電阻焊質(zhì)量監(jiān)測與控制課件

電阻焊質(zhì)量監(jiān)測與控制電阻焊質(zhì)量監(jiān)測與控制必要性在大批量生產(chǎn)中，一個產(chǎn)品往往需要幾十臺甚至上百臺點焊機(jī)配套工作，這將使電網(wǎng)電壓、氣壓產(chǎn)生很大的波動，再加上難以避免的分流、電極磨損等不利因素的存在，致使點焊質(zhì)量極不穩(wěn)定，嚴(yán)重時將成批出現(xiàn)不合格的焊點。另一方面，由于點焊獨(dú)特的接頭形式和工藝的限制，致使在電弧焊生產(chǎn)中應(yīng)用效果很好的焊后無損檢測方法在點焊生產(chǎn)中卻難以應(yīng)用，同時也將使生產(chǎn)效率降低、產(chǎn)品成本劇增。必要性在大批量生產(chǎn)中，一個產(chǎn)品往往需要幾十臺甚至上百臺點焊機(jī)必要性為了保證焊點質(zhì)量，國內(nèi)外幾乎所有的汽車生產(chǎn)廠家?guī)资陙矶家恢辈捎煤盖按蛟嚻?、焊后進(jìn)行破壞性抽樣檢驗的方法來保證焊點質(zhì)量。顯然，這種方法已無法滿足汽車工業(yè)發(fā)展對點焊質(zhì)量提出的高可靠性、低成本的要求。為了改變這種現(xiàn)狀，有必要研制新型點焊質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)。采用點焊質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，可以在線監(jiān)測每一臺焊機(jī)、每一焊點的質(zhì)量，及時指出不合格的焊點及其形成原因，使操作者及時進(jìn)行在線"補(bǔ)救"，以有效提高和穩(wěn)定焊點質(zhì)量。必要性為了保證焊點質(zhì)量，國內(nèi)外幾乎所有的汽車生產(chǎn)廠家?guī)资陙砗附訁?shù)的劃分

焊接規(guī)范參數(shù)：焊接電流、電極壓力、焊接時間、電極端面尺寸等；焊接過程參數(shù)：監(jiān)測信息，如：動態(tài)電阻、紅外輻射、電極間電壓、能量等；焊接質(zhì)量參數(shù)：熔核直徑、焊透率、壓痕深度、拉剪強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度等；焊接參數(shù)的劃分焊接規(guī)范參數(shù)：焊接電流、電極壓力、焊接時間質(zhì)量監(jiān)控的難度

電阻點焊過程是一個高度非線性、有多變量耦合作用和大量隨機(jī)不確定因素的過程，同時由于點焊的形核處于封閉狀態(tài)而無法觀測，特征信號的提取比較困難；而且形核過程的時間極短，焊接條件短時間的波動就會造成較嚴(yán)重的后果。因此，點焊質(zhì)量的監(jiān)測和控制難度極大。質(zhì)量監(jiān)控的難度電阻點焊過程是一個高度非線性、有多變量耦合作點焊質(zhì)量監(jiān)測信息焊接電流電極間電壓能量積分動態(tài)電阻熱膨脹電極位移紅外輻射超聲波點焊質(zhì)量監(jiān)測信息焊接電流不同焊接電流時動態(tài)電阻曲線

不同焊接電流時動態(tài)電阻曲線熱膨脹電極位移與焊點質(zhì)量的關(guān)系熱膨脹電極位移與焊點質(zhì)量的關(guān)系電阻焊質(zhì)量監(jiān)測與控制課件電阻焊質(zhì)量監(jiān)測與控制課件監(jiān)控方法的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢監(jiān)控方法的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢監(jiān)控焊接熱量

這類方法包括恒流控制法、恒壓控制法等。其原理是：在焊接過程中，適時測量焊接熱量參數(shù)值，并與給定值比較，當(dāng)出現(xiàn)偏差時，調(diào)節(jié)可控硅的控制角，以維持焊接熱量參數(shù)的恒定。這類方法的優(yōu)點是簡單可靠、易于實現(xiàn)。目前，歐、美及日本的各大汽車公司幾乎均采用這類方法，我國各大汽車廠大部分也采用這類方法?？梢娺@類方法的普及性;缺點是對電極壓力波動、電極磨損及分流的影響等無補(bǔ)償作用。監(jiān)控焊接熱量這類方法包括恒流控制法、恒壓控制法等。其原理是監(jiān)控過程參數(shù)的某個特征量

在點焊過程中，有許多過程參數(shù)的變化可以反映焊點的形成過程，可以作為質(zhì)量監(jiān)測的依據(jù)。但是，這些過程參數(shù)與焊點質(zhì)量之間的關(guān)系卻難以用數(shù)學(xué)公式來清晰地描述，因此人們往往用過程參數(shù)的某個特征量作為焊點質(zhì)量監(jiān)測的依據(jù)。監(jiān)控過程參數(shù)的某個特征量在點焊過程中，有許多過程參數(shù)的變化電阻焊質(zhì)量監(jiān)測與控制課件特征量與焊點質(zhì)量的關(guān)系當(dāng)特征量T過小時，熔核沒有完全形成。當(dāng)特征量T達(dá)到一定值后，熔核形成，焊點強(qiáng)度F隨著特征量T的增大而增加，當(dāng)熔核直徑達(dá)到或比電極端面直徑稍大時，特征量T達(dá)到飽和。如再增加特征量T值，則產(chǎn)生飛濺，導(dǎo)致焊點質(zhì)量下降。因此，A點對應(yīng)的T值，就是期望值。此外，焊件愈厚，過A點后曲線變化愈陡峭，特征量T的變化對焊點強(qiáng)度的影響愈敏感，A點愈不易確定，控制難度也將增大。特征量與焊點質(zhì)量的關(guān)系當(dāng)特征量T過小時，熔核沒有完全形成。當(dāng)常用過程參數(shù)及其特征量

過程參數(shù)特征量

焊接電流積分值電極間電壓積分值、下降量、下降率、方差、最大值動態(tài)電阻積分值、下降量、下降率能量積分值熱膨脹電極位移最大位移量聲發(fā)射振鈴次數(shù)紅外輻射最大輻射量超聲波“W”波形的寬度、高度

常用過程參數(shù)及其特征量過程參數(shù)具體應(yīng)用方法應(yīng)用這種監(jiān)控方式在監(jiān)控某產(chǎn)品的點焊質(zhì)量之前，應(yīng)根據(jù)工藝實驗找出特征量T值與熔核直徑以及焊點強(qiáng)度之間的關(guān)系，并求出特征量的控制帶。根據(jù)控制帶確定監(jiān)控儀上的特征量上、下限預(yù)置開關(guān)，當(dāng)實測的特征量值超出上、下限時，儀器將報警，指出該焊點質(zhì)量不可靠，應(yīng)作處理。

具體應(yīng)用方法應(yīng)用這種監(jiān)控方式在監(jiān)控某產(chǎn)品的點焊質(zhì)量之前，應(yīng)根效果不好？這些裝置實質(zhì)上是使用點焊過程中監(jiān)測信息的某一特征量與質(zhì)量參數(shù)之間的一元線性回歸模型關(guān)系來間接地監(jiān)控焊點質(zhì)量的。由于一個特征量只能片面地反映點焊加熱過程，而一元線性回歸模型也只能描述監(jiān)測信息與質(zhì)量參數(shù)之間局部線性關(guān)系，難以描述整體的非線性關(guān)系，因此在焊接過程中無法及時獲知焊點質(zhì)量參數(shù)的準(zhǔn)確值。這就是現(xiàn)有點焊質(zhì)量監(jiān)控方法存在控制效果不理想、適用范圍窄的主要原因。效果不好？這些裝置實質(zhì)上是使用點焊過程中監(jiān)測信息的某一特征量監(jiān)控某一過程參數(shù)的曲線

在用于批量生產(chǎn)之前，先把合格焊點的標(biāo)準(zhǔn)過程參數(shù)曲線儲存下來，然后通過大量的工藝實驗確定合適的容限。在用于批量生產(chǎn)時，需要對每一焊點的每一周波的焊接電流進(jìn)行計算和調(diào)整，強(qiáng)制該焊點形成過程中的過程參數(shù)，按照合格焊點的標(biāo)準(zhǔn)曲線發(fā)展，焊后再將過程參數(shù)的實際曲線與標(biāo)準(zhǔn)曲線比較，觀察是否滿足容限值，以判斷質(zhì)量是否合格，從而保證每一焊點的質(zhì)量。

監(jiān)控某一過程參數(shù)的曲線在用于批量生產(chǎn)之前，先把合格焊點的標(biāo)實踐證明，這種技術(shù)的控制效果明顯優(yōu)于單個特征量監(jiān)控技術(shù)，但應(yīng)用局限性很大，對工藝條件和周圍環(huán)境干擾程度要求非常嚴(yán)格，難以普及推廣。

實踐證明，這種技術(shù)的控制效果明顯優(yōu)于單個特征量監(jiān)控技術(shù)，但應(yīng)為了保證控制效果的穩(wěn)定性，采取的主要措施有（1）采用計算機(jī)群控技術(shù)，減小網(wǎng)壓波動的范圍。（2）嚴(yán)格控制電極使用時間，減小電極磨損對焊點質(zhì)量的影響。據(jù)資料介紹，每個電極僅焊320個點就進(jìn)行更換。（3）由于焊件的結(jié)構(gòu)、形狀和尺寸都是確定的，因此可以通過合理的工藝設(shè)計避免分流、鐵磁物伸入對焊點質(zhì)量的影響。

為了保證控制效果的穩(wěn)定性，采取的主要措施有監(jiān)控點焊質(zhì)量參數(shù)

基于模糊分類理論的點焊質(zhì)量的等級評判

基于回歸分析理論的鋁合金點焊質(zhì)量多參數(shù)監(jiān)測方法

基于神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)理論的點焊質(zhì)量多參量綜合監(jiān)測

監(jiān)控點焊質(zhì)量參數(shù)基于模糊分類理論的點焊質(zhì)量的等級評判基于模糊分類理論的點焊質(zhì)量的等級評判

1994年，德國學(xué)者Burmeister采用模糊分類理論和現(xiàn)有的專家知識，建立了三個電參數(shù)（焊接電流、電極間電壓、工件電阻）和兩個機(jī)械參數(shù)（電極位移、電極加速度）與焊點質(zhì)量之間的非線性關(guān)系模型，實現(xiàn)了低碳鋼點焊質(zhì)量的在線等級評判。優(yōu)點:綜合考慮監(jiān)測信息與質(zhì)量指標(biāo)間的非線性缺點:難以擺脫專家經(jīng)驗等人為因素的影響基于模糊分類理論的點焊質(zhì)量的等級評判1994年，德國學(xué)者B基于回歸分析理論的鋁合金點焊質(zhì)量多參數(shù)監(jiān)測方法

1996年，英國學(xué)者M(jìn).HAO采用線性回歸分析理論，分別建立了一些過程參數(shù)的各個特征量以及多個特征量與鋁合金焊點質(zhì)量之間的關(guān)系模型。結(jié)果表明：多元回歸模型的誤差比最佳的一元回歸模型的誤差大約下降30%。

