摩擦焊

飞机方向舵液控器
压力容器环缝
炮弹外壳 压力容器环缝
散热器焊接前后对比
各类散热器
龙门式纵缝焊接设备
平面2D摩擦焊机
中国第一台搅拌摩擦焊设备
搅拌摩擦焊的弱点
(1) 目前焊接速度不高 低于电弧焊。 (2) 焊件的夹持要求较高 设备的灵活性差。 对板材进行单道连接时，焊接速度 不同的结构需要不同的工装夹具，
属很难焊接。
自行车轮叉
离合器筒体和轴套的组焊
柴油发动机活塞
涡轮推进器
剑桥焊接研究所已经在研究采用LFW技术制造整体叶轮， 并实现航空发动机轮毂与发动机体的整体焊接。西北工业大
学开展了整体叶盘LFW焊接过程中温度场、应力场的计算机
数值模拟及焊接过程的拟实分析与验证实验等工作。
搅拌摩擦焊
搅拌摩擦焊是英国焊接研究所1991年推出的一项专利技 术。焊接时高速旋转的搅拌头上的特形指棒钻入工件的接 缝处，与工件摩擦生热，使被焊金属成塑性状态 ,搅拌金 属形成一个旋转空腔并随摩擦头前移，被挤出的塑性金属 填入先前形成的空腔，冷却后即形成致密的焊缝。
搅拌头仰角表示搅拌头向后倾斜的程度，向后倾斜的 目的是对焊缝施加压力。
轴肩压力除了影响搅拌摩擦产热以外，还对搅拌后的塑性 金属施加压紧力，因此影响焊缝成形。
目前搅拌摩擦焊主要用于熔焊性能不好、强度级别不高的 铝、镁、铜、钛等有色金属及其合金的焊接。
搅拌摩擦焊的应用
搅拌摩擦焊是世界焊接技术发展史上自发明到工业应用 时间跨度最短和发展最快的一项连接技术，被誉为世界 焊接史上的“第二次革命”。近年来，英国、美国、法 国、德国、瑞典、日本等多个国家已经把搅拌摩擦焊技 术应用在航空、航天、船舶、列车、电力等工业制造领 域，主要用于铝合金、镁合金、铜合金、钛合金、铝基 复合材料的焊接。
右，在不稳定摩擦阶段末，升高到 1200～1300℃。这时摩擦表面的机 在顶锻维持阶段，顶锻时间、顶锻压力和顶锻速度应相互配合，以获 增大，加热功率迅速提高。但随着温度的增高，金属塑性增高，强度、 上呈双曲线分布，中心压力最大，外缘最小；温度沿径向分布不均匀， 现象减少，分子作用现象增强，加热功率稳定在一个较低的数值，摩擦 段，在顶锻压力作用下，转速降低，摩擦扭矩增大，并再次出现峰值。 摩擦加热过程又可细分为四个阶段： 污等，使得摩擦系数很大。凸凹不平的表面迅速产生塑性变形和机械 械挖掘现象减少，开始产生金属的粘结与剪断现象，断面全面接触。 得合适的摩擦变形量 △lf 和顶锻变形量 △lu。 变形量不断增大，变形层金属从摩擦表面挤出形成飞边。 接头中的高温金属被大量挤出，工件的轴向缩短量增大。 韧性显著下降，因此摩擦加热功率又迅速降低到稳定值 点。 在压力和速度的综合作用下，从距圆心半径 2／3的部位温度率先上升。 初始摩擦阶段 (t1)；不稳定摩擦阶段 (t2) ；稳定摩擦阶段 (t3)d；停车阶段 (t4) 。 挖掘现象，破坏氧化膜，使摩擦界面出现同心圆痕迹。
焊合区的显微 组织形态（焊 后退火＋淬火 ＋高温回火）
45#
W8Co3N 高速钢
摩擦焊的应用
摩擦焊可以焊接大多数同种或异种金属。高温时，塑 性良好的同种金属以及能够互溶、扩散的异种金属，都具 有良好的焊接性。高温强度高、塑性低、导热性好的材料 不容易焊接，如不锈钢-铜、硬质合金-钢等。活性金属 （如钛、锆等） 、淬硬性强的钢材、表面氧化膜不易破 碎或有镀膜、渗层及摩擦系数小（如铸铁、黄铜等）的金
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。
搅拌摩擦焊的实况录像 ：板状对接；管状对接。
搅拌摩擦点焊
这项新技术具有广泛的适用性，因此在车辆、船舶、飞 日本的搅拌摩擦点焊焊接流程示意图 原理：使用搅拌头在旋转的同时向下移动，由搅拌头的 机等的板和加强材构造方面都可以应用，并且还可能被用 旋转摩擦产生热量使焊接基材软化、搅拌后产生塑性流 动，从而达到材料一体化。 于交通标志、家电、烹调器具等制造领域。
的空腔内，因而搅拌头与焊件间的摩擦作用较强，摩 不断降低，因而热循环最高温度降低。搅拌头离开焊件 擦热输入和热循环最高温度值较大。 后， 在焊缝的终端形成一个匙孔。
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。
美国Eclipse飞机制造公
司斥资3亿美元用于搅拌 摩擦焊的飞机制造计划， 其制造的第一架搅拌摩 擦焊商用喷气客机于 2002年8月在美国进行了 首飞测试。其机身蒙皮、 翼肋、弦状支撑、飞机 地板以及结构件的装配 等铆接工序均由搅拌摩 擦焊替代，提高了生产 效率、节约了制造成本 且减轻了机身重量。
搅拌摩擦焊过程
分为三个阶段：
搅拌摩擦焊接过程
