摩擦焊
合集下载
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
西南石油大学材料科学与工程学院
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。
西南石油大学材料科学与工程Fra bibliotek院现代连接技术
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
摩擦焊介绍全解课件
减速的 e, 点开始，到主轴停 止转动的g 点为止。它是摩擦 加热过程和顶锻焊接过程的过 渡阶段，具有双重特点。这个 阶段是焊接过程的重要阶段， 直接影响到接头的焊接质量， 因此要严格控制这个时间。
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。
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
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.
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.
摩擦焊铜铝
摩擦焊铜铝
摩擦焊是一种固态焊接方法，通过产生摩擦热来加热材料，然后施加压力使两种材料产生塑性变形，形成焊缝。
摩擦焊铜和铝通常采用以下步骤：
1. 将需要焊接的铜和铝工件的表面进行处理，确保干净无油脂。
2. 将两个工件夹紧在摩擦焊设备的夹持装置中。
3. 通过旋转工件，使它们发生摩擦，并产生摩擦热。
4. 当工件温度升高到足够高时，停止旋转，并给予一定的轴向力，使铜和铝发生塑性变形，形成焊接接头。
5. 冷却焊接接头，使其固化。
摩擦焊可以实现铜和铝之间的高强度焊接，因为其焊接接头在微观层面上实现了原子级的晶界扩散，从而形成了强耐腐蚀和高接口强度的焊缝。
然而，由于铜和铝的焊接能力差异较大，摩擦焊铜铝需要仔细控制焊接参数和工艺，以确保焊接接头的质量。
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
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。
3
（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
5
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。
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。
3
（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
5
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。
摩擦焊的类型
摩擦焊的类型
摩擦焊是一种固态焊接方法，常见的摩擦焊类型包括：
1. 摩擦搅拌焊（Friction Stir Welding，FSW）：通过一个旋转的焊接工具，将塑性变形施加在工件接触区域，使两个工件材料发生塑性流动并连接在一起。
2. 摩擦搅拌摩擦焊（Friction Stir Friction Welding，FSFW）：类似于摩擦搅拌焊，但在焊接过程中，施加一个额外的力，以增加摩擦热。
3. 摩擦摩擦焊（Friction Friction Welding，FFW）：摩擦热产生于两个固体材料之间的直接接触，并通过柔软的套筒施加焊接压力，将两个工件连接在一起。
4. 线性摩擦焊（Linear Friction Welding，LFW）：通过线性往复运动的摩擦焊接工具，将工件的材料加热并施加挤压力，实现焊接。
5. 摩擦摩擦搅拌焊（Friction Stir Friction Stir Welding，FSFSW）：结合了摩擦搅拌焊和摩擦摩擦焊的特点，通过旋转和线性运动的复合工具，实现焊接。
这些摩擦焊的类型形式不同，但本质上都是利用摩擦热和机械力来实现材料的固态连接。
这些焊接方法在汽车、航空航天、船舶等行业中得到广泛应用。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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
30
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
36
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
3
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
22
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
14
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
15
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
23
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
24
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
25
搅拌摩擦焊原理和特点
37
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
38
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
31
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
2
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
17
线性摩擦焊
18
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
39
19
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）
20
耗材摩擦焊接和耗材摩擦焊敷
耗材摩擦焊
21
耗材摩擦焊敷的过程
a-10s b-20s c-25s
预热阶段
400kgf– 1825rpm– 2.2mm/s
4
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
5
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
8
电流传感器 焊接过程
9
电流传感器
10
铜铝的摩擦焊接
11
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
12
摩擦焊的分类
传统摩擦焊 新型摩擦焊
13
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
33
搅拌摩擦焊机
34
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
35
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
29
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
26
搅拌摩擦焊
（c）
搅拌摩擦焊试样
27
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
28
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
32
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
16
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