特种焊接技术摩擦焊.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,特种焊接技术摩擦焊,4.1 摩擦焊概述,4.1.1 摩擦焊的基本原理,4.1.2 摩擦焊的分类及特点,4.1.3 摩擦焊的应用,4.1,摩擦焊概述,摩擦焊,（friction welding，FRW）,是利用焊件接触端面相对运动中相互摩擦所产生的热，使端面达到热塑性状态，然后迅速顶锻，完成焊接的一种固相焊接方法。,4.1.1 摩擦焊的基本原理,两焊件接合面之间在较高的压力下高速旋转相互摩擦产生了,两个重要的效果：,一是破坏了接合面的氧化膜或其他污物，使纯净金属暴露出来；,另一个是摩擦产热，使接合面很快形成热塑性层。,摩擦焊接头是在被焊金属熔点以下形成的，所以摩擦焊属于固相焊接方法。,4.1.2 摩擦焊的分类及特点,一、摩擦焊的分类,二、常规摩擦焊方法,三、摩擦焊的特点,一、摩擦焊的分类,摩擦焊方法的种类很多，其分类方法通常有两种:,一是根据焊件的相对运动形式分类；,二是按焊接过程的工艺特点分类,1按焊件相对运动形式进行分类,1）焊件绕轴旋转：连续驱动摩擦焊、惯性摩擦焊、混合型旋转摩擦焊、相位控制摩擦焊等；,2）焊件不运动：径向摩擦焊、搅拌摩擦焊；,3）其他运动形式：摩擦堆焊、线性摩擦焊、轨道摩擦焊等。,2按焊接工艺特点进行分类,1）根据界面温度可分为普通(高温)摩擦焊、低温摩擦焊、超塑性摩擦焊和气体保护摩擦焊；,2）根据工艺措施可分为感应加热摩擦焊、导电加热摩擦焊和封闭摩擦焊；,3）复合运动可分为钎层摩擦焊、嵌入式摩擦焊和第三体摩擦焊。,4）根据焊接环境可分为空间摩擦焊和水下摩擦焊。,摩擦焊的各种方式a)普通型 b)两件异向旋转型 c)中间旋转型(双接头)d)两头工件同向旋转型(双接头)e)中间两工件旋转型(双焊件)f)径向焊接型 g)轨道式摩擦焊,二、常规摩擦焊方法,1.连续驱动摩擦焊,2.惯性摩擦焊,3.相位摩擦焊,4.径向摩擦焊,5.摩擦堆焊,6线性摩擦焊,7嵌入式摩擦焊,8超塑性摩擦焊,9第三体摩擦焊,1.连续驱动摩擦焊,2.惯性摩擦焊,3.相位摩擦焊,相位摩擦焊主要用于相对位置有要求的工件，如六方钢、八方钢、汽车操纵杆等，要求焊件焊后棱边对齐、方向对正或相位满足要求。,在实际应用中，主要有机械同步相位摩擦焊、插销配合摩擦焊和同步驱动摩擦焊。,1）机械同步相位摩擦焊,2）插销配合摩擦焊,4.径向摩擦焊,5.摩擦堆焊,6线性摩擦焊,7嵌入式摩擦焊,8超塑性摩擦焊,超塑性摩擦焊工艺是前苏联学者在20世纪80年代末提出来的。,超塑性摩擦焊的核心是通过严格控制摩擦焊过程，使得焊合区金属处于超塑性状态，利用金属在超塑性状态下的优异性能，实现低温高质量连接的摩擦焊方法。,9第三体摩擦焊,对于陶瓷陶瓷、金属陶瓷、热固性塑料热塑性材料基复合材料等难焊材料，可以利用第三体摩擦焊方法形成高强度接头,三、摩擦焊的特点,1.焊接质量好而且稳定,2适焊材料范围广,3焊接时间短，生产率高,4焊件尺寸精度高、成本低,5机械化、自动化程度高,6焊机功率小、节能、无污染,7.,摩擦焊金属焊接变形小，接头焊前不需特殊清理。