特种焊接技术

1、安 徽 工 业 大 学研究生考试试卷评分特种焊接技术考试科目：_洪永昌阅 卷 人：_研材料12专 业：_20120049学 号：_季承玺姓 名：_注 意 事 项1、 考前研究生将上述项目填写清楚2、 字迹要清楚，保持卷面清洁3、 教师将成绩单送研究生学院归档 年 月 日关于电子束焊和摩擦焊的综述报告摘要：本文就电子束焊及摩擦焊的发展及研究现状进行了综述，从两种特种焊接现阶段的情况进行介绍，阐述了两种焊接的定义，原理，分类，特点等，最后对特种焊接的前景进行展望。关键词：电子束焊；摩擦焊；特点；分类；现状0. 引言随着全球工业化步伐的加快及现代科学技术的突飞猛进，焊接这门古老而现代的技术也在不断地

2、完善和发展，可以说焊接已在现代的生产生活中占有极为重要的地位。近代焊接技术，自1882 年出现碳弧焊开始，迄今已经历了100 多年的发展历程，为了适应工业发展及技术进步的需要，先后产生了埋弧焊、电阻焊、电渣焊及各种气体保护焊等一系列新的焊接方法。进入20 世纪60 年代后，随着焊接新能源的开发和焊接新工艺的研究，等离子弧切割与焊接、真空电子束焊接及激光焊接等高能束技术也陆续应用到各工业部门，使焊接技术达到了一个新的水平。特别是近年来，航空、航天、原子能等尖端工业的发展需求，不断提出了具有特殊性能材料的焊接问题，如高强钢、超高强钢、特种耐热耐腐蚀钢、高强不锈钢、特种合金及金属间化合物、复合材料、

3、难熔金属及异种材料焊接问题。而电子束焊接技术以其与其它熔化焊相比独具的功率密度大、深宽比大、焊接区变形小、能耗低、易于控制实现自动化等优点，在航空、航天及原子能工业和其它军用、民用制造业中得到了高度重视及应用发展。为此，较系统、全面地了解当今电子束焊接及摩擦焊接技术的国内外的研究发展现状，以及两种焊接技术及相关工艺应用的成果，对于特种焊接技术领域研究发展方向的准确把握及其开展进一步研究工作有着极大的指导意义。1. 电子束焊1.1 定义电子束焊接（Electron Beam Welding）是19世纪中期发现和兴起的一种新型焊接技术，顾名思义，电子束焊接是利用被静电场聚焦并加速的电子束轰击待焊工

4、件接头处，使材料快速熔化后迅速冷却来完成焊接过程。同以电弧为热源的传统焊接方法相比，电子束焊接在能量传递，热量析出部位和能量转换机理等方面，都有着显著的不同。电子束焊接（EBW） 是利用电子枪中阴极所产生的电子在阴阳极间的高压（25300 kV）加速电场作用下被拉出，并加速到很高的速度（0. 30. 7倍光速） ，经一级或二级磁透镜聚焦后，形成密集的高速电子流，当其撞击在工件接缝处时，其动能转换为热能，使材料迅速熔化而达到焊接的目的。其实，高速电子在金属中的穿透能力非常弱，如在100 kV加速电压下仅能穿透0.025 mm。但电子束焊接中之所以能一次焊透甚至达数百毫米，这是因为焊接过程中一部分

5、材料迅速蒸发，其气流强大的反作用力将熔融的底面金属液体向四周排开，露出新的底面，电子束继续作用，过程连续不断进行，最后形成一深而窄的焊缝。1.2 原理电子束焊接的工作原理是:在真空条件下。从电子枪中发射的电子束在高电压（通常为20300kV）加速下，通过电磁透镜聚焦成高能量密度的电子束1。当电子束轰击工件时，电子的动能转化为热能，焊区的局部温度可以骤升到6000以上，使工件材料局部熔化实现焊接。1.3分类1.3.1 根据焊件所处真空度的差异分2（1）高真空电子束焊接（真空度为10-410-1Pa）：该方法电子散射小，作用在工件上的功率密度高，穿透深度大，焊缝深宽比大。适宜于活性金属、难熔金属及

6、质量要求高的工件焊接。应用最为广泛。（2）低真空电子束焊接（真空度为10-ll0Pa）。与高真空电子束焊相比，电束较宽，工作距离较大，真空系统简单。生产效率高，成本低。减弱了焊接时金属的蒸发等。（3）非真空电子束焊接（无真空工作室）：在大气压力的环境中焊接，电束散射宽，焊缝较宽、深宽比小，可焊大尺寸的工件。焊接时。束流进入大气前先经过充满氦的气室，而后与氦气一起进入大气。1.3.2 根据电子枪加速电压分（1）高压电子束焊接：加速电压大于120千伏，束斑直径小，功率密度大。工作距离长，焊缝的深宽比大。焊缝精密，变形小，适用于单道焊缝的大厚度板材和难熔、热敏材料的焊接。（2）中压电子束焊接：加速电

7、压范围为40100千伏，满足除极薄材料外的一般厚度材料的焊接。可用局部真空室满足大型件的焊接。（3）低压电子束焊接：加速电压低于40千伏，功率密度小，工作距离短。焊缝稍宽，畸变稍大，适用于焊缝深宽比小的薄板焊接。1.3.3 根据电子束对材料的加热机制分（1）热传导焊接：作用在工件表面的功率密度<105W/cm2，电子束转化的热能通过热传导使工件熔化，熔化金属不产生显著的蒸发。（2）深熔焊接：作用在工件表面的功率密度>105W/cm2，金属被熔化并伴有强烈的蒸发，形成熔池小孔，电子束穿入小孔内部与金属直接作用，焊缝深宽比大。1.4 电子束焊接的特征由于高能量密度的电子束流集中作用的结

