搅拌头在工件的连接处旋转和移动，产生摩擦热和塑性变形，实现焊接。
这种方法特别适用于焊接铝合金等轻金属。
13 摩擦加热过程131 摩擦起始阶段在摩擦起始阶段，两个工件表面开始接触，摩擦力逐渐增大，温度开始上升。
132 稳定摩擦阶段随着摩擦的进行，进入稳定摩擦阶段，此时摩擦系数基本稳定，产生的热量使接触面的材料迅速升温至塑性状态。
133 停车阶段当达到预定的摩擦时间或温度时，停止摩擦运动，准备进入顶锻阶段。
14 顶锻过程141 顶锻的作用顶锻是在摩擦停止后，立即对工件施加轴向压力，使接触面的塑性材料紧密结合，挤出界面的氧化物和杂质，形成牢固的焊接接头。
142 顶锻力的大小和持续时间顶锻力的大小和持续时间对焊接接头的质量有重要影响。
顶锻力过小或持续时间过短，可能导致焊接不牢固；顶锻力过大或持续时间过长，可能会使工件过度变形。
15 摩擦焊的优点151 焊接质量高摩擦焊能够获得高质量的焊接接头，焊缝强度接近或达到母材强度，焊缝组织均匀、致密，无气孔、夹渣等缺陷。
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。
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连续驱动摩擦焊是现代工业制造较为常用的一种焊接方法，典型的连续驱动摩擦焊过程如下 图（3）所示，一般由旋转、摩擦、焊接、顶锻保压等程序组成。
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（3）连续驱动摩擦焊示意图
（4）连续驱动摩擦焊接头 的金属流变结构
在连续驱动摩擦焊接过程中，一个工件被固定在直接驱动的旋转夹具上，另一个工件固定 在移动夹具上，工件被加紧后，移动夹具向旋转夹具端移动，移动至一定距离后，旋转夹具端 工件在电机驱动下开始以设定的速度旋转，工件相互接触后开始摩擦生热；当被焊件达到预定 的时间或缩短量后，迅速制动使工件停止旋转，并开始施加预定的顶锻压力，保持一定的时间 （时间也是预先设定的），然后旋转夹具松开，被焊工件与移动夹具一起后退到原始位置，移动 夹具松开，取出工件，焊接结束。图（4）为连续驱动摩擦焊接头的金属流变结构示意图。
3、搅拌摩擦焊
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下图（1）是搅拌摩擦焊示意图。焊接主要有搅拌头完成。搅拌头由特型指棒、夹持器和圆 柱体组成。焊接开始时，搅拌头高速旋转，特型指棒迅速钻入被焊板的焊缝，与特型指棒接触 的金属摩擦生热形成了很薄的热塑性层。当特型指棒钻入工件表面以下时，，有部分金属被挤出 表面，由于正面轴肩和背面垫板的密封作用，一方面，轴肩与被焊表面摩擦，产生辅助热，另 一方面，搅拌头和工件相对运动时，在搅拌头前面不断形成的热塑性金属转移到搅抖头后面， 填充后面的空腔。在整个焊接过程中，空腔的产生于填满连续进行，焊缝区金属经历着被挤压、 摩擦生热、塑性变形、转移、扩散以及再结晶。
此法是很适用于焊接两根很长的焊件或焊件的形状难于或不可能旋转的场合或者两端焊 件有一定的相位要求的焊件。 4）焊件在中间件两头同向旋转型（图 5d）：两旋转的焊件顶向中间静止的焊件上，中间件可 能是长焊件或不能旋转或两端焊件有一定的相位要求的焊件。
2、惯性摩擦焊
（5）连续驱动摩擦焊不同形式
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惯 性 摩 擦 焊 ：由 电 动 机 驱 动 飞 轮 达 到 要 求 的 转 速 后 ，脱 开 动 力 源 ，然 后 把 一 个 工 件 压 向 夹 持 在 飞 轮 轴 上 的 转 动 工 件 ，工 件 间 的 摩 擦 阻 力 使 飞 轮 减 速 ,并 将 飞 轮 的 动 能 转 换 成 焊 接所需的热能。焊接质量与飞轮惯性矩、转速和顶锻力有关。
