摩擦焊工艺
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。
摩擦焊接工艺
摩擦焊接（Friction Welding）是一种固态焊接工艺，通过在两个工件之间施加力和高速旋转的运动来产生热量，使工件表面发生塑性变形并实现焊接。
以下是摩擦焊接的基本步骤：
1.准备工件：将需要焊接的两个工件准备好，确保表面光洁且无污染物。
2.定位工件：将工件正确定位并夹紧以保持稳定。
3.施加压力：对于径向摩擦焊接，施加轴向压力使两个工件相互贴合。
对于横向摩擦焊接，
施加横向力使两个工件相互接触。
4.开始摩擦：启动旋转机构以使其中一个工件发生高速旋转。
同时，施加足够的压力使工
件之间发生摩擦。
5.加热阶段：由于摩擦产生的热量，工件表面温度升高，达到可塑性变形的温度。
6.摩擦停止：当工件表面温度达到要求后，停止摩擦并保持旋转。
7.施加焊接压力：在停止摩擦后，保持施加足够的压力使工件之间产生高度塑性变形。
8.冷却阶段：继续施加焊接压力的同时，等待工件冷却。
这样可以保持焊点处的固态结合。
9.焊接完成：冷却后，停止施加压力并将工件松开，即可完成摩擦焊接。
摩擦焊接具有许多优点，如快速、高效、无需填充材料和较低的热影响区等。
它被广泛应用于航空航天、汽车制造、管道连接和金属加工等领域。
焊接工艺的摩擦焊接技术要点
焊接工艺的摩擦焊接技术要点摩擦焊接是一种利用材料的塑性变形和摩擦加热产生摩擦热的焊接方法。
它具有高效、环保、高质量等优点，在工业生产中得到广泛应用。
本文将介绍焊接工艺的摩擦焊接技术的要点，包括摩擦焊接的原理、工艺参数的选择、工艺控制等方面。
一、摩擦焊接的原理摩擦焊接是利用两个工件在轴向力和旋转力的作用下，在接触面发生塑性变形并摩擦加热，随后停止转动时两个工件之间恢复到冷状态下的接触面结合而形成的一种焊接方法。
摩擦焊接的原理包括以下几个方面：1. 摩擦热效应：工件在接触面相对运动时，由于摩擦热的产生，使工件的温度升高，达到可塑性变形的要求，从而实现焊接。
2. 塑性变形效应：由于轴向力的作用，使接触面的工件产生塑性变形，使得工件表面的氧化层和脏物得以去除，从而使工件之间达到更好的接触。
3. 冷却效应：在停止摩擦时，工件由于冷却，焊缝完成固化，从而使工件之间形成连接。
二、摩擦焊接的工艺参数选择摩擦焊接的工艺参数选择是保证焊接质量和效率的重要因素。
1. 旋转速度：旋转速度的选择应根据焊接材料的特性，例如硬度、塑性等综合考虑。
一般来说，旋转速度太低会导致焊缝不均匀，太高则会造成过度烧损。
2. 轴向力：轴向力的选择应根据焊接材料的硬度和要求的焊接质量来确定。
轴向力太小会导致焊缝不牢固，太大则会产生较大的变形和应力。
3. 焊接时间：焊接时间也是影响焊接质量的关键参数。
焊接时间太短会导致焊缝连接不牢固，太长则会造成材料的过度烧损。
三、摩擦焊接的工艺控制工艺控制是确保摩擦焊接质量稳定的关键。
1. 清洁度控制：焊接前应确保接触表面的干净，去除氧化物和污染物，以保证焊接接触质量。
2. 温度控制：焊接时，应根据工件材料和尺寸的变化，对摩擦焊接的温度进行控制。
过高的温度会导致焊缝变硬和断裂，过低的温度会导致焊缝连接不牢固。
3. 压力控制：焊接时的轴向力要适中，太小会导致松散的连接，太大会导致变形和质量缺陷。
4. 油剂选择：摩擦焊接中使用的油剂应该具有良好的冷却性能和润滑性能，以保证焊接过程的稳定。
线性摩擦焊工艺
和摩擦热使工件连接在一起的固态连接方法。
线性摩擦焊是20世纪90年代中期兴起的一种新型固态焊接技术，它突破了旋转式摩擦焊对被焊工件外形轴对称的限制，大大的扩展了摩擦焊接的应用领域。
线性摩擦焊具有自清理、自保护的作用。
材料采用钛合金TC4轧制板材。
试样尺寸为13mm×8mm×45mm的长方体，焊接面(13mm×8mm)为线切割面。
试验采用自制的线性摩擦焊机。
采用的工艺参数为：振动频率13.6～43Hz，摩擦压力2.75～3.2atm(压力表指示值)，顶锻力2.8～3.4atm(压力表指示值)，摩擦时间10～20s，振幅2mm。
焊后试件沿面Ⅰ、面Ⅱ(如图1所示)剖开，通过剖面Ⅰ、面Ⅱ可以分别观察到摩擦横截面（与试件往复运动方向垂直）和纵截面（与试件往复运动方向平行）这两个方向上的焊缝形状。
通过对焊接过程和接头质量的观察分析，可以发现：摩擦压力和往复运动频率是焊接热输入的主要影响因素。
当摩擦压力和往复运动频率增加时，焊接热量输入也随之显著增加。
图1 试件剖面示意图由于材料变形的局部性和不均匀性，压力过大则会影响试件往复运动的稳定性，同时也会增加塑性金属的流出量，使飞边增大，因此，不能采用太大的压力值。
在保证运动平稳的条件下，提高往复运动的频率是增加热输入和提高焊缝质量最有效的方法。
摩擦时间也是线性摩擦焊接过程中的一个重要参数，但延长摩擦时间不是增加热量输入的最有效方法。
因为热传导、对流及高温塑性金属的挤出等因素的存在，使得焊接过程中存在一热输入热输出的平衡点。