• • •
搅拌头扎入阶段
搅拌头沿焊缝方 向行走阶段 搅拌头提起阶段
焊核区
搅拌头扎入阶段 是将具有一定转速的搅拌头缓慢扎 热影响区 热机影响区 入接合面内，在扎入过程结束时热循环温度达到最高。 搅拌头沿焊缝方向行走阶段 搅拌头必须向前方 随着搅拌头沿焊缝方向行走，热循环温度迅速下降。 金属施加挤压作用，促使材料流动到搅拌头后方形成 搅拌头提起阶段 搅拌头与焊件界面间的摩擦热输入
(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 陶瓷材料替代硬质合金，钴基高温合金等，但陶瓷材料很 难达到所需的韧性。
激光辅助搅拌摩擦焊接技术
激光辅助搅拌摩擦焊是近年来提出的一种新型搅拌摩 擦焊技术。使用激光作为辅助能源加热工件，搅拌头 仅需要较小的力即可搅拌完成连接，从而大大降低搅 拌头的损耗，并提高焊接速度。
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。
摩擦加热过程，直接影响接头的加热温度、温度分布 和焊接质量。摩擦终了的瞬间，接头处应有较厚的变 形层或较宽的高温金属区、接头有较小的飞边。
停车时间 停车时间是转速由给定值下降到零所对应
的时间，当摩擦表面的变形层很厚时，停车时间要短， 反之可以延长。
顶锻压力（或顶锻变形量）顶锻压力的作用是挤
碎和挤出变形层中的氧化金属，并促进接头晶粒细化。 顶锻压力的大小取决于焊接工件的材料性能、接头的 温度高低及分布、变形层的厚度。
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。
德国搅拌摩擦点焊研究现状
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绿色探针继续下压，直到接触到第二块板材并下压一定的量，这时棕色的轴 德国设计的点焊搅拌头由三部分合成（分别用蓝、棕和绿色表示）， 轴肩与探针的旋转方向相反，开始时轴肩与探针同时下压，板 肩还是向上升高，形成的空腔用于存放绿色搅拌针挤出的金属（图 3）。接 最外面的蓝色部分起压紧作用，当搅拌头开始接触板材时，搅拌头的 材表面开始由于摩擦而温度升高（图 1）。接下来中间绿色的探 下来棕色的轴肩开始下压，绿色的探针开始升高，原来被绿色探针挤出的金 蓝色部分向下施加一个压力，使得两块板材紧密的结合在一起，中间 针不断下压，而棕色的圆筒型轴肩开始升高，由于绿色探针下 属又被棕色轴肩挤出来（图4），直到原先被挤出的所有金属都被挤出来 旋转的轴肩一个是圆筒型的，用棕色表示；探针用绿色表示； 2）。 压而挤出的金属，进入了棕色轴肩升高而形成的空腔（图 （图5），最终形成一个漂亮的没有“匙孔”的点焊焊点（图6）。
摩 擦 焊
摩擦焊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 热使接触面及邻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
线性摩擦焊
摩擦焊原理（以45
＃圆棒连续驱动摩擦焊为例）
加热功率和摩擦扭矩都在 c 点呈现出最大值，对应温度上升到 700℃左 顶锻焊接过程： 包括 纯顶锻阶段 (t5) 和 顶锻维持阶段 (t6)。 圆心部位的相对旋转速度为零，外缘速度最大；摩擦压力在焊件断面 稳定摩擦阶段 停车阶段 (t4)(t ： 停车阶段是摩擦加热过程至顶锻焊接过程的过渡阶 摩擦面温度继续升高并逐渐均匀化。金属的粘结 初始摩擦阶段 (t1) ：由于工件端面不平，且存在氧化膜、铁锈、油 连续驱动摩擦焊可分为摩擦加热过程与顶锻焊接过程两个过程。 不稳定摩擦阶段 (t 3) 2)：此阶段断面温度上升，实际摩擦接触面积
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。
2002年4月，北京航空制造工 程研究所与英国焊接研究所在 技术合作的基础上成立了中国 搅拌摩擦焊中心，之后在搅拌 摩擦焊技术、工艺、设备制造 等方面都有了突破性的进展， 并已在工业产中得到应用 。
70mm百度文库铝合金对接接头
铝合金散热器
列车用宽幅型材
输变电搅拌摩擦焊热沉器
船用搅拌摩擦焊铝合金型材甲板
不同的转速与摩擦压力的组合，可以得到不同的焊接加热规范。
摩擦焊接可选用的加热规范很宽，最常用的组合方式有两种：一
种是强规范，即转速较低，摩擦压力大，摩擦时间短；另一种是 转速与变形层厚度、深塑区位置和飞边的关系 弱规范，即转速较高，摩擦压力小，摩擦时间长。 （φ19低碳钢棒，摩擦压力86MPa）
摩擦时间（或摩擦变形量） 摩擦时间决定了接头