惯性摩擦焊接的工件具有自己的明显优势： 1）焊接接头热影响区较窄。 2）焊接时间较短。 3）在惯性摩擦焊的焊接循环结束时，焊缝承受的巨大的扭转力矩使得焊缝产生的螺旋形变和
热扩散作用有助于提高焊缝强度，图（7）为典型的惯性摩擦焊接头中存在的螺旋形变交 流线。 4）典型的惯性只有两个控制参数，焊接能量（飞轮转速）和焊接压力，而且飞轮转速可以在 焊接开始信号前加以控制，因此在实际焊接过程中上只需监控一个参数，容易实现精确控 制。 5）对于大多数焊接材料及几何形状来说，参数可以预先计算，而且这种焊接工艺参数可以进 行数学比例放大（即：利用小样件来研制大型结构件）。 6）惯性摩擦焊不需要离合器和制动器，可以制造超大型惯性摩擦焊设备（目前世界上顶锻力 最大设备为美国 MTI 公司制造的 2250 吨惯性摩擦焊）。 7）由于焊接能量几乎全部消耗在焊缝界面上，所以可以通过测量主轴转速的变化率来间接测 量出摩擦焊接扭矩。
摩擦焊现已广泛应用于航空、航天、电力、汽车、拖拉机、自行车、机械制造、家电、纺织、 阀门、石油、地质、煤炭、工具、电缆等各个行业和领域。如在汽车工业运用于焊接涡轮增压 器、变速器、和齿轮轴、驱动轴、后桥、排气阀、液压等；在工程机械工业用于焊接液压缸、 活塞杆、法兰与法体的链接等；在石化工业用于碳素钢、工具钢等及耐蚀合金的焊接、钻头与 钻杆焊接等；而铜和铝的焊接更有效的解决了输变电工程中的抗腐蚀问题。下面就简单介绍几 个行业和领域中摩擦焊接的应用。
典型的是石油钻杆管体与接头的焊接，其每根钻杆长约 10m 左右，钻杆所承受的复合力非常 苛刻，其下部承受压力以钻进岩石，上部分由于自身重力的影响承受拉应力，同时还承受旋转 所产生的扭矩以及管内高压泥浆的径向张力等。
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三、摩擦焊的分类
根据焊件的相对运动和工艺特点，可以进行以下分类：
四、各型摩擦焊结构、特点 1、连续驱动摩擦焊
连续驱动摩擦焊：由 电 动 机 带 动 一 个 工 件 旋 转 ,同 时 把 另 一 工 件 压 向 旋 转 工 件 ， 使 其 接触面相互摩擦产生热量和一定塑性变形,然后停止旋转,同时施加顶锻压力完成焊接。 焊接质量与转速、摩擦时间、摩擦压力、顶锻压力和工件顶锻变形量有关。
摩擦焊可以实现高精度的焊接，例如用摩擦焊生产的柴油机发动机预燃烧室，全长误差为 ±0.1mm，专用机可保证焊后的长度公差为±0.05mm，偏心度为 0.1mm。 5、设备易于机械化、自动化、操作简单
摩擦焊过程往往需要对焊接接头施加较大的焊接压力，难以实现手工焊接，所以摩擦焊是 一种机械化、自动化、操作简单的焊接方法。
例如涡轮蛇形管摩擦焊机的生产率为：120 件/h，而闪光焊机仅为 20 件/h，发动机排气阀双 头自动摩擦焊机的生产率可达 800-1200 件/h，对于外径φ127mm、内径φ95mm 的石油钻杆与接 头的焊接，连续驱动摩擦焊仅需几十秒，如采用惯性摩擦焊，所采用的时间还要短。
摩擦焊工艺对工件的焊接面要求较低，通常机械加工、锯割甚至剪切的表面也能满足焊接需 求，大大减少焊前工作准备时间。 4、焊接尺寸精度高
惯性摩擦焊是摩擦焊工艺中较典型的一种，其焊接时所需要的能源主要由焊机飞轮储存的旋 转动能提供，惯性摩擦焊过程如下图（6）所示，由飞轮加速储能、工件摩擦生热、顶锻停止等 程序组成。
（7）典型的惯性摩擦焊接头 螺旋形变交流线
（6）惯性摩擦焊示意图
惯性摩擦焊焊接开始前，将被焊工件分别装入焊机的飞轮旋转端和固定移动夹具端，将飞轮 和旋转工件加速到设定速度，然后飞轮与动力源（一般为驱动电机或液压马达）脱开，移动夹 具端向前移动，当工件接触后，两焊接端面开始摩擦加热，随着飞轮转速逐渐降低到一定速度 时，开始对被焊接工件实施顶锻，并保持一定时间后，飞轮夹持端松开，移动夹具后退并松开 工件，焊接过程结束。
