摩擦焊連接方法與基本原理-焊接成型原理課-課件

焊接成型原理長春工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院課件制作：徐世偉指導(dǎo)教師：劉耀東焊接成型原理長春工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院第九章摩擦焊連接方法與基本原理

摩擦焊(FrictionWelding)是一種壓焊方法，它是在外力作用下，利用焊件接觸面之間的相對(duì)摩擦運(yùn)動(dòng)和塑性流動(dòng)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，通過兩側(cè)材料間的相互擴(kuò)散和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶而完成焊接的。第九章摩擦焊連接方法與基本原理摩擦焊(Contents

摩擦焊基本原理摩擦焊分類摩擦焊接過程分析摩擦焊規(guī)范參數(shù)9.19.29.39.4摩擦焊接頭的缺陷及檢測(cè)9.5Contents摩擦焊基本原理摩擦焊分類摩擦焊接過程分析摩§9.1摩擦焊基本原理圖9一1是摩擦焊的基本形式，兩個(gè)圓斷面的金屬工件摩擦焊前，工件1夾持在可以旋轉(zhuǎn)的夾頭上，工件2夾持

圖9，1摩擦焊原理示意圖

1一工件;2一工件;3一旋轉(zhuǎn)夾頭;4一移動(dòng)夾頭(a)形成相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)〔b)施加壓力兩界面接觸(C)進(jìn)行焊接(d)焊接結(jié)束§9.1摩擦焊基本原理圖9一1是摩擦焊的基本形式，兩個(gè)在能夠向前移動(dòng)加壓的夾頭上。焊接開始時(shí)，工件1首先以高速旋轉(zhuǎn)，然后工件2向工件1方向移動(dòng)、接觸，并施加足夠大的摩探壓力，這時(shí)開始了摩擦加熱過程，摩擦表面消耗的機(jī)械能直接轉(zhuǎn)換成熱能。

摩擦一段時(shí)間后，接頭金屬的摩擦加熱溫度達(dá)到焊接溫度，立即停止工件1的轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)工件2向前快速移動(dòng)，對(duì)接頭施加較大的頂鍛壓力，使其產(chǎn)生一定的頂鍛變形量。壓力保持一段時(shí)間后，松開兩個(gè)夾頭，取出焊件，全部焊接過程結(jié)束，通常全部焊接過程只要2～3S的時(shí)間。在整個(gè)焊接過程中，摩擦界面溫度一般不會(huì)超過材料熔點(diǎn)，所以摩擦焊屬于固相焊接。在能夠向前移動(dòng)加壓的夾頭上。焊接開始時(shí)，工件1首先以同種材質(zhì)摩擦焊時(shí)，最初界面接觸點(diǎn)上產(chǎn)生犁削一粘合現(xiàn)象。由于單位壓力很大，粘合區(qū)增多，繼續(xù)摩擦使這些粘合點(diǎn)產(chǎn)生剪切撕裂，金屬從一個(gè)表面遷移到另一個(gè)表面。

界面上的犁削一粘合一剪切撕裂過程進(jìn)行時(shí)，摩擦力矩增加使界面溫度升高。當(dāng)整個(gè)界面上形成一個(gè)連續(xù)塑性狀態(tài)薄層后，摩擦力矩降低到一最小值。界面金屬成為塑性狀態(tài)并在壓力作用下不斷被擠出形成飛邊，工件軸向長度也不斷縮短。同種材質(zhì)摩擦焊時(shí)，最初界面接觸點(diǎn)上產(chǎn)生犁削異種金屬的結(jié)合機(jī)理比較復(fù)雜，除了犁削一粘合一剪切撕裂物理現(xiàn)象外，金屬的物理與力學(xué)性能、相互間固溶度及金屬間化合物等，在結(jié)合機(jī)理中都會(huì)起作用。

焊接時(shí)由于機(jī)械混合和擴(kuò)散作用，在結(jié)合面附近很窄的區(qū)域內(nèi)有可能發(fā)生一定程度的合金化。這一薄層的性能對(duì)整個(gè)接頭的性能會(huì)有重要影響。機(jī)械混合和相互鑲嵌對(duì)結(jié)合也會(huì)有一定作用。這種復(fù)雜性使得異種金屬的摩擦焊接很難預(yù)料。Contents異種金屬的結(jié)合機(jī)理比較復(fù)雜，除了犁削一粘合§9.2摩擦焊分類摩擦焊工藝方法目前已由傳統(tǒng)的幾種形式發(fā)展到20多種，極大地?cái)U(kuò)展了摩擦焊的應(yīng)用領(lǐng)域。常用的摩擦焊工藝有連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊、慣性摩擦焊、線性摩擦焊、攪拌摩擦焊等。焊件的形狀由典型的圓截面擴(kuò)展到非圓截面(線性摩擦焊)和板材(攪拌摩擦焊)，所焊材料由傳統(tǒng)的金屬材料拓寬到粉末合金和異種材料領(lǐng)域。§9.2摩擦焊分類摩擦焊工藝方法

攪拌摩擦焊是英國焊接研究所推出的一項(xiàng)專利技術(shù)，其原理見圖9一2。圖9.2攪拌摩擦焊原理攪拌摩擦焊目前不僅限于對(duì)各類鋁合金的焊接，也開發(fā)應(yīng)用于鋼和鈦合金，單面可焊厚度從2mm到25mm,雙面焊的厚度可達(dá)50mm用常規(guī)熔焊方法不能焊接的2xxx系列鋁合金，采用攪拌摩擦焊可以使其焊接性能大為改善。與氫弧焊接頭相比，同9.2.1攪拌摩擦焊(FrictionStirWelding）攪拌摩擦焊是英國焊接研究所推出的一項(xiàng)專利一種鋁合金攪拌摩擦焊頭的強(qiáng)度高15%～20%，伸長率高1倍，斷裂韌度高30%，接頭區(qū)為細(xì)晶組織，焊縫中無氣孔、裂紋等缺陷;此外，焊件焊后殘余變形很小，焊縫中的殘余應(yīng)力很低。

這種方法的缺點(diǎn)是，為了避免攪拌引起的振動(dòng)力使焊件偏離正確的裝配方位，在施焊時(shí)必須把焊件剛性固定，從而使它的工藝柔性受到限制。攪拌摩擦焊技術(shù)及其工程應(yīng)用的開發(fā)進(jìn)展很快，已在新型運(yùn)載工具的新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中開始采用，如鋁合金高速船體結(jié)構(gòu)、高速列車結(jié)構(gòu)及火箭箭體結(jié)構(gòu)等。一種鋁合金攪拌摩擦焊頭的強(qiáng)度高15%～20%，伸長率高

