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
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
工作过程
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搅拌摩擦点焊 FSSW
FSSW焊点实际上有一段长度L，试验表明， AA6061-T4板材的FSSW焊点表面光滑，内部无 缺陷，有较好的静载和动载强度
L
焊点外观
D 完成的 焊点
焊点横截面
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搅拌摩擦焊接技术原理
搅拌摩擦焊接的出现，已经使铝合金等有 色金属的连接技术发生了重大变革
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搅拌摩擦焊原理和特点
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FSW在航空航天的应用
2001年，波音公司采用FSW 技术焊接Delta IV运载火箭贮 箱
Delta IV太空船燃料箱立式外焊 专用FSW设备
型 号：ESAB SuperStirTM 名 称：Delta IV太空船燃料 箱立式外焊专用设备 制造日期：1999年 采 购 方：Boeing
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FSW在航空航天的应用
搅拌摩擦焊与 熔焊变形比较
接头残余应力和变形减小
固相焊接没有凝固收缩
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搅拌摩擦焊
成本降低
工艺成本低，材料成本低，能源成本低，环境 成本低，维修成本低
焊前及焊后处理简单，焊接过程中的摩擦和搅拌可 以有效去除焊件表面氧化膜及附着杂质 焊接过程中不需要保护气体、焊条及焊料
焊高较小，兼有减重效果
摩擦焊接
摩擦焊技术
摩擦焊原理及技术优势介绍 传统摩擦焊介绍 摩擦焊典型产品 搅拌摩擦焊介绍
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回顾历史、掌握未来
摩擦焊的历史
1891年：美国批准了第一个摩擦焊专利 1956年：前苏联楚迪克夫发明了摩擦焊技术 1957年：成功实现铝－铜的摩擦焊 1991年：英国焊接研究所发明了搅拌摩擦焊， 成功焊接了铝合金平板
搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding）
英国焊接研究所（TWI）于1991年发明的一种固相连 接技术 在30几个国家申请了专利，包括中国
搅拌摩擦焊采用特型搅拌头在待焊工件件旋转、 摩擦生热，并挤压以形成焊缝。属于一种崭新的 固态连接方法 采用搅拌摩擦焊取代传统的氩弧焊，不仅能完成 材料的对接、搭接、丁字等多种接头方式，而且 能用于高强铝合金、铝锂合金的焊接，大大提高 了焊接接头的力学性能，并且排除了熔焊缺陷产 生的可能性
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 焊缝的形成只要几毫秒，并且焊接过程对于聚合 物来说较能耐潮，例如：尼龙。正如大家可以预 想的一样，两个部件的接口虽然有10度的误差也 是可以焊接的，但是最理想的情况还是要求两个 焊接的部件接口处平整 焊接的振幅一般从0.5毫米到几毫米，频率则要求 在100－500赫兹之间（一般是频率是选择100－ 300赫兹） 特殊应用的焊接参数通常由实验决定
航天飞机的助推燃料筒
154’ 长, 27.6’ 直径
航天飞机的主承力结构件吸收6百万镑的冲击力
Drawing: /michoud/et/description.htm
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摩擦堆焊过程
轴向载荷 旋转的耗材棒 轴向载荷
静止的基体 金属板件
静止的基体 金属板件
轴向加载后 形成的塑性层 熔敷层的 半圆形前缘 移动的基体金属板
熔敷层
（1）
（2）
（3）
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耗材摩擦焊接和耗材摩擦焊敷
耗材摩擦焊
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耗材摩擦焊敷的过程
a-10s b-20s c-25s
预热阶段
400kgf– 1825rpm– 2.2mm/s
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摩擦焊原理
以连续驱动摩擦焊为例说明原理
焊前，夹持旋转焊件和移动焊件 a。旋转焊件高速旋转，移动焊件 逐步靠拢 b。接触压紧，摩擦扭矩迅速升高 c。摩擦继续升温，轴向压力，径 向塑性流动 d。制动、顶锻
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摩擦焊特点和技术优势