8、果使电子束焊接熔池“小孔”形成机理与其他熔化焊有所不同。电子束焊接过程是。高压加速装置形成的高功率电子束流，通过磁透镜会聚，得到很小的焦点（其功率密度可达104109W/cm2）。轰击置于真空或非真空的焊件时，电子的动能迅速转变为热能，熔化金属，实现金属焊接的目的。电子束焊接的特点可概括如下：（1）电子束斑点直径小，加热功率密度大，焊接速度快热影响区小；（2）可获得深宽比大的焊缝，焊接厚件时可以不开坡口一次成形；（3）多数构件是在真空条件下焊接，焊缝纯洁度高；（4）规范参数易于调节，工艺适应性强；（5）适于焊接多种金属材料；（6）焊接热输入低，焊接热变形小。但电子束焊接方法也有一些不足。如：（

9、1）电子束焊机结构复杂，控制设备精度高，所需费用高；（2）焊接前对接头加工、装配要求严格，以保证接头位置准确、间隙小而且均匀；（3）真空电子束焊接时，被焊工件尺寸和形状常常受到工作室的限制，每次装卸工件要求重新抽真空；（4）冷却过程中快速凝固，引起焊接缺陷，如气孔、焊接脆性等；（5）电子束易受杂散电磁场的干扰，影响焊接质量；（6）电子束焊接时产生的X射线需要严加防护。以保证操作人员的健康和安全。1.5 电子束焊接的应用范围电子束焊接相对于传统焊接方式的突出优点，使其的应用范围十分广泛，从可焊接的材料来看有以下几个方面1：1）适合焊接各种金属材料电子束可以焊接难熔金属钽、铌、钼，化学性质活泼的金

10、属如钛、锆、铀等以及工业生产中大量使用的碳钢、不锈钢、合金钢、铜、铝等。2）可焊工件种类多电子束焊接薄件、厚件及大厚件。薄件焊接厚度可以为0.1mm，厚件一次焊接厚度可达300mm，解决一些大厚件的焊接如汽轮机隔板的焊接。3）能实现异种焊接目前，工业中电子束已经较好地完成异种金属的焊接，如铜-钨焊接、钢-不锈钢焊接、钢-硬质合金焊接、半导体材料及陶瓷材料的焊接等。1.6 电子束焊的工艺参数电子束焊的工艺参数主要是加速电压、电子束电流、聚焦电流、焊接速度和工作距离。电子束焊的工艺参数主要由板厚来决定。板厚越大，所要求的热量输入越高。为了防止裂纹、气孔和保证质量，对焊接工艺参数要严格控制。（1）加

11、速电压在相同的功率、不同的加速电压下，所得焊缝深度和形状是不同的。提高加速电压可增加焊缝的熔深，焊缝断面深宽比与加速电压成正比例。当焊接大厚度件并要求得到窄而平的焊缝或电子枪与焊件的距离较大时可提高加速电压。（2）电子束电流由电子枪阴极发射流向阳极的电子束电流（也称束流）与加速电压一起决定着电子束的功率。电子束的功率是指电子束单位时间内放出的能量，用加速电压与电子束电流的乘积表示。增加电子束电流，熔深和熔宽都会增加。在电子束焊中，由于加速电压基本不变，所以为满足不同的焊接工艺要求，常常要调整电子束电流。（3）焊接速度焊接速度和电子束功率一起决定着焊缝的熔深、宽度以及被焊材料熔池行为（冷却、凝固

12、及焊缝融合线形状）。增加焊接速度会使焊缝变窄，熔深减小。（4）聚焦电流电子束焊时，相对于焊件表面而言，电子束焊的聚焦位置有上焦点、下焦点和表面焦点三种，焦点的位置对焊缝成形影响很大。根据被焊材料的焊接速度、接头间隙等决定聚焦位置，进而确定电子束斑点大小。（5）工作距离焊件表面至电子枪的工作距离影响到电子束的聚焦程度。工作距离变小时，电子束的压缩比增大，使电子束斑点直径变小，增加了电子束功率密度。但工作距离太小会使过多的金属蒸汽进入枪体造成放电。在不影响到电子枪稳定工作的前提下，可以采用尽可能短的工作距离。1.7 电子束焊接设备1.7.1 主要生产研制机构1）德国PTR和IGM公司、PROBEA

13、M公司；2）法国TECHMETA（泰克米特）公司；3）英国的CVE公司；4）乌克兰巴东焊接研究所；5）北京航空工艺研究所；6）中科院沈阳金属所；7）桂林电器科学研究所1.7.2 分类按照真空室压力:1）高真空电子束焊机；2）低真空电子束焊机；3）非真空电子束焊机按照加速电压:1）高压型电子束焊机；2）中压型电子束焊机；3）低压型电子束焊机按照电子枪固定方式:1）动枪式电子束焊机；2）定枪式电子束焊机1.7.3电子束焊机介绍 电子束焊机通常由电子枪、高压电源、控制系统、真空工作室、真空系统、工作台及辅助装置等几大部分组成。选用电子束焊设备时，应综合考虑被焊材料、板厚、形状、产品批量等因素。一般来

