压力焊之摩擦焊

1、摩摩 擦擦 焊焊 摩擦焊是在轴向压力与扭矩作用下，利用焊接接触端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。观塑性变形，然后迅速顶锻而完成焊接的一种压焊方法。摩擦焊的分类摩擦焊的分类相位控制摩擦焊相位控制摩擦焊线性摩擦焊摩擦焊原理摩擦焊原理（以（以4545圆棒连续驱动摩擦焊为例）圆棒连续驱动摩擦焊为例）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

2、程。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。摩擦加热过程又可细分为四个阶段：摩擦加热过程又可细分为四个阶段：初始摩擦阶段初始摩擦阶段(t(t1 1) )；不稳定摩擦阶段；不稳定摩擦阶段(t(t2 2) ) ；稳定摩擦阶段；稳定摩擦阶段(t(t3 3) ) ；停车阶段；停车阶段(t(t4 4) ) 。初始摩擦阶段初始摩擦阶段(t1) ：由于工件端面不平，且存在氧化膜、铁锈、油：由于工件端面不平，且存在氧化膜、铁锈、油污等，使得摩擦系数很大。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凸凹不平的表面迅速产生塑性变形和机械挖掘现象，破坏氧化膜，使摩擦界面出现同心圆痕迹

3、。挖掘现象，破坏氧化膜，使摩擦界面出现同心圆痕迹。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上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，在呈双曲线分布，中心压力最大，外缘最小；温度沿径向分布不均匀，在压力和速度的综合作用下，从距圆心半径压力和速度的综合作用下，从距圆心半径23的部位温度率先上升。的部位温度率先上升。不稳定摩擦阶段不稳定摩擦阶段(t(t2 2) )：此阶段断面温度上升，实际摩擦接触面积此阶段断面温度上升，实际摩擦接触面积增大，加热功率迅速提高。但随着温度的增高，金属塑性增高，强度、增

4、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、韧性显著下降，因此摩擦加热功率又迅速降低到稳定值韧性显著下降，因此摩擦加热功率又迅速降低到稳定值d点。点。 加热功率和摩擦扭矩都在加热功率和摩擦扭矩都在c点呈现出最大值，对应温度上升到点呈现出最大值，对应温度上升到700左左右，在不稳定摩擦阶段末，升高到右，在不稳定摩擦阶段末，升高到12001300。这时摩擦表面的机。这时摩擦表面的机械挖掘现象减少，开始产生金属的粘结与剪断现象，断面全面接触。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。 稳定摩擦阶段稳定摩擦阶段(t(t3 3) ) 摩擦面温度继续升高并逐渐均匀化。金属

5、的粘结摩擦面温度继续升高并逐渐均匀化。金属的粘结现象减少，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，摩擦变形量不断增大，变形层金属从摩擦表面挤出形成飞边。变形量不断增大，变形层金属从摩擦表面挤出形成飞边。 停车阶段停车阶段(t(t4 4) )： 停车阶段是摩擦加热过程至顶锻焊接过程的过渡阶停车阶段是摩擦加热过程至顶锻焊接过程的过渡阶段，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。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。接头中的高温金属被大量挤出，工件的轴向缩短量增大。接头中的高温金属被大量挤

6、出，工件的轴向缩短量增大。 顶锻焊接过程：顶锻焊接过程：包括包括纯顶锻阶段纯顶锻阶段(t(t5 5) ) 和和 顶锻维持阶段顶锻维持阶段(t(t6 6) )。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，以获得合适的摩擦变形量得合适的摩擦变形量lf 和顶锻变形量和顶锻变形量lu。 摩擦焊工艺参数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，其中擦变形量、停车时间、顶锻时间、顶锻压力、顶锻变形量，

7、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。映。转速与摩擦压力转速与摩擦压力 直接影响摩擦扭矩、摩擦加热功率、接头温直接影响摩擦扭矩、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。艺参数。转速与变形层厚度、深塑区位置和飞边的关系转速与变形层厚度、深塑区位置和飞边的关系（19低碳钢棒，摩擦压力低碳钢棒，摩擦压力86MPa） 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。不同的转速与摩擦压力的组合，可以得到不同的焊接加热