,8,.,摩擦焊的工作场地卫生，没有火花，弧光；没有有害气体，有利于环境保护，适于设置在自动生产线上。,加工成本与电弧焊比较可降低30%左右,三、摩擦焊的特点,9.对于非圆形横断面工件的焊接比较困难，盘状工件和薄壁管件，由于不容易夹固也很难焊接。,10.由于受到摩擦焊机主轴电动机功率和压力不足的限制，目前最大的焊接断面为200cm,2,。,11.摩擦焊机的一次性投资较大。因此只有当大批量集中生产时，才能降低焊接生产成本。,4.1.3 摩擦焊的应用,1.适用的材料,2应用的行业及其产品,1.适用的材料,1）高温时，塑性良好的同种金属及能够互相固溶和扩散的异种金属，都具有较好的焊接性，能够获得强度高，延性好的焊接接头。,2）焊接能产生脆性合金的异种金属时，如铝-铜、铝-钢、钛-钢等，若不设法防止脆性合金层增厚，则很难保证接头的强度和塑性。,降低焊接温度或减少加热时间,3）高温强度高、塑性低、导热性好的材料不容易焊接。两种金属的高温力学性能和物理性能差别越大，越不容易焊接，如不锈钢-铜，硬质合金-钢等。,4）活性金属(如钛锆等)，淬硬性好的钢材，表面氧化膜不易破碎或有镀膜、渗层等及摩擦系数太小(如铸铁，黄铜等)的金属很难进行焊接。,1.适用的材料,2,应用的行业及其产品,刀具制造业：钻头、立铣刀、丝锥、绞刀；,机器制造业：轴类零件、管子、螺杆、顶杆；,汽车、拖拉机制造业：半轴、齿轮轴；,石油化工行业中石油钻杆，高压阀门的阀体，管道等；锅炉制造中蛇形管对接；,轻工纺织机械中小型轴类、辊类、管类零件焊接；,电工行业铜,-,铝接线端子焊接。,4.2 传统摩擦焊的工艺与设备,4.2.1 传统摩擦焊的工艺过程,4.2.2 传统摩擦焊的工艺及参数,4.2.3 典型材料的摩擦焊接工艺,4.2.4 传统摩擦焊设备,4.2.5 传统摩擦焊质量控制与安全技术,4.2.1 传统摩擦焊的工艺过程,一 传统摩擦焊焊接过程,二 摩擦焊加热功率及其温度,一,传统摩擦焊焊接过程,摩擦焊接过程的一个周期可分成,摩擦加热过程,和,顶锻焊接过程,两部分。,摩擦加热过程又可以分成四个阶段，即,初始摩擦,、,不稳定摩擦,、,稳定摩擦,和,停车阶段,。,顶锻焊接过程也可以分为,纯顶锻,和,顶锻维持,两个阶段。,1）初始摩擦阶段（t,1,）,2）不稳定摩擦阶段(t,2,),3）稳定摩擦阶段（t,3,）,4）停车阶段（t,4,）,5）纯顶锻阶段（t,5,）,6）顶锻维持阶段（t,6,）,最后摩擦焊接表面温度将升到200300左右,接触良好的塑性金属封闭了整个摩擦面，并使之与空气隔开,变形层金属从摩擦表面挤出形成飞边,二 摩擦焊加热功率及其温度,摩擦焊的热源来自金属摩擦表面上高速摩擦形成的塑性变形层。,是以两焊件摩擦表面为中心的金属质点，在摩擦压力和摩擦扭矩的作用下，沿焊件径向与切向力的合成方向作相对高速摩擦运动的塑性变形层。,变形层的温度就是热源的温度。,1.摩擦加热功率,2摩擦焊接表面温度最高温度不应超过焊件材料的固相线温度。,摩擦焊热源特点：,1）摩擦焊热源是通过摩擦把机械功转变成热能加热焊件形成接头的。,2）摩擦焊热源的功率和温度不仅取决于焊接参数，还受到焊件材料、形状、尺寸和焊接表面准备情况的影响。,3）焊件表面的摩擦不仅产生热量，而且还能破坏和清除表面的氧化膜。