1.工艺适应性广。可焊金属范围广，特别适应于焊接异种 金属。 2.接头性能好。焊接表面不易氧化，接头组织细密（锻造 组织），不易产生气孔、裂缝等缺陷。通常可比较容易地 得到与母材强度相同的接头 3.焊接过程可靠性高。参数重现性好，焊接质量稳定，容 易实现工艺参数及质量的自动控制 4.尺寸精度高。焊后焊件的尺寸精度及几何精度高，有些 零件焊后可不进行机械加工 5.环保。劳动条件好，无环境污染，便于放在机械生产线 上使用 6.高效低耗。生产率高，耗电小、节省能源，焊接过程中 不需要填充材料且焊件材料损耗小节省材料
增压器转子 7
摩擦焊的应用
汽车电流传感器
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电流传感器 焊接过程
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电流传感器
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铜铝的摩擦焊接
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连续驱动摩擦焊机基本结构
SD-250B 型连续驱动 摩擦焊机
上海三都机械有限公司
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摩擦焊的分类
传统摩擦焊 新型摩擦焊
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连续驱动摩擦焊
电机连续驱动主轴， 使旋转焊件以设定 Nhomakorabea转速转动 加热结束时，需制 动刹车 有顶锻保压阶段
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搅拌摩擦焊机
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搅拌摩擦焊在兵器工业中应用
美国的先进水陆两栖 坦克突击车辆 (AAAV) 装甲铝合金FSW 接头和焊缝结构
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FSW在车辆制造上应用
FSW主要用于焊接铁路客车 车顶、车身、汽车轮鼓、载 货车的尾部升降平台、高速 刹车结构等 日本轻金属公司已将FSW工 艺用于地铁车辆，接合质量 良好 住友轻金属公司采用FSW的 列车壁板和列车车顶
固相连接工艺 单道焊接过程 接头力学性能提高 接头残余应力和变形减小 成本降低 工艺具有环保性 焊接工艺适应性扩大、被焊材料适应性好、稳定性提 高、高效高质量焊接等
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搅拌摩擦焊
固相连接工艺
焊接过程无元素烧损 凝固时元素和组织无偏析 焊缝中无气孔缺陷 无热裂纹 接头显微组织各向同性
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搅拌摩擦焊
（c）
搅拌摩擦焊试样
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搅拌摩擦焊的搅拌头、焊缝外观
搅拌摩擦焊的焊缝外观
搅拌头实物照片
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搅拌摩擦焊技术特点
搅拌摩擦焊作为一种固相连接方法，除可焊接用 普通熔焊方法难以焊接的材料外（如可实现用熔 焊难以保证质量的裂纹敏感性强的7000、2000系 列铝合金高质量连接），FSW还具有以下优点
工艺具有环保性
焊接环境良好，不会产生烟尘，无弧光辐射， 无熔滴飞溅，无噪音 一种环保型工艺方法
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搅拌摩擦焊
尤其值得指出的是
搅拌摩擦焊所具有适合于自动化和机器人操作 的优点，诸如：不需要填丝、保护气（对于铝 合金）、允许有薄的氧化膜、对批生产不需要 进行打磨和刮擦之类的表面处理、非损耗的工 具头（一个典型的工具头就可以用来焊接6000 系列的铝合金达1000米等） 机械化过程，人为因素少，焊接缺陷减少和焊 后修补率低
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线性摩擦焊的优点
（1）可焊接方形、圆形、多 边形截面的金属或塑料工件。 配合合适的工夹具还可焊接更 不规则的构件，如叶片与涡轮 盘的焊接 （2）固态焊接，金属不熔化 和热影响区窄；低应力和小变 形，高完整性；焊缝的结构强 度与弹性性能与基体金属相同 （3）可实现机械和自动控制， 可靠性高，可实现一次焊接多 零件，亦可用于生产线上
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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