14、说，焊接化学性能活泼的金属（如W、Ta、Mo、Nb、Ti）及其合金应选用高真空焊机；焊接易蒸发的金属及其合金应选用低真空焊机；厚大焊件应选用高压型焊机，中等厚度工件选用中压焊机；成批量生产时应选用专用焊机，品种多、批量小或单件生产选用通用型焊机。随着真空技术及相关科学技术的蓬勃发展，电子束焊接的可焊性和接头性能研究方面也获得了可喜的进展，电子束焊接相对于传统焊接方式的独特优势，使其开始广泛应用于各种材料、各种构件、各个行业的焊接领域。电子束焊机基本原理图如图1所示.图1 电子束焊机基本原理图1.8 电子束焊接在工业上的应用：1.8.1 飞机和航天飞行器作为一种现代先进的焊接技术，电子束焊接首先

15、进入的就是航空航天领域。小到微型压力传感器，大到航天器外壳，航空航天零部件所用材料的独特性及焊接要求的特殊性， 使得电子束焊接迅速成为这些重要零部件加工所必须采用的工艺，大量应用于飞机重要承力件和发动机转子部件的焊接上。电子束已被用来将钛锻件焊接成新型直升机的转翼，现代战斗机的机翼箱等。发动机上一些其他部件如透平罩、压缩机箱体以及飞机的燃料驱动系统和着陆起落架等也都采用了电子束焊接。由于电子束焊接的变形和热影响区小，已被用于航天飞机发动机的装配焊接。如主燃烧室、热气歧管、高（低）压燃料涡轮泵、高（低）压氧化剂涡轮泵、燃料预燃烧室、氧化剂预燃烧器等间的焊接。美国的F-22战斗机机身段上，由电子束

16、焊接的钛合金焊缝长度达87.6mm，厚度为6.4-25mm。另外，电子束焊接技术还用来焊接汽轮机喷管隔板、高温蒸汽机转轴、汽轮机定子、燃气涡轮叶片、航空发动机转子、摇臂组件、机匣、功率轴、飞机梁、起落架， 导弹壳体、航弹尾翼等1.8.2 发电设备电子束焊接以其独有的优点正在发电设备的制造方面取代传统的焊接方法。如美国、日本等国家都已使用真空电子束焊接取代埋弧焊工艺焊接汽轮机定子和汽轮机导向叶片。使用埋弧焊需要几天才能完成的焊接，使用电子束焊接后仅需几个小时就能完成。1.8.3 汽车工业使用电子束焊接方法焊接汽车后桥，省去了坡口的制作的准备。由于在真空条件下施焊，电子束焊接大大地清除了产生气孔、

17、裂纹、夹渣等这些缺陷的可能。强度得到了保证，获得了极佳的经济效益。此外，真空电子束焊接还用来焊接汽车驱动轮、扭矩变换器、行星齿轮支座、飞轮、滑叉等。都取得了前所未有的效果2。20世纪60年代，日本富士重工和美国通用汽车公司率先采用电子束焊接变速箱齿轮和飞轮，此后电子束焊接便吹响了进军汽车工业的号角。目前，几乎所有的国际汽车制造公司都引入了电子束焊接设备。德国大众汽车公司仅一个齿轮加工车间内， 就装有20余台电子束焊机。汽车生产中，电子束焊接多用来加工发动机、变速器、行走系等处的零件，这些零件的机械加工量相对较少，符合电子束焊接的经济性要求。比如，汽车发动机中的配电盘凸轮必须是渗氮后焊接，因其对

18、接材料不同（低碳渗氮钢-SAE1144），采用其它接合方法比较困难，故采用电子束焊接较为合适；柴油机的预燃室过去采用钎焊（对接材料不锈钢-耐热钢），改用电子束焊后提高了质量， 也降低了成本；起动马达整流子铜环采用电子束焊后，可同时高速焊接数十个，生产率大大提高，成本大幅度下降；转向车轮部分的球窝接头采用电子束焊接，施焊速度非常快，热影响很小，能很好地防止球接头中封装的黄油受热变质；转向柱管的焊接要求变形小、焊接表面光滑，故也适宜采用电子束焊接。另外，从生产成本考虑，汽车工业比航天工业更多地开发和利用非真空电子束焊接。美国最早把非真空电子束焊接引入到批量汽车零件的生产中，欧洲和日本汽车制造商也相

19、继开始采用该技术。非真空电子束焊接突破了“真空”的局限，可以在汽车生产线上连续进行，对于现在汽车上广泛使用的铝合金零件，非真空电子束焊接依然可以获得质量良好的焊接接头。由此可见，电子束焊接热影响小、变形小，可以在工件精加工后进行焊接，又能够实现异种金属焊接。因此，复杂的工件就可以分成几个简单的零件， 每个零件可以单独使用合适的材料和方法加工制造，最后利用电子束焊接成一个完整的工件， 从而可以获得理想的技术性能和显著的经济效益，这就有利于达到汽车生产降低成本和轻量化的要求。1.8.4 电子元器件随着现代工业对电子线路和元器件的要求越来越高，电子束焊在电子行业发挥着越来越重要的作用。真空电子束用来

