特种焊接技术第四单元.pptx

4.1 摩擦焊概述摩擦焊（friction welding，FRW）是利用焊件接触端面相对运动中相互摩擦所产生的热，使端面达到热塑性状态，然后迅速顶锻，完成焊接的一种固相焊接方法。第1页/共110页摩擦焊的基本原理第2页/共110页摩擦焊的分类及特点一、摩擦焊的分类 二、常规摩擦焊方法三、摩擦焊的特点 第3页/共110页一、摩擦焊的分类摩擦焊方法的种类很多，其分类方法通常有两种:一是根据焊件的相对运动形式分类；二是按焊接过程的工艺特点分类 第4页/共110页1按焊件相对运动形式进行分类 1）焊件绕轴旋转：连续驱动摩擦焊、惯性摩擦焊、混合型旋转摩擦焊、相位控制摩擦焊等；2）焊件不运动：径向摩擦焊、搅拌摩擦焊；3）其他运动形式：摩擦堆焊、线性摩擦焊、轨道摩擦焊等。第5页/共110页2按焊接工艺特点进行分类 1）根据界面温度可分为普通(高温)摩擦焊、低温摩擦焊、超塑性摩擦焊和气体保护摩擦焊；2）根据工艺措施可分为感应加热摩擦焊、导电加热摩擦焊和封闭摩擦焊；3）复合运动可分为钎层摩擦焊、嵌入式摩擦焊和第三体摩擦焊。4）根据焊接环境可分为空间摩擦焊和水下摩擦焊。第6页/共110页二、常规摩擦焊方法1.连续驱动摩擦焊 2.惯性摩擦焊3.相位摩擦焊4.径向摩擦焊5.摩擦堆焊 6线性摩擦焊 7嵌入式摩擦焊8超塑性摩擦焊 9第三体摩擦焊 第7页/共110页1.连续驱动摩擦焊第8页/共110页2.惯性摩擦焊第9页/共110页3.相位摩擦焊 相位摩擦焊主要用于相对位置有要求的工件，如六方钢、八方钢、汽车操纵杆等，要求焊件焊后棱边对齐、方向对正或相位满足要求。在实际应用中，主要有机械同步相位摩擦焊、插销配合摩擦焊和同步驱动摩擦焊。第10页/共110页1）机械同步相位摩擦焊 第11页/共110页2）插销配合摩擦焊 第12页/共110页4.径向摩擦焊第13页/共110页5.摩擦堆焊 第14页/共110页6线性摩擦焊 第15页/共110页7嵌入式摩擦焊 第16页/共110页8超塑性摩擦焊 超塑性摩擦焊工艺是前苏联学者在20世纪80年代末提出来的。超塑性摩擦焊的核心是通过严格控制摩擦焊过程，使得焊合区金属处于超塑性状态，利用金属在超塑性状态下的优异性能，实现低温高质量连接的摩擦焊方法。第17页/共110页9第三体摩擦焊 对于陶瓷陶瓷、金属陶瓷、热固性塑料热塑性材料基复合材料等难焊材料，可以利用第三体摩擦焊方法形成高强度接头 第18页/共110页三、摩擦焊的特点 1.焊接质量好而且稳定 2适焊材料范围广3焊接时间短，生产率高 4焊件尺寸精度高、成本低 5机械化、自动化程度高 6焊机功率小、节能、无污染 第19页/共110页摩擦焊的应用1.适用的材料2应用的行业及其产品 第20页/共110页1.适用的材料1）高温时，塑性良好的同种金属及能够互相固溶和扩散的异种金属，都具有较好的焊接性，能够获得强度高，延性好的焊接接头。2）焊接能产生脆性合金的异种金属时，如铝-铜、铝-钢、钛-钢等，若不设法防止脆性合金层增厚，则很难保证接头的强度和塑性。第21页/共110页3）高温强度高、塑性低、导热性好的材料不容易焊接。两种金属的高温力学性能和物理性能差别越大，越不容易焊接，如不锈钢-铜，硬质合金-钢等。4）活性金属(如钛锆等)，淬硬性好的钢材，表面氧化膜不易破碎或有镀膜、渗层等及摩擦系数太小(如铸铁，黄铜等)的金属很难进行焊接。1.适用的材料第22页/共110页2应用的行业及其产品 刀具制造业：钻头、立铣刀、丝锥、绞刀；机器制造业：轴类零件、管子、螺杆、顶杆；汽车、拖拉机制造业：半轴、齿轮轴；石油化工行业中石油钻杆，高压阀门的阀体，管道等；锅炉制造中蛇形管对接；轻工纺织机械中小型轴类、辊类、管类零件焊接；电工行业铜-铝接线端子焊接。第23页/共110页4.2 传统摩擦焊的工艺与设备传统摩擦焊的工艺过程传统摩擦焊的工艺及参数典型材料的摩擦焊接工艺传统摩擦焊设备传统摩擦焊质量控制与安全技术第24页/共110页传统摩擦焊的工艺过程一 传统摩擦焊焊接过程二 摩擦焊加热功率及其温度第25页/共110页一 传统摩擦焊焊接过程摩擦焊接过程的一个周期可分成摩擦加热过程和顶锻焊接过程两部分。摩擦加热过程又可以分成四个阶段，即初始摩擦、不稳定摩擦、稳定摩擦和停车阶段。顶锻焊接过程也可以分为纯顶锻和顶锻维持两个阶段。第26页/共110页第27页/共110页1）初始摩擦阶段（t1）2）不稳定摩擦阶段(t2)3）稳定摩擦阶段（t0）4）停车阶段（t4）5）纯顶锻阶段（t5）6）顶锻维持阶段（t6）第28页/共110页二 摩擦焊加热功率及其温度摩擦焊的热源来自金属摩擦表面上高速摩擦形成的塑性变形层。是以两焊件摩擦表面为中心的金属质点，在摩擦压力和摩擦扭矩的作用下，沿焊件径向与切向力的合成方向作相对高速摩擦运动的塑性变形层。变形层的温度就是热源的温度。第29页/共110页1.摩擦加热功率 2摩擦焊接表面温度1）摩擦焊热源是通过摩擦把机械功转变成热能加热焊件形成接头的。2）摩擦焊热源的功率和温度不仅取决于焊接参数，还受到焊件材料、形状、尺寸和焊接表面准备情况的影响。