連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊是一工件固定不轉(zhuǎn)動(dòng)，另一工件被驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)到恒定轉(zhuǎn)速n。在不轉(zhuǎn)動(dòng)的工件上施以軸向壓力P1推向轉(zhuǎn)動(dòng)工件。兩工件相接觸，焊接過程開始。轉(zhuǎn)速仍保持不變。經(jīng)過一定時(shí)間，界面溫度達(dá)到材料鍛造范圍，轉(zhuǎn)動(dòng)工件脫開驅(qū)動(dòng)并制動(dòng)，轉(zhuǎn)速從n降至零。在制動(dòng)過程中軸向壓力常增大至P2使界面金屬產(chǎn)生頂鍛，并保持到工件冷卻。在頂鍛過程中界面熱塑材料被擠出界面形成飛邊。連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊典型特性曲線見圖9一3。9.2.2連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊是一工件固定不轉(zhuǎn)動(dòng)，另一工件

慣性摩擦焊是在焊接過程開始前輸人焊接所需的全部機(jī)械能。一工件固定不轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)的工件裝在帶有可更換的飛輪組的轉(zhuǎn)動(dòng)夾具上，整個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)部分被驅(qū)動(dòng)到轉(zhuǎn)速n0后脫開驅(qū)動(dòng)。使兩工件接觸并施加軸向壓力P，焊接過程開始。飛輪的能量通過工件結(jié)合面上的摩擦迅速消耗，轉(zhuǎn)速減至零，焊接結(jié)束。在轉(zhuǎn)動(dòng)停止前摩擦扭矩有一個(gè)急劇上升現(xiàn)象。

慣性摩擦焊一般是在恒定壓力下完成(也有采用二級(jí)壓力方法，即達(dá)到初速n0后先施加壓力P1，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降至某個(gè)值時(shí)再增加壓力至P2保持到焊接結(jié)束)。9.2.3慣性摩擦焊慣性摩擦焊是在焊接過程開始前輸人焊接所需的圖9一3連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊典型特性曲線圖9一4慣性摩擦焊

典型特征曲線慣性摩擦焊典型的特性曲線見圖9一4。Ⅰ階段為焊接開始，界面接觸并出現(xiàn)較小的扭矩峰值，Ⅱ階段是以扭矩平穩(wěn)為特征的加熱階段，Ⅲ階段是焊接即將結(jié)束，其特征是出現(xiàn)較大的扭矩峰值。Contents圖9一3連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦圖9一4慣性摩擦焊慣性摩§9.3摩擦焊接過程分析這里我們主要討論應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)鋼連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊的焊接過程及其熱源特點(diǎn)?！?.3摩擦焊接過程分析這里我們主要討摩擦焊接過程，是焊接表面金屬在一定的空間和時(shí)間內(nèi)，金屬狀態(tài)和性能發(fā)生變化的過程。連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊特性曲線如圖9一3，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。

(1)摩擦開始時(shí),由于工件摩擦焊接表面不平,以及存在氧化膜、油銹、灰塵和吸附氣體使得摩擦系數(shù)很大，隨著摩擦壓力逐漸增大,摩擦加熱功率慢慢增加,使凹凸不平的表迅速產(chǎn)生塑性變形和機(jī)械挖掘現(xiàn)象。塑性變形破壞了摩擦表面金屬晶粒,成為一個(gè)晶細(xì)小的變形層。沿變形層附近的母材也順摩擦方向產(chǎn)生塑性變形。金屬相互壓人部分挖掘,使摩擦表面出現(xiàn)同心圓痕跡,這樣又增大了塑性變形。

9.3.1焊接過程摩擦焊接過程，是焊接表面金屬在一定的空間和

(2)摩擦壓力增大，摩擦破壞了焊接金屬表面，使純凈的金屬接觸，接觸面積也增大，而焊接表面溫度的升高，使金屬的強(qiáng)度有所下降，塑性和韌性卻有很大提高，這些因素都使摩擦系數(shù)增大，摩擦加熱功率迅速提高，扭矩也出現(xiàn)一個(gè)峰值。

焊接表面溫度繼續(xù)升高時(shí)，金屬的塑性增高，但強(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。這一過程中，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)的金屬顆?；ハ嗪负虾螅直还ぜD(zhuǎn)的扭力矩剪斷，并彼此過渡。(2)摩擦壓力增大，摩擦破壞了焊接金屬表

(3)摩擦功率或扭矩穩(wěn)定后，摩擦表面的溫度繼續(xù)升高，這時(shí)金屬的粘結(jié)現(xiàn)象減少，分子作用現(xiàn)象增強(qiáng)。此時(shí)金屬強(qiáng)度極低，塑性很大，摩擦表面似乎被一層液體金屬所潤滑，摩擦系數(shù)很小，各工藝參數(shù)的變化也趨于穩(wěn)定，只有摩擦變形量不斷增大，飛邊增大，接頭的熱影響區(qū)增寬。

(4)主軸和工件開始停車減速后，隨著軸向壓力增大，轉(zhuǎn)速降低，摩擦扭矩增大，再次出現(xiàn)峰值，稱為后峰值扭矩。同時(shí)接頭中的高溫金屬被大量擠出，變形量也增大。制動(dòng)階段是摩擦加熱過程和頂鍛焊接過程的過渡階段，具有雙重特點(diǎn)。主軸停止旋轉(zhuǎn)后，頂鍛力仍要維持一段時(shí)間，直至接頭溫度冷卻到規(guī)定值為止。(3)摩擦功率或扭矩穩(wěn)定后，摩擦表面的溫總之，在摩擦焊接過程中，金屬摩擦表面從低溫到高溫變化，而表面的塑性變形、機(jī)械挖掘、粘結(jié)和分子作用四種摩擦現(xiàn)象連續(xù)發(fā)生。

在整個(gè)摩擦加熱過程中，摩擦表面上都存在著一個(gè)高速摩擦塑性變形層。摩擦焊的發(fā)熱、變形和擴(kuò)散現(xiàn)象主要都集中在變形層中，穩(wěn)定摩擦?xí)r變形層金屬在摩擦扭矩和軸向壓力的作用下，從摩擦表面擠出形成飛邊，同時(shí)又被附近高溫區(qū)的金屬所補(bǔ)充，始終處于動(dòng)平衡狀態(tài)。