基于回歸分析理論的鋁合金點焊質(zhì)量多參數(shù)監(jiān)測方法1996年，熔

核

直

徑

預(yù)

測

結(jié)

果

一元線性回歸模型預(yù)測結(jié)果多元線性回歸模型預(yù)測結(jié)果

均方根差/mm相關(guān)系數(shù)均方根差/mm相關(guān)系數(shù)MAY28ET0.2830.9920.2250.996MAY28CO0.3860.9650.2020.990JUN10CA0.3850.9500.2030.985熔核直徑預(yù)測結(jié)果一元線性回歸模型預(yù)測基于神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)理論的點焊質(zhì)量多參量綜合監(jiān)測

目前，發(fā)展點焊質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)的難度，依然體現(xiàn)在對焊點質(zhì)量參數(shù)無法直接測量，只能通過一些過程參數(shù)進(jìn)行間接的推斷，發(fā)展多參量綜合監(jiān)測技術(shù)是提高點焊質(zhì)量監(jiān)測精度的有效途徑。如何充分利用監(jiān)測信息，建立合理的多元非線性監(jiān)測模型，并使監(jiān)測模型能夠在較寬條件內(nèi)提供準(zhǔn)確、可靠的點焊質(zhì)量信息，已成為發(fā)展多參量綜合監(jiān)測技術(shù)的關(guān)鍵。

基于神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)理論的點焊質(zhì)量多參量綜合監(jiān)測目前，發(fā)展點焊質(zhì)目前的研究成果1997年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)運(yùn)用神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和回歸分析技術(shù)，研究了動態(tài)電阻與焊點質(zhì)量之間的模型關(guān)系，證明神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型的精密度要比多元線性回歸模型的精密度高2～3倍，并證明即使在加熱強(qiáng)度變化范圍是從未形成接頭到強(qiáng)烈飛濺這樣惡劣的工藝條件下，采用神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型也可以在焊接過程中實時、準(zhǔn)確地監(jiān)測焊點質(zhì)量，為進(jìn)一步實現(xiàn)以質(zhì)量信息為目標(biāo)的點焊質(zhì)量直接控制奠定了必要的基礎(chǔ)。

目前的研究成果1997年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)運(yùn)用神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和各種模型的均方差

均方差模型類型質(zhì)量參數(shù)HRDEHRTNRT熔核直徑2.8951.1830.158焊透率380.762153.71123.756拉剪強(qiáng)度1.2610.6460.137各種模型的均方差均方差模型類型質(zhì)量參數(shù)HRDEHRTNRT與多元回歸模型和神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型相比，一元線性回歸模型的均方差最大，這說明用單個特征量來監(jiān)控焊點質(zhì)量，效果將是最劣的。

動態(tài)電阻特征量與點焊接頭質(zhì)量參數(shù)間的模型，其相應(yīng)的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型的性能遠(yuǎn)優(yōu)于相應(yīng)的回歸模型的性能，這說明神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型比多元線性回歸模型更適合用于描述點焊過程參數(shù)與質(zhì)量參數(shù)之間非線性、強(qiáng)耦合的關(guān)系。

與多元回歸模型和神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型相比，一元線性回歸模型的均方差點焊電極的研究進(jìn)展點焊電極的研究進(jìn)展點焊電極為什么容易失效？

電極是點焊中的易耗零件，在點焊過程中，電極的主要功能是傳輸電流、加壓和散熱，由于電極和焊件接觸時的溫度較高，而且自身具有一定的電阻，也會發(fā)熱，因此，電極頭部的溫升很快，達(dá)到了稍低于焊點熔核的高溫，使電極頭部在高溫及高壓力作用下很快失效。點焊電極為什么容易失效？電極是點焊中的易耗零電阻焊質(zhì)量監(jiān)測與控制課件點焊電極的失效形式1.塑性變形

電極的塑性變形都導(dǎo)致電極端部形成蘑菇狀和電極直徑的增加，這種塑性變形的產(chǎn)生是由于電極頭部在焊接時承受壓力和高溫作用的結(jié)果。一般來講，電極表面的溫度與焊件表面的溫度應(yīng)相等，點焊時鋼板的表面溫度大約為700度左右，點焊鍍鋅鋼板時，電流密度比點焊無鍍層鋼板電流密度要高30%左右，電極表面的溫度能達(dá)到800-900度。正是由于電極頭部的溫度分布不均勻，使得電極頭部產(chǎn)生了不均勻的塑性變形。此外，電極與工件表面的高溫還導(dǎo)致了在電極頭部產(chǎn)生低屈服強(qiáng)度的Zn-Cu合金，這將加重電極局部的塑性變形。塑性變形的產(chǎn)生，使得電極頭部的直徑隨焊點數(shù)目的增加而增加，從而導(dǎo)致焊接電流密度下降，熔核焊透率降低，直到焊核直徑減小，焊點強(qiáng)度下降趨近允許值，此時必須修整電極或更換電極。點焊電極的失效形式1.塑性變形電極的塑性變2.磨損

電極的磨損主要發(fā)生在電極頭部，表現(xiàn)為電極頭部的物質(zhì)轉(zhuǎn)移到被焊工件表面，使得電極磨損，導(dǎo)致電極直徑增大和焊接電流密度下降。另外，影響磨損的因素還有在正常焊接規(guī)范下電極撞擊工件和電極缺乏充足的冷卻。3.合金化

電極的合金化主要發(fā)生在電極和鍍層鋼板的交界面上，合金主要產(chǎn)生在電極工作端面及頭部的周圍。電極合金化的程度取決于在焊接循環(huán)過程中電極與工件交界面作用的溫度和時間，鍍層元素與電極材料的擴(kuò)散速度，以及生成物質(zhì)在電極端面的形核和長大。一般來講，電極端面與工件作用時間越長、工作溫度越高，越易合金化，而合金化的產(chǎn)生不僅使電極端面的電導(dǎo)率下降，提高了焊接時電極表面的溫度，加快了合金化，而且影響了電極表面的電流分布。2.磨損電極的磨損主要發(fā)生在電極頭部，表現(xiàn)為4.坑蝕

坑蝕是導(dǎo)致電極失效的主要方式之一。在點焊電極焊接鍍層鋼板時，由于高溫的作用，在電極表層產(chǎn)生了低熔點合金，當(dāng)電極離開工件時，有些低熔點合金在飛濺作用下離開了電極端面，即在電極端面產(chǎn)生了一個小的弧坑，許多小的孤坑連成一起的過程叫坑蝕，坑蝕的結(jié)果便形成了蝕坑。蝕坑的產(chǎn)生，提高了坑蝕周圍的電流密度和工作壓力，導(dǎo)致了蝕坑周圍產(chǎn)生更嚴(yán)重的塑性變形和脫落，從而增加了電極端面的直徑和降低了焊點直徑。5.熱疲勞

點焊電極在工作過程中不僅要在高溫下傳遞壓力，而且還承受著加熱和冷卻的熱應(yīng)力作用，在兩者的作用下，產(chǎn)生熱疲勞，使得電極最終失效或電極表層脫落。4.坑蝕坑蝕是導(dǎo)致電極失效的主要方式之一。在6.粘附

點焊電極在工作過程中由于電極頭部和鍍鋅鋼板的接觸溫度高于鍍鋅層的熔點，使熔化的鍍鋅層強(qiáng)烈粘附在電極頭部而產(chǎn)生粘附。7.再結(jié)晶

電極的再結(jié)晶溫度大約在700-800'C的范圍。雖然電極與工件連接界面上的溫度基本低于此溫度，但有些區(qū)域的溫度也有可能達(dá)到此溫度，這取決于工件與電極之間的接觸電阻、焊接速度、冷卻狀況及電極合金類型。一旦電極某個區(qū)域的溫度大于電極的再結(jié)晶溫度，則在電極中將產(chǎn)生再結(jié)晶和晶粒增大，使得電極易于失效。6.粘附點焊電極在工作過程中由于電極頭部和鍍延長點焊電極壽命的措施1.電極端面的表面改性2.粉末冶金電極3.優(yōu)選焊接規(guī)范4.電極的深冷處理延長點焊電極壽命的措施1.電極端面的表面改性2.粉末冶金電極用電流波形控制法提高鋅鋼板點焊電極的壽命用電流波形控制法

在接通焊接電流之前施加焊前電流，使鋅層先熔化，并在電極壓力作用下將其擠走，從而減弱或避免電極/工件界面銅鋅合金化、提高工件/工件間接觸電阻，使焊接區(qū)加熱均勻，獲得同樣熔核所需焊接電流減小，電極壽命增加。基本原理在接通焊接電流之前施加焊前電流，使鋅層先熔化表面飛濺率隨焊前電流的變化規(guī)律(施加焊前電流時間:5周波)表面飛濺率隨焊前電流的變化規(guī)律(施加焊前電流時間:5周波)表面飛濺率隨焊前電流通電時間的變化規(guī)律(焊前電流有效值:3ｋＡ)表面飛濺率隨焊前電流通電時間的變化規(guī)律(焊前電流有效值:3ｋ電極壽命隨焊前電流的變化規(guī)律（焊前電流時間:5周波）電極壽命隨焊前電流的變化規(guī)律（焊前電流時間:5周波）利用深冷處理提高電極的使用壽命利用深冷處理提高電極的使用壽命

深冷處理是指在-130℃以下對材料進(jìn)行處理改變材料性能的一種方法，深冷處理以液氮(-196℃)為制冷劑。試驗采用氣體法加工深冷電極，將電極放入深冷裝置，液氮經(jīng)噴管噴出后在冷箱中直接汽化，利用液氮的汽化潛熱及低溫氮?dú)馕鼰崾估湎浣禍?。通過控制液氮的輸入量來控制降溫速度、保溫溫度、保溫時間等實現(xiàn)對溫度的自動調(diào)節(jié)。何謂深冷處理？深冷處理是指在-130℃以下對材料進(jìn)行處理改深冷裝置結(jié)構(gòu)1-箱體2-排氣管3-導(dǎo)風(fēng)板4-噴管5-風(fēng)扇6-測溫儀表

7-電磁閥8-截止閥9-手動閥門10-液氮容器深冷裝置結(jié)構(gòu)1-箱體2-排氣管3-導(dǎo)風(fēng)板4-噴管5-深冷處理前后鉻鋯銅合金組織ＳＥＭ背散射

深冷處理前的銅基體致密性較差,存在較多的顯微孔洞,這些孔洞的存在使材料點陣結(jié)構(gòu)的完整性與材料連續(xù)性遭到破壞。深冷處理后材料中的顯微孔洞數(shù)量比未深冷處理的明顯減少,基體致密程度明顯提高。深冷處理前后鉻鋯銅合金組織ＳＥＭ背散射深冷處深冷處理前后鉻鋯銅合金中Ｃｒ分布深冷處理前后鉻鋯銅合金中Ｚｒ分布深冷處理前后鉻鋯銅合金組織ＳＥＭ面掃描

