第八章 摩擦焊

第8章摩擦焊主要內(nèi)容8.1概述8.2傳統(tǒng)摩擦焊8.3攪拌摩擦焊8.1.1摩擦焊的特點(diǎn)和應(yīng)用摩擦焊具有以下優(yōu)點(diǎn)：接頭的焊接質(zhì)量好，尺寸精度高；焊接過程穩(wěn)定；廢品率是閃光焊的1％左右；適于焊接異種鋼和異種金屬，如碳鋼-工具鋼、銅-不銹鋼等；焊接生產(chǎn)率高，是閃光焊的4~5倍；容易機(jī)械化、操作簡單；三相負(fù)載均衡、節(jié)省電能80~90％；不需填充材料和保護(hù)氣體；金屬焊接變形小，接頭焊接前不需特殊清理；飛邊可不必去除；工作場地衛(wèi)生，沒有火花、弧光及有害氣體，有利環(huán)境保護(hù)。傳統(tǒng)摩擦焊通常是一種旋轉(zhuǎn)工件的對焊方法，因此，非圓斷面工件的焊接很困難；但最新的攪拌摩擦焊方法已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)對接、角接等多種接頭形式。但摩擦焊需要把機(jī)械能轉(zhuǎn)換成熱能，因此對設(shè)備的要求較高。如大斷面構(gòu)件的旋轉(zhuǎn)摩擦焊接要受到焊機(jī)主軸電動機(jī)功率和焊機(jī)壓力不足的限制；攪拌摩擦焊對設(shè)備壓力、攪拌頭的性能等方面提出了較高要求。8.1.2摩擦焊的分類定義：摩擦焊(FW，F(xiàn)rictionWelding)是在外力作用下，利用焊件接觸面之間的相對摩擦運(yùn)動和塑性流動所產(chǎn)生的熱量，使接觸面及其臨近區(qū)金屬達(dá)到粘塑性狀態(tài)并產(chǎn)生適當(dāng)?shù)暮暧^塑性變形，通過被焊材料間的相互擴(kuò)散和動態(tài)再結(jié)晶而完成焊接的。圖8-2實際摩擦焊接頭連續(xù)驅(qū)動摩擦焊連續(xù)驅(qū)動摩擦焊也稱傳統(tǒng)摩擦焊或直接驅(qū)動摩擦焊，是指待焊工件兩端分別固定在旋轉(zhuǎn)夾具和移動夾具內(nèi)，工件被加緊后，旋轉(zhuǎn)焊件在電機(jī)驅(qū)動下開始高速旋轉(zhuǎn)，移動焊件在軸向力作用下逐步向旋轉(zhuǎn)焊件靠攏，兩側(cè)焊件接觸后開始摩擦加熱，達(dá)到給定的摩擦?xí)r間或規(guī)定的摩擦變形量時，立即停止工件轉(zhuǎn)動，同時施加較大的軸向壓力開始頂鍛并維持一定時間完成焊接。儲能摩擦焊和慣性摩擦焊儲能摩擦焊是在大功率短時間焊接時，為降低主軸電動機(jī)的功率，利用和主軸聯(lián)結(jié)的飛輪儲能。若焊接所需能量全部取自飛輪，叫做慣性摩擦焊線性摩擦焊線性摩擦焊則可焊接方形、圓形、多邊形截面以及不規(guī)則的金屬或塑料焊件。一個焊件被往復(fù)機(jī)構(gòu)驅(qū)動，相對于另一側(cè)被夾緊的焊件表面做往復(fù)運(yùn)動，隨著摩擦的進(jìn)行，摩擦表面被清理并產(chǎn)生摩擦熱，摩擦表面的金屬逐漸達(dá)到粘塑性狀態(tài)并產(chǎn)生變形，然后停止往復(fù)運(yùn)動并施加頂鍛力，完成焊接。嵌入摩擦焊將較硬的材料嵌入到較軟的材料中，兩個焊件之間相對運(yùn)動所產(chǎn)生的摩擦熱在較軟材料中產(chǎn)生局部塑性變形，高溫塑性層流入預(yù)先加工好的較硬材料的凹區(qū)中，從而形成接頭。