壓焊方法及設(shè)備第十章摩擦焊精課件

1、第10章摩擦焊10.1摩擦焊原理及分類10.1.1摩擦焊的分類10.1.2摩擦焊原理.2連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊.2.1連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊基本原理10.2.2摩擦焊焊接工藝.焊接參數(shù)檢測(cè)及控制10.2.4典型材料的摩擦焊10.3攪拌摩擦焊10.3.1攪拌摩擦焊接過程10.3.2攪拌摩擦焊工藝10.3.3典型材料的攪拌摩擦焊10.3.4攪拌摩擦焊新技術(shù)10.4摩擦焊設(shè)備10.4.1傳統(tǒng)摩擦焊設(shè)備.攪拌摩擦焊設(shè)備10.1.1摩擦焊的分類圖-摩擦焊方法及分類10.1.2摩擦焊原理1.連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊2.慣性摩擦焊3.相位摩擦焊4.徑向摩擦焊5.摩擦堆焊6.線性摩擦焊7.攪拌摩擦焊圖-連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊原理示意圖壓力使待

2、焊材料緊密接觸對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生摩擦熱凈化界面頂鍛力的作用下形成接頭圖-機(jī)械同步相位摩擦焊示意圖圖-插銷配合摩擦焊示意圖圖-徑向摩擦焊示意圖1旋轉(zhuǎn)圓環(huán)2待焊管子圓環(huán)速度軸向頂鍛壓力徑向壓力圖-摩擦堆焊示意圖1堆焊金屬圓棒2堆焊件3堆焊焊縫圖-線性摩擦焊示意圖圖-攪拌摩擦焊原理示意圖.2.1連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊基本原理1.焊接過程2.摩擦焊接產(chǎn)熱1.焊接過程()初始摩擦階段()此階段是從兩個(gè)工件開始接觸的點(diǎn)起，到摩擦加熱功率顯著增大的點(diǎn)止。()不穩(wěn)定摩擦階段()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點(diǎn)起，越過功率峰值點(diǎn)，到功率穩(wěn)定值的點(diǎn)為止。()穩(wěn)定摩擦階段()穩(wěn)定摩擦階段

3、是摩擦加熱過程的主要階段，其范圍從摩擦加熱功率穩(wěn)定值的點(diǎn)起，到接頭形成最佳溫度分布的點(diǎn)為止，這里的點(diǎn)也是焊機(jī)主軸開始停車的時(shí)間點(diǎn)(可稱為點(diǎn))，也是頂鍛壓力開始上升的點(diǎn)(圖-的點(diǎn))以及頂鍛變形量的開始點(diǎn)。()停車階段()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點(diǎn)起，到主軸停止轉(zhuǎn)動(dòng)的點(diǎn)止。()純頂鍛階段()從主軸停止旋轉(zhuǎn)的(或)點(diǎn)起，到頂鍛壓力上升至最大位的點(diǎn)為止。()頂鍛維持階段()該階段從頂鍛壓力的最高點(diǎn)開始，到接頭溫度冷卻到低于規(guī)定值為止。圖-摩擦焊接過程示意圖工作轉(zhuǎn)速摩擦壓力頂鍛壓力摩擦變形量頂鍛變形量摩擦加熱功率摩擦加熱功率峰值時(shí)間摩擦?xí)r間實(shí)際摩擦

4、加熱時(shí)間實(shí)際頂鍛時(shí)間2.摩擦焊接產(chǎn)熱()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(chǎng)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。圖-摩擦加熱功率分布圖10.2.2摩擦焊焊接工藝1.工藝特點(diǎn)2.接頭形式設(shè)計(jì).摩擦焊焊接參數(shù).焊接參數(shù)對(duì)接頭質(zhì)量的影響1.工藝特點(diǎn))焊接施工時(shí)間短，生產(chǎn)效率高。)因焊接熱循環(huán)引起的焊接變形小，焊后尺寸精度高，不用焊后校形和消除應(yīng)力。)機(jī)械化、自動(dòng)化程度高，焊接質(zhì)量穩(wěn)定。)適合各類異種材料的