處理后試樣的鉻、鋯元素分有明顯變化。與深冷前相比,由于深冷處理導(dǎo)致Ｃｒ、Ｚｒ在銅中的溶解度急劇減小,過飽和的Ｃｒ、Ｚｒ析,銅基體上出現(xiàn)了大量彌散分布的Ｃｒ、Ｚｒ顆粒。深冷處理前后鉻鋯銅合金中Ｃｒ分布深冷處理前后鉻鋯銅合金中Ｚｒ電極電阻率測試結(jié)果電極電阻率測試結(jié)果電極壽命試驗曲線電極壽命試驗曲線

深冷處理未深冷處理電極深冷處理前后所焊焊點

用未深冷電極點焊鍍鋅鋼板,始終存在飛濺、粘電極等現(xiàn)象,而用深冷電極點焊鍍鋅鋼板時,飛濺、粘電極等現(xiàn)象大大減小,焊點表面質(zhì)量明顯改善。深冷處理未深冷處理電極深Ｘ射線衍射的晶粒尺寸分析結(jié)果Ｘ射線衍射的晶粒尺寸分析結(jié)果

深冷處理提高了電極基體致密性,改變了合金元素分布,提高了電極的導(dǎo)電、導(dǎo)熱能力,使電極產(chǎn)熱減少,導(dǎo)熱能力加強(qiáng),避免了銅合金電極與鍍鋅板的合金化傾向。深冷處理也細(xì)化了電極材料的晶粒,提高了電極抗壓潰變形的能力,使得點焊鍍鋅鋼板的深冷電極壽命顯著提高?？偨Y(jié)深冷處理提高了電極基體致密性,改變了合金元素超聲波焊接超聲波焊接（Ultrasonicwelding，簡稱UW）是利用超聲波的高頻振動，在靜壓力的作用下，將彈性振動能量轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぜg的摩擦功和形變能，對焊件進(jìn)行局部清理和加熱焊接的一種壓焊方法。主要用于連接同種或異種金屬、半導(dǎo)體、塑料及金屬陶瓷等材料。超聲波焊接超聲波焊接（Ultrasonicwelding，超聲波焊接原理1－發(fā)生器2－換能器3－傳振桿4－聚能器5－耦合桿6－靜載7－上聲極8－工件9－下聲極F－靜壓力v1－縱向振動方向v2－彎曲振動方向超聲波焊接原理1－發(fā)生器2－換能器3－傳振桿4－聚能超聲波焊接原理

待焊構(gòu)件8被夾持在上聲極7和下聲極9之間，并施加一定的壓力進(jìn)行焊接。所需的焊接熱能是通過一系列能量轉(zhuǎn)換及傳遞環(huán)節(jié)而獲得的，超聲波發(fā)生器是一個變頻裝置，它將工頻電流轉(zhuǎn)變?yōu)槌曨l率(15~60kHz)的振蕩電流。換能器則利用逆壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換成彈性機(jī)械振動能。傳振桿、聚能器用來放大振幅，并通過耦合桿、上聲極傳遞到工件。換能器、傳振桿、聚能器、耦合桿及上聲極構(gòu)成一個整體，稱之為聲學(xué)系統(tǒng)。超聲波焊接原理待焊構(gòu)件8被夾持在上聲極7和下超聲波焊接原理聲學(xué)系統(tǒng)各個組元的自振頻率，將按同一個頻率設(shè)計。當(dāng)發(fā)生器的振蕩電流頻率與聲學(xué)系統(tǒng)的自振頻率一致時，系統(tǒng)即產(chǎn)生了諧振(共振)，并向工件輸出彈性振動能。超聲波焊接原理聲學(xué)系統(tǒng)各個組元的自振頻率，將按同一個頻率設(shè)計超聲波焊接原理超聲波焊接時，超聲波發(fā)生器1產(chǎn)生每秒幾萬次的高頻振動，通過換能器2、傳動桿3、聚能器4和耦合桿5向焊件輸入超聲波頻率的彈性振動能。兩焊件的接觸界面在靜壓力和彈性振動能量的共同作用下，通過摩擦、溫升和變形，使氧化膜或其它表面附著物被破壞，并使純凈界面之間的金屬原子無限接近，實現(xiàn)可靠連接。超聲波焊接原理超聲波焊接時，超聲波發(fā)生器1產(chǎn)生每秒幾萬次的高超聲波焊接原理當(dāng)金屬構(gòu)件焊接時，伴隨界面的物理冶金過程，原子產(chǎn)生結(jié)合與擴(kuò)散，整個焊接過程沒有電流流經(jīng)焊件，也沒有火焰或電弧等熱源的作用，而是一種特殊的焊接過程，具有摩擦焊、擴(kuò)散焊或冷壓焊的某些特征。當(dāng)塑料材料進(jìn)行連接時，由于兩焊件界面處的聲阻大，產(chǎn)生局部高溫，致使接觸面迅速熔化，在壓力的作用下使其融合為一體；當(dāng)超聲波停止作用后，讓壓力持續(xù)幾秒鐘，使其凝固定型，形成堅固的分子鏈，達(dá)到焊接的目的，其接頭強(qiáng)度和母材相近。超聲波焊接原理當(dāng)金屬構(gòu)件焊接時，伴隨界面的物理冶金過程，原子接頭形成過程

超聲波焊接過程與電阻焊類似，由“預(yù)壓”、“焊接”和“維持”3個步驟形成一個焊接循環(huán)，從接頭形成的微觀機(jī)理上分析，超聲波焊經(jīng)歷了以下三個階段：接頭形成過程超聲波焊接過程與電阻焊類似，由“預(yù)壓”、“焊接振動摩擦階段超聲波焊的第一個過程主要是摩擦過程，其相對摩擦速度與摩擦焊相近，只是振幅僅僅為幾十微米。這一過程的主要作用是排除工件表面的油污、氧化物等雜質(zhì)，使純凈的金屬表面暴露出來。焊接時，由于上聲極的超聲振動，使其與上焊件之間產(chǎn)生摩擦而造成暫時的連接，然后通過他們直接將超聲振動能傳遞到焊件間的接觸表面上，在此產(chǎn)生劇烈的相對摩擦，由初期個別凸點之間的摩擦，逐漸擴(kuò)大摩擦面，同時破壞、排擠和分散表面的氧化膜及其它附著物。振動摩擦階段超聲波焊的第一個過程主要是摩擦過程，其相對摩擦溫度升高階段在繼續(xù)的超聲波往復(fù)摩擦過程中，接觸表面溫度升高（焊區(qū)的溫度約為金屬熔點的35％~50％），變形抗力下降，在靜壓力和彈性機(jī)械振動引起的交變剪應(yīng)力的共同作用下，焊件間接觸表面的塑性流動不斷進(jìn)行，使已被破碎的氧化膜繼續(xù)分散甚至深入到被焊材料內(nèi)部，促使純金屬表面的原子無限接近到原子能發(fā)生引力作用的范因內(nèi)，出現(xiàn)原子擴(kuò)散及相互結(jié)合，形成共同的晶粒或出現(xiàn)再結(jié)晶現(xiàn)象。溫度升高階段在繼續(xù)的超聲波往復(fù)摩擦過程中，接觸表面溫度升高固相接合階段隨著摩擦過程的進(jìn)行，微觀接觸面積越來越大，接觸部分的塑性變形也不斷增加，焊接區(qū)內(nèi)甚至形成渦流狀的塑性流動層（見下圖），出現(xiàn)焊件間的機(jī)械咬合。焊接初期咬合點較少，咬合面積也較少，接合強(qiáng)度不高，很快被超聲振動所引起的剪切應(yīng)力所破壞。隨著焊接過程的進(jìn)行，咬合點數(shù)和咬合面積逐漸增加，當(dāng)焊件之間的結(jié)合力超過上聲極與上焊件之間的結(jié)合力時，切向振動不能切斷焊件之間的結(jié)合，形成牢固的接頭。固相接合階段隨著摩擦過程的進(jìn)行，微觀接觸面積越來越大，接觸超聲波焊點區(qū)的渦流狀塑性流動層超聲波焊點區(qū)的渦流狀塑性流動層超聲波焊接特點

可焊的材料范圍廣，可用于同種金屬材料、特別是高導(dǎo)電、高導(dǎo)熱性的材料(如金、銀、銅、鋁等)和一些難熔金屬，也可用于性能相差懸殊的異種金屬材料(如導(dǎo)熱、硬度、熔點等)、金屬與非金屬、塑料等材料的焊接。還可以實現(xiàn)厚度相差懸殊以及多層箔片等特殊結(jié)構(gòu)的焊接。焊件不通電，不需要外加熱源，接頭中不出現(xiàn)宏觀的氣孔等缺陷，不生成脆性金屬間化合物，不發(fā)生象電阻焊時易出現(xiàn)的熔融金屬的噴濺等問題。焊縫金屬的物理和機(jī)械性能不發(fā)生宏觀變化，其焊接接頭的靜載強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度都比電阻焊接頭的強(qiáng)度高，且穩(wěn)定性好。超聲波焊接特點可焊的材料范圍廣，可用于同種金屬材料、特別是超聲波焊接特點被焊金屬表面氧化膜或涂層對焊接質(zhì)量影響較小，焊前表面推備工作比較簡單。形成接頭所需電能少，僅為電阻焊的5％；焊件變形小。不需要添加任何粘接劑、填料或溶劑，具有操作簡便，焊接焊接速度快、接頭強(qiáng)度高、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點。超聲波焊的主要缺點是受現(xiàn)有設(shè)備功率的限制，因而與上聲極接觸的工件厚度不能太厚，接頭形式只能采用搭接接頭，對接接頭還無法應(yīng)用。超聲波焊接特點被焊金屬表面氧化膜或涂層對焊接質(zhì)量影響較小，焊超聲波焊接的兩種形式按照超聲波彈性振動能量傳入焊件的方向，超聲波焊接的基本類型可以分為兩類：一類是振動能由切向傳遞到焊件表面而使焊接界面產(chǎn)生相對摩擦，這種方法適用于金屬材料的焊接；另一類是振動能由垂直于焊件表面的方向傳入焊件，主要是用于塑料材料的焊接。超聲波焊接的兩種形式按照超聲波彈性振動能量傳入焊件的方向，超超聲波焊接的兩種形式a)切向傳遞b)垂直傳遞D－振動方向1－聚能器2－上聲極3－工件

