摩擦焊原理簡介

1、連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊基本原理1 焊接過程連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊接時(shí)，通常將待焊工件兩端分別固定在旋轉(zhuǎn)夾具和移動(dòng)夾具內(nèi)，工件被夾緊后，位于滑臺(tái)上的移動(dòng)夾具隨滑臺(tái)一起向旋轉(zhuǎn)端移動(dòng)，移動(dòng)至一定距離后，旋轉(zhuǎn)端工件開始旋轉(zhuǎn)，工件接觸后開始摩擦加熱。此后，則可進(jìn)行不同的控制，如時(shí)間控制或摩擦縮短量（又稱摩擦變形量）控制。當(dāng)達(dá)到設(shè)定值時(shí)，旋轉(zhuǎn)停止，頂鍛開始，通常施加較大的頂鍛力并維持一段時(shí)間，然后，旋轉(zhuǎn)夾具松開，滑臺(tái)后退，當(dāng)滑臺(tái)退到原位置時(shí)，移動(dòng)夾具松開，取出工件，至此，焊接過程結(jié)束。對(duì)于直徑為16mm的45號(hào)鋼，在2000r/min轉(zhuǎn)速、8.6MPa摩擦壓力、0.7s摩擦?xí)r間和161MPa的頂鍛壓力下，整個(gè)摩擦焊接過程

2、如圖10所示。從圖中可知，摩擦焊接過程的一個(gè)周期可分成摩擦加熱過程和頂鍛焊接過程兩部分。摩擦加熱過程又可以分成四個(gè)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(gè)階段。（1）初始摩擦階段（t1） 此階段是從兩個(gè)工件開始接觸的a點(diǎn)起，到摩擦加熱功率顯著增大的b點(diǎn)止。摩擦開始時(shí)，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200300左右。在初始摩擦階段，由于兩個(gè)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(duì)運(yùn)動(dòng)速度，使凸凹不平的表

3、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(gè)晶粒細(xì)小的變形層，變形層附近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(dòng)，此時(shí)空氣可能進(jìn)入摩擦表面，使高溫下的金屬氧化。但由于t1時(shí)間很知，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(duì)接頭的影響不大。當(dāng)焊件斷面為實(shí)心圓時(shí)，其中心的相對(duì)旋轉(zhuǎn)速度為零，外緣速度最大，此時(shí)焊接表面金屬處于彈性接觸狀態(tài)，溫度沿徑向分布不均勻，摩擦壓力在焊接表面上呈雙曲線分布，中心壓力最大，外緣最小。在壓力和速度的綜

4、合影響下，摩擦表面的加熱往往從距圓心半徑2/3左右的地方首先開始。（2）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(gè)主要階段，該階段從摩擦加熱功率顯著增大的b點(diǎn)起，越過功率峰值c點(diǎn)，到功率穩(wěn)定值的d點(diǎn)為止。由于摩擦壓力較初始摩擦階段增大，相對(duì)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(shí)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(shí)，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(diǎn)。因此，摩擦焊接的加熱功率和

5、摩擦扭矩都在c點(diǎn)呈現(xiàn)出最大值。在45號(hào)鋼的不穩(wěn)定摩擦階段，待焊表面的溫度由200300升高到12001300，而功率峰值出現(xiàn)在600700左右。這時(shí)摩擦表面的機(jī)械挖掘現(xiàn)象減少，振動(dòng)降低，表面逐漸平整，開始產(chǎn)生金屬的粘結(jié)現(xiàn)象。高溫塑性狀態(tài)的局部金屬表面互相焊合后，又被工件旋轉(zhuǎn)的扭力矩剪斷，并彼此過渡。隨著摩擦過程的進(jìn)行，接觸良好的塑性金屬封閉了整個(gè)摩擦面，并使之與空氣隔開。（3）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(diǎn)起，到接頭形成最佳溫度分布的e點(diǎn)為止，這里的e點(diǎn)也是焊機(jī)主軸開始停車的時(shí)間點(diǎn)（可稱為e點(diǎn)），也是頂鍛壓力開始上升的點(diǎn)（圖10的點(diǎn)

6、）以及頂鍛變形量的開始點(diǎn)。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(shí)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(gè)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矩的軸向壓力作用下，從摩擦表面擠出形成飛邊，同時(shí)，界面附近的高溫金屬不斷補(bǔ)充，始終處于動(dòng)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。 （4）停車階段（t4） 停車階段是摩擦加熱過程至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(diǎn)起，到主軸停止轉(zhuǎn)動(dòng)的g點(diǎn)止。從圖10可知，

7、實(shí)際的摩擦加熱時(shí)間從a點(diǎn)開始，到g點(diǎn)結(jié)束，即tt1+t2+t3+t4。盡管頂鍛壓力從點(diǎn)施加，但由于工件并未完全停止旋轉(zhuǎn)，所以g點(diǎn)以前的壓力，實(shí)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(shí)，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。（5）純頂鍛階段（t5） 從主軸停止旋轉(zhuǎn)的g(或g)點(diǎn)起，到頂鍛壓力上升至最大位的h點(diǎn)止。在這個(gè)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。（6）頂鍛維持階