此工藝對于避免異種金屬接頭在共晶溫度區(qū)形成脆性金屬間化合物也很有利。相位控制摩擦焊相位控制摩擦焊用于焊接有相對相位要求的焊件，如方鋼、汽車操縱桿、花鍵軸、兩端帶法蘭的軸等，要求焊后棱邊對齊、方向?qū)φ蛳辔粷M足要求。相位控制摩擦焊需要采用有相位控制功能的摩擦焊機(jī)進(jìn)行焊接。徑向摩擦焊待焊的管子開有坡口，管內(nèi)套有芯棒，然后裝上帶有斜面的圓環(huán)，焊接時圓環(huán)旋轉(zhuǎn)并向管子施加徑向摩擦壓力，當(dāng)摩擦加熱過程結(jié)束時，圓環(huán)停止旋轉(zhuǎn)，并向圓環(huán)施加壓力，利用圓環(huán)將兩側(cè)管子焊接在一起。徑向摩擦焊接時，被焊管本身不轉(zhuǎn)動，管子內(nèi)部不產(chǎn)生飛邊，主要用于管子的現(xiàn)場裝配焊接。第三體摩擦焊低熔點(diǎn)的第三物質(zhì)經(jīng)摩擦后，在被連接部件之間的間隙中摩擦生熱和塑性變形，冷卻后，第三體材料固化，接頭形成。這種方法主要用于難以焊接的材料，如陶瓷-陶瓷、金屬-陶瓷、熱固性塑料-熱塑性塑料基復(fù)合材料等。摩擦堆焊堆焊時，金屬圓棒以高速n1旋轉(zhuǎn)，堆焊件(母材)以轉(zhuǎn)速n2旋轉(zhuǎn)，在壓力P1作用下，圓棒和母材摩擦生熱。因母材體積大，冷卻速度快，所以堆焊金屬過渡到母材上形成堆焊焊縫。超塑性摩擦焊通過控制措施，使焊合區(qū)在焊接過程中處于超塑性狀態(tài)的摩擦焊。其優(yōu)點(diǎn)是可避免高溫下形成硬脆的金屬間化合物及保持被焊材質(zhì)的熱處理狀態(tài)。封閉摩擦焊主要用于高溫機(jī)械強(qiáng)度差異大的一種金屬，如銅－不銹鋼、高速鋼－45鋼的連接。為了防止高溫時低強(qiáng)度材料的變形流失，也為了有利于提高摩擦壓力和加熱功率，往往在高溫強(qiáng)度的材料一面附加一個模子以封閉接頭金屬，因此稱為封閉摩擦焊。釬層摩擦焊釬層摩擦焊是針對可焊性差的同種金屬或異種金屬的。焊前可在表面釬焊或鍍覆一層過渡層，然后再進(jìn)行摩擦焊。氣體保護(hù)摩擦焊為了防止空氣對難熔金屬或活潑金屬焊縫的污染和危害，可在焊接過程中采用惰性氣體保護(hù)，這種方法稱為氣體保護(hù)摩擦焊。釬層摩擦焊和氣體保護(hù)摩擦焊低溫摩擦焊和預(yù)熱摩擦焊低溫摩擦焊(Lowtemperaturefrictionwelding)某些異種金屬采用高溫摩擦焊時，容易產(chǎn)生脆性合金，降低接頭的強(qiáng)度和塑性。為克服這種缺陷，可采取轉(zhuǎn)速低、壓力大的低溫摩擦焊，始終保持界面溫度在兩金屬的共晶點(diǎn)以下。預(yù)熱摩擦焊(Preheatfrictionwelding)此工藝方法是針對高溫機(jī)械強(qiáng)度差別大的異種金屬的。為了增大高溫時機(jī)械強(qiáng)度高的金屬的塑性變形能力，使得兩種材質(zhì)的變形量相等，可在摩擦加熱前先對高強(qiáng)度的金屬預(yù)熱，然后采用壓力大、摩擦?xí)r間短、摩擦加熱功率高的強(qiáng)規(guī)范施焊，這種方法稱為預(yù)熱摩擦焊。