4－下聲極超聲波焊接的兩種形式a)切向傳遞超聲波焊接分類超聲點焊超聲環(huán)焊超聲縫焊超聲線焊超聲波焊接分類超聲點焊超聲點焊點焊是應(yīng)用最廣的一種焊接形式，根據(jù)振動能量的傳遞方式，可以分為單側(cè)式、平行兩側(cè)式和垂直兩側(cè)式。振動系統(tǒng)根據(jù)上聲極的振動方向也可以分為縱向振動系統(tǒng)、彎曲振動系統(tǒng)以及介于兩者之間的輕型彎曲振動系統(tǒng)。功率500W以下的小功率焊機(jī)多采用輕型結(jié)構(gòu)的縱向振動，千瓦以上的大功率焊機(jī)多采用重型結(jié)構(gòu)的彎曲振動系統(tǒng)，而輕型彎曲振動系統(tǒng)適用于中小功率焊機(jī)，它兼有兩種振動系統(tǒng)的優(yōu)點。超聲點焊點焊是應(yīng)用最廣的一種焊接形式，根據(jù)振動能量的傳遞方式超聲波點焊的類型a)b)c)a）縱向振動系統(tǒng)b）彎曲振動系統(tǒng)

c）輕型彎曲振動系統(tǒng)超聲波點焊的類型a)b)c)a）縱向振動系統(tǒng)超聲環(huán)焊超聲環(huán)焊主要用于一次成形的封閉形焊縫，能量傳遞采用的是扭轉(zhuǎn)振動系統(tǒng)。焊接時，耦合桿帶動上聲極作扭轉(zhuǎn)振動，振幅相對于聲極軸線呈對稱分布，軸心區(qū)振幅為零，邊緣位置振幅最大。該類焊接方法最適合于微電子器件的封裝工藝，有時環(huán)焊也用于對氣密要求特別高的直線焊縫的場合，用來代替縫焊。由于環(huán)焊的一次焊縫的面積較大，需要有較大的功率輸入，因此常常采用多個換能器的反向同步驅(qū)動方式。超聲環(huán)焊超聲環(huán)焊主要用于一次成形的封閉形焊縫，能量傳遞采用的超聲波環(huán)焊的工作原理1－換能器2、3－聚能器4－耦合桿5－上聲極6－工件7－下聲極F－靜壓力V－振動方向超聲波環(huán)焊的工作原理1－換能器超聲縫焊和電阻焊中的縫焊類似，超聲波縫焊實質(zhì)上是由局部相互重疊的焊點形成一條連續(xù)焊縫?？p焊機(jī)的振動系統(tǒng)按其焊盤振動狀態(tài)可分為縱向振動、彎曲振動以及扭轉(zhuǎn)振動等三種形式（見圖10-6）。其中最常見的是縱向振動形式，只是滾盤的尺寸受到驅(qū)動功率的限制?？p焊可以獲得密封的連續(xù)焊縫，通常工件被夾持在上下焊盤之間，在特殊情況下可采用平板式下聲級。超聲縫焊和電阻焊中的縫焊類似，超聲波縫焊實質(zhì)上是由局部相互重超聲波縫焊的振動形式a)縱向振動b)彎曲振動c)扭轉(zhuǎn)振動××－：A－焊盤上振幅分布v1－聚能器上振動方向v2－焊點上的振動方向⊙－垂直于紙面(向外)超聲波縫焊的振動形式a)縱向振動超聲線焊它是點焊方法的一種延伸，利用線狀上聲極，在一個焊接循環(huán)內(nèi)形成一條狹窄的直線狀焊縫，聲極長度就是焊縫的長度，現(xiàn)在可以達(dá)到150mm長，這種方法最適用于金屬薄箔的封口。超聲線焊它是點焊方法的一種延伸，利用線狀上聲極，在一個焊接循超聲波線焊示意圖1－換能器2－聚能器3－125mm長焊接聲極頭4－周圍繞放罐型坯料的心軸v－振動方向F－靜壓力超聲波線焊示意圖1－換能器雙超聲波振動系統(tǒng)的點焊采用兩個不同頻率的振動系統(tǒng)來完成一個焊點的點焊示意圖，上下兩個振動系統(tǒng)的頻率分別為27kHz和20kHz(或15kHz)，上下振動系統(tǒng)的振動方向相互垂直，焊接時二者作直交振動。當(dāng)上下振動系統(tǒng)的電源各為3kW時，可焊鋁件的厚度達(dá)10mm，焊點強(qiáng)度達(dá)到材料本身的強(qiáng)度。雙超聲波振動系統(tǒng)多用于集成電路和晶體管細(xì)導(dǎo)線的焊接，雖然焊接方法與點焊基本相同，但焊接設(shè)備復(fù)雜，要求設(shè)備的控制精度高，以便實現(xiàn)焊點的高質(zhì)量和高可靠性焊接。雙超聲波振動系統(tǒng)的點焊采用兩個不同頻率的振動系統(tǒng)來完成一個超聲波對焊

超聲對焊主要用于金屬的對接，原理如圖所示，焊接設(shè)備由上下振動系統(tǒng)提供接觸壓力的液壓源和焊件夾持裝置等部分組成。左邊焊件的一端由夾具固定，另一端夾在上、下振動系統(tǒng)之間作超聲振動；右焊件端面與左端面對接，并由夾具夾緊，接觸壓力加在右側(cè)焊件上。焊接時，在超聲振動的作用下即可把兩個焊件在端面焊接在一起。應(yīng)注意，上、下振動系統(tǒng)的振動相位必須相反，上振動系統(tǒng)可以是無源的。目前可以實現(xiàn)6mm厚、100～400mm寬鋁板的對接。超聲波對焊超聲對焊主要用于金屬的對接，原理如圖超聲波焊接參數(shù)選擇超聲波焊的主要參數(shù)有振動頻率f、振幅A、靜壓力p及焊接時間t，此外還應(yīng)考慮超聲波功率的選擇以及各參數(shù)之間的相互影響。在超聲波焊接中，點焊應(yīng)用的最普遍，下面以點焊為例討論各參數(shù)對焊接質(zhì)量的影響。超聲波焊接參數(shù)選擇超聲波焊的主要參數(shù)有振動頻率f、振幅A、靜振動頻率振動頻率主要是指諧振頻率的數(shù)值和諧振頻率精度。諧振頻率一般在15～75kHz之間，頻率的選擇應(yīng)考慮被焊材料的物理性能和厚度，焊件較薄時選用比較高的諧振頻率，焊件較厚、焊接材料的硬度及屈服強(qiáng)度較低時選用較低的諧振頻率。這是由于在維持聲功能不變的前提下，提高振動頻率可以降低振幅，因而可降低薄件因交變應(yīng)力引起的疲勞破壞。振動頻率振動頻率主要是指諧振頻率的數(shù)值和諧振頻率精度。諧振頻振動頻率振動頻率對焊點抗剪強(qiáng)度有影響，材料越硬、厚度越大時，頻率的影響越明顯。應(yīng)注意，隨著頻率的提高，高頻振蕩能量在聲學(xué)系統(tǒng)中的損耗將增大，因此大功率超聲波點焊機(jī)的頻率比較低，一般在15～20kHz范圍內(nèi)。諧振頻率的精度是保證焊點質(zhì)量穩(wěn)定的重要因素，由于超聲波焊接過程中機(jī)械負(fù)荷的多變性，會出現(xiàn)隨機(jī)的失諧現(xiàn)象，造成焊接質(zhì)量不穩(wěn)定。振動頻率振動頻率對焊點抗剪強(qiáng)度有影響，材料越硬、厚度越大時，振幅振幅是決定著摩擦功率的大小，關(guān)系到焊接面氧化膜的去除、結(jié)合面的摩擦產(chǎn)熱、塑性變形區(qū)域的大小及塑性流動層的狀況等。因此，根據(jù)被焊材料的性質(zhì)及其厚度正確選擇振幅的數(shù)值是獲得高可靠接頭的前提。振幅的選用范圍一般為5～25mm，小功率超聲波焊機(jī)一般具有高的振動頻率，但振幅范圍較低。低硬度的焊接材料或較薄的焊件應(yīng)選用較低的振幅，隨著材料硬度及厚度的提高，所選用的振幅也應(yīng)相應(yīng)提高。這是因為振幅的大小對應(yīng)著焊件接觸表面相對移動速度的大小，而焊接區(qū)的溫度、塑性流動以及摩擦功的大小又由該相對移動速度所確定。對于具體的焊件，存在一個合適的振幅范圍。振幅振幅是決定著摩擦功率的大小，關(guān)系到焊接面氧化膜的去除、結(jié)振幅超聲波焊機(jī)的換能器材料和聚能器結(jié)構(gòu)決定焊機(jī)振幅的大小，當(dāng)他們確定以后，要改變振幅，一般是通過調(diào)節(jié)超聲波發(fā)生器的電參數(shù)來實現(xiàn)。此外，振幅值的選擇與其他參數(shù)有關(guān)，應(yīng)綜合考慮。必須指出，在合適的振幅范圍內(nèi)，采用偏大的振幅可大大縮短焊接時間，提高焊接生產(chǎn)效率。振幅超聲波焊機(jī)的換能器材料和聚能器結(jié)構(gòu)決定焊機(jī)振幅的大小，當(dāng)靜壓力靜壓力的作用是通過聲極使超聲振動有效地傳遞給焊件，當(dāng)靜壓力過低時，不足以在焊件界面產(chǎn)生一定的摩擦功，超聲波能量幾乎全部損耗在上聲極與焊件之間的表面滑動方面，因此不可能形成有效的連接。隨著靜壓力的增加，改善了振動的傳遞條件，使焊區(qū)溫度升高，材料的變形抗力下降，塑性流動的程度逐漸加劇，另外由于壓應(yīng)力的增加，接觸處塑性變形的面積及連接面積增加，因而接頭的強(qiáng)度增加。靜壓力靜壓力的作用是通過聲極使超聲振動有效地傳遞給焊件，當(dāng)靜當(dāng)靜壓力達(dá)到一定數(shù)值后，再增加壓力，接頭強(qiáng)度不再提高或反而下降，這是因為當(dāng)靜壓力過大時，振動能量不能合理地利用，使摩擦力過大，造成焊件間的相對摩擦運(yùn)動減弱，甚至?xí)拐穹涤兴档停瑢?dǎo)致了焊件間的連接面積不再增加或有所減小，加之材料壓潰造成接頭的實際接合截面減少，使焊點強(qiáng)度降低。在其它焊接條件不變的情況下，選用偏高的靜壓力，可以在較短的焊接時間內(nèi)得到同樣強(qiáng)度的焊點，這是因為偏高的靜壓力能在振動早期較低的溫度下產(chǎn)生塑性變形。同時，選用偏高的靜壓力，能在較短的時間內(nèi)達(dá)到最高的溫度，縮短了焊接時間。當(dāng)靜壓力達(dá)到一定數(shù)值后，再增加壓力，接頭強(qiáng)度不再提高或反而下焊接時間焊接時間對接頭質(zhì)量有很大影響，焊接時間太短時，表面的氧化膜來不及被破壞，只形成幾個凸點間的接觸，則接頭強(qiáng)度過低，甚至不能形成接頭。隨著焊接時間的延長，焊點強(qiáng)度迅速提高，在一定的焊接時間內(nèi)強(qiáng)度值不降低。但當(dāng)超聲波焊接時間超過一定值以后，焊點強(qiáng)度反而下降，這是由于焊件的熱輸入量過大，塑性區(qū)擴(kuò)大，上聲極陷入工件，除了降低焊點的截面積以外，還容易引起焊點表面和內(nèi)部產(chǎn)生裂紋。焊接時間焊接時間對接頭質(zhì)量有很大影響，焊接時間太短時，表面的焊接功率超聲波焊接時，功率的選擇主要取決于工件的厚度和材料的硬度，由于在實際應(yīng)用中超聲功率的測量尚有困難，因此常常用振幅來表示功率的大小，超聲功率與振幅的關(guān)系可下式確定：焊接功率超聲波焊接時，功率的選擇主要取決于工件的厚度和材料式中—超聲功率；