8、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；另一种是种是强规范，即转速较低，摩擦压力大，摩擦时间短；另一种是弱规范，即转速较高，摩擦压力小，摩擦时间长。弱规范，即转速较高，摩擦压力小，摩擦时间长。 摩擦时间（或摩擦变形量）摩擦时间（或摩擦变形量） 摩擦时间决定了接头摩擦加热摩擦时间决定了接头摩擦加热过程，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、接头了的瞬间，

9、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。有较小的飞边。 停车时间停车时间 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。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（或顶锻变形量）顶锻压力的作用是挤碎和挤出变形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。接工件的材料性能、接头的温度高

10、低及分布、变形层的厚度。 摩擦焊的特点摩擦焊的特点 优点优点焊接接头质量高：属固相焊，避免了熔焊时的裂缝、气孔等缺焊接接头质量高：属固相焊，避免了熔焊时的裂缝、气孔等缺陷，接头组织致密，夹杂物呈弥散分布；陷，接头组织致密，夹杂物呈弥散分布；工件变形小，尺寸精度高；工件变形小，尺寸精度高；适合于大多数同种或异种金属的焊接；适合于大多数同种或异种金属的焊接；易于实现机械化、自动化；易于实现机械化、自动化；高效、节能、环保。高效、节能、环保。 缺点缺点焊件的结构形状与焊接位置受限；焊件的结构形状与焊接位置受限；对焊件的加工与夹持要求较高；对焊件的加工与夹持要求较高；接头有飞边，焊后需进行机械加工去除

11、；接头有飞边，焊后需进行机械加工去除；设备一次性投资费用高。设备一次性投资费用高。45#W8Co3N 高速钢 焊合区的显微焊合区的显微组织形态（焊组织形态（焊后退火淬火后退火淬火高温回火）高温回火） 摩擦焊的应用摩擦焊的应用 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，如不锈钢不容易焊接，如不锈钢- -铜、硬质合金铜、硬质合金- -钢等。

12、活性金属钢等。活性金属（如钛、锆等）（如钛、锆等） 、淬硬性强的钢材、表面氧化膜不易破、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）的金碎或有镀膜、渗层及摩擦系数小（如铸铁、黄铜等）的金属很难焊接。属很难焊接。离合器筒体和轴套的组焊柴油发动机活塞涡轮推进器自行车轮叉铸钢为铸钢为100mm100mm300mm(300mm(旋转端旋转端) )和铸铝和铸铝100mm100mm600mm(600mm(移动端移动端) )兰州理工大学材料学院兰州理工大学材料学院 王希靖王希靖 剑桥焊接研究所已经在研究采用剑桥焊接研究所已经在研究采用LFW技术制造整体叶轮，技术制造整体叶轮

13、，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学开展了整体叶盘LFW焊接过程中温度场、应力场的计算机焊接过程中温度场、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。数值模拟及焊接过程的拟实分析与验证实验等工作。淝河汽车制造厂用双头摩擦焊机焊接后桥轴淝河汽车制造厂用双头摩擦焊机焊接后桥轴装夹卡盘装夹卡盘搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊 搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊是英国焊接研究所是英国焊接研究所19911991年推出的一项专利技年推出的一项专利技术术。焊接时高速旋转的搅拌头上的特形指棒钻入工件的接焊接时高速旋转的搅拌头上的特形

14、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缝处，与工件摩擦生热，使被焊金属成塑性状态 , ,搅拌金搅拌金属形成一个旋转空腔属形成一个旋转空腔并并随摩擦头前移，被挤出的塑性金属随摩擦头前移，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。填入先前形成的空腔，冷却后即形成致密的焊缝。搅拌摩擦焊过程搅拌摩擦焊过程搅拌头扎入阶段搅拌头扎入阶段 是将具有一定转速的搅拌头缓慢扎入接合面是将具有一定转速的搅拌头缓慢扎入接合面内，在扎入过程结束时热循环温度达到最高。随着搅拌头沿焊缝内，在扎入过程结束时热循环温度达到最高。随着搅拌头沿焊缝方向行走，热循环温度迅速下降。方向行走，热循环