,4.2.2 传统摩擦焊的工艺及参数,一 接头形式设计与表面准备,二 焊接工艺参数,一、接头形式设计与表面准备,1摩擦焊接头的形式设计,2接头表面准备,1摩擦焊接头的形式设计,摩擦焊的接头形式,a)相同直径,b）不同直径（有凸台）,c）不同直径（无凸台）,d）薄板与棒（或管）,e）倾斜接头,f）带飞边槽的接头,连续驱动摩擦焊接头形式在设计时主要遵循以下原则,1）两被焊件中，最好旋转件是圆形的且便于绕轴线做高速旋转。,2）焊件应具有较大的刚度，夹紧方便、牢固，要尽量避免采用薄管和薄板接头。,3）同种材料的两个焊件断面尺寸应尽量相同，以保证焊接温度分布均匀和变形层厚度相同。,4）对锻压温度或热导率相差较大的异种材料焊接时，为了使两个零件的顶锻相对平衡，应调整界面的相对尺寸；为了防止高温下强度低的焊件端面金属产生过多的变形流失，需要采用模子封闭接头金属。,5）一般倾斜接头应与中心线成30,45的斜面。,6）为了增大焊缝面积，可以把焊缝设计成搭接或锥形接头。,焊接性能差别较大的异种金属时，也可以采用锥型接头，要把凸锥设计在强度高的材料一方。,7）焊接大截面接头时，为了降低加热功率峰值，可采用将焊接端面倒角的方法，使摩擦面积逐渐增大。,8）要注意飞边的流向，让它在焊接时不受阻碍地被挤出。在不可能切除飞边或者要节省飞边切除费用的情况下，可设计带飞边槽的接头。,9）待焊表面应避免渗氮、渗碳等。,10）设计接头形式的同时，还应注意工件的长度、直径公差、焊接端面的垂直度、不平度和表面粗糙度。,在摩擦焊过程中的轴向压力作用下，焊件会产生轴向缩短，而在结合处产生飞边，在准备毛坯时，轴向的尺寸需留有余量。,2接头表面准备,1）焊件的摩擦端面应平整，中心部位不能有,凹面,或,中心孔,，以防止焊缝中内含空气和氧化物。但切断刀留下的中心凸台则无害，有助于中心部位加热。,2）当接合面上具有较厚的氧化层、镀铬层、渗碳层或渗氮层时，常不易加热或被挤出，焊前应进行清除。,3）摩擦焊对焊件接合面的粗糙度、清洁度要求并不严格，如果能加大焊接缩短量，则气割、冲剪、砂轮磨削、锯断的表面均可直接采用。,4）端面垂直度一般小于直径的1%，过大会造成不同轴度的径向力。,二 焊接工艺参数,1连续驱动摩擦焊的工艺参数,2惯性摩擦焊的工艺参数,1连续驱动摩擦焊的工艺参数,连续驱动摩擦焊的工艺参数主要包括主轴转速、摩擦压力、摩擦时间、顶锻压力、顶锻时间、变形量等。,1）转速与摩擦压力,2）摩擦时间,3）摩擦变形量,4）停车时间,5）顶锻压力、顶锻变形量和顶锻速度,1连续驱动摩擦焊的工艺参数,连续驱动摩擦焊的工艺参数主要包括主轴转速、摩擦压力、摩擦时间、顶锻压力、顶锻时间、变形量等。,1）转速与摩擦压力（直接影响摩擦扭矩、摩擦加热功率、接头温度场、塑性层温度以及摩擦变形速度）,当工件直径一定时，接合面上任一点的摩擦速度与转速成正比。,为了使变形层加热到焊接温度，平均摩擦速度必须高于最低摩擦速度。,为了产生足够的加热热量和保证摩擦表面的全面接触，摩擦压力不能太小。,当摩擦压力增大时，摩擦扭矩增大，摩擦加热功率升高，摩擦变形速度也相应增大，变形层加厚，深塑区径向增长，并移向外圆，形成的是粗大而不对称的飞边。