—靜壓力；

—焊點面積；

—相對速度；

—振幅；

—摩擦系數(shù)；

—角頻率；

—振動頻率。式中—超聲功率；上述幾個焊接參數(shù)之間并不實孤立的，而是相互影響、相互關(guān)聯(lián)，應(yīng)統(tǒng)籌考慮。例如，塑料材料的超聲波焊接時，接頭質(zhì)量的好壞取決于換能器的振幅、所加壓力及焊接時間等因素的相互配合。焊接時間t和焊頭壓力F是可以調(diào)節(jié)的，振幅由換能器和變幅桿決定，這三個量相互有最佳選擇值。焊接能量超過合適值時，材料的熔解量大，產(chǎn)生較大的變形。若焊接能量太小，則不易焊牢。除了焊接參數(shù)以外，上聲極材料、形狀尺寸及其表面狀態(tài)等因素也對焊接質(zhì)量有影響。上述幾個焊接參數(shù)之間并不實孤立的，而是相互影響、相互關(guān)聯(lián)，應(yīng)擴(kuò)散連接技術(shù)

近年來，新材料在生產(chǎn)中應(yīng)用，經(jīng)常遇到這些材料本身或與其他材料的連接問題。一些新材料如陶瓷、金屬間化合物、非晶態(tài)材料及單晶合金等等可焊性差，用傳統(tǒng)熔焊方法，很難實現(xiàn)可靠的連接。隨著技術(shù)的發(fā)展，一些特殊的高性能構(gòu)件的制造，往往要求把性能差別較大的異種材料，如金屬與陶瓷、鋁與鋼、鈦與鋼、金屬與玻璃等連接在一起，這也是傳統(tǒng)熔焊方法難以實現(xiàn)的，現(xiàn)在不但要連接金屬，而且要連接非金屬，或金屬與非金屬。因此，連接所涉及的范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)熔焊的概念。為了適應(yīng)這種要求，近年來作為固相連接的方法之一擴(kuò)散連接技術(shù)引起人們的重視，成為連接領(lǐng)域新的研究熱點，正在飛速發(fā)展。這種技術(shù)已廣泛用于航天、航空、儀表及電子等國防部門，并逐步擴(kuò)展到機(jī)械、化工及汽車制造等領(lǐng)域。擴(kuò)散連接技術(shù)近年來，新材料在生產(chǎn)中應(yīng)用，經(jīng)常遇到這些材料本擴(kuò)散連接方法特點1）接合區(qū)域無凝固(鑄造)組織，不生成氣孔、宏觀裂紋等熔焊時的缺陷。2）同種材料接合時，可獲得與母材性能相同的接頭，幾乎不存在殘余應(yīng)力。3）可以實現(xiàn)難焊材料的連接。對于塑性差或熔點高的同種材料、互相不溶解或在熔焊時會產(chǎn)生脆性金屬間化合物的異種材料（包括金屬與陶瓷），擴(kuò)散連接是可靠的連接方法之一。4）精度高，變形小，精密接合。5）可以進(jìn)行大面積板及圓柱的連接。6）采用中間層可減少殘余應(yīng)力。擴(kuò)散連接方法特點1）接合區(qū)域無凝固(鑄造)組織，不生成氣孔擴(kuò)散連接的缺點1）無法進(jìn)行連續(xù)式批量生產(chǎn)。2）時間長，成本高。3）接合表面要求嚴(yán)格。4）設(shè)備一次性投資較大，且連接工件的尺寸受到設(shè)備的限制。擴(kuò)散連接的缺點1）無法進(jìn)行連續(xù)式批量生產(chǎn)。擴(kuò)散連接原理

擴(kuò)散連接是壓力焊一種變形，與常用壓力焊方法（冷壓焊、摩擦焊、爆炸焊、超聲波焊）相同的是在連接過程中要施加一定的壓力，不同:溫度-壓力強(qiáng)度及過程持續(xù)時間。擴(kuò)散連接是零件整體連接的方法，這種連接接頭是在原子水平上形成的，它是相互接觸的表面，在高溫和壓力的作用下，被連接表面相互靠近，局部發(fā)生塑性變形，經(jīng)一定時間后保證結(jié)合層原子間相互擴(kuò)散，形成整體水平上的可靠連接。擴(kuò)散連接原理擴(kuò)散連接是壓力焊一種變形，與常用壓力焊方法（冷擴(kuò)散連接分類固態(tài)擴(kuò)散連接擴(kuò)散連接加中間層的擴(kuò)散連接不加中間層的擴(kuò)散連接真空擴(kuò)散連接氣體保護(hù)擴(kuò)散連接溶劑保護(hù)擴(kuò)散連接燒結(jié)－擴(kuò)散連接瞬時液相擴(kuò)散連接超塑性成形－擴(kuò)散連接擴(kuò)散連接分類固態(tài)擴(kuò)散連接擴(kuò)散連接加中間層的擴(kuò)散連接不加中間固相擴(kuò)散連接過程第一階段為物理接觸階段，這是保證整個表面都可靠接觸，只有接觸面達(dá)到一定的距離，原子間才能相互作用形成原子間的結(jié)合，才能形成可靠的連接。在高溫下微觀不平的表面，在外加壓力的作用下，總有一些點首先達(dá)到塑性變形，在持續(xù)壓力的作用下，接觸面逐漸增大，而達(dá)到整個面的可靠接觸。第二階段則是接觸的表面原子間的相互擴(kuò)散，形成牢固的結(jié)合層。第三階段是在接觸的部分形成的結(jié)合層，逐漸向體積方向發(fā)展，形成可靠的連接接頭。固相擴(kuò)散連接過程第一階段為物理接觸階段，這是保證整個表面都擴(kuò)散連接的三階段模型示意圖a)凹凸不平的初始接觸b)變形和形成部分界面階段c)元素相互擴(kuò)散和反應(yīng)階段d)體積擴(kuò)散及微孔消除階段a)b)c)d)擴(kuò)散連接的三階段模型示意圖a)凹凸不平的初始接觸上述過程相互交叉進(jìn)行，最終在連接界面處由于擴(kuò)散、再結(jié)晶等生成固溶體及共晶體，有時生成金屬間化合物，形成可靠的連接接頭。該過程不但應(yīng)考慮擴(kuò)散過程，同時應(yīng)考慮界面生成物的性質(zhì)，如性能差別較大的兩種金屬，在高溫長時間擴(kuò)散時，界面極易生成脆性金屬間化合物，而使接頭性能變差。上述過程相互交叉進(jìn)行，最終在連接界面處由于擴(kuò)散、再結(jié)晶等生成液相擴(kuò)散連接基本原理

液相擴(kuò)散連接方法自20世紀(jì)50年代以來，在彌散強(qiáng)化高溫合金、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、異種金屬材料以及新型材料的連接中得到了大量應(yīng)用。該方法也稱瞬時液相擴(kuò)散連接（TransientLiquitPhase），通常采用比母材熔點低的材料作中間夾層，在加熱到連接溫度時，中間層熔化，在結(jié)合面上形成瞬間液膜，在保溫過程中，隨著低熔點組元向母材的擴(kuò)散，液膜厚度隨之減小直至消失，再經(jīng)一定時間的保溫而使成分均勻化（如圖8下所示）。液相擴(kuò)散連接基本原理液相擴(kuò)散連接方法自20世紀(jì)50年代以來瞬時液相擴(kuò)散連接過程示意圖a)形成液相b)低熔點元素向母材擴(kuò)散c)等溫凝固d)等溫凝固結(jié)束e)成分均勻化瞬時液相擴(kuò)散連接過程示意圖a)形成液相b)低熔點元素向母液相擴(kuò)散連接液相的生成將中間擴(kuò)散夾層材料夾在被連接表面之間，施加一定的壓力，或依靠工件自重使相互接觸。然后在無氧化或無污染的條件下加熱，當(dāng)加熱到連接溫度TB時，形成共晶液相（上圖a）。等溫凝固過程液相形成并充滿整個焊縫縫隙后，應(yīng)立即開始保溫，使液-固相之間進(jìn)行充分的擴(kuò)散，由于液相中使熔點降低的元素大量擴(kuò)散至母材內(nèi)（圖b），母材中某些元素向液相中溶解，使液相的熔點逐漸升高而凝固，凝固界面從兩側(cè)向中間推進(jìn)（圖c）。隨著保溫時間的延長，接頭中的液相逐漸減少，最后形成接頭（圖d）。成分均勻化等溫凝固形成的接頭，成分很不均勻。為了獲得成分和組織均勻的接頭，需要繼續(xù)保溫擴(kuò)散（圖e）。液相擴(kuò)散連接液相的生成將中間擴(kuò)散夾層材料夾在被連接表面之超塑成形擴(kuò)散連接基本原理

超塑性是指在一定的溫度下，對于等軸細(xì)晶粒組織，當(dāng)晶粒尺寸、材料的變形速率小于某一數(shù)值時，拉伸變形可以超過100％、甚至達(dá)到數(shù)千倍，這種行為叫做材料的超塑性行為。材料的超塑性成形和擴(kuò)散連接的溫度在同一溫度區(qū)間，因此可以把成形與連接放在一起進(jìn)行，而構(gòu)成超塑成形擴(kuò)散連接工藝。用這種方法可以制造鈦合金薄壁復(fù)雜結(jié)構(gòu)件（飛機(jī)大型壁板、翼梁、艙門、發(fā)動機(jī)葉片），并已經(jīng)在航天、航空領(lǐng)域得到應(yīng)用，如波音747飛機(jī)上有70多個鈦合金結(jié)構(gòu)件就是應(yīng)用這種方法制造的。用這種方法制成的結(jié)構(gòu)件，質(zhì)量小，剛度大，可減輕質(zhì)量30％，降低成本50％，提高加工效率20倍。超塑成形擴(kuò)散連接基本原理超塑性是指在一定的溫度下，對于等軸擴(kuò)散連接參數(shù)選擇