15、温度迅速下降。 搅拌摩擦焊接过程 分为三个阶段：分为三个阶段： 搅拌头扎入阶段搅拌头扎入阶段 搅拌头沿焊缝方向搅拌头沿焊缝方向 行走阶段行走阶段 搅拌头提起阶段搅拌头提起阶段 搅拌头沿焊缝方向行走阶段搅拌头沿焊缝方向行走阶段 搅拌头必须向前方金属施加挤搅拌头必须向前方金属施加挤压作用，促使材料流动到搅拌头后方形成的空腔内，因而搅拌头压作用，促使材料流动到搅拌头后方形成的空腔内，因而搅拌头与焊件间的摩擦作用较强，摩擦热输入和热循环最高温度值较大。与焊件间的摩擦作用较强，摩擦热输入和热循环最高温度值较大。 搅拌头提起阶段搅拌头提起阶段 搅拌头与焊件界面间的摩擦热输入不断降低，搅拌头与焊件界面间的摩

16、擦热输入不断降低，因而热循环最高温度降低。搅拌头离开焊件后，因而热循环最高温度降低。搅拌头离开焊件后， 在焊缝的终端形在焊缝的终端形成一个匙孔。成一个匙孔。焊核区热机影响区热影响区搅拌摩擦焊的接头形式搅拌摩擦焊的接头形式搅拌摩擦焊工艺搅拌摩擦焊工艺 搅拌摩擦焊接参数主要包括搅拌摩擦焊接参数主要包括搅拌头转速搅拌头转速n、焊接速度、焊接速度v 、搅拌头仰角和轴肩压力。搅拌头仰角和轴肩压力。铝镁合金的搅拌摩擦焊接头的铝镁合金的搅拌摩擦焊接头的检测结果。检测结果。 搅拌头仰角表示搅拌头向后倾斜的程度，向后倾斜的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。目的是对焊缝施加压力。

17、 轴肩压力除了影响搅拌摩擦产热以外，还对搅拌后的塑性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。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。铝、镁、铜、钛等有色金属及其合金的焊接。 搅拌摩擦焊是世界焊接技术发展史上自发明到工业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焊接史上的“第二次革命第二次革命”。近年来，

18、英国、美国、法。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。复合材料的焊接。搅拌摩擦焊的应用搅拌摩擦焊的应用挪威采用搅拌摩擦焊技术制造船用宽幅铝合金型材挪威采用搅拌摩擦焊技术制造船用宽幅铝合金型材搅拌摩擦焊在船舶制造中的应搅拌摩擦焊在船舶制造中的应用用搅拌摩擦焊预制豪华游轮上的铝合金甲板搅拌摩擦焊预制豪华游轮上的铝合

19、金甲板宽幅铝合金船舶壁板搅拌摩擦焊及其设备宽幅铝合金船舶壁板搅拌摩擦焊及其设备搅拌摩擦焊制造出口搅拌摩擦焊制造出口密克罗尼西亚铝合金船舶密克罗尼西亚铝合金船舶美国用搅拌摩擦焊焊接军舰船美国用搅拌摩擦焊焊接军舰船头头搅拌摩擦焊在航空航天工业中的应用搅拌摩擦焊在航空航天工业中的应用大型军用运输机舱内底板采用搅拌摩擦焊制造大型军用运输机舱内底板采用搅拌摩擦焊制造空客公司用搅拌摩擦焊制造空客公司用搅拌摩擦焊制造A340A340客机机翼客机机翼火箭推进器储箱筒段纵缝和对接环缝采用搅拌摩擦焊火箭推进器储箱筒段纵缝和对接环缝采用搅拌摩擦焊欧洲欧洲FokkerFokker宇航公司将搅拌摩擦焊技术用于宇航公司将