在热平衡之前，增加摩擦时间对增加热输入有效，而在热平衡点之后，增加摩擦时间对热输入作用不大。
顶锻是摩擦焊接的最后一个环节，顶锻力也是影响焊缝成型的重要因素。
在摩擦过程中，金属摩擦副之间形成一层高温粘塑性层，它是摩擦表面的“粘结”介质，通过顶锻使金属摩擦副牢固结合。
若顶锻力过大，使粘结介质大量被挤出，焊接效果反而下降。
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。
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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。
铝合金搅拌摩擦焊工艺 -回复
铝合金搅拌摩擦焊工艺-回复铝合金搅拌摩擦焊工艺- 实现材料的高质量连接引言：铝合金是一种常用的轻质金属材料，具有优良的导热性、强度和耐腐蚀性。
在制造行业中，铝合金的应用越来越广泛，但如何高效地连接铝合金成为一个关键问题。
在铝合金的焊接方法中，搅拌摩擦焊技术因其特殊的优点而备受关注。
本文将一步一步地介绍铝合金搅拌摩擦焊工艺，以及其关键步骤和优势。
第一部分：搅拌摩擦焊的原理和过程搅拌摩擦焊是一种通过搅拌和摩擦热来实现材料结合的焊接方法。
其过程中，焊接头两侧的铝合金被高速旋转的锥形工具搅拌并加热，随着摩擦的增加，金属温度升高，导致其柔韧性增加。
当达到一定的温度时，焊接头被渐渐挤压，使得金属层之间发生冷焊结合。
同时，由于搅拌的缘故，焊接头中的金属颗粒得到细化，从而提高了焊接接头的强度和密实性。
第二部分：铝合金搅拌摩擦焊工艺步骤1. 材料准备：选择合适的铝合金材料，并确保其表面清洁和无油污。
2. 设计焊接接头：确定焊接接头的几何形状和尺寸，以及焊接参数。
3. 定位和装夹：将两个要焊接的铝合金零件放置在焊接设备上，并通过合适的夹具进行固定。
4. 焊接温度和力控制：根据材料性质和焊接要求，设定合适的旋转速度和下压力。
5. 开始搅拌：启动设备，使工具开始旋转并加热焊接区域，同时向下施加一定的压力。
6. 加热和搅拌：搅拌头的高速旋转和下压力会加热金属，并使其产生塑性变形，从而实现冷焊结合。
7. 结束焊接：在达到焊接要求后，停止旋转和施加压力，留出一定的冷却时间。
8. 检测和质量控制：使用非破坏性和破坏性测试方法来检测焊接接头的质量，确保其达到要求。
第三部分：铝合金搅拌摩擦焊的优势1. 高质量：搅拌摩擦焊可以消除气孔、热裂纹等焊接缺陷，实现金属材料的高质量连接。
2. 高效率：相较于传统的焊接方法，搅拌摩擦焊不需要额外的填充材料和气体保护，节省了时间和成本。
3. 环保：搅拌摩擦焊过程中无需使用焊接剂或保护气体，减少了对环境的污染。
搅拌摩擦焊工艺及其应用
搅拌摩擦焊工艺及其应用1 搅拌摩擦焊的定义与原理搅拌摩擦焊是一种非常新颖的金属连接技术，其原理是将金属材料在高速旋转的条件下不断挤压与摩擦热而使金属材料发生塑性变形进而在次冷却时形成均匀的焊缝。
搅拌摩擦焊是一种采用振荡摩擦进行的钎焊技术。
摩擦过程中，金属材料被强制变形，形成皱纹和复杂的微细组织结构，这就是焊接区域。
这一过程不需要额外的附加材料，因此也被称为固态钎焊。
搅拌摩擦焊的原理是通过搅拌和摩擦的相互作用，为金属轴套表面提供局部加热来处理金属本身。
在摩擦过程中，摩擦产生的热量会使金属材料温度升高，而旋转工具逐渐伸进焊缝，在相对运动的作用下，产生了强烈的塑性变形以及显著的变形应变。
在形成初期焊缝时，相对运动引起的压力会把材料从环形清隙中抽出，形成时生成混味均匀的焊接界面。
这些过程中摩擦加热导致局部熔化，接长和冷却会使金属变形，并形成一个均匀的、与母材相似的焊缝。
2 搅拌摩擦焊的工艺流程及其特点2.1 搅拌摩擦焊的工艺流程（1）工件准备：首先需要准备待焊接的工件。
工件通常是板材、管材、棒材等形状，可以是相同材质，也可以是不同材质。
（2）夹紧工件：将工件夹紧在专用的工件夹具中，以保证工件在搅拌摩擦焊过程中不会移动或震动。
（3）起始摩擦：在工件接头处的摩擦面上施加旋转摩擦力，使工件表面熔融并形成可焊接的状态。
（4）搅拌摩擦：在不断施加旋转摩擦力的情况下，摩擦头沿着工件的接合面移动，搅拌工件的金属组织，从而形成焊接。
（5）升温保压：在搅拌摩擦焊完成后，保持摩擦头的位置不动，使焊缝部位升温到一定程度，再施加一定的保压力，使焊缝固化。
（6）退火处理：对焊接完成后的工件进行退火处理，可以进一步提高焊接质量和性能。
2.2 搅拌摩擦焊的特点（1）搅拌摩擦焊是一种无焊接接头凸出、无端部凸出的焊接方法，焊缝起伏很小，对焊接部件外观和尺寸精度要求较高的场合比较适用。
（2）搅拌摩擦焊过程中没有明显的电弧和喷溅现象，不需要额外的保护气体，易于操作。
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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。