擴(kuò)散連接參數(shù)主要有溫度、壓力、時間、氣氛環(huán)境和試件的表面狀態(tài)，這些因素之間相互影響、相互制約，在選擇焊接參數(shù)時應(yīng)統(tǒng)籌考慮。此外，擴(kuò)散連接時還應(yīng)考慮中間層材料的選用。擴(kuò)散連接參數(shù)選擇擴(kuò)散連接參數(shù)主要有溫度、壓力、時間、氣氛環(huán)連接溫度連接溫度T越高，擴(kuò)散系數(shù)愈大，金屬的塑性變形能力愈好，連接表面達(dá)到緊密接觸所需的壓力愈小。但是，加熱溫度受到再結(jié)晶、低熔共晶和金屬間化合物生成等因素的影響。因此，不同材料組合的連接溫度，應(yīng)根據(jù)具體情況，通過實驗來選定。從大量實驗結(jié)果看，連接溫度大都在0.5～0.8Tm(母材熔化溫度)范圍內(nèi)，最適合的溫度一般為T≈0.7Tm。對瞬時液相擴(kuò)散連接溫度的選擇，常在可生成液相的最低溫度附近，溫度過高將引起母材的過量溶解。連接溫度連接溫度T越高，擴(kuò)散系數(shù)愈大，金屬的塑性變形能力愈好保溫時間擴(kuò)散連接時間t（也稱保溫時間）主要決定原子擴(kuò)散和界面反應(yīng)的程度，同時也對所連接金屬的蠕變產(chǎn)生影響。連接時間不同，所形成的界面產(chǎn)物和界面結(jié)構(gòu)不同。擴(kuò)散連接時，要求接頭成分均勻化的程度越高，保溫時間就將以平方的速度增長。實際擴(kuò)散連接工藝中保溫時間從幾分鐘到幾小時，甚至達(dá)到幾十小時。但從提高生產(chǎn)率考慮，保溫時間越短越好?？s短保溫時間，必須相應(yīng)提高溫度與壓力。接頭強(qiáng)度一般是隨時間的增加而上升，而后逐漸趨于穩(wěn)定。接頭的塑性，延伸率和沖擊韌性與保溫擴(kuò)散時間的關(guān)系也與此相似。保溫時間擴(kuò)散連接時間t（也稱保溫時間）主要決定原子擴(kuò)散和界面連接壓力

擴(kuò)散連接時的壓力主要促使連接表面產(chǎn)生塑性變形及達(dá)到緊密接觸狀態(tài)，使界面區(qū)原子激活，加速擴(kuò)散與界面孔洞的彌合及消失，防止擴(kuò)散孔洞的產(chǎn)生。壓力愈大，溫度愈高，緊密接觸的面積也愈多。但不管壓力多大，在擴(kuò)散連接的初期不可能使連接表面達(dá)到100%的緊密接觸狀態(tài)，總有一小部分演變成界面孔洞。目前，擴(kuò)散連接規(guī)范中應(yīng)用的壓力范圍很寬，最小只有0.04MPa(瞬時液相擴(kuò)散連接)，最大可達(dá)350MPa（熱等靜壓擴(kuò)散連接），而一般壓力約為10~30MPa。與連接溫度和時間的影響一樣，壓力也存在最佳值，在其他規(guī)范參數(shù)不變的條件下，最佳壓力時接頭可以獲得最佳強(qiáng)度。連接壓力擴(kuò)散連接時的壓力主要促使連接表面產(chǎn)生塑性變形及達(dá)到環(huán)境氣氛

擴(kuò)散連接一般在真空、不活性氣體（Ar、N2）或大氣氣氛環(huán)境下進(jìn)行，一般來說，真空擴(kuò)散連接的接頭強(qiáng)度高于在不活性氣體和空氣中連接的接頭強(qiáng)度。真空中的材料在溫度升高時，氣體會從零件和真空室內(nèi)壁中析出，計算和實驗結(jié)果表明，真空室內(nèi)的真空度在常用的規(guī)范范圍內(nèi)（1.33~1.33×10-3Pa），就足以保證連接表面達(dá)到一定的清潔度，從而確保實現(xiàn)可靠連接。環(huán)境氣氛擴(kuò)散連接一般在真空、不活性氣體（Ar、N2）或大氣表面狀態(tài)

表面粗糙度的影響幾乎所有的焊接件都需要由機(jī)械加工制成，不同的機(jī)械加工方法，獲得的粗糙等級不同。擴(kuò)散連接的試件一般要求表面粗糙度應(yīng)達(dá)到Ra＞2.5mm（6）以上。表面清理待連接零件在擴(kuò)散連接前的加工和存放過程中，被連接表面不可避免地形成氧化物、覆蓋著油脂和灰塵等。在連接前需經(jīng)過脫脂、去除氧化物及氣體處理等工藝過程。表面狀態(tài)表面粗糙度的影響幾乎所有的焊接件都需要由機(jī)械加工中間層選擇兩種材料結(jié)晶化學(xué)性能差別較大，這兩種材料連接時，極易在接觸界面生成脆性金屬間化合物。兩種材料的熱膨脹系數(shù)差別大，在接頭區(qū)域極易產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力。針對這些問題為了獲得高質(zhì)量的接頭，則要選擇中間層，使中間層金屬與兩側(cè)材料都能較好的結(jié)合，生成固溶體，則實現(xiàn)良好的連接，對熱物理性能差別較大的材料，可以用軟的中間層或用幾個中間層過渡,緩和接頭的內(nèi)應(yīng)力，以保證獲得性能良好的接頭。中間層選擇兩種材料結(jié)晶化學(xué)性能差別較大，這兩種材料連接時，極中間層選擇

擴(kuò)散連接時，中間層材料非常主要，除了能夠無限互溶的材料以外，異種材料、陶瓷、金屬間化合物等材料多采用中間夾層進(jìn)行擴(kuò)散連接。中間層材料不僅在固相擴(kuò)散連接時使用，在液相擴(kuò)散連接中應(yīng)用的也比較廣泛。中間層可采用多種方式添加，如薄金屬墊片、非晶態(tài)箔片、粉末（對難以制成薄片的脆性材料）和表面鍍膜（如蒸鍍、PVD、電鍍、離子鍍、化學(xué)鍍、噴鍍、離子注入等）。中間層選擇擴(kuò)散連接時，中間層材料非常主要，除了能夠無限互溶中間層的作用改善表面接觸，減小擴(kuò)散連接時的壓力。對于難變形材料，擴(kuò)散連接時采用軟質(zhì)金屬或合金作中間層，利用中間層的塑性變形和塑性流動，使結(jié)合界面達(dá)到緊密接觸，提高物理接觸效果和減少達(dá)到緊密接觸所需的時間。同時，中間層材料的加入，使界面的濃度梯度變大，促進(jìn)元素的擴(kuò)散，加速擴(kuò)散空洞的消失。中間層的作用改善表面接觸，減小擴(kuò)散連接時的壓力。對于難變形中間層的作用可以抑制夾雜物的形成，促進(jìn)其破碎或分解。例如，Al合金表面易形成一層穩(wěn)定的Al2O3氧化物層，擴(kuò)散連接時該層不向母材中溶解?？梢圆捎肧i作中間層，利用Al-Si共晶反應(yīng)形成液膜，促進(jìn)Al2O3層破碎。Ni基合金表面也容易形成氧化膜，擴(kuò)散連接時，由于微量氧的存在，可在連接界面促進(jìn)碳化物和氮化物的形成，影響接頭性能。采用Ni箔作中間層進(jìn)行擴(kuò)散連接，可以對這些化合物的生成起抑制作用。中間層的作用可以抑制夾雜物的形成，促進(jìn)其破碎或分解。例如，A中間層的作用改善冶金反應(yīng)，避免或減少形成脆性金屬間化合物和有害的共晶組織。異種金屬材料擴(kuò)散連接時，最好選用和母材不形成金屬間化合物的第三者材料，以便通過控制界面反應(yīng)，改善材料的連接性。例如，F(xiàn)e和Ti擴(kuò)散連接時，除形成Fe-Ti化合物以外，F(xiàn)e中的C元素和Ti反應(yīng)形成TiC。采用Ni作中間層進(jìn)行擴(kuò)散連接，可以抑制TiC脆性相的出現(xiàn)。而且，在Ni與Ti的界面上，形成Ni-Ti化合物后，接頭強(qiáng)度比形成TiC時高。中間層的作用改善冶金反應(yīng)，避免或減少形成脆性金屬間化合物和有中間層的作用可以降低連接溫度，減少擴(kuò)散連接時間。例如，Mo直接擴(kuò)散連接時，連接溫度為1260℃，而采用Ti箔作中間層，連接溫度只需要930℃。控制接頭應(yīng)力，提高接頭強(qiáng)度。異種材料連接時，由于材料物理化學(xué)性能的突變，特別是因熱膨脹系數(shù)不同，接頭易產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力。選取兼有兩種母材性能的材料作中間層，形成梯度接頭，避免或減少界面的熱應(yīng)力，從而提高接頭強(qiáng)度。中間層的作用可以降低連接溫度，減少擴(kuò)散連接時間。例如，Mo直中間層選擇原則1）容易塑性變形，熔點比母材低。2）物理化學(xué)性能與母材的差異比被連接材料之間的差異小。3）不與母材產(chǎn)生不良的冶金反應(yīng)，如不產(chǎn)生脆性相或不希望出現(xiàn)的共晶相。4）不引起接頭的電化學(xué)腐蝕。中間層選擇原則1）容易塑性變形，熔點比母材低。擴(kuò)散連接的設(shè)備