5、焊接，對(duì)常規(guī)熔化下不能焊接的鋁-鋼、鋁-銅、鈦-銅、金屬間化合物-鋼等都可以進(jìn)行焊接。)可以實(shí)現(xiàn)同直徑、不同直徑的棒材和管材的焊接。)焊接時(shí)不產(chǎn)生煙霧、弧光以及有害氣體等，不污染環(huán)境。)對(duì)非圓形截面焊接較困難，所需設(shè)備復(fù)雜；對(duì)盤狀薄零件和薄壁管件，由于不易夾固，施焊也比較困難。)對(duì)形狀及組裝位置已經(jīng)確定的構(gòu)件，很難實(shí)現(xiàn)摩擦焊接。)接頭容易產(chǎn)生飛邊，必須焊后進(jìn)行機(jī)械加工。)夾緊部位容易產(chǎn)生劃傷或夾持痕跡。2.接頭形式設(shè)計(jì))在旋轉(zhuǎn)式摩擦焊的兩個(gè)工件中，至少要有一個(gè)工件具有回轉(zhuǎn)斷面。)焊接工件應(yīng)具有較大的剛度，夾緊方便、牢固，要盡量避免采用薄管和薄板接頭。)同種材料的兩個(gè)焊件斷面尺寸應(yīng)盡量相同，以保

6、證焊接溫度分布均勻和變形層厚度相同。)一般傾斜接頭應(yīng)與中心線成的斜面。)對(duì)鍛壓溫度或熱導(dǎo)率相差較大的異種材料焊接時(shí)，為了使兩個(gè)零件的頂鍛相對(duì)平衡，應(yīng)調(diào)整界面的相對(duì)尺寸；為了防止高溫下強(qiáng)度低的工件端面金屬產(chǎn)生過多的變形流失，需要采用模子封閉接頭金屬。)為了增大焊縫面積，可以把焊縫設(shè)計(jì)成搭接或錐形接頭。)焊接大斷面接頭時(shí)，為了降低加熱功率峰值，可以采用將焊接端面倒角的方法，使摩擦面積逐漸增大。)對(duì)于棒棒和棒板接頭，當(dāng)中心部位材料被擠出形成飛邊時(shí)要消耗更多的能量，而焊縫中心部位對(duì)扭矩和彎曲應(yīng)力的承擔(dān)又很少，所以，如果工件條件允許，可將一個(gè)或兩個(gè)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

7、提高生產(chǎn)率。)待焊表面應(yīng)避免滲氮、滲碳等。)設(shè)計(jì)接頭形式的同時(shí)，還應(yīng)注意工件的長(zhǎng)度、直徑公差、焊接端面的垂直度、不平度和表面粗糙度。圖-連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊接頭的基本形式)相同直徑)不同直徑(有凸臺(tái))不同直徑(無(wú)凸臺(tái))薄板與棒(或管)傾斜接頭 )帶飛邊槽的接頭.摩擦焊焊接參數(shù)()連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊主要參數(shù)有轉(zhuǎn)速、摩擦壓力、摩擦?xí)r間、摩擦變形量、停車時(shí)間、頂鍛時(shí)間、頂鍛壓力、頂鍛變形量。()對(duì)于慣性摩擦焊在參數(shù)選取上與連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊有所不同，主要的參數(shù)有起始轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和軸向壓力。()連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊)轉(zhuǎn)速與摩擦壓力。)摩擦?xí)r間。)摩擦變形量。)停車時(shí)間。)頂鍛壓力、頂鍛變形量和頂鍛速度。()對(duì)于慣性摩擦

8、焊)起始轉(zhuǎn)速。)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。)軸向壓力。圖-轉(zhuǎn)速與變形層厚度、深塑區(qū)位置和飛邊的關(guān)系(低碳鋼棒，摩擦壓力).焊接參數(shù)對(duì)接頭質(zhì)量的影響()轉(zhuǎn)速和摩擦壓力在摩擦焊接參數(shù)中，轉(zhuǎn)速和摩擦壓力是最主要的焊接參數(shù)。()摩擦?xí)r間與摩擦變形量摩擦?xí)r間決定了接頭摩擦加熱過程，直接影響接頭的加熱溫度、溫度分布和焊接質(zhì)量。()停車時(shí)間圖-是停車時(shí)間與摩擦峰值扭矩的關(guān)系，由于停車時(shí)間對(duì)摩擦扭矩、變形層厚度和焊接質(zhì)量有很大影響，因此應(yīng)根據(jù)變形層厚度正確選擇該參數(shù)。()頂鍛壓力與變形量頂鍛壓力的作用是擠碎和擠出變形層中的氧化金屬及其他有害雜質(zhì)，并使接頭金屬在壓力作用下得到鍛造，促進(jìn)晶粒細(xì)化，從而提高接頭力學(xué)性能。圖-停車時(shí)