,低碳钢和低合金钢，摩擦压力一般为,41,83MPa,；中、高碳钢摩擦压力一般为,41,103MPa,。,1连续驱动摩擦焊的工艺参数,2）摩擦时间（影响接头温度、温度场和质量）,摩擦时间将决定接头的加热程度，轴向变形量和焊接能量的消耗。,摩擦时间太短，接合面加热不足，摩擦时间太长，接头金属容易过热，变形量和飞边大，消耗的加热能量多。,合适的摩擦时间，使加热阶段终了的瞬间，接头中沿轴向有较厚的变形层或高温区和较小的飞边，在顶锻焊接阶段时能产生较大的轴向变形量，使变形层沿工件径向有较大的扩展，这样的飞边形状封闭圆滑，有利于改善接头的焊接质量。,碳钢工件的摩擦时间一般在,1,40s.,1连续驱动摩擦焊的工艺参数,3）摩擦变形量,与转速、摩擦压力、摩擦时间、材质的状态和变形抗力有关，在焊接碳钢时，摩擦变形量通常选取的范围为1,l0mm。,4）停车时间,为了保证焊接质量，当变形层较厚时，停车时间要短。,当变形层较薄，而且希望在停车阶段产生较厚的变形层时，停车时间要延长。甚至可以在停车前就施加顶锻压力，或停车时不制动。,通常制动停车时间的选择范围为0.11S。,1连续驱动摩擦焊的工艺参数,5）顶锻压力、顶锻变形量和顶锻速度,顶锻压力要能挤碎和挤出变形层中氧化了的金属和其它有害杂质，并使接头金属得到锻造，结合紧密，晶粒细化，从而使性能提高。,顶锻变形量就是顶锻时的轴向缩短量，是顶锻压力作用的结果。,顶锻压力的大小取决于焊接工件的材料，接头的温度和变形层厚度，还和摩擦压力的大小有关。,焊接材料的高温强度高时，需要较大的顶锻压力。,接头的温度高，变形层厚时，较小的顶锻压力就可以得到要求的顶锻变形量，当顶锻压力确定以后，为了得到要求的变形量，对顶锻速度的控制也有较高的要求。,一般顶锻压力应为摩擦压力的23倍,强规范：,转速较低，摩擦压力较大，摩擦时间较短。,弱规范：,转速较高，摩擦压力小，摩擦时间长。,2惯性摩擦焊的工艺参数,惯性摩擦焊在参数选取上与连续驱动摩擦焊有所不同，主要的参数有飞轮转动惯量、飞轮起始转速和轴向压力。,1）飞轮转动惯量,2）飞轮初速度,3）轴向压力,4.2.3 典型材料的摩擦焊接工艺,一、材料的摩擦焊接性,二、焊接工艺参数的选择原则,三、,典型材料的摩擦焊接,一、材料的摩擦焊接性,材料的摩擦焊接性，是指材料在摩擦焊接过程中焊缝形成和获得满足使用要求接头的能力。,1材料的互溶性,能相互溶解和扩散的两种材料，容易进行摩擦焊接。,2材料表面的氧化膜,金属表面的氧化膜如果容易破碎，容易焊接。,3材料的力学性能,高温强度高、塑性低、导热性好的材料不容易焊接；力学性能差别大的异种材料也不容易焊接。,4材料的碳当量与淬透性,碳当量高、淬硬性好的合金材料焊接比较困难。,5高温氧化倾向活性金属及高温氧化性大的材料难以焊接。,6形成脆性相的可能性凡是能形成脆性化合物层的异种材料，很难获得高可靠性的焊接接头。,7摩擦因数摩擦因数低的材料，加热功率低，得到的焊接温度低，就不容易保证接头的质量。,8材料的脆性对于焊接性较差的陶瓷材料及异种材料，为了提高接头性能，摩擦焊接时应选用合适的过渡金属层。