在制動(dòng)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。總之，在摩擦焊接過程中，金屬摩擦表面從低溫

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。它是以兩工件摩擦表面為中心的金屬質(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做相對(duì)高速摩擦運(yùn)動(dòng)的塑性變形層。這個(gè)變形層是把摩擦的機(jī)械功率轉(zhuǎn)變成熱能的發(fā)熱層。由于它的溫度最高，能量集中，又產(chǎn)生在金屬的焊接表面，所以加熱效率很高。作為一個(gè)焊接熱源，主要參數(shù)是功率和溫度。9.3.2摩擦焊熱源的特點(diǎn)9.3.2摩擦焊熱源的特點(diǎn)摩擦焊熱源的功率和溫度不僅取決于焊接工藝規(guī)范參數(shù)，還受到焊接工件材料、形狀、尺寸和焊接表面準(zhǔn)備情況的影響。摩擦焊熱源的最高溫度接近或等于焊接金屬的熔點(diǎn)。

異種金屬摩擦焊時(shí)，熱源溫度不超過低熔點(diǎn)金屬的熔點(diǎn)，這對(duì)保證焊接質(zhì)量和提高焊接過程的穩(wěn)定性起了很大作用。不同材料和直徑的工件，在不同轉(zhuǎn)速和摩擦壓力下焊接時(shí)，摩擦焊接表面的穩(wěn)定溫度列于表9.1。摩擦焊熱源的功率和溫度不僅取決于焊接工藝金屬焊接表面的摩擦不僅產(chǎn)生熱量，面且還能破壞和清除表面的氧化膜。變形層金屬的封閉、擠出和不斷被高溫區(qū)金屬更新,可以防止焊口金屬的繼續(xù)氧化。頂鍛焊接后,部分變形層金屬像填料一樣留在接頭中會(huì)影響焊接質(zhì)量。Contents金屬焊接表面的摩擦不僅產(chǎn)生熱量，面且還能破

§9.4摩擦焊規(guī)范參數(shù)9.4.1連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊工藝參數(shù)連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊主要工藝參數(shù)有轉(zhuǎn)速、摩擦壓力、摩擦?xí)r間、停車時(shí)間和頂鍛時(shí)間以及頂鍛壓力和頂鍛變形量等。這些參數(shù)取決于工件的橫截面積、金屬的熔點(diǎn)和導(dǎo)熱系數(shù)、熱循環(huán)過程中冶金性能的變化(特別是在異種金屬焊接時(shí))等因素。一下對(duì)各種工藝參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)說明?！?.4摩擦焊規(guī)范參數(shù)9.4.1連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊接過程的加熱來源于摩擦能，其加熱功率為式中,R—焊件的工作半徑(mm);

n—主軸轉(zhuǎn)速(r/min);

P—摩擦壓力(MPa);

μ—摩擦系數(shù)，其值在摩擦過程中是變化的，數(shù)值在0.2～2之間;

Kf，—常數(shù)。由上式可見:(l)焊件直徑越大，所需的摩擦加熱功率也越人。(2)焊件直徑確定時(shí)，所需摩擦加熱功率將取決于主軸轉(zhuǎn)速和摩擦壓力。1.轉(zhuǎn)速和摩擦壓力摩擦焊接過程的加熱來源于摩擦能，其加熱功率為式中,R在P、n確定的前提下，適當(dāng)?shù)哪Σ習(xí)r間是獲得結(jié)合面均勻加熱溫度和恰當(dāng)變形量的條件，這時(shí)接頭區(qū)沿軸向有一層恰當(dāng)厚度的變形層及高溫區(qū)，但飛邊較小，而在隨后的頂鍛階段能產(chǎn)生足夠大的軸向變形量，變形層沿結(jié)合面徑向有足夠擴(kuò)展，形成粗大、不對(duì)稱封閉圓滑的飛邊，如圖9-5（a）所示。圖9一5主軸轉(zhuǎn)速高時(shí)產(chǎn)生的不良影響(a)n=1000r/min;(b)n=2000r/min(c)n=4000r/min

2.摩擦?xí)r間在P、n確定的前提下，適當(dāng)?shù)哪Σ習(xí)r間是獲得對(duì)于同一個(gè)焊件短，只需幾秒鐘;而當(dāng)n、p、t的參數(shù)條件不是惟一的。當(dāng)n較低、p較大，t可以較短，只需幾秒鐘時(shí)間；當(dāng)n較高、p較小，t將較長，例如可達(dá)40s顯然對(duì)于小焊件宜盡可能采用短時(shí)間參數(shù)，大端面焊件則只可用弱參數(shù)。此外，不同材質(zhì)的焊件，t的匹配條件也不一樣，例如高合金鋼摩擦焊，摩擦壓力和時(shí)間都應(yīng)增加。3.停車時(shí)間及頂斷延時(shí)一般應(yīng)在制動(dòng)停車0.1～1s后進(jìn)行頂鍛，其間轉(zhuǎn)速降低，摩擦阻力和摩擦扭矩增大，軸向縮短速度也增大。調(diào)節(jié)頂鍛延時(shí)則可以調(diào)整后峰值扭矩及變形層厚度。

對(duì)于同一個(gè)焊件短，只需幾秒鐘;而當(dāng)n、p、4.頂鍛壓力及頂鍛變形量頂鍛是為了擠碎和擠出變形層中氧化了的金屬和其它有害雜質(zhì)，并使接頭區(qū)金屬得到鍛壓、結(jié)合緊密、晶粒細(xì)化、性能提高。頂鍛變形量是鍛壓程度的主要標(biāo)志。頂鍛力大小取決于焊件材質(zhì)、溫度及變形層厚度，也跟摩擦壓力有關(guān)。材質(zhì)高溫強(qiáng)度高、接頭區(qū)溫度低或變形層較薄時(shí)，頂鍛壓力應(yīng)取大一些，其范圍為100～200MPa。一般頂鍛壓力宜為摩擦壓力的2～3倍,頂鍛量為1～6mm,頂鍛速度宜為10～40（mm/h）

。4.頂鍛壓力及頂鍛變形量主要有三項(xiàng)參數(shù):飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、飛輪初速、軸向壓力。前兩項(xiàng)參數(shù)決定焊接的總能量，壓力的大小一般取決于被焊材質(zhì)和焊接界面的面積。