8.2傳統(tǒng)摩擦焊連續(xù)驅(qū)動摩擦焊和慣性摩擦焊是傳統(tǒng)摩擦焊的兩種工藝形式，其他摩擦焊工藝方法都是在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，因此本節(jié)以連續(xù)驅(qū)動摩擦焊和慣性摩擦焊為例介紹傳統(tǒng)摩擦焊工藝.8.2.1摩擦焊的工作原理兩個圓斷面的金屬工件摩擦焊接前，一個工件夾持在可旋轉(zhuǎn)夾頭上，另一工件夾持在能夠向前移動加壓夾頭上。焊接開始，工件l以高速旋轉(zhuǎn)，然后工件2向工件1移動、接觸，施加足夠大的摩擦壓力，機(jī)械能轉(zhuǎn)換成熱能。通過一段選定的摩擦?xí)r間，或達(dá)到規(guī)定的摩擦變形量，即加熱溫度達(dá)到焊接溫度以后，停止工件l的轉(zhuǎn)動，工件2快速移動，施加大的頂鍛壓力，壓力保持一段時間以后，松開兩個夾頭，焊接過程就此結(jié)束，全部焊接過程只要2~3s的時間。摩擦焊時，金屬摩擦表面從低溫到高溫變化，在整個加熱程中，存在一個高速摩擦塑性變形層。發(fā)熱、變形和擴(kuò)散現(xiàn)象主要都集中在變形層。摩擦焊的熱源就是金屬摩擦焊接表面上的高速摩擦塑性變形層。它是以摩擦表面為中心的金屬質(zhì)點(diǎn)，在摩擦壓力和扭矩的作用下，沿工件徑向與切向力的合成方向作相對高速摩擦運(yùn)動的塑性變形層。這個變形層是把機(jī)械功轉(zhuǎn)變成熱能的發(fā)熱層，它溫度高，能量集中，產(chǎn)生在焊接表面，效率高。8.2.2摩擦焊過程的不同階段對于給定的材料，在足夠的摩擦力和足夠的運(yùn)動速度條件下，被焊材質(zhì)溫度不斷上升，伴隨著摩擦過程的進(jìn)行，工件也產(chǎn)生一定的變形量，在適當(dāng)?shù)臅r刻，停止工件間的相對運(yùn)動，同時施加較大的頂鍛力并維持一定的時間（稱為維持時間），部分金屬被擠出，焊縫金屬產(chǎn)生變形、擴(kuò)散以及再結(jié)晶，形成結(jié)合牢固的接頭，實現(xiàn)材質(zhì)間的固相連接。初始摩擦階段有摩擦表面凹凸不平，同時摩擦表面存在氧化膜、銹、油污、灰塵以及吸附的氣體等，所以摩擦系數(shù)較小。隨著摩擦壓力的增加，摩擦加熱功率也逐漸增加。凹凸不平互相壓入的表面迅速產(chǎn)生塑性變形和機(jī)械挖掘現(xiàn)象，表面不平會引起振動，空氣也可能進(jìn)入摩擦表面。不穩(wěn)定摩擦階段摩擦破壞了待焊面的原始狀態(tài)，未受污染的材質(zhì)相互接觸，真實的接觸面積增大，材質(zhì)的塑性、韌性有較大提高，摩擦系數(shù)增大，摩擦加熱功率提高，達(dá)到峰值后，又由于界面區(qū)溫度的進(jìn)一步升高，塑性增高和強(qiáng)度下降，加熱功率又迅速降低。在這個階段中，摩擦變形量開始增大，并以飛邊的形式出現(xiàn)。穩(wěn)定摩擦階段此時材料的粘結(jié)現(xiàn)象減少，分子作用現(xiàn)象增強(qiáng)，摩擦系數(shù)很小，摩擦加熱功率穩(wěn)定在較低水平。變形層在力的作用下，不斷從摩擦表面擠出，摩擦變形量不斷增大，飛邊也增大，與此同時，又被附近高溫區(qū)的材料所補(bǔ)充而處于動態(tài)平衡之中。停車階段這個階段，伴隨工件間相對運(yùn)動的減慢和停止，摩擦扭矩增大，界面附近的高溫材料被大量擠出，變形量也隨之增大，具有頂鍛的特點(diǎn)，為了得到牢固定結(jié)合，剎車時間要嚴(yán)格控制。純頂鍛階段這是指從工件停止相對運(yùn)動到頂鍛力上升到最大值所對應(yīng)的階段。