,二、焊接工艺参数的选择原则,碳钢的连续驱动摩擦焊接参数选择范围为：摩擦速度0.63m/s，摩擦压力20100 MPa，摩擦时间140s，变形量1l0mm，停车时间0.11s，顶锻压力100200 MPa，顶锻变形量16mm，顶锻速度1040 mm/s。,焊接高温强度差别比较大的异种钢或某些不产生脆性化合物的异种金属时，除了在高温强度低的材料一方加模子以外，还要适当延长摩擦时间，提高摩擦压力和顶锻压力。,三,典型材料的摩擦焊接,1铝-铜过渡接头的低温摩擦焊,2高速钢-45号钢刀具的封闭摩擦焊,3锅炉蛇形管的摩擦焊,4石油钻杆的摩擦焊,5树脂基管道的线性摩擦焊接,1铝-铜过渡接头的低温摩擦焊,接头直径,/mm,转 速,（rmin,-1,）,摩擦压力,/MPa,摩擦时间,/s,顶锻压力,/MPa,模外留量/mm,铝,铜,6,10,16,20,26,30,36,40,1030,540,320,270,208,180,170,160,140,170,200,240,280,300,330,350,6,6,6,6,6,6,6,6,600,450,400,400,400,400,400,400,1,2,2,2,2,2,2,2,10,13,18,20,22,24,26,28,2高速钢-45号钢刀具的封闭摩擦焊,接头直径/mm,转速（rmin,-1,）,摩擦压力/MPa,顶锻时间/s,顶锻压力/MPa,备注,14,2000,120,10,240,采用模子,20,2000,120,12,240,采用模子,30,2000,120,14,240,采用模子,40,1500,120,16,240,采用模子,50,1500,120,18,240,采用模子,60,1000,120,20,240,采用模子,3锅炉蛇形管的摩擦焊,锅炉制造中，为了节省能量，采用材料为20号钢、直径为32mm、壁厚4mm的蛇形管制造。,在摩擦焊接时，由于管子长达12m左右，需要解决长管的平稳旋转、焊接质量稳定和减少内毛刺等问题。,为了提高和稳定蛇形管的焊接质量、减少内毛刺，选择采用强规范摩擦焊。,转速（rmin,-1,）,摩擦压力/MPa,摩擦时间/s,顶锻压力/MPa,接头变形量/mm,备注,1430,100,0.82,200,2.32.4,采用功率极值控制,4石油钻杆的摩擦焊,石油钻杆是由带螺纹的工具接头与管体焊接而成。,工具接头材料为35CrMo钢，管体材料为40Mn2钢。常用钻杆的焊接断面为140mm 20mm，127mm l0mm。,采用大型焊机,，了降低摩擦加热功率（特别是峰值功率），需采用弱规范焊接。,接头尺寸,/mm,转速,/（rmin,-1,）,摩擦压力,/MPa,摩擦时间,/s,顶锻压力,/MPa,接头变形量,/mm,备注,141 20,12715,530,56,3050,1214,摩擦变形量12mm,顶锻变形量8 10 mm,钻杆工具接头焊,接端面倒角,5树脂基管道的线性摩擦焊接,采用振动夹头使待焊界面上下摩擦，当达到可以接合的温度后停止振动摩擦，施加顶锻压力实现焊接。,树脂基管道线性摩擦焊接的主要参数是振动频率、振幅和顶锻压力。,对于外径216mm，壁厚16mm的管道，振幅可选择lmm左右，振动频率在15Hz以下，接头的屈服强度可达20 MPa以上，几乎与母材等强度，伸长率达到了母材的72%。