1.飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量取決于飛輪的形狀、直徑、質(zhì)量(包括飛輪、卡爪、軸承和傳動(dòng)部件)。在焊接循環(huán)的任一瞬間，其能量可由下式確定

E=54.7×10-4

I·n2=54.7×10-4W·R2·n2（9-3）

式中,E—能量（j）；

I—慣性矩，I=W·R2

（kg·m2）;

W—飛輪系統(tǒng)的質(zhì)量(kg);R—回轉(zhuǎn)半徑(m);

n-瞬時(shí)轉(zhuǎn)速(r·min-1)。9.4.2慣性摩擦焊工藝參數(shù)主要有三項(xiàng)參數(shù):飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、飛輪初速、軸向壓力。前兩

飛輪慣量大，產(chǎn)生的頂鍛作用亦大。大的低速飛輪產(chǎn)生的鍛造量大于小的高速飛輪，盡管動(dòng)能量是相同的。能量的大小將明顯影響飛邊的尺寸和形狀。在初始速度和軸向壓力一定時(shí)，增加飛輪慣量，焊接總能量增加，焊接時(shí)間增長，界面上熱塑狀態(tài)金屬被擠出的量增加，焊接飛邊增大。鋼與鋼焊接時(shí)，飛輪初速推薦的范圍是2.5～7.6m/s。如果速度太低，界面加熱不勻，中心部位的熱量將不足以使整個(gè)截面形成結(jié)合，毛刺粗糙不勻，飛邊亦少。當(dāng)初速高于6m/s時(shí)，焊縫呈鼓形，中心處比外圍厚。速度對(duì)塑性區(qū)的寬度影響較大，速度增加，焊縫及熱影響區(qū)的寬度加大，接頭的冷卻速度變小，引起不同的組織轉(zhuǎn)變。飛輪慣量大，產(chǎn)生的頂鍛作用亦大。大的低速飛

3.摩擦壓力摩擦壓力控制著焊接周期時(shí)間，對(duì)焊接界面的能量輸人有直接影響。它的作用一般與速度變化的影響相反。軸向壓力增大，界面相對(duì)運(yùn)動(dòng)功耗增大，界面熱塑性金屬擠出量增多，飛邊量增多，焊接熱影響區(qū)變窄。壓力降低，熱影響區(qū)增寬。壓力過高會(huì)導(dǎo)致接頭中心結(jié)合不良。Contents3.摩擦壓力Contents

§9.5摩擦焊接頭的缺陷及檢測(cè)9.5.1摩擦焊接頭中的缺陷摩擦焊是固相連接，接頭中不會(huì)出現(xiàn)與熔化、凝固有關(guān)的缺陷，但當(dāng)材料焊接性差、焊接參數(shù)不當(dāng)或表面清理不好時(shí)，在摩擦焊連接界面上也會(huì)出現(xiàn)一些“非理想結(jié)合”的缺陷，如“灰斑”、裂紋、未焊合、夾雜、金屬問化合物、錯(cuò)疊等，這些缺陷一般具有二維、平面、彌散分布的特征。§9.5摩擦焊接頭的缺陷及檢測(cè)9.5.1摩擦焊1.“灰斑”缺陷“灰斑”是一種焊接缺陷在斷口上的表現(xiàn)形式，它在斷口上一般表現(xiàn)為暗灰色平斑狀，無金屬光澤，一般為近似圓形、橢圓形或長條形，與周圍金屬有明顯的分界，無顯著塑性變形，具有明顯的沿焊縫斷裂的特征。微觀上看，“灰斑”是由焊合區(qū)破碎或未破碎的夾雜物與基體金屬的界面為空穴形成核心，在外力作用下不斷擴(kuò)展，最終聚合成密集細(xì)小的淺韌窩，在宏觀上表現(xiàn)為脆性斷裂。根據(jù)掃描電鏡分析和X射線能譜分析,“灰斑”缺陷系由以Si、Mn為主的低塑性物質(zhì)組成。一般認(rèn)為其形成機(jī)理為:由于焊接部位母材內(nèi)部存在的一些夾雜物,在摩擦加熱、頂鍛加壓時(shí)被碎化而進(jìn)人焊接面,但又未被完全擠出，從而形成“灰斑”。1.“灰斑”缺陷

2.焊接裂紋摩擦焊接頭上的裂紋主要出現(xiàn)在焊合區(qū)邊緣飛邊缺口部位、焊合區(qū)內(nèi)部、近縫區(qū)及飛邊上。飛邊缺口裂紋沿焊合區(qū)向內(nèi)擴(kuò)展，其產(chǎn)生與材料的淬硬性及焊接參數(shù)有關(guān)。

有限元分析表明，當(dāng)焊合區(qū)兩側(cè)塑性區(qū)較寬、頂鍛力過大時(shí)，會(huì)在焊合區(qū)周邊部位產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，這是形成飛邊缺口裂紋的主要原因。

異種材料焊接時(shí)可能在焊合區(qū)內(nèi)部產(chǎn)生裂紋。脆性材料(陶瓷)或易淬硬材料(高速鋼)與其它異種材料焊接時(shí)，在焊后或熱處理后會(huì)產(chǎn)生由飛邊缺口部位起裂，并向脆性材料一側(cè)近縫區(qū)內(nèi)部擴(kuò)展的環(huán)狀裂紋，這類裂紋的產(chǎn)生與焊接接2.焊接裂紋頭內(nèi)部的殘余應(yīng)力分布及焊接過程中脆性材料的損傷有關(guān)。

飛邊裂紋是指飛邊上沿徑向或環(huán)向開裂的裂紋，其產(chǎn)生的原因主要是焊合區(qū)溫度不當(dāng)(過高或過低)，飛邊金屬塑性低，以及焊接變形速度(特別是頂鍛速度)過快。通過改變焊接轉(zhuǎn)速及頂鍛速度可有效地防止飛邊裂紋的產(chǎn)生。