頂鍛力、頂鍛速度和頂鍛變形量對焊接質(zhì)量具有關(guān)鍵性的影響。頂鍛維持階段是指頂鍛壓力達(dá)到最大值到壓力開始撤除所對應(yīng)的階段。8.2.3連續(xù)驅(qū)動摩擦焊工藝參數(shù)轉(zhuǎn)速和摩擦壓力當(dāng)工件直徑一定時，轉(zhuǎn)速代表摩擦速度。為使變形層加熱到材料的焊接溫度，必須高于臨界摩擦速度。低碳鋼的臨界速度為0.3m／s左右，平均摩擦速度為0.6~3m／s。轉(zhuǎn)速升高，深塑區(qū)移向圓心。轉(zhuǎn)速降低，形成不對稱的肥大飛邊。為了產(chǎn)生足夠的加熱功率，保證焊接表面的全面接觸，壓力不能太小。穩(wěn)定摩擦階段，壓力增大時，摩擦扭矩增大，深塑區(qū)增寬，并移向外圓，形成粗大不對稱飛邊。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，消耗材料多。碳鋼工件的摩擦?xí)r間一般在1～40s范圍內(nèi)。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，必須有一定的變形量，通常選取的范圍為1～10mm。停車時間和頂鍛延時停車時間是轉(zhuǎn)速由給定值下降到零所對應(yīng)的時間，當(dāng)其由小到大變化時，摩擦扭矩后峰值也從小到大變化。停車時間還影響接頭的變形層厚度和焊接質(zhì)量，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。其選取范圍是0.1～1s。頂鍛延時是為了調(diào)整摩擦扭矩后峰值和變形層的厚度。頂鍛壓力頂鍛壓力的作用是，擠出摩擦變形層中的氧化物和其它有害雜質(zhì)，并使焊縫得到鍛壓，結(jié)合牢固，晶粒細(xì)化。頂鍛壓力小，焊接質(zhì)量降低；頂鍛壓力過大，接頭變形量增加，飛邊增大。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??；摩擦壓力大時，相應(yīng)頂鍛力要小。頂鍛壓力一般選取摩擦壓力的2～3倍，對于低碳鋼和低合金鋼，可選用80～170MPa；對于中、高碳鋼，可選用100～400MPa。頂鍛變形量和頂鍛變形速度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。頂鍛速度反映了“趁熱頂鍛”的響應(yīng)品質(zhì)，如果頂鍛速度慢，則達(dá)不到要求的頂鍛變形量。頂鍛速度一般為10～40mm/h。焊接規(guī)范的選擇焊接高溫強(qiáng)度高的高合金鋼時，需要增大焊接壓力和頂鍛壓力，并適當(dāng)延長摩擦?xí)r間。焊接高溫強(qiáng)度差別比較大的異種鋼，或某些不產(chǎn)生脆性合金的異種金屬時，除了在高溫強(qiáng)度低的材料一方加一個模子以外，還要適當(dāng)延長摩擦?xí)r間，提高焊接壓力和鍛壓力。焊接大直徑工件時，在摩擦速度不變的情況下，相應(yīng)地降低轉(zhuǎn)速。焊接中碳鋼、高碳鋼和低合金鋼時，為防止產(chǎn)生淬火組織，應(yīng)選用較弱的焊接規(guī)范。焊接管子時，為了減少內(nèi)毛刺，應(yīng)設(shè)法減小摩擦變形量和頂鍛變形量。8.2.4.