20、焊接密封晶体管已取代钎代焊焊接晶体管连接接头。有些电子线路和元器件要求其焊缝在焊完后继续保持在真空密封装置内，焊缝不得有腐蚀性杂质。电子束焊接正是满足这种要求的最有效方法。在这一领域里，利用电子束焊接精密可控的独特性能，更容易实现微细精密焊接，同时又能保证焊缝纯净、无污染、不氧化。电子管阴极是发射电子的心脏部件，性能要求高，一般由钨、钼、钽等高熔点金属或其合金材料组成。采用真空电子束焊接可获得光滑牢固的焊接，接头不氧化、无夹渣、不脆不裂。光电管壳由纤维玻璃屏、高铬钢盘、可伐合金筒等组成，内部光电阴极是一种非常敏感的材料，封口焊接作为制管工艺的最后一道工序，不得使粘接的玻璃焊料与纤维屏受伤， 而

21、且不能出现氧化层。采用真空电子束焊接可获得高质量的焊缝， 光滑平整、无氧化、而且气密性好3。传感器封装焊接。某种遥测压力传感器似一个金属电子管， 内部装有一组敏感元件和电子元件，为了使该传感器工作稳定可靠， 采用腔体内部具有一定真空度的结构。该传感器不锈钢外壳上留有一个出气孔。焊接时将传感器置于焊机真空室内， 当达到一定真空度时， 先焊接电极盘与外壳， 再封焊出气孔。电子束焊接成品率很高， 性能测试表明各项指标均达到设计标准， 并且未发现漂移现象，说明缝焊与孔焊的气密性均良好， 内腔具有了一定真空度， 内部元件完好无损。电子束焊接的稳定性很高， 可用于薄件或超薄件的穿透焊或半穿透焊， 焊接规范

22、可以恰到好处。应变传感器的半穿透焊接。某种应变传感器采取薄片与薄壁圆管在外侧相焊的结构， 圆管内充有MgO粉和应变丝。片与管壁的厚度仅0.1-0.15mm，在外侧焊接时只能半透， 不能全透， 不然薄壁圆管出洞造成管内的MgO溅散而报废。电子束焊接工艺规范临界， 稳定性好， 获得了满意的焊缝。1.8.5 机械基础件电子束也用来焊接有特殊要求的机械基础件，如轴、轴承、齿轮、金属带锯、双金属带等。对于硬度极高的金属的切断，使用电子束。可将高速钢型材焊在柔韧的载体带上。适当选择高速钢型材宽度使得铣锯齿时，齿间，即断裂危险区位于柔韧性载体带上，这样，就能使高速钢齿尖达到最佳硬度。带锯能在最佳经济效益下实

23、现最大负荷4。1.8.6 核工业产品电子束焊接最早应用于核工业产品部件，近些年来，在这一领域得到更充分的发展。如：一种核工业多种用途的真空电子束焊机，在离子推进系统中，它应用于难熔、耐蚀金属的焊接和不同金属之间的连接。焊缝无裂纹和泄漏，变形也相当小。1.9 电子束焊的焊接工艺1.9.1 焊前准备（1）结合面的加工与清理电子束焊接头金属紧密配合无坡口对接形式，一般不加填充金属，仅在焊接异种金属或合金，又确有必要时才使用填充金属。要求结合面经机械加工，表面粗糙度一般为1.525。宽焊缝比窄焊缝对结合面要求可放宽，搭接接头也不必过严。焊前必须对焊件表面进行严格清理，否则易产生焊缝缺陷，力学性能变坏，

24、还影响抽气时间。清理完毕后不能再用手或工具触及接头区，以免污染。（2）接头装配电子束焊接头要紧密结合，不留间隙，尽量使结合面平行，以便窄小的电子束能均匀融化接头两边的母材。装配公差取决于焊件厚度、接头形状和焊接工艺要求，装配间隙宜小不宜大。焊薄工件时装配间隙要小于0.13mm，随着焊件厚度的增加，可用稍大一些的间隙。（3）夹紧电子束焊是机械或自动化操作的，如果零件不是设计成自紧式的，必须用夹具进行定位与夹紧，然后移动电子枪体或工作台完成焊接。为了避免电子束发生磁偏转，要使用无磁性的金属制造所有的夹具和工具。（4）退磁所有磁性的金属材料在电子束焊之前都必须退磁。剩磁可能因磁粉探伤、电磁卡盘或电化

25、加工等造成，即使剩磁不大，也足以引起电子束的偏转。焊件退磁后可放在工频感应磁场中，靠慢慢移出进行退磁，也可用磁粉探伤设备进行退磁。1.9.2 接头设计电子束焊接的接头形式有对接、角接、搭接和卷边接头，均可进行无坡口全熔透或给定熔深的单道焊。这些接头原则上可以用于电子束焊接的一次穿透完成。如果电子束的功率不足以穿透接头的全厚度，也可采取正反两面焊的方法来完成5。电子束焊不同接头有各自特有的结合面设计、接缝准备和施焊的方位。设计原则是便于接头的准备、装配和对中，减少收缩应力，保证获得所需熔透度。1.9.3 获得深熔焊的工艺方法电子束焊的最大优点是具有深熔透效应。为了保证获得深熔透效果，除了选择合适

26、的电子束焊工艺参数外，还可以采取如下的一些工艺措施。（1）电子束水平入射焊当焊接熔深超过100mm时，可以采用电子束水平入射焊，从侧向进行焊接。（2）脉冲电子束焊在同样的功率下，采用脉冲电子束焊可有效地增加熔深。（3）变焦电子束焊极高的功率密度是获得深熔焊的基本条件。电子束功率密度最高的区域在其焦点上。焊接大厚度焊件时，可使焦点位置随着焊件的溶化速度变化而改变，始终以最大功率密度的电子束轰击待焊金属。（4）焊前预热或预置坡口焊前预热被焊件，可减少焊接时热量沿焊缝横向的热传导损失，有利于增加熔深。高强度钢焊前预热还可以减少裂纹倾向。在深熔焊时，往往有一定量的金属堆积在焊缝表面，如果预开坡口，这些