3.未焊合未焊合一般產(chǎn)生于焊接接頭的焊合面上，其表面宏觀特征呈氧化顏色。在斷口上表現(xiàn)為摩擦變形特征及其上分布的氧化物層，氧化物主要是焊接過程中在高溫形成的頭內(nèi)部的殘余應(yīng)力分布及焊接過程中脆性材料的損傷有關(guān)。FeO。另外，結(jié)合表面上的氧化物、油污、雜質(zhì)及凹坑等也會(huì)在焊合面上造成“未焊合”缺陷。它的產(chǎn)生與摩擦加熱不足、頂鍛力過小及原始表面狀態(tài)等因素有關(guān)。另外，摩擦焊接頭中還會(huì)出現(xiàn)焊縫脫碳、過熱組織、淬火組織等缺陷。FeO。另外，結(jié)合表面上的氧化物、油污、雜質(zhì)及凹坑等也摩擦焊接頭中出現(xiàn)非理想結(jié)合的缺陷時(shí)，會(huì)使接頭的抗斷能力下降至幾分之一甚至幾十分之一。如當(dāng)“灰斑，，面積為20%～40%時(shí)，焊合區(qū)沖擊功可下降70%～80%，疲勞壽命下降25%～50%。因此，對(duì)摩擦焊接頭進(jìn)行無損檢測(cè)，對(duì)于保證焊件的性能與安全是非常重要的。由于摩擦焊焊接缺陷具有二維、彌散和近表面分布的特征，故應(yīng)采用高聚焦性能和高分辨力的無損檢測(cè)技術(shù)。目前摩擦焊接頭的無損檢測(cè)主要以超聲波和滲透檢測(cè)技術(shù)為主，再輔以視覺檢查。表9.2給出了檢驗(yàn)?zāi)Σ梁附宇^常用的方法及適用的范圍。

9.5.2摩擦焊接頭的無損檢測(cè)摩擦焊接頭中出現(xiàn)非理想結(jié)合的缺陷時(shí)，會(huì)使摩擦焊連接方法與基本原理-焊接成型原理課-課件摩擦焊是利用焊件接觸面之間的相對(duì)摩擦運(yùn)動(dòng)和塑性流動(dòng)所產(chǎn)生的熱量來實(shí)現(xiàn)焊接的，在摩擦焊接過程中，金屬摩擦表面從低溫到高溫變化，摩擦表面上存在著一個(gè)高速摩擦塑性變形層，這就是摩擦焊的熱源，摩擦焊熱源的功率和溫度不僅取決于焊接工藝規(guī)范參數(shù)，還受到焊接工件材料、形狀、尺寸和焊接表面準(zhǔn)備情況的影響。摩擦焊屬于固相焊接。最基本的兩種摩擦焊工藝是連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊和慣性摩擦焊。摩擦焊接過程，是焊接表面金屬在一定的空間和。本章小結(jié)摩擦焊是利用焊件接觸面之間的相對(duì)摩擦運(yùn)動(dòng)時(shí)間內(nèi)，金屬狀態(tài)和性能發(fā)生變化的過程。連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊焊接過程的一個(gè)周期，可分成摩擦加熱過程和頂鍛焊接過程兩部分，主要工藝參數(shù)有轉(zhuǎn)速、摩擦壓力、摩擦?xí)r間、停車時(shí)間和頂鍛時(shí)間以及頂鍛壓力和頂鍛變形量等。慣性摩擦焊工藝參數(shù)主要有飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、飛輪初速、軸向壓力。摩擦焊連接界面上會(huì)出現(xiàn)一些“非理想結(jié)合”的缺陷，如裂紋、未焊合、夾雜、金屬間化合物、錯(cuò)疊等，摩擦焊接頭的無損檢測(cè)主要以超聲波和滲透檢測(cè)技術(shù)為主，再輔以視覺檢查。時(shí)間內(nèi)，金屬狀態(tài)和性能發(fā)生變化的過程。連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊ThankYou!ThankYou!焊接成型原理長春工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院課件制作：徐世偉指導(dǎo)教師：劉耀東焊接成型原理長春工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院第九章摩擦焊連接方法與基本原理

摩擦焊(FrictionWelding)是一種壓焊方法，它是在外力作用下，利用焊件接觸面之間的相對(duì)摩擦運(yùn)動(dòng)和塑性流動(dòng)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，通過兩側(cè)材料間的相互擴(kuò)散和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶而完成焊接的。第九章摩擦焊連接方法與基本原理摩擦焊(Contents

摩擦焊基本原理摩擦焊分類摩擦焊接過程分析摩擦焊規(guī)范參數(shù)9.19.29.39.4摩擦焊接頭的缺陷及檢測(cè)9.5Contents摩擦焊基本原理摩擦焊分類摩擦焊接過程分析摩§9.1摩擦焊基本原理圖9一1是摩擦焊的基本形式，兩個(gè)圓斷面的金屬工件摩擦焊前，工件1夾持在可以旋轉(zhuǎn)的夾頭上，工件2夾持

圖9，1摩擦焊原理示意圖

1一工件;2一工件;3一旋轉(zhuǎn)夾頭;4一移動(dòng)夾頭(a)形成相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)〔b)施加壓力兩界面接觸(C)進(jìn)行焊接(d)焊接結(jié)束§9.1摩擦焊基本原理圖9一1是摩擦焊的基本形式，兩個(gè)在能夠向前移動(dòng)加壓的夾頭上。焊接開始時(shí)，工件1首先以高速旋轉(zhuǎn)，然后工件2向工件1方向移動(dòng)、接觸，并施加足夠大的摩探壓力，這時(shí)開始了摩擦加熱過程，摩擦表面消耗的機(jī)械能直接轉(zhuǎn)換成熱能。

摩擦一段時(shí)間后，接頭金屬的摩擦加熱溫度達(dá)到焊接溫度，立即停止工件1的轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)工件2向前快速移動(dòng)，對(duì)接頭施加較大的頂鍛壓力，使其產(chǎn)生一定的頂鍛變形量。壓力保持一段時(shí)間后，松開兩個(gè)夾頭，取出焊件，全部焊接過程結(jié)束，通常全部焊接過程只要2～3S的時(shí)間。在整個(gè)焊接過程中，摩擦界面溫度一般不會(huì)超過材料熔點(diǎn)，所以摩擦焊屬于固相焊接。在能夠向前移動(dòng)加壓的夾頭上。焊接開始時(shí)，工件1首先以同種材質(zhì)摩擦焊時(shí)，最初界面接觸點(diǎn)上產(chǎn)生犁削一粘合現(xiàn)象。由于單位壓力很大，粘合區(qū)增多，繼續(xù)摩擦使這些粘合點(diǎn)產(chǎn)生剪切撕裂，金屬從一個(gè)表面遷移到另一個(gè)表面。