9、間和摩擦峰值扭矩的關(guān)系.焊接參數(shù)檢測(cè)及控制.焊接參數(shù)檢測(cè)2.焊接參數(shù)控制.焊接參數(shù)檢測(cè)()摩擦開始信號(hào)的判定連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊時(shí)，無(wú)論檢測(cè)摩擦?xí)r間或檢測(cè)摩擦變形量，都涉及摩擦開始時(shí)刻的判定問題。()變形量的測(cè)量變形量的測(cè)量比較簡(jiǎn)單，常采用電感式位移傳感器(含差動(dòng)式)、光柵位移傳感器等。()主軸的轉(zhuǎn)速和壓力的測(cè)量主軸轉(zhuǎn)速測(cè)量常采用磁通感應(yīng)式轉(zhuǎn)速計(jì)、光電式轉(zhuǎn)速計(jì)以及測(cè)速發(fā)電機(jī)等。()接頭溫度的測(cè)量焊接溫度測(cè)量一般采用熱電偶和紅外測(cè)溫儀兩種方法。()摩擦扭矩的測(cè)量摩擦扭矩綜合反映了軸向壓力、工件轉(zhuǎn)速，界面溫度、材質(zhì)特性及其相互之間的影響，是連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊接的一個(gè)重要參數(shù)，該參數(shù)變化速度快、變化范圍大。2

10、.焊接參數(shù)控制()時(shí)間控制主要是控制摩擦?xí)r間，可采用計(jì)算機(jī)的計(jì)數(shù)器或定時(shí)器進(jìn)行控制。()功率峰值控制利用摩擦加熱功率峰值與穩(wěn)定值之間時(shí)間不變的原則進(jìn)行控制。()變形量控制通常是控制摩擦變形量，但為了克服由于工件表面狀態(tài)和其他參數(shù)變化對(duì)這種控制方法帶來的不利影響，還可同時(shí)對(duì)摩擦焊接時(shí)間進(jìn)行監(jiān)控。()溫度控制主要通過對(duì)工件表面溫度的非接觸測(cè)量而進(jìn)行相應(yīng)的控制。()變參數(shù)復(fù)合控制該方法主要針對(duì)大截面工件的摩擦焊接，其核心是在不同階段采用不同的控制方案。()控制該方法是通過摩擦扭矩對(duì)摩擦?xí)r間的積分運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)焊接能量控制。()微計(jì)算機(jī)控制目前的焊接設(shè)備大多數(shù)具有計(jì)算機(jī)控制功能，可控制整個(gè)焊接過程，包括液

11、壓系統(tǒng)控制、摩擦開始點(diǎn)和焊接參數(shù)檢測(cè)，焊接參數(shù)復(fù)合控制和參數(shù)記錄、輸出等，圖-為壓力和變形量復(fù)合控制流程框圖。圖-壓力和變形量復(fù)合控制流程框圖10.2.4典型材料的摩擦焊1.材料的摩擦焊接性2.焊接參數(shù)選擇1.材料的摩擦焊接性)材料的互溶性。)材料表面的氧化膜。)材料的力學(xué)性能。)合金的碳當(dāng)量。)高溫氧化性。)生成的脆性相。)摩擦系數(shù)。)材料的脆性。圖-同種和異種材料組合的摩擦焊接性3.典型材料的摩擦焊接()45號(hào)鋼的接頭組織和性能號(hào)鋼的摩擦焊接參數(shù)見表-，接頭的金屬組織如圖-所示，可以分為正火區(qū)、不完全正火區(qū)和回火區(qū)。()鋁-銅過渡接頭的焊接對(duì)于鋁-銅過渡接頭，摩擦焊接參數(shù)如表-中的9所示。

12、()高速鋼-號(hào)鋼的焊接高速鋼和號(hào)鋼焊接時(shí)，由于高速鋼的高溫強(qiáng)度高而熱導(dǎo)率低，而號(hào)鋼的高溫強(qiáng)度差，為了控制45號(hào)鋼的變形和流失，提高摩擦壓力，增大摩擦加熱功率和保證接頭外圓焊透，必須采用合適的模子，如圖-所示。()鍋爐蛇形管的摩擦焊接鍋爐制造中，為了節(jié)省能量，采用材料為號(hào)鋼、直徑為、壁厚的蛇形管制造。()石油鉆桿的焊接石油鉆桿是石油鉆探中的重要工具，它由帶螺紋的工具接頭與管體焊接而成。()樹脂基管道的線性摩擦焊接近年來，隨著熱硬化性樹脂材料的發(fā)展，樹脂基管道在城市建設(shè)、石油化工等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多，連接問題也比較突出。圖-45號(hào)鋼摩擦焊接頭的金相組織1正火區(qū)2不完全正火區(qū)3回火區(qū)圖-鋁-銅摩擦焊