27、金属会填充坡口，相当于增加了熔深。1.10 电子束焊接的发展趋势美国和苏联的宇航员还在太空实验窜进行了电子束焊接和切割试验。展现了电子束焊接的广阔发展前景，今后电子束焊接的发展趋势可以概括为6：（1）继续扩大在航空航天工业中的应用范围，并在修复领域发挥作用：（2）焊接设备将趋向多功能化和柔性化；（3）非真空电子束焊接的研究和应用将日益成为热点；（4）在厚大件和批量生产中继续发挥其独特优势；（5）电子束焊接将成为空间结构焊接的强有力工具。1.11电子束焊的应用前景（1）在大批生产中将有较大的发展。例如：在汽车工业中，采用电子束焊技术焊接汽车的齿轮和后桥，可以提高工效、降低成本、减轻零件的质量。（

28、2）在航空航天工业中，电子束焊技术将继续扩大其应用，并发展电子束焊在线检测技术。（3）由于电子束在厚大件焊接中独树一帜，所以在能源、重工业中大有用武之地。（4）在修复领域，电子束焊技术将是有价值的工艺方法之一。（5）电子束焊的焊接设备将趋向多功能及柔性化。电子束焊已属成熟技术，随着应用领域的扩大，出于经济方面的考虑，多功能电子束焊的焊接设备和集成工艺以及电子束焊的柔性化将越来越显得重要。（6）电子束焊将是实现空间结构焊接的强有力工具。1.12 电子束焊接技术的展望经过大半个世纪的发展，电子束焊接已经从实验室走进了制造业地众多领域，在国内外的航空航天、核能、动力、机械、汽车、电子及医疗器械等行业

29、牢固立足，特别是大批量生产、大厚度焊接，以及复杂、特殊构件的焊接中，其优越性和作用更为明显。进入21世纪后，以高新科技产品和现代运载工具为代表的前沿工程科技的需求进一步扩大，而真空技术、电子光学理论、精密仪器、高电压技术、自动化技术、计算机技术、微电子技术和通信技术的蓬勃发展，无疑将促进电子束焊接技术的不断创新和持续发展7。从电子束焊接的本质特征及其在工业中的应用现状来看，今后电子束焊接的发展趋势大致为以下几个方向：1）继续扩大应用范围电子束焊接技术的研究还远没有到丰收期，对电子束流品质特性、与材料的交互作用机理、熔池动力学过程等原理还需要更深入研究，应继续挖掘潜力，研制开发大功率能量密度电子

30、束焊接装置、微精细结构焊接技术以及修复焊接技术，进一步提高工程应用条件下运行的可靠性、稳定性、经济性2）在大厚度件焊接扩大其独特优势短期之内，还没有其他热源能在焊接大厚度构件的深穿透能力上，与电子束焊接一较高下。但目前工业生产实践中，应用电子束焊接大厚件的工艺还不够成熟，存在着工艺参数选择、质量检测、缺陷修复等技术问题，这些问题都需要在以后的研究中陆续解决。3）焊接设备将趋向多功能化在一切强调“自动化”、“智能化”的今天，电子束焊接技术将继续与计算机技术和自动化技术集成，提高设备的智能化、柔性化程度，开发电子束焊接应用软件、开展电子束焊接过程的信息检测与控制技术研究，进行焊接模拟和计算等，推动

31、电子束焊接技术的持续创新与完善。4）非真空电子束焊接的研究和应用将成为热点虽然真空是一种极其理想的保护环境，但从经济性考虑，工业生产中很多方面并不需要如此“苛刻完美”的条件，而且真空室的大小和成本对生产流水线的自动化运作有着很大的限制。因此，局部真空和非真空电子束焊接已经成为国际上高能束焊接研究的一大热点。在保证焊缝质量的前提下，非真空电子束焊接的广泛应用将极大地提高生产效率、降低成本，帮助完成工业产品和技术的更新换代，乃至进一步提高人民的生活水平作出巨大贡献。2. 摩擦焊2.1 定义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

32、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。2.2 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8。示意图见下图2.图2

33、 摩擦焊接过程示意图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。图3 摩擦焊装置示意图2.3 摩擦焊的分类摩擦焊的方法很多，一般根据焊件的相对运动和工艺特点进行分类，主要方法如图1所示。在实际生产中，连续驱动摩擦焊、相位控制摩擦焊、惯性摩擦焊和搅拌摩擦焊应用的比较普遍。通常所说的摩擦焊主要是指连续

34、驱动摩擦焊、相位控制摩擦焊、惯性摩擦焊和轨道摩擦焊，统称为传统摩擦焊，它们的共同特点是靠两个待焊件之间的相对摩擦运动产生热能。而搅拌摩擦焊、嵌入摩擦焊、第三体摩擦焊和摩擦堆焊，是靠搅拌头与待焊件之间的相对摩擦运动产生热量而实现焊接9。2.4 摩擦焊优点介绍（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

35、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。专用的摩擦焊机可以保证焊件的长度公差为士0.2 毫米， 偏心度小于0.2毫米（5）焊接生产率高， 易实现机械化、自动化， 操作技术简单。（6）焊接费用低。由于摩擦焊节省电能、金属变形量小（焊接缩短量少）、接头焊前不需要清理、焊接时不需要填料和保护气体、接头上的飞边有时可以不必去除， 所以焊接费用显著降低。（7）工作场地卫生， 无火花、弧光及有害气休。适于和其它先进的金属加工方法一起列入自动生产线。2.