3）焊件表面的摩擦不仅产生热量，而且还能破坏和清除表面的氧化膜。第30页/共110页传统摩擦焊的工艺及参数一 接头形式设计与表面准备二 焊接工艺参数 第31页/共110页一 接头形式设计与表面准备1摩擦焊接头的形式设计 2接头表面准备第32页/共110页1摩擦焊接头的形式设计 第33页/共110页连续驱动摩擦焊接头形式在设计时主要遵循以下原则 1）两被焊件中，最好旋转件是圆形的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。第34页/共110页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；为了防止高温下强度低的焊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。5）一般倾斜接头应与中心线成30 45的斜面。6）为了增大焊缝面积，可以把焊缝设计成搭接或锥形接头。第35页/共110页7）焊接大截面接头时，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，让它在焊接时不受阻碍地被挤出。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。第36页/共110页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。第37页/共110页2接头表面准备1）焊件的摩擦端面应平整，中心部位不能有凹面或中心孔，以防止焊缝中内含空气和氧化物。但切断刀留下的中心凸台则无害，有助于中心部位加热。2）当接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。第38页/共110页3）摩擦焊对焊件接合面的粗糙度、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采用。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。第39页/共110页二 焊接工艺参数 1连续驱动摩擦焊的工艺参数 2惯性摩擦焊的工艺参数 第40页/共110页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主要包括主轴转速、摩擦压力、摩擦时间、顶锻压力、顶锻时间、变形量等。1）转速与摩擦压力 2）摩擦时间 3）摩擦变形量 4）停车时间 5）顶锻压力、顶锻变形量和顶锻速度 第41页/共110页2惯性摩擦焊的工艺参数 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。1）飞轮转动惯量 2）飞轮初速度 3）轴向压力 第42页/共110页典型材料的摩擦焊接工艺一、材料的摩擦焊接性 二、焊接工艺参数的选择原则 三、典型材料的摩擦焊接第43页/共110页一、材料的摩擦焊接性材料的摩擦焊接性，是指材料在摩擦焊接过程中焊缝形成和获得满足使用要求接头的能力。1材料的互溶性 2材料表面的氧化膜 3材料的力学性能 4材料的碳当量与淬透性 5高温氧化倾向 第44页/共110页6形成脆性相的可能性 7摩擦因数 8材料的脆性 第45页/共110页二、焊接工艺参数的选择原则 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，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。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。第46页/共110页三典型材料的摩擦焊接 1铝-铜过渡接头的低温摩擦焊 2高速钢-45号钢刀具的封闭摩擦焊3锅炉蛇形管的摩擦焊 4石油钻杆的摩擦焊 5树脂基管道的线性摩擦焊接 第47页/共110页1铝-铜过渡接头的低温摩擦焊第48页/共110页接头直径/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610162026303640103054032027020818017016014017020024028030033035066666666600450400400400400400400122222221013182022242628第49页/共110页2高速钢-45号钢刀具的封闭摩擦焊第50页/共110页接头直径/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采用模子30200012014240采用模子40150012016240采用模子50150012018240采用模子60100012020240采用模子第51页/共110页3锅炉蛇形管的摩擦焊 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。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。