13、接示意圖1銅工件2鋁工件3模子銅工件轉(zhuǎn)速軸向力移動(dòng)夾頭進(jìn)給速度圖-高速鋼-號(hào)鋼摩擦焊接示意圖1高速鋼2號(hào)鋼模子10020.tif10.3.1攪拌摩擦焊接過程1.接頭形成及組織2.接頭力學(xué)性能3.攪拌摩擦焊產(chǎn)熱1.接頭形成及組織()焊核區(qū)焊核區(qū)的塑性流動(dòng)是非對(duì)稱性的，該區(qū)經(jīng)歷了高溫、大應(yīng)變后，焊核的中心發(fā)生了強(qiáng)烈的變形。()熱機(jī)影響區(qū)熱機(jī)影響區(qū)是一個(gè)過渡區(qū)域，雖然也經(jīng)歷了連續(xù)的溫度變化和機(jī)械攪拌，但該區(qū)的局部應(yīng)變較焊核區(qū)小，明顯導(dǎo)致初始拉長(zhǎng)晶粒的旋轉(zhuǎn)變形。()熱影響區(qū)。圖-1攪拌摩擦焊接頭A母材B熱影響區(qū)C熱機(jī)影響區(qū)D焊核區(qū)圖-2攪拌摩擦焊接頭各區(qū)金相微觀組織)焊核區(qū))熱機(jī)影響區(qū))熱影響區(qū)2.接

14、頭力學(xué)性能()接頭硬度分布在攪拌摩擦焊接過程中，接頭不同區(qū)域發(fā)生了軟化，其軟化程度的差異，導(dǎo)致了接頭硬度分布呈“W”形，圖-為-鋁合金攪拌摩擦焊接頭的硬度分布，其他型號(hào)的鋁合金也具有相同的趨勢(shì)。()接頭強(qiáng)度從國(guó)內(nèi)外的研究情況來看，目前所開展的FSW研究主要集中在鋁合金、鎂合金以及純銅等軟質(zhì)、易于成形的材料上，對(duì)鈦合金、不銹鋼、鋁基復(fù)合材料也有少量研究。圖-3-鋁合金接頭的顯微硬度分布圖-4-鋁合金接頭的溫度分布10.3.2攪拌摩擦焊工藝1.工藝特點(diǎn)2.攪拌摩擦焊接頭形式3.攪拌摩擦焊參數(shù)選擇1.工藝特點(diǎn)()與傳統(tǒng)摩擦焊及其他焊接方法相比，攪拌摩擦焊有以下優(yōu)點(diǎn)()攪拌摩擦焊本身也存在如下缺點(diǎn)()

15、與傳統(tǒng)摩擦焊及其他焊接方法相比，攪拌摩擦焊有以下優(yōu)點(diǎn))焊接接頭質(zhì)量高，不易產(chǎn)生缺陷。)不受軸類零件的限制，可進(jìn)行平板的對(duì)接和搭接，可焊接直焊縫、角焊縫及環(huán)焊縫，可進(jìn)行大型框架結(jié)構(gòu)及大型筒體制造、大型平板對(duì)接等。)便于機(jī)械化、自動(dòng)化操作，質(zhì)量比較穩(wěn)定，重復(fù)性高。)焊接成本較低，不用填充材料，也不用保護(hù)氣體。)焊件有剛性固定，且固相焊時(shí)加熱溫度較低，故焊件不易變形。)安全、無(wú)污染、無(wú)熔化、無(wú)飛濺、無(wú)煙塵、無(wú)輻射、無(wú)噪聲、沒有嚴(yán)重的電磁干擾及有害物質(zhì)的產(chǎn)生，是一種環(huán)保型連接方法。()攪拌摩擦焊本身也存在如下缺點(diǎn))不同的結(jié)構(gòu)需要不同的工裝夾具，設(shè)備的靈活性差。)如不采用專門的攪拌頭，焊接結(jié)束后攪拌頭退