擴(kuò)散連接是在一定的溫度和壓力下，經(jīng)過一定的時間，連接界面原子間相互擴(kuò)散，實現(xiàn)可靠的連接。在焊接時，必須保證連接面及被焊金屬不受空氣的影響，才能保證得到優(yōu)質(zhì)的接頭。一般情況下，必須在真空或惰性氣體介質(zhì)中進(jìn)行?，F(xiàn)在應(yīng)用最多的方法是真空擴(kuò)散連接，它可以焊接活性金屬，也可以焊接一般金屬與非金屬。真空擴(kuò)散連接可以用高頻、輻射、接觸電阻、電子束及輝光放電等方法，對工件進(jìn)行局部或整體加熱。擴(kuò)散連接的設(shè)備擴(kuò)散連接是在一定的溫度和壓力下，經(jīng)過一定的時真空擴(kuò)散連接設(shè)備的組成真空系統(tǒng)，包括真空室、機(jī)械泵、擴(kuò)散泵、管路、切換閥門和真空計組成。真空室的大小應(yīng)根據(jù)焊接工件的尺寸確定，對于確定的機(jī)械泵和擴(kuò)散泵，真空室越大，抽到10-3Pa所需的時間就越長。一般情況下，機(jī)械泵能達(dá)到的真空度為10-1Pa，擴(kuò)散泵可以達(dá)到10-3Pa～10-5Pa真空度。為了加快抽真空的時間，一般還要在機(jī)械泵和擴(kuò)散泵之間增加一級增壓泵（也稱羅斯泵）。真空擴(kuò)散連接設(shè)備的組成真空系統(tǒng)，包括真空室、機(jī)械泵、擴(kuò)散泵真空擴(kuò)散連接設(shè)備的組成加熱系統(tǒng)高頻感應(yīng)擴(kuò)散焊接設(shè)備采用高頻電源加熱，工作頻率為60～500kHz，由于集膚效應(yīng)的作用，該類頻率區(qū)間的設(shè)備只能加熱較小的工件。對于較大或較厚的工件，為了縮短感應(yīng)加熱時間，最好選用500～1000Hz的低頻焊接設(shè)備。感應(yīng)線圈由銅管制成，內(nèi)通冷卻水，其形狀可根據(jù)焊件的形狀進(jìn)行設(shè)計，但一般為環(huán)狀，線圈可選用1匝或多匝。電阻加熱真空擴(kuò)散連接設(shè)備采用輻射加熱的方法進(jìn)行連接，加熱體可選用鎢、鉬或石墨材料。真空室中應(yīng)有耐高溫材料（一般用多層鉬箔）圍成的均勻加熱區(qū)，以便保持溫度均勻。真空擴(kuò)散連接設(shè)備的組成加熱系統(tǒng)高頻感應(yīng)擴(kuò)散焊接設(shè)備采用高頻真空擴(kuò)散連接設(shè)備的組成加壓系統(tǒng)為了使被連接件之間達(dá)到密切接觸，擴(kuò)散連接時要施加一定的壓力。對于一般的金屬材料，在合適的擴(kuò)散連接溫度下，采用的壓強(qiáng)范圍為1~100MPa。對于陶瓷、高溫合金等難變形的材料，或加工表面粗糙度較大，或當(dāng)擴(kuò)散連接溫度較低時，才采用較高的壓力。擴(kuò)散連接設(shè)備一般采用液壓或機(jī)械加壓系統(tǒng)，在自動控制壓力的擴(kuò)散連接設(shè)備上，一般裝有壓力傳感器，以此實現(xiàn)對壓力的測量和控制。真空擴(kuò)散連接設(shè)備的組成加壓系統(tǒng)為了使被連接件之間達(dá)到密切接真空擴(kuò)散連接設(shè)備的組成控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)溫度、壓力、真空度及連接時間的控制，少數(shù)設(shè)備還可以實現(xiàn)位移測量及控制。溫度測量采用鎳鉻-鎳鋁、鎢-銠、鉑-鉑銠等熱電偶，測量范圍為293～2573K，控制精度范圍為±（5～10）K。采用壓力傳感器測量施加的壓力，并通過和給定壓力比較進(jìn)行調(diào)節(jié)?？刂葡到y(tǒng)多采用計算機(jī)編程自動控制，可以實現(xiàn)連接參數(shù)顯示、存儲、打印等功能。冷卻系統(tǒng)為了防止設(shè)備在高溫下?lián)p壞，對擴(kuò)散泵、感應(yīng)加熱線圈、電阻加熱電極、輻射加熱的爐體等應(yīng)按照要求通水冷卻。真空擴(kuò)散連接設(shè)備的組成控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)溫度、壓力、電阻輻射加熱真空擴(kuò)散連接設(shè)備結(jié)構(gòu)原理示意圖1－下壓頭2－上壓頭3－加熱器4－真空爐體

5－傳力桿6－機(jī)架7－液壓系統(tǒng)

8－工件9－真空系統(tǒng)電阻輻射加熱真空擴(kuò)散連接設(shè)備結(jié)構(gòu)原理示意圖1－下壓頭感應(yīng)加熱擴(kuò)散焊機(jī)原理示意圖感應(yīng)加熱擴(kuò)散焊機(jī)原理示意圖感應(yīng)加熱擴(kuò)散連接設(shè)備照片感應(yīng)加熱擴(kuò)散連接設(shè)備照片超塑成形擴(kuò)散連接設(shè)備示意圖1－下金屬平臺

2－上金屬平臺3－爐殼4－導(dǎo)筒

5－立柱6－油缸7－上模具8－下模具9－氣管10－活動爐底超塑成形擴(kuò)散連接設(shè)備示意圖1－下金屬平臺摩擦焊摩擦焊摩擦焊摩擦焊是利用焊件相對摩擦運(yùn)動產(chǎn)生的熱量實現(xiàn)材料可靠連接的一種壓力焊方法，其焊接過程是在壓力的作用下，待焊材料之間產(chǎn)生摩擦使界面及其附近溫度升高并達(dá)到熱塑性狀態(tài)，隨著頂鍛力的作用，界面氧化膜破碎，材料發(fā)生塑性變形與流動，通過界面元素擴(kuò)散及再結(jié)晶冶金反應(yīng)而形成接頭。摩擦焊摩擦焊是利用焊件相對摩擦運(yùn)動產(chǎn)生的熱量實現(xiàn)材料可靠連摩擦焊分類連續(xù)驅(qū)動摩擦焊慣性摩擦焊相位摩擦焊徑向摩擦焊線性摩擦焊攪拌摩擦焊摩擦焊分類連續(xù)驅(qū)動摩擦焊在實際生產(chǎn)中，連續(xù)驅(qū)動摩擦焊、相位控制摩擦焊、慣性摩擦焊和攪拌摩擦焊應(yīng)用的比較普遍。通常所說的摩擦焊主要是指連續(xù)驅(qū)動摩擦焊、相位控制摩擦焊、慣性摩擦焊和軌道摩擦焊，統(tǒng)稱傳統(tǒng)摩擦焊，他們的共同特點是靠兩個待焊件之間的相對摩擦運(yùn)動產(chǎn)生熱能。而攪拌摩擦焊是靠攪拌頭和待焊件之間的相對摩擦運(yùn)動產(chǎn)生熱量而實現(xiàn)焊接。在實際生產(chǎn)中，連續(xù)驅(qū)動摩擦焊、相位控制摩擦焊、慣性摩擦焊和攪連續(xù)驅(qū)動摩擦焊最普通的摩擦焊方法。焊接兩個圓形橫斷面工件時，首先使一工件以中心線為軸高速旋轉(zhuǎn)，然后將另一工件向旋轉(zhuǎn)工件施加軸向壓力，開始摩擦加熱。達(dá)到給定的摩擦焊時間或規(guī)定的摩擦變形量，即接頭加熱到焊接溫度時，立即停止工件的轉(zhuǎn)動，同時施加更大的軸向壓力，進(jìn)行頂鍛焊接。通常，全部焊接過程只要幾秒鐘。連續(xù)驅(qū)動摩擦焊最普通的摩擦焊方法。焊接兩個圓形橫斷面工件時，連續(xù)驅(qū)動摩擦焊原理示意圖

a)加壓力p使待焊材料緊密接觸

b)相對運(yùn)動產(chǎn)生摩擦熱凈化界面c)在頂鍛力的作用下形成接頭連續(xù)驅(qū)動摩擦焊原理示意圖a)加壓力p使待焊材料緊密接觸連續(xù)驅(qū)動摩擦焊接過程示意圖n－工作轉(zhuǎn)速p－軸向應(yīng)力pf－摩擦壓力pu－頂鍛壓力△lf－摩擦變形量△lu－頂鍛變形量P－摩擦加熱功率Pmax－摩擦加熱功率峰值t－時間△tf－摩擦?xí)r間th－實際摩擦加熱時間tu－實際頂鍛時間連續(xù)驅(qū)動摩擦焊接過程示意圖n－工作轉(zhuǎn)速p－軸向應(yīng)力p連續(xù)驅(qū)動摩擦焊接過程分析從上圖中可知，摩擦焊接過程的一個周期，可分成摩擦加熱過程和頂鍛焊接過程兩部分。摩擦加熱過程可以分成四個階段，即初始摩擦、不穩(wěn)定摩擦、穩(wěn)定摩擦和停車階段。頂鍛焊接過程也可以分為純頂鍛和頂鍛維持兩個階段。連續(xù)驅(qū)動摩擦焊接過程分析從上圖中可知，摩擦焊接過程的一個周期初始摩擦階段(t1)此階段是從兩個工件開始接觸的a點起，到摩擦加熱功率顯著增大的b點止。摩擦開始時，由于工件待焊接表面不平，以及存在氧化膜、鐵銹、油脂、灰塵和吸附氣體等，使得摩擦系數(shù)很大。隨著摩擦壓力的逐漸增大，摩擦加熱功率也慢慢增加，最后摩擦焊接表面溫度將升到200～300℃左右。初始摩擦階段(t1)此階段是從兩個工件開始接觸的a點起，到摩初始摩擦階段(t1)由于兩個待焊工件表面互相作用著較大的摩擦壓力和具有很高的相對運(yùn)動速度，使凸凹不平的表面迅速產(chǎn)生塑性變形和機(jī)械挖掘現(xiàn)象。塑性變形破壞了界面的金屬晶粒，形成一個晶粒細(xì)小的變形層，變形層附件的母材也沿摩擦方向產(chǎn)生塑性變形。金屬互相壓入部分的挖掘，使摩擦界面出現(xiàn)同心圓痕跡，這樣又增大了塑性變形。因摩擦表面不平，接觸不連續(xù)，以及溫度升高等原因，使摩擦表面產(chǎn)生振動，此時空氣可能進(jìn)入摩擦表面，使高溫下的金屬氧化。但tl時間很短，摩擦表面的塑性變形和機(jī)械挖掘又可以破壞氧化膜，因此，對接頭的質(zhì)量影響不大。初始摩擦階段(t1)由于兩個待焊工件表面互相作用著較大的摩擦不穩(wěn)定摩擦階段(t2)