,4.2.4 传统摩擦焊设备,一、传统摩擦焊设备的组成,二、典型设备的技术参数,一、传统摩擦焊设备的组成,传统摩擦焊设备可分为连续驱动摩擦焊机和惯性摩擦焊机两类。,连续驱动摩擦焊机通常由六部分组成，即,主轴系统,、,加压系统,、,机身,、,夹头,、,控制系统及辅助装置,包括焊接操作程序控制和焊接工艺参数控制等。程序控制即控制摩擦焊机按预先规定的动作次序完成送料、夹紧焊件、主轴旋转、摩擦加热、顶锻焊接、切除飞边和退出焊件等操作。,包括自动送料、卸料以及自动切除飞边装置等,二、典型设备的技术参数,表4-10和表4-11是部分国内连续驱动摩擦焊机和混合式摩擦焊机的型号、技术指标和适用范围,表4-12是部分惯性摩擦焊机的型号和技术指标。,4.2.5 传统摩擦焊质量控制与安全技术,一、焊接质量及其控制,二、安全技术,一、焊接质量及其控制,1焊接缺陷及产生原因,2质量控制,1焊接缺陷及产生原因,缺陷名称,缺陷产生的原因,接头偏心,焊机刚度低，夹具偏心，焊件端面倾斜或在夹头外伸出量太长,飞边不封闭,转速高，摩擦压力太大或太小；摩擦时间太长或太短，以致顶锻焊接前接头中变形层和高温区太窄；停车慢,未焊透,焊前摩擦表面清理不良；转速低，摩擦压力太大或太小；摩擦时间短，顶锻压力小,接头组织扭曲,速度过低，压力过大，停车慢,接头过热,速度过高，压力过小，摩擦时间长,接头淬硬,焊接淬火钢时，摩擦时间短，冷却速度快,焊接裂纹,焊接淬火钢时，摩擦时间短，冷却速度快,氧化灰斑,焊前焊件清理不良，焊机振动；压力小，摩擦时间短；顶锻焊接前，接头中的变形层和高温区窄,脆性合金层,焊接易产生脆性合金化合物的异种金属时，加热温度过高，摩擦时间过长，压力较小,2质量控制,1)时间控制,控制摩擦加热时间，使其保持恒定。通常是使用时间继电器进行控制。,2)功率峰值控制,实质上是一种焊接能量和温度的控制，适用于碳素结构钢和低合金钢强规范摩擦焊。,2质量控制,3)温度控制,通过光电继电器的光电头对接头的加热温度进行测量，当温度升高到要求的数值以后，继电器启动，控制焊机停车和顶锻。控制的关键是选择最佳焊接温度，提高测量精度及其再现性。,2质量控制,4)变形量控制,要控制焊件的摩擦缩短量，使其等于选定数值后，立即停车顶锻焊接。,5)综合参数控制,同时对功率、变形量和焊接过程各个阶段的时间进行综合控制。目前已采用微机进行控制。当这些参数超过规定值时，立即反馈报警，并进行自动控制和调整。同时也可显示转速、压力和变形量等主要工艺参数，并记录它们随时间变化的曲线。,二、安全技术,摩擦焊机的端部像车床床头，用以夹持工件并使之高速旋转。焊机的尾部像一台压力机用以夹持工件和施加压力。,对于连续生产的摩擦焊机还要注意使各个动作之间的联锁及保护。,焊机主轴停车和停止加压的急停按钮要装在醒目和操作方便的部位，摩擦焊机的操作者要穿工作服，戴护目镜。,4.3 搅拌摩擦焊,搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding，简称FSW）,焊接时，将两被焊板材（直线焊缝）或筒体（环形焊缝）固定在刚性衬垫上，高速旋转搅拌头插入接缝中沿接缝移动，接缝被摩擦加热至塑性状态后形成焊缝的摩擦焊方法。