20、搅拌摩擦焊技术用于ArianeAriane 5 5发动机主承力框的制造，发动机主承力框的制造，承力框的材料为承力框的材料为7075-T73517075-T7351，主体结构由，主体结构由1212块整体加工的带翼状加强的平板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。装配提供了较大的裕度，并可减轻结构重量，提高生产效率。 Eclipse 500Eclipse 500型商用喷气客机的搅拌摩擦焊焊接构件型商用喷气客机的搅拌摩擦焊焊接

21、构件美国美国Eclipse飞机制造公飞机制造公司斥资司斥资3亿美元用于搅拌亿美元用于搅拌摩擦焊的飞机制造计划，摩擦焊的飞机制造计划，其制造的第一架搅拌摩其制造的第一架搅拌摩擦焊商用喷气客机于擦焊商用喷气客机于2002年年8月在美国进行了月在美国进行了首飞测试。其机身蒙皮、首飞测试。其机身蒙皮、翼肋、弦状支撑、飞机翼肋、弦状支撑、飞机地板以及结构件的装配地板以及结构件的装配等铆接工序均由搅拌摩等铆接工序均由搅拌摩擦焊替代，提高了生产擦焊替代，提高了生产效率、节约了制造成本效率、节约了制造成本且减轻了机身重量。且减轻了机身重量。 C-130载货运输机的地板飞机壁板结构搅拌摩擦焊接喷气商务飞机Eli

22、pse500及机身焊接结构搅拌摩擦焊在核工业中的应用搅拌摩擦焊在核工业中的应用采用采用FSWFSW技术封装核废料铜桶技术封装核废料铜桶FSW用于单片式燃料元件制造嵩嵩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。制造自支撑结构的铝合金车厢。 搅拌摩擦焊的实况录像搅拌摩擦焊的实况录像 ：板状对接板状对接；管状对接管状对接；双面摩擦焊双面摩擦焊搅拌摩擦点焊搅拌摩擦点焊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，由搅拌头的原理：使用搅拌头在旋转的同时向下移动，由搅拌头的旋转摩擦产生热量使焊

23、接基材软化、搅拌后产生塑性流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。动，从而达到材料一体化。 这项新技术具有广泛的适用性，因此在车辆、船舶、飞这项新技术具有广泛的适用性，因此在车辆、船舶、飞机等的板和加强材构造方面都可以应用，并且还可能被用机等的板和加强材构造方面都可以应用，并且还可能被用于交通标志、家电、烹调器具等制造领域。于交通标志、家电、烹调器具等制造领域。德国搅拌摩擦点焊研究现状德国搅拌摩擦点焊研究现状 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），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），最外面的蓝色部分起压紧作用，当搅

24、拌头开始接触板材时，搅拌头的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，中间旋转的轴肩一个是圆筒型的，用棕色表示；探针用绿色表示；旋转的轴肩一个是圆筒型的，用棕色表示；探针用绿色表示； 123456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，板材表面开始由于摩擦而温度升高（图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）。接下来中间绿色的探针不断下压，而棕色的圆筒型轴肩开始升高，由于绿色探针

25、下针不断下压，而棕色的圆筒型轴肩开始升高，由于绿色探针下压而挤出的金属，进入了棕色轴肩升高而形成的空腔（图压而挤出的金属，进入了棕色轴肩升高而形成的空腔（图2）。）。 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）。接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属又被棕色轴肩挤出来（图属又被棕色轴肩

26、挤出来（图4），直到原先被挤出的所有金属都被挤出来），直到原先被挤出的所有金属都被挤出来（图（图5），最终形成一个漂亮的没有），最终形成一个漂亮的没有“匙孔匙孔”的点焊焊点（图的点焊焊点（图6）。）。 20022002年年4 4月，北京航空制造工月，北京航空制造工程研究所与英国焊接研究所在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，之后在搅拌搅拌摩擦焊中心，之后在搅拌摩擦焊技术、工艺、设备制造摩擦焊技术、工艺、设备制造等方面都有了突破性的进展，等方面都有了突破性的进展，并已在工业产中得到应用并已在工业产中得到应用 。列车用宽幅型材列车用宽幅型材铝