36、5 摩擦焊焊接工艺2.5.1 工艺特点1） 焊接施工时间短，生产效率高。例如发动机排气门双头自动摩擦焊机的生产率可达8001200件/h。对于外127mm、内径95mm的石油钻杆与接头的焊接，连续驱动摩擦焊仅需要十几秒钟9。2） 因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。用摩擦焊生产的柴油发动机预燃烧室，全长误差为±0.1mm；专用焊机可保证焊后的长度公差为±0.2mm，偏心度为0.2mm。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

37、-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，不污染环境。同时，与闪光焊相比，电能节约510倍。但是，摩擦焊也具有如下缺点与局限性：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，施焊也比较困难。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，必须焊后进行机械加工。4） 夹紧部位容易产生划伤或夹持痕迹。2.5.2 接头形式设计连续驱动摩擦焊可以实现棒材-棒材、管材-管材、棒材-管材、棒材-板材及管材-板材的可靠连接。接合面形状对获得高

38、质量的接头非常重要10。连续驱动摩擦焊接头形式在设计时主要遵循以下原则：1） 在旋转式摩擦焊的两个工件中，至少要有一个工件具有回转断面。2） 焊接工件应具有较大的刚度，夹紧方便、牢固，要尽量避免采用薄管和薄板接头。3） 同种材料的两个焊件断面尺寸应尽量相同，以保证焊接温度分布均匀和变形层厚度相同。4） 一般倾斜接头应与中心线成30°45°的斜面。5） 对锻压温度或热导率相差较大的异种材料焊接时，为了使两个零件的顶锻相对平衡，应调整界面的相对尺寸；为了防止高温下强度低的工件端面金属产生过多的变形流失，需要采用模子封闭接头金属。6） 为了增大焊缝面积，可以把焊缝设计成搭接或维形

39、接头。7） 焊接大断面接头时，为了降低加热功率峰值，可以采用将焊接端面倒角的方法，使摩擦面积逐渐增大。8） 对于棒棒和棒板接头，当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，如果工件条件允许，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。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、不平度和表面粗糙度。2.6 摩擦焊焊接参数（1）连续驱动摩擦焊主要参数有转速、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

40、形量和顶锻变形量（总和为缩短量）是其他参数的综合反应11。1） 转速与摩擦压力。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。转速和摩擦压力的选择范围很宽，它们不同的组合可得到不同的规范，常用的组合有强规范和弱规范。强规范时，转速较低，摩擦压力较大，摩擦时间短；弱规范时，转速较高，摩擦压力小，摩擦时间长。2） 摩擦时间。摩擦时间影响接头的加热温度、温度场和质量。如果时间短，则界面加热不充分，接头温度和温度场不能满足焊接要求；如果时间长，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，消耗的材料多。碳钢工件的摩擦时间一般在140s范围内。3

41、） 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，通常选取的范围为110mm。4） 停车时间。停车时间是转速由给定值下降到零时所对应的时间，直接影响接头的变形层厚度和焊接质量。当变形层较厚时，停车时间要短；当变形层较薄而且希望在停车阶段增加变形层厚度时，则可加长停车时间。5） 顶锻压力、顶锻变形量和顶锻速度。顶锻压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，结合牢靠，晶粒细化。顶锻压力的选择与材质、接头温度、变形层厚度以及摩擦压力有关。材料的高温强度高时，顶锻压力要大；温度高、变形层厚度小时，顶

42、锻压力要小（较小的顶锻压力就可得到所需要的顶锻变形量）；摩擦压力大时，相应的顶锻压力要小一些。顶锻变形量是顶锻压力作用结果的具体反映，一般选取16mm。顶锻速度对焊接质量影响很大，如顶锻速度慢，则达不到要求的顶锻变形量，一般为1040mm/min。（2）对于惯性摩擦焊在参数选取上连续驱动摩擦焊有所不同，主要的参数有起始转速、转动惯量和轴向压力。1） 起始转速。起始转速具体反映在工件的线速度上，对钢-钢焊件，推荐的速度范围为152456m/min。低速（< 91m/min）时，中心加热偏低，飞边粗大不齐，焊缝成漏斗状；中速（91273m/min）焊接时，焊缝深度逐渐增加，边界逐渐均匀；如果

43、速度大于360m/min时，焊缝中心宽度大于其他部位。2） 转动惯量。飞轮转动惯量和起始转速均影响焊接能量。在能量相同的情况下，大而转速慢的飞轮产生顶锻变形量较小，而转速快的飞轮产生较大的顶锻变形量。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，压力过大时，飞边量增大。2.7 典型材料的摩擦焊材料的摩擦焊接性是指材料在摩擦焊接过程中形成优质接头的能力。所谓优质接头，一般是指与母材等强度及等塑性，所涉及的材料有金属材料、陶瓷材料、复合材料、塑料等12。影响材料摩擦焊接性的因素主要有：1） 材料的互溶性。同种材料或互溶性好的异种材料容易进行摩擦焊接；有限互溶、不能相互溶接