界面上的犁削一粘合一剪切撕裂過程進(jìn)行時(shí)，摩擦力矩增加使界面溫度升高。當(dāng)整個(gè)界面上形成一個(gè)連續(xù)塑性狀態(tài)薄層后，摩擦力矩降低到一最小值。界面金屬成為塑性狀態(tài)并在壓力作用下不斷被擠出形成飛邊，工件軸向長度也不斷縮短。同種材質(zhì)摩擦焊時(shí)，最初界面接觸點(diǎn)上產(chǎn)生犁削異種金屬的結(jié)合機(jī)理比較復(fù)雜，除了犁削一粘合一剪切撕裂物理現(xiàn)象外，金屬的物理與力學(xué)性能、相互間固溶度及金屬間化合物等，在結(jié)合機(jī)理中都會(huì)起作用。

焊接時(shí)由于機(jī)械混合和擴(kuò)散作用，在結(jié)合面附近很窄的區(qū)域內(nèi)有可能發(fā)生一定程度的合金化。這一薄層的性能對(duì)整個(gè)接頭的性能會(huì)有重要影響。機(jī)械混合和相互鑲嵌對(duì)結(jié)合也會(huì)有一定作用。這種復(fù)雜性使得異種金屬的摩擦焊接很難預(yù)料。Contents異種金屬的結(jié)合機(jī)理比較復(fù)雜，除了犁削一粘合§9.2摩擦焊分類摩擦焊工藝方法目前已由傳統(tǒng)的幾種形式發(fā)展到20多種，極大地?cái)U(kuò)展了摩擦焊的應(yīng)用領(lǐng)域。常用的摩擦焊工藝有連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊、慣性摩擦焊、線性摩擦焊、攪拌摩擦焊等。焊件的形狀由典型的圓截面擴(kuò)展到非圓截面(線性摩擦焊)和板材(攪拌摩擦焊)，所焊材料由傳統(tǒng)的金屬材料拓寬到粉末合金和異種材料領(lǐng)域?！?.2摩擦焊分類摩擦焊工藝方法

攪拌摩擦焊是英國焊接研究所推出的一項(xiàng)專利技術(shù)，其原理見圖9一2。圖9.2攪拌摩擦焊原理攪拌摩擦焊目前不僅限于對(duì)各類鋁合金的焊接，也開發(fā)應(yīng)用于鋼和鈦合金，單面可焊厚度從2mm到25mm,雙面焊的厚度可達(dá)50mm用常規(guī)熔焊方法不能焊接的2xxx系列鋁合金，采用攪拌摩擦焊可以使其焊接性能大為改善。與氫弧焊接頭相比，同9.2.1攪拌摩擦焊(FrictionStirWelding）攪拌摩擦焊是英國焊接研究所推出的一項(xiàng)專利一種鋁合金攪拌摩擦焊頭的強(qiáng)度高15%～20%，伸長率高1倍，斷裂韌度高30%，接頭區(qū)為細(xì)晶組織，焊縫中無氣孔、裂紋等缺陷;此外，焊件焊后殘余變形很小，焊縫中的殘余應(yīng)力很低。

這種方法的缺點(diǎn)是，為了避免攪拌引起的振動(dòng)力使焊件偏離正確的裝配方位，在施焊時(shí)必須把焊件剛性固定，從而使它的工藝柔性受到限制。攪拌摩擦焊技術(shù)及其工程應(yīng)用的開發(fā)進(jìn)展很快，已在新型運(yùn)載工具的新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中開始采用，如鋁合金高速船體結(jié)構(gòu)、高速列車結(jié)構(gòu)及火箭箭體結(jié)構(gòu)等。一種鋁合金攪拌摩擦焊頭的強(qiáng)度高15%～20%，伸長率高

連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊是一工件固定不轉(zhuǎn)動(dòng)，另一工件被驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)到恒定轉(zhuǎn)速n。在不轉(zhuǎn)動(dòng)的工件上施以軸向壓力P1推向轉(zhuǎn)動(dòng)工件。兩工件相接觸，焊接過程開始。轉(zhuǎn)速仍保持不變。經(jīng)過一定時(shí)間，界面溫度達(dá)到材料鍛造范圍，轉(zhuǎn)動(dòng)工件脫開驅(qū)動(dòng)并制動(dòng)，轉(zhuǎn)速從n降至零。在制動(dòng)過程中軸向壓力常增大至P2使界面金屬產(chǎn)生頂鍛，并保持到工件冷卻。在頂鍛過程中界面熱塑材料被擠出界面形成飛邊。連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊典型特性曲線見圖9一3。9.2.2連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊是一工件固定不轉(zhuǎn)動(dòng)，另一工件

慣性摩擦焊是在焊接過程開始前輸人焊接所需的全部機(jī)械能。一工件固定不轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)的工件裝在帶有可更換的飛輪組的轉(zhuǎn)動(dòng)夾具上，整個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)部分被驅(qū)動(dòng)到轉(zhuǎn)速n0后脫開驅(qū)動(dòng)。使兩工件接觸并施加軸向壓力P，焊接過程開始。飛輪的能量通過工件結(jié)合面上的摩擦迅速消耗，轉(zhuǎn)速減至零，焊接結(jié)束。在轉(zhuǎn)動(dòng)停止前摩擦扭矩有一個(gè)急劇上升現(xiàn)象。

慣性摩擦焊一般是在恒定壓力下完成(也有采用二級(jí)壓力方法，即達(dá)到初速n0后先施加壓力P1，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降至某個(gè)值時(shí)再增加壓力至P2保持到焊接結(jié)束)。9.2.3慣性摩擦焊慣性摩擦焊是在焊接過程開始前輸人焊接所需的圖9一3連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊典型特性曲線圖9一4慣性摩擦焊

典型特征曲線慣性摩擦焊典型的特性曲線見圖9一4。Ⅰ階段為焊接開始，界面接觸并出現(xiàn)較小的扭矩峰值，Ⅱ階段是以扭矩平穩(wěn)為特征的加熱階段，Ⅲ階段是焊接即將結(jié)束，其特征是出現(xiàn)較大的扭矩峰值。Contents圖9一3連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦圖9一4慣性摩擦焊慣性摩§9.3摩擦焊接過程分析這里我們主要討論應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)鋼連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊的焊接過程及其熱源特點(diǎn)?！?.3摩擦焊接過程分析這里我們主要討摩擦焊接過程，是焊接表面金屬在一定的空間和時(shí)間內(nèi)，金屬狀態(tài)和性能發(fā)生變化的過程。連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊特性曲線如圖9一3，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。