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。第52页/共110页转速（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采用功率极值控制第53页/共110页4石油钻杆的摩擦焊石油钻杆是由带螺纹的工具接头与管体焊接而成。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。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。第54页/共110页接头尺寸/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第55页/共110页5树脂基管道的线性摩擦焊接 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动摩擦，施加顶锻压力实现焊接。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。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%。第56页/共110页传统摩擦焊设备一、传统摩擦焊设备的组成 二、典型设备的技术参数第57页/共110页一、传统摩擦焊设备的组成 传统摩擦焊设备可分为连续驱动摩擦焊机和惯性摩擦焊机两类。连续驱动摩擦焊机通常由六部分组成，即主轴系统、加压系统、机身、夹头、控制系统及辅助装置 第58页/共110页第59页/共110页1.主轴系统 2.加压系统 3.机身 4夹头 5控制系统 6辅助装置 第60页/共110页第61页/共110页二、典型设备的技术参数表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表4-12是部分惯性摩擦焊机的型号和技术指标。第62页/共110页传统摩擦焊质量控制与安全技术一、焊接质量及其控制 二、安全技术 第63页/共110页一、焊接质量及其控制 1焊接缺陷及产生原因 2质量控制 第64页/共110页1焊接缺陷及产生原因缺陷名称缺陷产生的原因接头偏心焊机刚度低，夹具偏心，焊件端面倾斜或在夹头外伸出量太长飞边不封闭转速高，摩擦压力太大或太小；摩擦时间太长或太短，以致顶锻焊接前接头中变形层和高温区太窄；停车慢未焊透焊前摩擦表面清理不良；转速低，摩擦压力太大或太小；摩擦时间短，顶锻压力小接头组织扭曲速度过低，压力过大，停车慢接头过热速度过高，压力过小，摩擦时间长接头淬硬焊接淬火钢时，摩擦时间短，冷却速度快焊接裂纹焊接淬火钢时，摩擦时间短，冷却速度快氧化灰斑焊前焊件清理不良，焊机振动；压力小，摩擦时间短；顶锻焊接前，接头中的变形层和高温区窄脆性合金层焊接易产生脆性合金化合物的异种金属时，加热温度过高，摩擦时间过长，压力较小第65页/共110页2质量控制 1)时间控制 2)功率峰值控制 3)温度控制 4)变形量控制 5)综合参数控制 第66页/共110页二、安全技术 摩擦焊机的端部像车床床头，用以夹持工件并使之高速旋转。焊机的尾部像一台压力机用以夹持工件和施加压力。对于连续生产的摩擦焊机还要注意使各个动作之间的联锁及保护。焊机主轴停车和停止加压的急停按钮要装在醒目和操作方便的部位，摩擦焊机的操作者要穿工作服，戴护目镜。第67页/共110页4.3 搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding，简称FSW）不受轴类零件的限制，可进行板材的对接、搭接、角接及全位置焊接。不会产生与熔化有关的如裂纹、气孔及合金元素的烧损等焊接缺陷；焊接过程中不需要填充材料和保护气体，焊接前无须进行复杂的预处理，焊接后残余应力和变形小；焊接时无弧光辐射、烟尘和飞溅，噪音低 第68页/共110页4.3 搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊的焊接过程及特点搅拌摩擦焊工艺搅拌摩擦焊设备搅拌摩擦焊技术的应用第69页/共110页搅拌摩擦焊的焊接过程及特点一、搅拌摩擦焊焊接过程 二、搅拌摩擦焊的焊接接头 三、搅拌摩擦焊的特点 第70页/共110页一、搅拌摩擦焊焊接过程第71页/共110页二、搅拌摩擦焊的焊接接头1接头的分区 第72页/共110页2接头力学性能焊件材料抗拉强度b/MPa伸长率5(）bw/bm2A14-T6母材42282A14-T6接头35050.832B16-T87母材42562B16-T87接头3407.50.82915-T8母材550132915-T8接头4108110.75第73页/共110页三、搅拌摩擦焊的特点 1焊缝是在塑性状态下受挤压完成的，属于固相焊接，因而其接头不会产生与凝固冶金有关的一些如裂纹、夹杂、气孔以及合金元素的烧损等熔焊缺陷和脆化现象，焊缝属性接近母材，机械性能优异。2不受轴类零件的限制，可进行平板的对接和搭接，可焊接直焊缝、角焊缝及环焊缝，可进行大型框架结构及大型筒体制造、大型平板对接等，扩大了应用范围。