,4.3 搅拌摩擦焊,4.3.1 搅拌摩擦焊的焊接过程及特点,4.3.2 搅拌摩擦焊工艺,4.3.3 搅拌摩擦焊设备,4.3.4 搅拌摩擦焊技术的应用,4.3.1 搅拌摩擦焊的焊接过程及特点,一、搅拌摩擦焊焊接过程,将焊件牢牢地固定在工作平台上；,搅拌焊头高速旋转并将搅拌焊针插入焊件的接缝处，直至搅拌焊头的肩部与焊件表面紧密接触；,搅拌焊针高速旋转与其周围母材摩擦产生的热量和搅拌焊头的肩部与焊件表面摩擦产生的热量共同作用，使接缝处材料温度升高且软化；,搅拌焊头边旋转边沿着接缝与焊件作相对运动，搅拌焊头前面的材料发生强烈的塑性变形；,随着搅拌焊头向前移动，前沿高度塑性变形的材料被挤压到搅拌焊头的背后；,在搅拌焊头与焊件表面摩擦产热和锻压共同作用下，形成致密牢固的固相焊接接头。,一、搅拌摩擦焊焊接过程,一、搅拌摩擦焊焊接过程,二、搅拌摩擦焊的焊接接头,二、搅拌摩擦焊的焊接接头,1接头的分区,根据塑性变形程度和热作用的不同，将搅拌摩擦焊接头分为4个区域,无热作用也无塑性变形的母材区（d区）；,热影响区（c区）；,微观组织和力学性能均发生了改变，但没有产生塑性变形，组织与母材组织无明显的区别，只是消除了方向性很强的柱状晶结构，热影响区的宽度比熔化焊时窄很多。,二、搅拌摩擦焊的焊接接头,“热机影响区”或称为“热变形影响区”（,b,区,TMAZ,）；,“焊核区”（,a,区,WNZ,）。,该区域是一个过渡区域，材料已产生了一定程度的塑性变形，同时又受到了焊接温度场的影响。,该区域位于焊缝中心靠近搅拌针插入的位置，经历了高温、应变后，焊核的中心发生了强烈的变形。,二、搅拌摩擦焊的焊接接头,2接头力学性能,焊态下，FSW焊缝焊核的强度要大于热影响区的强度。,对于形变强化和热处理强化的铝合金，FSW接头的不同区域发生了软化。,搅拌摩擦焊对接接头的疲劳性能大都超过相应熔焊接头的设计推荐值。,对于铝合金材料，其FSW接头的抗拉强度均能达到母材的70%以上。,三、搅拌摩擦焊的特点,与传统摩擦焊及其他焊接方法相比，搅拌摩擦焊有以下优点：,1、可以得到高质量的接头,焊缝是在塑性状态下受挤压完成的，其接头不会产生与冶金凝固有关的一些如裂纹、夹杂、气孔以及合金元素的烧损等熔焊缺陷和脆化现象，焊缝性能接近母材，力学性能好。焊接变形小，焊后残余应力小，焊件的尺寸精度高。,三、搅拌摩擦焊的特点,2、不受轴类零件的限制，扩大了应用范围。,3、自动化程度高，避免了对操作工人技术熟练程度的依赖，质量稳定，重复性高。,可进行平板的对接和搭接，可焊接直焊缝、角焊缝及环焊缝，可进行大型框架结构及大型筒体制造、大型平板对接等。,三、搅拌摩擦焊的特点,4、焊前无需对焊件表面预处理，焊接过程中无需施加保护措施，厚大焊件边缘不用加工坡口，简化了焊接工序。,5、是一种“绿色”焊接方法。,搅拌摩擦焊存在的局限性：,焊接时的机械力较大，需要焊接设备具有很好的刚性，需要特定的夹具；,搅拌焊头的磨损相对较高；,焊缝末端通常有“匙孔”存在（目前已可以实现无孔焊接）。