(1)摩擦開始時(shí),由于工件摩擦焊接表面不平,以及存在氧化膜、油銹、灰塵和吸附氣體使得摩擦系數(shù)很大，隨著摩擦壓力逐漸增大,摩擦加熱功率慢慢增加,使凹凸不平的表迅速產(chǎn)生塑性變形和機(jī)械挖掘現(xiàn)象。塑性變形破壞了摩擦表面金屬晶粒,成為一個(gè)晶細(xì)小的變形層。沿變形層附近的母材也順摩擦方向產(chǎn)生塑性變形。金屬相互壓人部分挖掘,使摩擦表面出現(xiàn)同心圓痕跡,這樣又增大了塑性變形。

9.3.1焊接過程摩擦焊接過程，是焊接表面金屬在一定的空間和

(2)摩擦壓力增大，摩擦破壞了焊接金屬表面，使純凈的金屬接觸，接觸面積也增大，而焊接表面溫度的升高，使金屬的強(qiáng)度有所下降，塑性和韌性卻有很大提高，這些因素都使摩擦系數(shù)增大，摩擦加熱功率迅速提高，扭矩也出現(xiàn)一個(gè)峰值。

焊接表面溫度繼續(xù)升高時(shí)，金屬的塑性增高，但強(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。這一過程中，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)的金屬顆?；ハ嗪负虾?，又被工件旋轉(zhuǎn)的扭力矩剪斷，并彼此過渡。(2)摩擦壓力增大，摩擦破壞了焊接金屬表

(3)摩擦功率或扭矩穩(wěn)定后，摩擦表面的溫度繼續(xù)升高，這時(shí)金屬的粘結(jié)現(xiàn)象減少，分子作用現(xiàn)象增強(qiáng)。此時(shí)金屬強(qiáng)度極低，塑性很大，摩擦表面似乎被一層液體金屬所潤滑，摩擦系數(shù)很小，各工藝參數(shù)的變化也趨于穩(wěn)定，只有摩擦變形量不斷增大，飛邊增大，接頭的熱影響區(qū)增寬。

(4)主軸和工件開始停車減速后，隨著軸向壓力增大，轉(zhuǎn)速降低，摩擦扭矩增大，再次出現(xiàn)峰值，稱為后峰值扭矩。同時(shí)接頭中的高溫金屬被大量擠出，變形量也增大。制動(dòng)階段是摩擦加熱過程和頂鍛焊接過程的過渡階段，具有雙重特點(diǎn)。主軸停止旋轉(zhuǎn)后，頂鍛力仍要維持一段時(shí)間，直至接頭溫度冷卻到規(guī)定值為止。(3)摩擦功率或扭矩穩(wěn)定后，摩擦表面的溫總之，在摩擦焊接過程中，金屬摩擦表面從低溫到高溫變化，而表面的塑性變形、機(jī)械挖掘、粘結(jié)和分子作用四種摩擦現(xiàn)象連續(xù)發(fā)生。

在整個(gè)摩擦加熱過程中，摩擦表面上都存在著一個(gè)高速摩擦塑性變形層。摩擦焊的發(fā)熱、變形和擴(kuò)散現(xiàn)象主要都集中在變形層中，穩(wěn)定摩擦?xí)r變形層金屬在摩擦扭矩和軸向壓力的作用下，從摩擦表面擠出形成飛邊，同時(shí)又被附近高溫區(qū)的金屬所補(bǔ)充，始終處于動(dòng)平衡狀態(tài)。

在制動(dòng)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。總之，在摩擦焊接過程中，金屬摩擦表面從低溫

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。它是以兩工件摩擦表面為中心的金屬質(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做相對(duì)高速摩擦運(yùn)動(dòng)的塑性變形層。這個(gè)變形層是把摩擦的機(jī)械功率轉(zhuǎn)變成熱能的發(fā)熱層。由于它的溫度最高，能量集中，又產(chǎn)生在金屬的焊接表面，所以加熱效率很高。作為一個(gè)焊接熱源，主要參數(shù)是功率和溫度。9.3.2摩擦焊熱源的特點(diǎn)9.3.2摩擦焊熱源的特點(diǎn)摩擦焊熱源的功率和溫度不僅取決于焊接工藝規(guī)范參數(shù)，還受到焊接工件材料、形狀、尺寸和焊接表面準(zhǔn)備情況的影響。摩擦焊熱源的最高溫度接近或等于焊接金屬的熔點(diǎn)。

異種金屬摩擦焊時(shí)，熱源溫度不超過低熔點(diǎn)金屬的熔點(diǎn)，這對(duì)保證焊接質(zhì)量和提高焊接過程的穩(wěn)定性起了很大作用。不同材料和直徑的工件，在不同轉(zhuǎn)速和摩擦壓力下焊接時(shí)，摩擦焊接表面的穩(wěn)定溫度列于表9.1。摩擦焊熱源的功率和溫度不僅取決于焊接工藝金屬焊接表面的摩擦不僅產(chǎn)生熱量，面且還能破壞和清除表面的氧化膜。變形層金屬的封閉、擠出和不斷被高溫區(qū)金屬更新,可以防止焊口金屬的繼續(xù)氧化。頂鍛焊接后,部分變形層金屬像填料一樣留在接頭中會(huì)影響焊接質(zhì)量。Contents金屬焊接表面的摩擦不僅產(chǎn)生熱量，面且還能破

§9.4摩擦焊規(guī)范參數(shù)9.4.1連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊工藝參數(shù)連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊主要工藝參數(shù)有轉(zhuǎn)速、摩擦壓力、摩擦?xí)r間、停車時(shí)間和頂鍛時(shí)間以及頂鍛壓力和頂鍛變形量等。這些參數(shù)取決于工件的橫截面積、金屬的熔點(diǎn)和導(dǎo)熱系數(shù)、熱循環(huán)過程中冶金性能的變化(特別是在異種金屬焊接時(shí))等因素。一下對(duì)各種工藝參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)說明?！?.4摩擦焊規(guī)范參數(shù)9.4.1連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊接過程的加熱來源于摩擦能，其加熱功率為式中,R—焊件的工作半徑(mm);

n—主軸轉(zhuǎn)速(r/min);

P—摩擦壓力(MPa);

μ—摩擦系數(shù)，其值在摩擦過程中是變化的，數(shù)值在0.2～2之間;

