摩擦焊

1、航空航天外，大量高温合金材料、双金属材料、不锈钢材料以及 铝合金材料也采用了摩擦焊接工艺进行焊接。如下图中采用摩擦焊焊接的航空、航天零件包括： 发动机连体齿轮（图 8）、飞机起落架部件（图 9）、飞机发动机部件（图 10）飞机液压泵活塞（图 11）的焊接。
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