8、段（t6） 該階段從頂鍛壓力的最高點(diǎn)h開始，到接頭溫度冷卻到低于規(guī)定值為止。在實(shí)際焊接控制和自動(dòng)摩擦焊機(jī)的程序設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)精密控制該階段的時(shí)間tu（tut3+t4）。在頂鍛維持階段，頂鍛時(shí)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I和頂鍛變形量Iu。在實(shí)際計(jì)算時(shí)，摩擦變形速度一般采用平均摩擦變形速度（I/t），頂鍛變形速度也采用其平均值Iu/（t4+t5）。總之，在整個(gè)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(gè)存在于全過程的高速摩擦塑性變形層，摩擦焊接時(shí)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

9、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。2 摩擦焊接產(chǎn)熱摩擦焊接過程中，兩工件摩擦表面的金屬質(zhì)點(diǎn)，在摩擦壓力和摩擦扭矩的作用下，沿工件徑向與切向力的合成方向作相對(duì)高速摩擦運(yùn)動(dòng)，在界面形成了塑性變形層。該變形層是把摩擦的機(jī)械功轉(zhuǎn)變成熱能的發(fā)熱層，它的溫度高、能量集中，具有很高的加熱效率。（1）摩擦加熱功率 摩擦加熱功率的大小及其隨摩擦?xí)r間的變化，決定了焊接溫度及其溫度場的分布，直接影響接頭的加熱過程、焊接生產(chǎn)率和焊接質(zhì)量，同時(shí)也關(guān)系到摩擦焊機(jī)的設(shè)計(jì)與制造。摩擦加熱功率就是焊接熱源的功率，它的計(jì)算與分布如下：對(duì)圓形的焊接工件，假設(shè)

10、沿摩擦表面半徑方向的摩擦壓力p和摩擦系數(shù)為常數(shù)。為了求出功率分布，在摩擦表面上取一半徑為r的圓環(huán)，該環(huán)的寬度為dr（圖11），其面積為dA，則dA2rdr，則作用在圓環(huán)上的摩擦力為dFpdA2prdr （4）以O(shè)點(diǎn)為圓心的摩擦扭矩為dMrdF2pr2dr （5）圓環(huán)上的摩擦加熱功率為dP1.02dM×10-3n （6）摩擦加熱功率沿接合面半徑R方向上的分布dP/dr如圖11所示。加熱功率在圓心處為零，在外邊緣最大。將式（5）、式（6）積分，可以得到摩擦焊接表面上總的摩擦扭矩和加熱功率為M2pR3/3 （7）P2×10-3pnR3/3 （8）式中 M摩擦扭矩； P摩擦加熱功率

11、； p摩擦壓力； n工件轉(zhuǎn)速； 摩擦系數(shù)； r圓環(huán)半徑； R待焊工件半徑。實(shí)際上p（r）不是常數(shù)，在初始摩擦階段和不穩(wěn)定摩擦階段的前期，摩擦表面還沒有全面產(chǎn)生塑性變形，主要是彈性接觸，摩擦壓力在中心高，外圓低。因此沿摩擦焊接表面半徑R的摩擦加熱功率最大值不在外圓，而在距圓心2/3R左右的地方，這一點(diǎn)不僅符合計(jì)算結(jié)果，也被試驗(yàn)所證實(shí)。在穩(wěn)定摩擦階段，摩擦表面全部產(chǎn)生塑性變形，成為塑性接觸時(shí)，p（r）才可以認(rèn)為等于常數(shù)。此外，（r）在初始摩擦階段和不穩(wěn)定摩擦階段也不是常數(shù)，由高溫金屬組成的高速塑性變形層熱源，在距圓心1/21/3半徑處形成環(huán)狀加熱帶，隨著摩擦加熱的進(jìn)行，環(huán)狀加熱帶向圓心和外圓迅速展

12、開，當(dāng)進(jìn)入穩(wěn)定摩擦階段時(shí)，摩擦表面的溫度才趨于平衡，此時(shí)可以認(rèn)為（r）是常數(shù)。摩擦表面上總的加熱熱量為 式中 Q接合面總的摩擦加熱熱量； t摩擦?xí)r間； to摩擦加熱開始時(shí)間（設(shè)to0）； tn實(shí)際摩擦加熱時(shí)間； k常數(shù)。（2）摩擦焊接表面溫度 摩擦焊接表面的溫度會(huì)直接影響接頭的加熱溫度、溫度分布、摩擦系數(shù)、接頭金屬的變形與擴(kuò)散。其加熱面的溫度由摩擦加熱功率和散熱條件所決定。在焊接圓斷面工件時(shí)，摩擦焊接熱源被認(rèn)為是一個(gè)線性傳播的連續(xù)均布的面狀熱源。如果不考慮向周圍空間的散熱，根據(jù)雷卡林的焊接熱過程計(jì)算公式，同種金屬摩擦焊接表面的溫度為 式中 T(O,t)摩擦焊接表面溫度（O表面熱源中心，t是摩擦加熱時(shí)間）； q2單位面積上的加熱熱量； 焊件熱導(dǎo)率；c焊件熱容。在式（10）中，如果選定焊接所需要的溫度為Tw，熱源溫度升高到Tw所需要的摩擦加熱時(shí)間為t，則該式可以寫成 tq22cT2w常數(shù) （11）從式（1