44、和扩散的两种材料，很难进行摩擦焊接。2） 材料表面的氧化膜。金属表面上的氧化膜如果容易破碎，则焊合比较容易，如低碳钢的摩擦焊接性比不锈钢好。3） 材料的力学性能。高温强度高、塑性低、导热性好的材料不容易焊接；力学性能差别大的异种材料也不容易焊接。4） 合金的碳当量。碳当量高、淬硬性好的合金材料焊接比较困难。5） 高温氧化性。一些活性金属及高温氧化性大的材料难以焊接。6） 生成的脆性相。凡是能形成脆性化合物层的异种材料，很难获得高可靠性的焊接接头。对这类材料，在焊接过程中必须设法降低焊接温度或减少焊接时间，以控制脆性化合物层的长大，或者添加过渡金属层进行摩擦焊接。7） 摩擦系数。摩擦系数低的材料

45、，加热功率低，得到的焊接温度低，就不容易保证接头的质量，例如焊接黄铜、铸铁等就比较困难。8） 材料的脆性。大多数金属材料都具有很好的摩擦焊接性能，而对于焊接性不好的陶瓷材料及异种材料，为了提高接头性能，摩擦焊接时应选用合适的过渡金属层。应注意，某些摩擦焊接性能不好的材料，随着摩擦焊工艺的发展和设备的改进有可能成为焊接性好的材料。2.8摩擦焊设备2.8.1 传统摩擦焊设备摩擦焊的机械化程度较高，焊接质量对设备的依赖性很大，要求设备要有适当的主轴转速，有足够大的主轴电动机功率、轴向压力和夹紧力，还要求设备同轴度好、刚度大。根据生产需要，还需配备自动送料、卸料、切除飞边等装置。2.8.2 连续驱动摩

46、擦焊机普通型连续驱动摩擦焊机主要由主轴系统、加压系统、机身、夹头、检测与控制系统以及辅助装置等六部分组成。1） 主轴系统。主要由主轴电动机、传动皮带、离合器、制动器、轴承和主轴等组成，主要作用是传送焊接所需要的功率，承受摩擦扭矩。2） 加压系统。主要包括加压机构和受力机构。加压机构的核心是液压系统。液压系统包括夹紧油路、滑台快进油路、滑台工进油路、顶锻保压油路以及滑台快退油路等五个部分。夹紧油路主要通过对离合器的压紧与松开完成主轴的启动、制动以及工件的夹紧、松开等任务。当工件装夹完成之后，滑台快进；为了避免两工件发生撞击，当接近到一定程度时，通过油路的切换，滑台由快进转变为工进。工件摩擦时，提

47、供摩擦压力，依靠顶锻油路调节顶端力和顶锻速度的大小；当顶锻保压结束后，又通过油路的切换实现滑台快退，达到复位后停止运动，一个焊接循环结束。受力机构的作用是为平衡轴向力（摩擦压力、顶锻压力）和摩擦扭矩及能防止焊机变形，保持主轴与加压系统的同心度。扭矩的平稳常利用装在机身上的导轨来实现。轴向力的平衡可采用单拉杆或双拉杆结构，即以工件为中心，在机身中心位置设置单拉杆或以工件为中心、对称设置双拉杆。3） 机身。机身一般为卧式，少数为立式。为防止变形和振动，应有足够的强度和刚度。主轴箱、导轨、拉杆、夹头都装在机身上。4） 夹头。夹头分为旋转和固定两种。旋转夹头又有自定心弹簧夹头和三爪夹头之分。弹簧夹头适

48、宜于直径变化不大的工件；三爪夹头适宜于直径变化较大的工件。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） 检测与控制系统。参数检测主要涉及时间（摩擦时间、刹车时间、顶锻上升时间、顶锻维持时间）、加热功率、摩擦压力（一次压力和二次压力）、顶锻压力、变形量、扭矩、转速、温度、特征信号（如摩擦开始时刻、功率峰值及所对应的时刻）等。控制系统包括程序控制和参数控制。程序控制用来完成上料、夹紧、滑台快进、滑台工进、主轴旋转、摩擦加热、离合器松开、刹车、顶锻保证、车除飞边、滑台后退、工件退出等顺序动作及其联锁保护等。焊接参数控制，则根据方案进行相应的诸如时间控制

49、、功率峰值控制、变形量控制、温度控制、变参数复合控制等。6） 辅助装置。主要包括自动送料、卸料以及自动切除飞边装置等13。2.8.3 惯性摩擦焊机惯性摩擦焊机由电动机、主轴、飞轮、夹盘、移动夹具、液压缸等组成。2.8.4 搅拌摩擦焊设备搅拌摩擦焊接设备的部件很多，从设备功能结构上可以把搅拌摩擦焊机分为搅拌头、机械转动部分、行走部分、控制部分等。（1）常用搅拌摩擦焊接设备常用的搅拌摩擦焊接设备大致可以分为悬臂式、C型和龙门式三大类型。悬臂式搅拌摩擦焊接设备根据型号不同，可以焊接15mm、310mm、315m和320mm厚铝合金或镁合金。焊件直径2.2m以下，长度不超过15m，控制方式为3轴数控。