不穩(wěn)定摩擦階段是摩擦加熱過程的一個主要階段，該階段從摩擦加熱功率顯著增大的b點起，越過功率峰值c點，到功率穩(wěn)定值的d點為止。由于摩擦壓力較初始摩擦階段增大，相對摩擦破壞了焊接金屬表面，使純凈的金屬直接接觸。隨著摩擦焊接表面的溫度升高，金屬的強(qiáng)度有所降低，而塑性和韌性卻有很大的提高，增大了摩擦焊接表面的實際接觸面積。這些因素都使材料的摩擦系數(shù)增大，摩擦加熱功率迅速提高。當(dāng)摩擦焊接表面的溫度繼續(xù)增高時，金屬的塑性增高，而強(qiáng)度和韌性都顯著下降，摩擦加熱功率也迅速降低到穩(wěn)定值d點。因此，摩擦焊接的加熱功率和摩擦扭距都在的c點呈現(xiàn)出最大值。不穩(wěn)定摩擦階段(t2)不穩(wěn)定摩擦階段是摩擦加熱過穩(wěn)定摩擦階段(t3)穩(wěn)定摩擦階段是摩擦加熱過程的主要階段，其范圍從摩擦加熱功率穩(wěn)定值的d點起，到接頭形成最佳溫度分布的e點為止，這里的e點也是焊機(jī)主軸開始停車的時間點（可稱為e’點），也是頂鍛壓力開始上升的f點以及頂鍛變形量的開始點。在穩(wěn)定摩擦階段中，工件摩擦表面的溫度繼續(xù)升高，并達(dá)到1300℃左右。這時金屬的粘結(jié)現(xiàn)象減少，分子作用現(xiàn)象增強(qiáng)。穩(wěn)定摩擦階段的金屬強(qiáng)度極低，塑性很大，摩擦系數(shù)很小，摩擦加熱功率也基本上穩(wěn)定在一個很低的數(shù)值。此外，其它連接參數(shù)的變化也趨于穩(wěn)定，只有摩擦變形量不斷增大，變形層金屬在摩擦扭距的軸向壓力作用下，從摩擦表面擠出形成飛邊，同時，界面附近的高溫金屬不斷補(bǔ)充，始終處于動平衡狀態(tài)，只是接頭的飛邊不斷增大，接頭的熱影響區(qū)變寬。穩(wěn)定摩擦階段(t3)穩(wěn)定摩擦階段是摩擦加熱過程的主要階段，其停車階段(t4)停車階段是摩擦加熱過程和頂鍛焊接過程的過渡階段，是從主軸和工件一起開始停車減速的e’點起，到主軸停止轉(zhuǎn)動的g點止。從圖上可知，實際的摩擦加熱時間從a點開始，到g點結(jié)束，即tf＝t1十t2十t3十t4。盡管頂鍛壓力從f點施加，但由于工件并末完全停止旋轉(zhuǎn)，所以g’點以前的壓力，實質(zhì)上還是屬于摩擦壓力。頂鍛開始后，隨著軸向壓力的增大，轉(zhuǎn)速降低，摩擦扭矩增大，并再次出現(xiàn)峰值，此值稱為后峰值扭矩。同時，在頂鍛力的作用下，接頭中的高溫金屬被大量擠出，工件的變形量也增大。因此，停車階段是摩擦焊接的重要過程，直接影響接頭的焊接質(zhì)量，要嚴(yán)格控制。停車階段(t4)停車階段是摩擦加熱過程和頂鍛焊接過程的過渡階純頂鍛階段(t5)從主軸停止旋轉(zhuǎn)的g(或g’)點起，到頂鍛壓力上升至最大位的h點為止。在這個階段中，應(yīng)施加足夠大的頂鍛壓力，精確控制頂鍛變形量和頂鍛速度，以保證獲得優(yōu)異的焊接質(zhì)量。純頂鍛階段(t5)從主軸停止旋轉(zhuǎn)的g(或g’)點起，到頂鍛壓頂鍛維持階段(t6)該階段從頂鍛壓力的最高點h開始，到接頭溫度冷卻到低于規(guī)定值為止。在實際焊接控制和自動摩擦焊機(jī)的程序設(shè)計時，應(yīng)精密控制該階段的時間tu（tu＝t3十t4）。在頂鍛維持階段，頂鍛時間、頂鍛壓力和頂鍛速度應(yīng)相互配合，以獲得合適的摩擦變形量△lf和頂鍛變形量△lu。在實際計算時，摩擦變形速度一般采用平均摩擦變形速度（△lf／tf），頂鍛變形速度也采用其平均值（△lu／(t4十t5)）。頂鍛維持階段(t6)該階段從頂鍛壓力的最高點h開始，到接頭溫總之，在整個摩擦焊接過程中，待焊的金屬表面經(jīng)歷了從低溫到高溫摩擦加熱，連續(xù)發(fā)生了塑性變形、機(jī)械挖掘、粘接和分子連接的過程變化，形成了一個存在于全過程的高速摩擦塑性變形層，摩擦焊接時的產(chǎn)熱、變形和擴(kuò)散現(xiàn)象都集中在變形層中。在停車階段和頂鍛焊接過程中，摩擦表面的變形層和高溫區(qū)金屬被部分?jǐn)D碎排出，焊縫金屬經(jīng)受鍛造，形成了質(zhì)量良好的焊接接頭?？傊?，在整個摩擦焊接過程中，待焊的金屬表面經(jīng)歷了從低溫到高溫連續(xù)驅(qū)動摩擦焊摩擦加熱功率

N=μkPV 式中N－摩擦加熱功率μ－摩擦系數(shù)；

k－系數(shù)；

P－摩擦壓力；

V－摩擦相對運(yùn)動速度。連續(xù)驅(qū)動摩擦焊摩擦加熱功率N=μkPV 摩擦焊接工藝參數(shù)

連續(xù)驅(qū)動摩擦焊的主要參數(shù)有轉(zhuǎn)速、摩擦壓力、摩擦?xí)r間、摩擦變形量、停車時間、頂鍛時間、頂鍛壓力、頂鍛變形量，其中，摩擦變形量和頂鍛變形量（總和為縮短量）是其他參數(shù)的綜合反應(yīng)。摩擦焊接工藝參數(shù)連續(xù)驅(qū)動摩擦焊的主要參數(shù)有轉(zhuǎn)速、摩擦壓力連續(xù)驅(qū)動摩擦焊工藝參數(shù)

轉(zhuǎn)速與摩擦力轉(zhuǎn)速和摩擦力直接影響摩擦扭矩、摩擦加熱功率、接頭溫度場、塑性層厚度以及摩擦變形速度等。轉(zhuǎn)速和摩擦壓力的選擇范圍很寬，它們不同的組合可得到不同的規(guī)范，常用的組合有強(qiáng)規(guī)范和弱規(guī)范。強(qiáng)規(guī)范時，轉(zhuǎn)速較低，摩擦壓力較大，摩擦?xí)r間短；弱規(guī)范時，轉(zhuǎn)速較高，摩擦壓力小，摩擦?xí)r間長。摩擦?xí)r間摩擦?xí)r間影響接頭的溫度、溫度場和質(zhì)量。如果時間短，則界面加熱不充分，接頭溫度和溫度場不能滿足焊接要求；如果時間長，則消耗能量多，熱影響區(qū)大，高溫區(qū)金屬易過熱，變形大，飛邊也大，消耗的材料多。碳鋼工件的摩擦?xí)r間一般在1～40s范圍內(nèi)。連續(xù)驅(qū)動摩擦焊工藝參數(shù)轉(zhuǎn)速與摩擦力轉(zhuǎn)速和摩擦力直接影響摩連續(xù)驅(qū)動摩擦焊工藝參數(shù)摩擦變形量摩擦變形量與轉(zhuǎn)速、摩擦壓力、摩擦?xí)r間、材質(zhì)的狀態(tài)和變形抗力有關(guān)，要得到牢靠的接頭，必須有一定的摩擦變形量，通常選取的范圍為1～10mm。停車時間停車時間是轉(zhuǎn)速由給定值下降到零所對應(yīng)的時間，直接影響接頭的變形層厚度和焊接質(zhì)量，當(dāng)變形層較厚時，停車時間要短；當(dāng)變形層較薄而且希望在停車階段增加變形層厚度時，則可加長停車時間連續(xù)驅(qū)動摩擦焊工藝參數(shù)摩擦變形量摩擦變形量與轉(zhuǎn)速、摩擦壓力連續(xù)驅(qū)動摩擦焊工藝參數(shù)頂鍛壓力、頂鍛變形量和頂鍛變形速度頂鍛壓力的作用是擠出摩擦塑性變形層中的氧化物和其他有害雜質(zhì)，并使焊縫得到鍛壓，結(jié)合牢靠，晶粒細(xì)化。頂鍛壓力的選擇與材質(zhì)、接頭溫度、變形層厚度以及摩擦力有關(guān)。材料的高溫強(qiáng)度高時，頂鍛壓力要大；溫度高、變形層厚度小時，頂鍛壓力要小（較小的頂鍛壓力就可得到所需要的頂鍛變向量）；摩擦壓力大時，相應(yīng)的頂鍛壓力要小一些。頂鍛變形量是頂鍛壓力作用結(jié)果的具體反映。頂鍛變形量一般選取1～6mm。頂鍛速度對焊接質(zhì)量影響很大，如頂鍛速度慢，則達(dá)不到要求的頂鍛變形量，頂鍛速度一般為10～40mm/min。連續(xù)驅(qū)動摩擦焊工藝參數(shù)頂鍛壓力、頂鍛變形量和頂鍛變形速度頂慣性摩擦焊慣性摩擦焊是近年來快速發(fā)展并應(yīng)用于飛行器制造中新型材料、新型結(jié)構(gòu)件固相焊接方法的一種。與其它焊接方法相比，特別適合于焊接異種材料。慣性摩擦焊慣性摩擦焊是近年來快速發(fā)展并應(yīng)用于飛行器制造中新型慣性摩擦焊工件的旋轉(zhuǎn)端被夾持在飛輪里，焊接過程開始時，首先將飛輪和工件的旋轉(zhuǎn)端加速到一定的轉(zhuǎn)速，然后飛輪與主電機(jī)脫開，同時，工件的移動端向前移動，工件接觸后，開始摩擦加熱。在摩擦焊加熱過程中，飛輪受摩擦扭矩的制動作用，轉(zhuǎn)速逐漸降低，當(dāng)轉(zhuǎn)速為零時，焊接過程結(jié)束.慣性摩擦焊工件的旋轉(zhuǎn)端被夾持在飛輪里，焊接過程開始時，首先將飛輪儲存的能量慣性摩擦焊的飛輪儲存的能量A與飛輪轉(zhuǎn)動慣量J和飛輪角速度ω的關(guān)系為：對實心飛輪式中G—飛輪重量；

R—飛輪半徑；

g—重力加速度飛輪儲存的能量慣性摩擦焊的飛輪儲存的能量A與飛輪轉(zhuǎn)動慣量J慣性摩擦焊的主要特點慣性摩擦焊的主要特點是恒壓、變速，它將連續(xù)驅(qū)動摩擦焊的加熱和頂鍛結(jié)合在一起。在實際生產(chǎn)中，可通過更換飛輪或不同尺寸飛輪的組合而改變飛輪的轉(zhuǎn)動慣量，從而改變加熱功率。慣性摩擦焊的主要特點慣性摩擦焊的主要特點是恒壓、變速，它將慣性摩擦焊接工藝參數(shù)起始轉(zhuǎn)速起始轉(zhuǎn)速具體反映在工件的線速度上，對鋼-鋼焊件，推薦的速度范圍為152～456m/min。低速（<91m/min）時，中心加熱偏低，飛邊粗大不齊，焊縫成漏斗狀；中速（91～273m/min）焊接時，焊縫深度逐漸增加，邊界逐漸均勻；如果速度大于36m/min時，焊縫中心寬度大于其他部位。轉(zhuǎn)動慣量飛輪轉(zhuǎn)動慣量和起始轉(zhuǎn)速均影響焊接能量。在能量相同的情況下，大而轉(zhuǎn)速慢的飛輪產(chǎn)生頂鍛變形量較小，而轉(zhuǎn)速快的飛輪產(chǎn)生較大的頂鍛變形量。軸向壓力軸向壓力對焊縫深度和形貌的影響幾乎與起始轉(zhuǎn)速的影響相反，壓力過大時，飛邊量增大。慣性摩擦焊接工藝參數(shù)起始轉(zhuǎn)速起始轉(zhuǎn)速具體反映在工件的線速相位摩擦焊相位摩擦焊主要用于相對位置有要求的工件，如六方鋼、八方鋼、汽車操縱桿等，要求工件焊后棱邊對齊、方向?qū)φ蛳辔粷M足要求。在實際應(yīng)用中，主要有機(jī)械同步相位摩擦焊、插銷配合摩擦焊和同步驅(qū)動摩擦焊。相位摩擦焊相位摩擦焊主要用于相對位置有要求的工件，如六方鋼、機(jī)械同步相位摩擦焊原理焊接前壓緊校正凸輪，調(diào)整兩工件相位并夾持工件，將靜止主軸制動后松開并校正凸輪，然后開始進(jìn)行摩擦焊接。摩擦結(jié)束時，切斷電源并對驅(qū)動主軸制動，