特种焊接技术摩擦焊

1、第四单元 摩擦焊综合知识模块 4.1 摩擦焊概述4.1 o摩擦焊摩擦焊（friction welding，FRW） 4.1.1 摩擦焊的基本原理 一、摩擦焊的分类一、摩擦焊的分类1按焊件相对运动形式进行分类按焊件相对运动形式进行分类 2按焊接工艺特点进行分类按焊接工艺特点进行分类 二、常规摩擦焊方法二、常规摩擦焊方法o1. 连续驱动摩擦焊连续驱动摩擦焊 o2. 惯性摩擦焊惯性摩擦焊o3. 相位摩擦焊相位摩擦焊o4. 径向摩擦焊径向摩擦焊o5. 摩擦堆焊摩擦堆焊 o6线性摩擦焊线性摩擦焊 o7嵌入式摩擦焊嵌入式摩擦焊o8超塑性摩擦焊超塑性摩擦焊 o9第三体摩擦焊第三体摩擦焊 1. 连续驱动摩擦焊

2、连续驱动摩擦焊2. 惯性摩擦焊惯性摩擦焊3. 相位摩擦焊相位摩擦焊 1）机械同步相位摩擦焊 2）插销配合摩擦焊 4. 径向摩擦焊径向摩擦焊5. 摩擦堆焊摩擦堆焊 6线性摩擦焊线性摩擦焊 7嵌入式摩擦焊嵌入式摩擦焊 8超塑性摩擦焊超塑性摩擦焊 9第三体摩擦焊第三体摩擦焊 三、摩擦焊的特点三、摩擦焊的特点 三、摩擦焊的特点三、摩擦焊的特点 4.1.3 摩擦焊的应用1. 适用的材料适用的材料1. 适用的材料适用的材料2应用的行业及其产品应用的行业及其产品 4.2 传统摩擦焊的工艺与设备4.2.1 传统摩擦焊的工艺过程一 传统摩擦焊焊接过程传统摩擦焊焊接过程 二二 摩擦焊加热功率及其温度摩擦焊加热功率

3、及其温度 3f1RnpKP4.2.2 传统摩擦焊的工艺及参数一、一、 接头形式设计与表面准备接头形式设计与表面准备1摩擦焊接头的形式设计摩擦焊接头的形式设计 连续驱动摩擦焊接头形式在设计时主要遵循以下原则 2接头表面准备接头表面准备 二二 焊接工艺参数焊接工艺参数 o 1连续驱动摩擦焊的工艺参数连续驱动摩擦焊的工艺参数 o 2惯性摩擦焊的工艺参数惯性摩擦焊的工艺参数 1连续驱动摩擦焊的工艺参数连续驱动摩擦焊的工艺参数1连续驱动摩擦焊的工艺参数连续驱动摩擦焊的工艺参数1连续驱动摩擦焊的工艺参数连续驱动摩擦焊的工艺参数1连续驱动摩擦焊的工艺参数连续驱动摩擦焊的工艺参数1连续驱动摩擦焊的工艺参数连续

4、驱动摩擦焊的工艺参数2惯性摩擦焊的工艺参数惯性摩擦焊的工艺参数 o 惯性摩擦焊在参数选取上与连续驱动摩擦焊有所不同，主要的参数有飞轮转动惯量、飞轮起始转速和轴向压力。 o 1）飞轮转动惯量 o 2）飞轮初速度 o 3）轴向压力 4.2.3 典型材料的摩擦焊接工艺o 一、材料的摩擦焊接性一、材料的摩擦焊接性 o 二、焊接工艺参数的选择原则二、焊接工艺参数的选择原则 o 三、典型材料的摩擦焊接典型材料的摩擦焊接一、材料的摩擦焊接性一、材料的摩擦焊接性 二、焊接工艺参数的选择原则二、焊接工艺参数的选择原则 o 碳钢的连续驱动摩擦焊接参数选择范围为：摩擦速度0.63m/s，摩擦压力20100 MPa，