摩擦焊接頭設(shè)計接頭設(shè)計原則1）對旋轉(zhuǎn)式摩擦焊，至少有一個是圓形截面。2）為了夾持方便、牢固，保證焊接過程不失穩(wěn)，應(yīng)盡量避免設(shè)計薄管、薄板接頭。3）一般傾斜接頭應(yīng)與中心線成30～45°的斜面。4）對鍛壓溫度或熱導(dǎo)率相差較大的材料，為了使兩個零件的鍛壓和頂鍛相對平衡，應(yīng)調(diào)整截面的相對尺寸。5）對大截面接頭，為了降低摩擦加熱時的扭矩和功率峰值，采用端面?zhèn)冉堑霓k法可使焊接時接觸面積逐漸增加。6）如要限制飛邊流出（如不能切除飛邊或不允許飛邊暴露時），應(yīng)預(yù)留飛邊槽。7）對于棒-棒和棒-板接頭，中心部位材料被擠出形成飛邊時，要消耗更多的能量，可將一個或兩個零件加工成具有中心孔洞，這樣既可用較小功率的焊機(jī)，又可提高生產(chǎn)率。8）采用中心部位突起的接頭，可有效避免中心未焊合。9）摩擦焊應(yīng)避免滲碳、滲氮等。10）為了防止由于軸向力（摩擦力、頂鍛力）引起的滑退，通常在工件后面設(shè)置擋塊。11）工件伸出夾頭外的尺寸要適當(dāng)。8.2.5材料摩擦焊的焊接性影響材料摩擦焊焊接性的因素主要有：互溶性：指兩種材料是否互相溶解和互相擴(kuò)散，能否形成固溶體或化合物。同種材料常比異種材料的摩擦焊焊接性好。氧化膜：被焊材料表面上的氧化膜容易破碎的材料摩擦焊焊接性較好。力學(xué)與物理性能：高溫強(qiáng)度高，塑性低，導(dǎo)熱性好的材料較難焊，異種材料的性能差別太大，不容易焊接。碳當(dāng)量：碳當(dāng)量高，淬透性好的材料不容易焊接。高溫活性：材料的高溫時的氧化傾向大時，較難焊接。脆性相的產(chǎn)生：凡是形成脆性合金的異種金屬，應(yīng)降低焊接溫度或減少加熱時間。摩擦因數(shù)：摩擦因數(shù)低的材料，由于摩擦產(chǎn)熱少，效率低，難于焊接。材料脆性：脆性材料難于焊接。8.2.6摩擦焊的設(shè)備8.3攪拌摩擦焊攪拌摩擦焊（FSW）是英國焊接研究所（TWI）于1991年發(fā)明的，同年12月在世界范圍內(nèi)申請了專利保護(hù)。自FSW發(fā)明以來，在世界范圍內(nèi)得到了關(guān)注和深入的研究，這種摩擦焊方法打破了原來摩擦焊只限于圓形斷面材料焊接的概念，是公認(rèn)的最具發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景廣泛的先進(jìn)焊接方法之一。攪拌摩擦焊的優(yōu)點(diǎn)FSW屬于固相焊接，避免了與熔化焊接方法有關(guān)的缺陷，如裂紋、氣孔和元素?zé)龘p等；避免了柱狀晶的產(chǎn)生，使焊縫組織晶粒細(xì)化，因此焊接接頭力學(xué)性能優(yōu)異。適用于對熱輸入敏感以及不同制造狀態(tài)材料的焊接。硬鋁及超硬鋁等材料由于熱敏感性強(qiáng)，很難用熔焊的方法進(jìn)行焊接，采用FSW技術(shù)可得到可靠的焊接接頭；可提高熱處理強(qiáng)化鋁合金的接頭強(qiáng)度。攪拌摩擦焊的缺點(diǎn)焊接速度較慢。焊接結(jié)束時由于攪拌針的回抽而留下一個小孔，在焊接工藝上應(yīng)采用相應(yīng)的措施。需要對焊縫需要施加較大的壓力，限制了FSW技術(shù)在機(jī)器人等設(shè)備上的應(yīng)用。被焊工件需要被牢固夾緊，焊縫背面需加墊板。