Kf，—常數(shù)。由上式可見:(l)焊件直徑越大，所需的摩擦加熱功率也越人。(2)焊件直徑確定時(shí)，所需摩擦加熱功率將取決于主軸轉(zhuǎn)速和摩擦壓力。1.轉(zhuǎn)速和摩擦壓力摩擦焊接過程的加熱來源于摩擦能，其加熱功率為式中,R在P、n確定的前提下，適當(dāng)?shù)哪Σ習(xí)r間是獲得結(jié)合面均勻加熱溫度和恰當(dāng)變形量的條件，這時(shí)接頭區(qū)沿軸向有一層恰當(dāng)厚度的變形層及高溫區(qū)，但飛邊較小，而在隨后的頂鍛階段能產(chǎn)生足夠大的軸向變形量，變形層沿結(jié)合面徑向有足夠擴(kuò)展，形成粗大、不對(duì)稱封閉圓滑的飛邊，如圖9-5（a）所示。圖9一5主軸轉(zhuǎn)速高時(shí)產(chǎn)生的不良影響(a)n=1000r/min;(b)n=2000r/min(c)n=4000r/min

2.摩擦?xí)r間在P、n確定的前提下，適當(dāng)?shù)哪Σ習(xí)r間是獲得對(duì)于同一個(gè)焊件短，只需幾秒鐘;而當(dāng)n、p、t的參數(shù)條件不是惟一的。當(dāng)n較低、p較大，t可以較短，只需幾秒鐘時(shí)間；當(dāng)n較高、p較小，t將較長，例如可達(dá)40s顯然對(duì)于小焊件宜盡可能采用短時(shí)間參數(shù)，大端面焊件則只可用弱參數(shù)。此外，不同材質(zhì)的焊件，t的匹配條件也不一樣，例如高合金鋼摩擦焊，摩擦壓力和時(shí)間都應(yīng)增加。3.停車時(shí)間及頂斷延時(shí)一般應(yīng)在制動(dòng)停車0.1～1s后進(jìn)行頂鍛，其間轉(zhuǎn)速降低，摩擦阻力和摩擦扭矩增大，軸向縮短速度也增大。調(diào)節(jié)頂鍛延時(shí)則可以調(diào)整后峰值扭矩及變形層厚度。

對(duì)于同一個(gè)焊件短，只需幾秒鐘;而當(dāng)n、p、4.頂鍛壓力及頂鍛變形量頂鍛是為了擠碎和擠出變形層中氧化了的金屬和其它有害雜質(zhì)，并使接頭區(qū)金屬得到鍛壓、結(jié)合緊密、晶粒細(xì)化、性能提高。頂鍛變形量是鍛壓程度的主要標(biāo)志。頂鍛力大小取決于焊件材質(zhì)、溫度及變形層厚度，也跟摩擦壓力有關(guān)。材質(zhì)高溫強(qiáng)度高、接頭區(qū)溫度低或變形層較薄時(shí)，頂鍛壓力應(yīng)取大一些，其范圍為100～200MPa。一般頂鍛壓力宜為摩擦壓力的2～3倍,頂鍛量為1～6mm,頂鍛速度宜為10～40（mm/h）

。4.頂鍛壓力及頂鍛變形量主要有三項(xiàng)參數(shù):飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、飛輪初速、軸向壓力。前兩項(xiàng)參數(shù)決定焊接的總能量，壓力的大小一般取決于被焊材質(zhì)和焊接界面的面積。

1.飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量取決于飛輪的形狀、直徑、質(zhì)量(包括飛輪、卡爪、軸承和傳動(dòng)部件)。在焊接循環(huán)的任一瞬間，其能量可由下式確定

E=54.7×10-4

I·n2=54.7×10-4W·R2·n2（9-3）

式中,E—能量（j）；

I—慣性矩，I=W·R2

（kg·m2）;

W—飛輪系統(tǒng)的質(zhì)量(kg);R—回轉(zhuǎn)半徑(m);

n-瞬時(shí)轉(zhuǎn)速(r·min-1)。9.4.2慣性摩擦焊工藝參數(shù)主要有三項(xiàng)參數(shù):飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、飛輪初速、軸向壓力。前兩

飛輪慣量大，產(chǎn)生的頂鍛作用亦大。大的低速飛輪產(chǎn)生的鍛造量大于小的高速飛輪，盡管動(dòng)能量是相同的。能量的大小將明顯影響飛邊的尺寸和形狀。在初始速度和軸向壓力一定時(shí)，增加飛輪慣量，焊接總能量增加，焊接時(shí)間增長，界面上熱塑狀態(tài)金屬被擠出的量增加，焊接飛邊增大。鋼與鋼焊接時(shí)，飛輪初速推薦的范圍是2.5～7.6m/s。如果速度太低，界面加熱不勻，中心部位的熱量將不足以使整個(gè)截面形成結(jié)合，毛刺粗糙不勻，飛邊亦少。當(dāng)初速高于6m/s時(shí)，焊縫呈鼓形，中心處比外圍厚。速度對(duì)塑性區(qū)的寬度影響較大，速度增加，焊縫及熱影響區(qū)的寬度加大，接頭的冷卻速度變小，引起不同的組織轉(zhuǎn)變。飛輪慣量大，產(chǎn)生的頂鍛作用亦大。大的低速飛

3.摩擦壓力摩擦壓力控制著焊接周期時(shí)間，對(duì)焊接界面的能量輸人有直接影響。它的作用一般與速度變化的影響相反。軸向壓力增大，界面相對(duì)運(yùn)動(dòng)功耗增大，界面熱塑性金屬擠出量增多，飛邊量增多，焊接熱影響區(qū)變窄。壓力降低，熱影響區(qū)增寬。壓力過高會(huì)導(dǎo)致接頭中心結(jié)合不良。Contents3.摩擦壓力Contents

§9.5摩擦焊接頭的缺陷及檢測(cè)9.5.1摩擦焊接頭中的缺陷摩擦焊是固相連接，接頭中不會(huì)出現(xiàn)與熔化、凝固有關(guān)的缺陷，但當(dāng)材料焊接性差、焊接參數(shù)不當(dāng)或表面清理不好時(shí)，在摩擦焊連接界面上也會(huì)出現(xiàn)一些“非理想結(jié)合”的缺陷，如“灰斑”、裂紋、未焊合、夾雜、金屬問化合物、錯(cuò)疊等，這些缺陷一般具有二維、平面、彌散分布的特征。§9.5摩擦焊接頭的缺陷及檢測(cè)9.5.1摩擦焊1.“灰斑”缺陷“灰斑”是一種焊接缺陷在斷口上的表現(xiàn)形式，它在斷口上一般表現(xiàn)為暗灰色平斑狀，無金