5、摩擦时间140s，变形量1l0mm，停车时间0.11s，顶锻压力100200 MPa，顶锻变形量16mm，顶锻速度1040 mm/ s。 o 焊接高温强度差别比较大的异种钢或某些不产生脆性化合物的异种金属时，除了在高温强度低的材料一方加模子以外，还要适当延长摩擦时间，提高摩擦压力和顶锻压力。 三典型材料的摩擦焊接典型材料的摩擦焊接 o 1铝铝-铜过渡接头的低温摩擦焊铜过渡接头的低温摩擦焊 o 2高速钢高速钢-45号钢刀具的封闭摩擦焊号钢刀具的封闭摩擦焊o 3锅炉蛇形管的摩擦焊锅炉蛇形管的摩擦焊 o 4石油钻杆的摩擦焊石油钻杆的摩擦焊 o 5树脂基管道的线性摩擦焊接树脂基管道的线性摩擦焊接 1铝

6、铝-铜过渡接头的低温摩擦焊铜过渡接头的低温摩擦焊接头直径/mm转 速（rmin-1）摩擦压力/MPa摩擦时间/s顶锻压力/MPa模外留量 /mm 铝铜6101620263036401030540320270208180170160140170200240280300330350666666666004504004004004004004001222222210131820222426282高速钢高速钢-45号钢刀具的封闭摩擦焊号钢刀具的封闭摩擦焊接头直径/mm转速（rmin-1）摩擦压力/MPa顶锻时间/s顶锻压力/MPa备注14200012010240采用模子20200012012240采用

7、模子30200012014240采用模子40150012016240采用模子50150012018240采用模子60100012020240采用模子3锅炉蛇形管的摩擦焊锅炉蛇形管的摩擦焊 o 锅炉制造中，为了节省能量，采用材料为20号钢、直径为32mm、壁厚4mm的蛇形管制造。o 在摩擦焊接时，由于管子长达12m左右，需要解决长管的平稳旋转、焊接质量稳定和减少内毛刺等问题。o 为了提高和稳定蛇形管的焊接质量、减少内毛刺，选择采用强规范摩擦焊。 转速（rmin-1）摩擦压力/MPa摩擦时间/s顶锻压力/MPa接头变形量/mm备注14301000.822002.32.4采用功率极值控制4石油钻杆的

8、摩擦焊石油钻杆的摩擦焊o 石油钻杆是由带螺纹的工具接头与管体焊接而成。o 工具接头材料为35CrMo钢，管体材料为40Mn2钢。常用钻杆的焊接断面为140mm 20mm，127mm l0mm。o 采用大型焊机,，了降低摩擦加热功率（特别是峰值功率），需采用弱规范焊接。 接头尺寸/mm转速/（rmin-1）摩擦压力/MPa摩擦时间/s顶锻压力/MPa接头变形量/mm备注141 20127155305630501214摩擦变形量12mm顶锻变形量8 10 mm钻杆工具接头焊接端面倒角5树脂基管道的线性摩擦焊接树脂基管道的线性摩擦焊接 o 采用振动夹头使待焊界面上下摩擦，当达到可以接合的温度后停止振

9、动摩擦，施加顶锻压力实现焊接。 o 树脂基管道线性摩擦焊接的主要参数是振动频率、振幅和顶锻压力。n 对于外径216mm，壁厚16mm的管道，振幅可选择lmm左右，振动频率在15Hz以下，接头的屈服强度可达20 MPa以上，几乎与母材等强度，伸长率达到了母材的72%。 4.2.4 传统摩擦焊设备o 一、传统摩擦焊设备的组成一、传统摩擦焊设备的组成 o 二、典型设备的技术参数二、典型设备的技术参数一、传统摩擦焊设备的组成一、传统摩擦焊设备的组成 二、典型设备的技术参数二、典型设备的技术参数o 表4-10和表4-11是部分国内连续驱动摩擦焊机和混合式摩擦焊机的型号、技术指标和适用范围o 表4-12是

10、部分惯性摩擦焊机的型号和技术指标。 4.2.5 传统摩擦焊质量控制与安全技术o 一、焊接质量及其控制一、焊接质量及其控制 o 二、安全技术二、安全技术 一、焊接质量及其控制一、焊接质量及其控制 o 1焊接缺陷及产生原因焊接缺陷及产生原因 o 2质量控制质量控制 1焊接缺陷及产生原因焊接缺陷及产生原因2质量控制质量控制 2质量控制质量控制 2质量控制质量控制 二、安全技术二、安全技术 4.3 搅拌摩擦焊4.3 搅拌摩擦焊o 4.3.1 搅拌摩擦焊的焊接过程及特点o 4.3.2 搅拌摩擦焊工艺o 4.3.3 搅拌摩擦焊设备o 4.3.4 搅拌摩擦焊技术的应用4.3.1 搅拌摩擦焊的焊接过程及特点