50、C型搅拌摩擦焊接设备一般焊接厚度10mm以下的铝合金或镁合金，焊缝形式为纵向直缝、T形焊缝和环焊缝。龙门式搅拌摩擦焊接设备主要用于大型构件、大厚度材料的焊接，是生产中应用最多的一种。（2）数控FSW焊接设备这种设备不同于传统的三维刚性控制机械，它利用了六脚昆虫原理，由6个支架组成，每个支架都可以改变长度。在负载、刚度和再现性等方面都比传统的搅拌摩擦焊设备有优势。设备的主轴固定在一个框架上，可以使6个支架都能自由移动，用来高速焊接一些航空构件，设备的工作空间为1.2m×1.2m×1.2m。（3）搅拌摩擦焊机器人为了实现三维空间曲线的搅拌摩擦焊接，增加焊接适应性，研制了搅拌摩擦

51、焊接机器人，可以实现空间焊缝的焊接。2.9 摩擦焊焊接工艺2.9.1接头形式的设计连续驱动摩擦焊可以实现圆棒-圆棒、圆管-圆管、圆棒-圆管、圆棒-板材及圆管-板材的可靠连接，接头形式对焊接质量尤为重要14。连续驱动摩擦焊焊接接头形式在设计时主要遵循一下原则：1）两被焊件中，最好旋转件是圆形且便于绕轴线做高速旋转。2）焊件应具有较大的刚度，夹紧方便、牢固，要尽量避免采用薄管和薄板接头。3）同种材料的两个焊件截面尺寸应尽量相同，以保证焊接温度分布均匀和变形层厚度相同。4）对锻压温度或热导率相差较大的异种材料焊接时，为了使两个零件的顶锻相对平衡，应调整界面的相对尺寸。5）一般倾斜接头应与中心线成30

52、-50度的斜面。6）为了增大焊缝面积，可以把焊缝接头设计成搭接或锥形接头。7）焊接大截面焊接接头时，为了降低加热功率峰值，可采用将焊接端面倒角的方法，使摩擦面积逐渐增大。8）要注意飞边的流向，使其在焊接时不受阻碍的被挤出。在不可能切除飞边或者要节省飞边切除费用的情况下，可设计带飞边槽的接头。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。2.9.2 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

53、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。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。2.9.3 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15。2.10 摩擦焊安全防护1）操作者必须熟悉机床操作顺序和性能，严禁超性能使用设备。 2）操作者必须经过培训、考试或考核合格后，持证上岗。 3）开机前，按设备润滑图表注油，检查油标油位或注油点。 4）启动油泵电机，弹性夹头夹紧工件，调节液压系统压力、工作压力、夹

54、紧压力，顶锻压力，检查主轴箱润滑。 5）在调整状态下，调节滑台、刀架移动速度和距离。 6）检查主轴箱润滑、离合、制动，低速转动主轴。 7）停机前复位，关闭主轴电机，待主轴停转后，关闭油泵电机。 8）关闭机床电控总开关，关闭电控柜空气开关。 9）清洁机床，按设备润滑图表或注油点进行注油。 10）严禁穿拖鞋、凉鞋、半短裤操作，以防铁屑烫伤，严禁戴手套操作。 11）夹具的防转块必须锁紧，避免螺钉或防转块飞出，装卸夹具应用专门板手，不许把锥面变形的弹簧夹具装上使用。 13）快进、快退不能调得太快，防止发生危险，皮带张紧要适当，防护罩须锁紧。 14）飞边切前量应由小到大，工进要适当。 15）清洗油要及时

55、处理，回火油不能装得太满，放、取料应小心。 16）机床油桶应有良好接地保护，不许擅自拆修。2.11 摩擦焊的应用目前我国摩擦焊技术的应用比较广泛，可焊接直径3.0120mm的工件以及8000mm²的大截面管件，同时还开发了相位焊和径向摩擦焊技术，以及搅拌摩擦焊技术。不仅可焊接钢、铝、铜，而且还成功焊接了高温强度级相差很大的异种钢和异种金属，以及形成低熔点共晶和脆性化合物的异种金属。如高速钢碳钢、耐热钢低合金钢、高温和金合金钢、不锈钢低碳钢、不锈钢电磁铁以及铝铜、铝钢等。近年来随着我国航空航天事业的发展，也加速了摩擦焊技术向这些领域的渗透，进行了航空发动机转子、起落架结构件、紧固件等材

56、料（Ln718Ti17300MGH159GH4169）以及金属与陶瓷、复合材料、粉末高温合金的摩擦焊工艺试验研究，某些电工材料的钎焊工艺也开始用摩擦焊接所取代。如电磁铁不锈钢、钨铜合金等。目前我国采用摩擦焊接方法焊接的产品有：锅炉行业的蛇形管摩擦焊接，阀门行业的阀门法兰和阀体密封座的摩擦焊接，轴瓦行业的止推边轴瓦的摩擦焊接，工具行业的钻头、铣刀、铰刀的刃部与柄部的摩擦焊接，汽车及机车行业发动机的双金属排气阀、气门顶杆、柴油机预热室喷咀、半轴、扭力管、内燃机增压器涡轮轴，潜水电泵转轴，紫铜不锈钢水接头，铝铜过渡接头，纺织机梭子芯，关节轴承，泥瓦工具，地质钻杆，石油钻杆、实心、空心抽油杆，航空发动

57、机集成齿轮，木工多用机床上的刀轴等等。我国现有六百余台摩擦焊机，绝大部分是连续驱动摩擦焊机。近年来由于加强了与德国KUKA、日东株氏会社、美国MTI公司等摩擦焊机制造公司的交流与引进样机，焊机先后采用了液压马达驱动的主轴系统，串联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，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。        面对国内市场的需要，摩擦焊机的生产也在向系列