现在应用最广的摩擦焊主要是连续驱动摩擦焊、惯性摩擦焊和搅拌摩擦焊。连续摩擦焊主要 应用于大批量连续生产，惯性摩擦焊主要应用于大型和特殊材料的零部件，搅拌摩擦焊主要应 用于有色金属板材的焊接。
实际工业生产中适用的摩擦焊机大多数是旋转式的，所加工的焊接接头 99%以上为对接接头。 工件除圆形外，还有六边形、八边形、矩形和椭圆形等，近几年又有新型的摩擦焊问世如：搅 拌摩擦焊的出现，它使得摩擦焊产品扩展到大尺寸的板材和型材的对接和搭接焊。
摩擦焊机通用性较强，可以焊接不同几何形状、不同材料和焊接尺寸的工件。 摩擦焊过程一般由机器控制，可以避免操作人员造成的人为因素缺陷，而且焊接质量不依赖 于操作人员的专业技术水平。 6、生产成本低 摩擦焊接不需要填充材料和保护气体（钛合金除外），工件焊接余量小，焊前无需特殊清理， 焊接接头有时不需要去飞边，与电弧焊相比，成本科降低 30%左右。 7、环境清洁 摩擦焊不需要填充材料（如：焊条、焊剂等）和保护气体（钛合金除外），焊接时不产生大 量的烟雾、弧光以及其他有害气体，无需安装排烟、换气装置。 8、节省能源 摩擦焊设备大多数采用三相交流供电，主轴电机功率因数高，电网负载均衡。摩擦焊过程 产生的热能几乎完全作用与摩擦界面上，与闪光焊相比，其耗电量仅为闪光焊的 8%-10%，电能 节省 5-10 倍，功率消耗仅为传统焊接工艺的 20%。
（1）典型的摩擦焊接头
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1-摩擦焊缝；2-狭窄热影响区；3-焊瘤（飞边）。 2、适合异种材料的连接
摩擦焊既可用于焊接普通的异种钢，也可以焊接性能差别很大的异种钢和异种金属，甚至 可以将金属和非金属焊接起来，如铝和陶瓷的焊接。
对于通常认为不可以组合的金属材料，诸如铝——钢、铝——铜、钛——铜以及镍合金和钢 材料等都可以进行焊接。一般来说，凡是可以进行锻造的金属材料都可以焊接，包括汽车用阀 门合金材料，马氏体时效钢、工具钢、合金钢以及钛合金。
从焊接过程看出，摩擦焊接是在被焊金属熔点以下形成的，所以摩擦焊接属于固态焊接的 方法。
二、摩擦焊特点
1、焊接质量高 摩擦焊属于固态焊接，正常情况下，材料间焊接界面不发生溶化，焊合区金属为锻造组织，
不产生与材料溶化和凝固相关的焊接缺陷，如：气孔、合金偏析和夹杂等；被焊材料在热、压 力与扭矩的综合作用下，使得晶粒细化、组织致密、夹杂物弥散分布。摩擦焊接头不仅连接质 量高，而且性能好，下图（1）所示为典型的摩擦焊接头，图中显示出了接头中间的锻造焊缝组 织结构、狭窄的焊接热影响区以及焊接产生的多余材料（焊接焊瘤——飞边）。
搅拌摩擦焊能完成对焊、搭接、铰接、丁字接等多种形式。
图（1）搅拌摩擦焊示意图
五、摩擦焊的应用
由于摩擦焊这种固态焊接方法具有焊件准备容易、自动化程度高、成本低、消耗功率小、节 能、清洁环保以及焊接范围广、可以获得高性能焊接接头等诸多优点，所以从二十世纪 50 年代 开始，摩擦焊就得到世界工业界的重视。
摩擦焊、设备工艺开发及应用现状
概述：
早在 1956 年，人类就发明了摩擦焊，随着现代工业的发展，新型材料的大量应用使固相连 接技术——摩擦焊，受到了前所未有的欢迎和关注：自 1991 年英国焊接研究所（the Welding Institute，TWI）发明了搅拌摩擦焊（friction stir welding，简称 FSW）以来，摩擦焊技术 在以往的连续驱动摩擦焊、惯性摩擦焊等摩擦焊基础上又前进了革命性的一步。
(8) 摩擦焊制造的发动机连体齿轮
（9）飞机起落架拉杆
（10）喷气发动机补偿轴
（11）飞机液压泵轻质活塞