16、出時(shí)在焊縫末端會(huì)產(chǎn)生凹坑，需要用其他焊接方法補(bǔ)焊。)目前焊接速度不高。)焊縫背面需要有墊板，在封閉結(jié)構(gòu)中墊板的取出比較困難。2.攪拌摩擦焊接頭形式圖-5摩擦焊接頭的基本形式)直口對(duì)接)對(duì)搭混合)單搭接)多搭接)三片T形對(duì)接)雙片T形對(duì)接)邊緣對(duì)接)角接3.攪拌摩擦焊參數(shù)選擇()焊接速度圖1-為焊接速度對(duì)鋁鋰合金攪拌摩擦焊接頭抗拉強(qiáng)度的影響。()攪拌頭轉(zhuǎn)速保持焊接速度一定，改變攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度較低時(shí)，不能形成良好的焊縫，攪拌頭的后邊有一條溝槽。()攪拌頭仰角攪拌摩擦焊接時(shí)，一般都使攪拌頭向后傾斜，以此對(duì)焊縫施加壓力。()軸肩壓力軸肩壓力除了影響攪拌摩擦產(chǎn)熱以外，還對(duì)攪拌

17、后的塑性金屬施加壓緊力。10026.tif10027.tif圖-8攪拌頭轉(zhuǎn)速對(duì)接頭缺陷的影響(，)圖-9比值對(duì)接頭性能的影響圖-30攪拌頭轉(zhuǎn)速對(duì)接頭性能的影響圖-31攪拌頭仰角對(duì)接頭強(qiáng)度的影響(，)10.3.3典型材料的攪拌摩擦焊1.鋁合金的焊接2.鎂合金的焊接3.銅合金的焊接4.鈦合金的焊接5.鋁基復(fù)合材料的焊接6.鋼的攪拌摩擦焊接圖-32鋁合金熔化焊與攪拌摩擦焊焊接性比較圖-33銅合金攪拌摩擦焊接頭微觀組織)焊核區(qū))母材區(qū)4.鈦合金的焊接圖-34鈦合金攪拌摩擦焊接頭微觀組織)母材區(qū))焊核區(qū)上部)焊核區(qū)中部)過渡區(qū)圖-35攪拌摩擦焊接實(shí)例)銅合金管)鋁合金筒體構(gòu)件)板材對(duì)接)飛機(jī)艙門10.3

18、.4攪拌摩擦焊新技術(shù)1.攪拌摩擦點(diǎn)焊2.表面改性3.制造超細(xì)晶粒材料4.攪拌摩擦焊接修復(fù)5.攪拌摩擦-激光復(fù)合焊接技術(shù)圖-36攪拌摩擦點(diǎn)焊原理圖)扎入)攪拌)回抽圖-37攪拌摩擦點(diǎn)焊樣件)鋁合金)高強(qiáng)鋼2.表面改性()直接表面改性強(qiáng)化圖-為攪拌摩擦加工方法實(shí)現(xiàn)表面改性的原理圖。()制備復(fù)合材料表面改性層復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、高彈性模量、耐磨性好、抗蠕變和抗疲勞性能優(yōu)異等特點(diǎn)，但由于陶瓷增強(qiáng)相的加入，使得復(fù)合材料延展性、韌性顯著降低，通過表面改性可以克服此缺點(diǎn)。圖-38攪拌摩擦表面改性原理圖圖-39攪拌摩擦制備的復(fù)合材料表面改性層組織)含量13%)含量27%圖-4鋁合金微觀組織)母材)攪拌摩擦制備的超細(xì)晶材料)超細(xì)晶材料退火110.4.1傳統(tǒng)摩擦焊設(shè)備1.連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊機(jī)2.慣性摩擦焊機(jī)1.連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊機(jī)()設(shè)備組成及要求普通型連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊機(jī)主要由主軸系統(tǒng)、加壓系統(tǒng)、機(jī)身、夾頭、檢測(cè)與控制系統(tǒng)以及輔助裝置等六部分組成。()典型設(shè)備的技術(shù)參數(shù)表-9和表-0是部分國(guó)內(nèi)連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊機(jī)和混合式摩擦焊機(jī)的型號(hào)、技術(shù)指標(biāo)和適用范圍，表-1是部分國(guó)外廠家的設(shè)備型號(hào)及主要技術(shù)指標(biāo)。()設(shè)備組成及要求)主軸系統(tǒng)。)加壓系統(tǒng)。)機(jī)身。)夾頭。)檢測(cè)與控制系統(tǒng)。)輔助裝置。.攪拌摩擦焊設(shè)備1.攪拌摩擦設(shè)備2.攪拌頭1.攪拌摩擦設(shè)備(1)常用攪拌摩擦焊接設(shè)備常用的攪拌摩擦焊接設(shè)備大致可