11、4.3.2 搅拌摩擦焊工艺一、搅拌摩擦焊接头形式一、搅拌摩擦焊接头形式 二、搅拌摩擦焊的热输入与焊接参数二、搅拌摩擦焊的热输入与焊接参数 三、搅拌摩擦焊接参数的选择三、搅拌摩擦焊接参数的选择 一、搅拌摩擦焊接头形式一、搅拌摩擦焊接头形式二、搅拌摩擦焊的热输入与焊接参数二、搅拌摩擦焊的热输入与焊接参数三、搅拌摩擦焊接参数的选择三、搅拌摩擦焊接参数的选择o 搅拌摩擦焊接参数主要包括焊接速度（搅拌焊头沿焊缝方向的行进速度）、搅拌焊头转速、焊接压力、搅拌焊头结构参数（倾角）、搅拌焊头插入速度和保持时间等。 1焊接速度 2搅拌焊头旋转速度搅拌焊头旋转速度 3焊接压力焊接压力 4.3.3 搅拌摩擦焊设备一

12、、搅拌摩擦焊接工具一、搅拌摩擦焊接工具 o 1轴肩轴肩 o 2搅拌针搅拌针 二、搅拌摩擦焊机二、搅拌摩擦焊机 4.3.4 搅拌摩擦焊技术的应用o 一、典型材料的搅拌摩擦焊一、典型材料的搅拌摩擦焊 o 二、搅拌摩擦焊的工业应用二、搅拌摩擦焊的工业应用 一、典型材料的搅拌摩擦焊一、典型材料的搅拌摩擦焊 o 1 铝合金的焊接铝合金的焊接 o 2 镁合金的焊接镁合金的焊接 o 3 铜合金的焊接铜合金的焊接o 4 钛合金的焊接钛合金的焊接o 5 钢的焊接钢的焊接 1 铝合金的焊接铝合金的焊接材料板厚/mm转速/rmin-1焊接速度/mmmin-11050556018401552024-T66.54001

13、200602024-T36.42153607726720951.6100024621955.8200一2501 595052-O220004050838500702006061-T66.38001206.5400120060AA6081-T4（美国）5.810003506061铝基复合材料41500500608242200250070014007075-T64100030020244200037. 52 镁合金的焊接镁合金的焊接 焊接速度/mmmin-1306095118235300抗拉强度/MPa试件1143141146134159172试件2130132138135151167接头与母材强

14、度比/%试件1646365607176试件25857616067743 铜合金的焊接铜合金的焊接o 焊接操作简单，焊前只需丙酮等有机溶剂去除结合面油脂，无需开坡口去除氧化膜；o 焊后无需去除余高，提高了生产效率。焊接过程能耗小，无需填充材料，焊接成本低。 4 钛合金的焊接钛合金的焊接o 采用搅拌摩擦焊技术焊接钛合金Ti-6 Al-4 V，可以得到高质量的焊缝，且焊接速度快、成本低、效益好、操作简单。o 钛合金的搅拌摩擦焊接性与铜合金相近，难度大于铝合金，低于钢材。 5 钢的焊接钢的焊接o 钢的搅拌摩擦焊接头同样存在焊核区、热机影响区和热影响区。焊核区为等轴晶粒组织，晶粒比母材区细小；与铝合金的搅拌摩擦焊接相类似。 二、搅拌摩擦焊的工业应用二、搅拌摩擦焊的工业应用 o 1搅拌摩擦焊在航天领域的应用搅拌摩擦焊在航天领域的应用 2搅拌摩擦焊在飞机制造领域的应用搅拌摩擦焊在飞机制造领域的应用 3搅拌摩擦焊在船舶制造工业中的应用搅拌摩擦焊在船舶制造工业中的应用 4搅拌摩擦焊