第74页/共110页3搅拌摩擦焊利用自动化的机械设备进行焊接，避免了对操作工人技术熟练程度的依赖，质量稳定，重复性高。4焊接时无需填充材料、保护气体，焊前无需对焊件表面预处理，焊接过程中无需施加保护措施，厚大焊件边缘不用加工坡口，简化了焊接工序。焊接铝合金材料不用去氧化膜，只需去除油污即可。第75页/共110页5由于搅拌摩擦焊为固相焊接，其加热过程具有能量密度高、热输入速度快等特点，因而焊接变形小，焊后残余应力小。6搅拌摩擦焊焊接过程不会产生弧光辐射、烟尘和飞溅，噪音低，实现了焊接过程的环保化。第76页/共110页搅拌摩擦焊工艺一、搅拌摩擦焊接头形式 二、搅拌摩擦焊的热输入与焊接参数 三、搅拌摩擦焊接参数的选择 第77页/共110页一、搅拌摩擦焊接头形式第78页/共110页二、搅拌摩擦焊的热输入与焊接参数摩擦热是焊接热源的主体。搅拌摩擦焊热输入的大小可以用n/v表征。第79页/共110页三、搅拌摩擦焊接参数的选择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。第80页/共110页1焊接速度 第81页/共110页2搅拌焊头旋转速度 第82页/共110页3焊接压力 当焊接压力不足时，表面热塑性金属“上浮”，溢出焊缝表面，焊缝内部由于缺少金属填充而形成孔洞。当焊接压力过大时，轴肩与焊件表面摩擦力增大，摩擦热将使轴肩平台发生粘附现象，使焊缝两侧出现飞边和毛刺，焊缝中心下凹量较大，不能形成良好的焊接接头，表面出现飞边、毛刺等缺陷。第83页/共110页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将其分为搅拌摩擦焊接工具即搅拌头和搅拌摩擦焊机。搅拌摩擦焊机又可分为机械转动部分、行走部分、控制部分、工件夹紧机构和刚性机架等。第84页/共110页一、搅拌摩擦焊接工具 第85页/共110页1轴肩 2搅拌针 第86页/共110页二、搅拌摩擦焊机 第87页/共110页搅拌摩擦焊技术的应用一、典型材料的搅拌摩擦焊 二、搅拌摩擦焊的工业应用 第88页/共110页一、典型材料的搅拌摩擦焊 1 铝合金的焊接 2 镁合金的焊接 3 铜合金的焊接4 钛合金的焊接5 钢的焊接 第89页/共110页1 铝合金的焊接第90页/共110页材料板厚/mm转速/rmin-1焊接速度/mmmin-11050556018401552024-T66.54001200602024-T36.42153607726720951.61000246第91页/共110页21955.8200一2501 595052-O220004050838500702006061-T66.38001206.5400120060第92页/共110页AA6081-T4（美国）5.810003506061铝基复合材料41500500608242200250070014007075-T64100030020244200037.5第93页/共110页2 镁合金的焊接 焊接速度/mmmin-1306095118235300抗拉强度/MPa试件1143141146134159172试件2130132138135151167接头与母材强度比/%试件1646365607176试件2585761606774第94页/共110页3 铜合金的焊接第95页/共110页焊接操作简单，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；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。第96页/共110页4 钛合金的焊接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。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。第97页/共110页5 钢的焊接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。第98页/共110页二、搅拌摩擦焊的工业应用 1搅拌摩擦焊在航天领域的应用 第99页/共110页第100页/共110页第101页/共110页第102页/共110页 2搅拌摩擦焊在飞机制造领域的应用 第103页/共110页第104页/共110页3搅拌摩擦焊在船舶制造工业中的应用 第105页/共110页第106页/共110页4搅拌摩擦焊在轨道交通领域中应用双臂结构空 自支撑内部 安装轨道连接芯铝挤压件 模件高质量高精度车体模式设计815系列EMU常客列车 20000系列EMU常客列车683系列EMU高速列车 885系列EMU全速列车第107页/共110页5搅拌摩擦焊在汽车制造中的应用 第108页/共110页6搅拌摩擦焊在其他工业中的应用 搅拌摩擦焊成功地解决了轻合金金属的连接难题，在兵器、建筑、电力、能源、家电等工业中的应用也越来越广泛。第109页/共110页感谢您的观看！第110页/共110页