對焊縫的裝配要求高。接頭的錯邊量及間隙需嚴(yán)格控制。8.3.1攪拌摩擦焊的工作原理焊接主要由攪拌頭完成。攪拌頭由攪拌針、軸肩和夾持機(jī)構(gòu)組成。焊接開始時，攪拌頭高速旋轉(zhuǎn)，攪拌針迅速鉆入被焊板材的接縫，與攪拌針接觸的金屬摩擦生熱形成了很薄的熱塑性層。當(dāng)攪拌針鉆入工件表面以下時，有部分金屬被擠出表面。由于正面軸肩和背面墊版的密封作用，一方面，軸肩與被焊板表面摩擦，產(chǎn)生輔助熱；另一方面，攪拌頭和工件相對運(yùn)動時，在攪拌頭前面不斷形成的熱塑性金屬轉(zhuǎn)移到攪拌頭后面，填滿后面的空腔形成焊縫。攪拌摩擦焊接頭微觀組織8.3.2攪拌摩擦焊工藝參數(shù)FSW的焊接工藝參數(shù)主要有攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度、攪拌頭和工件的相對運(yùn)動速度、攪拌頭的傾角、攪拌頭的軸向壓力、攪拌針的壓入深度等。旋轉(zhuǎn)速度與焊接速度在FSW過程中，焊接線能量的大小取決于攪拌焊頭肩部的半徑、壓力、摩擦因數(shù)及轉(zhuǎn)速與焊速之比(n/v)。當(dāng)采用某一攪拌頭焊接時，其肩部直徑為定值，如壓力在焊接過程中也保持不變，則焊接線能量僅取決于轉(zhuǎn)速與焊速之比。焊接線能量適當(dāng)，即n/v在一定范圍內(nèi)，才能獲得質(zhì)量良好的焊接接頭。焊接時，如果轉(zhuǎn)速過低或焊速過高，都會導(dǎo)致n/v降低，即焊接線能量較小，熱量不足以使焊接區(qū)金屬達(dá)到熱塑性狀態(tài)，因而焊縫成形不好，甚至焊縫表面出現(xiàn)溝槽。若轉(zhuǎn)速過大或焊速過小時，n/v則較大，單位長度焊縫上的熱輸入量過高，焊接區(qū)金屬過熱而導(dǎo)致焊縫成形及質(zhì)量變差。根據(jù)攪拌摩擦焊所使用的設(shè)備功率、攪拌頭的形狀、板厚、所焊材料等，旋轉(zhuǎn)速度一般為幾百到幾千r/min，根據(jù)確定的轉(zhuǎn)速，焊接速度可由1mm/s到16mm/s。目前國外用于薄鋁板FSW的設(shè)備最大焊速可達(dá)43mm/s。攪拌頭的傾斜角度攪拌頭的傾斜角度是指攪拌頭的軸線與焊件表面之間的夾角。一般情況下，攪拌頭的傾角為3°~5°。合適的傾斜角度可保證軸肩約束住攪拌頭攪拌的材料，促進(jìn)焊縫金屬的塑性流動，消除產(chǎn)生缺陷的傾向。此外，攪拌頭的傾角還可提高攪拌頭的壽命。壓力增大壓力可使摩擦力增大，因此熱輸入量增加，有助于提高焊縫組織的致密度；摩擦力增大也使攪拌頭向前移動的阻力增大，且易使焊縫凹陷，焊縫表面出現(xiàn)飛邊和毛刺。壓力過小，焊縫組織疏松，焊縫內(nèi)部易出現(xiàn)孔洞，軸肩對焊接區(qū)起不到封閉作用而使焊縫金屬外溢。8.3.3攪拌頭的材料、形狀及尺寸攪拌頭是FSW的技術(shù)核心，在FSW發(fā)展初期，研究人員就認(rèn)識到了攪拌頭的重要性。雖然攪拌頭的材料、形狀及尺寸不是攪拌摩擦焊接過程中的工藝參數(shù)，但它對焊接質(zhì)量的影響至關(guān)重要。攪拌頭的材料FSW所用攪拌頭要產(chǎn)生并承受摩擦熱，要求有良好的高溫強(qiáng)度、耐磨性能、采用具有良好耐高溫靜態(tài)和動態(tài)力學(xué)性能的抗磨損材料制成。目前常見