,铝合金焊接时，一个工具钢搅拌头可焊800m长的焊缝,4.3.2 搅拌摩擦焊工艺,一、搅拌摩擦焊接头形式,二、搅拌摩擦焊的热输入与焊接参数,三、搅拌摩擦焊接参数的选择,一、搅拌摩擦焊接头形式,搅拌摩擦焊的接头形式,aI型对接；b对接和搭接复合接头；c双片搭接；d多片对接三片,e边缘对接；f双片T型对接；g三片T型对接；h两片内角对接,二、搅拌摩擦焊的热输入与焊接参数,摩擦热是焊接热源的主体。,搅拌摩擦焊热输入的大小可以用,n,/,v,表征。,三、搅拌摩擦焊接参数的选择,搅拌摩擦焊接参数主要包括焊接速度（搅拌焊头沿焊缝方向的行进速度）、搅拌焊头转速、焊接压力、搅拌焊头结构参数（倾角）、搅拌焊头插入速度和保持时间等。,1焊接速度,焊接速度较低时，搅拌焊头焊件界面的整体摩擦热输入较高。,如果焊接速度过高，热输入不足，热塑性材料填充搅拌针行走所形成的空腔的能力变弱，热塑性材料填充空腔能力不足，则焊缝内易形成疏松孔洞缺陷，严重时焊缝表面形成一条狭长且平行于焊接方向的隧道沟，导致接头强度大幅度降低。,2搅拌焊头旋转速度,若搅拌焊头的旋转速度较低时，焊接热输入较低，搅拌焊头前方不能形成足够的热塑性材料填充搅拌针后方所形成的空腔，焊缝内易形成孔洞、沟槽等缺陷，从而弱化接头强度。,随着旋转速度的增加，沟槽的宽度减小，当旋转速度提高到一定数值时，焊缝外观良好，内部的孔洞也逐渐消失。,在适宜的旋转速度下接头才可获得最佳强度值。,3焊接压力,当焊接压力不足时，表面热塑性金属“上浮”，溢出焊缝表面，焊缝内部由于缺少金属填充而形成孔洞。,当焊接压力过大时，轴肩与焊件表面摩擦力增大，摩擦热将使轴肩平台发生粘附现象，使焊缝两侧出现飞边和毛刺，焊缝中心下凹量较大，不能形成良好的焊接接头，表面出现飞边、毛刺等缺陷。,4.3.3 搅拌摩擦焊设备,搅拌摩擦焊接设备的部件很多，从设备功能结构上可以将其分为搅拌摩擦焊接工具即搅拌头和搅拌摩擦焊机。,搅拌摩擦焊机又可分为机械转动部分、行走部分、控制部分、工件夹紧机构和刚性机架等。,一、搅拌摩擦焊接工具,1轴肩,2搅拌针,二、搅拌摩擦焊机,4.3.4 搅拌摩擦焊技术的应用,一、典型材料的搅拌摩擦焊,二、搅拌摩擦焊的工业应用,一、典型材料的搅拌摩擦焊,1 铝合金的焊接,2 镁合金的焊接,3 铜合金的焊接,4 钛合金的焊接,5 钢的焊接,1 铝合金的焊接,材料,板厚,/mm,转速,/rmin,-1,焊接速度,/,mmmin,-1,1050,5,5601840,155,2024-T6,6.5,4001200,60,2024-T3,6.4,215360,77267,2095,1.6,1000,246,2195,5.8,200一250,1 59,5052-O,2,2000,40,5083,8,500,70200,6061-T6,6.3,800,120,6.5,4001200,60,AA6081-T4（美国）,5.8,1000,350,6061铝基复合材料,4,1500,500,6082,4,22002500,7001400,7075-T6,4,1000,300,2024,4,2000,37.5,2 镁合金的焊接,焊接速度,/mmmin,-1,30,60,95,118,235,300,抗拉强度/MPa,试件1,143,141,146,134,159,172,试件2,130,132,138,135,151,167,接头与母材强度比,/,%,试件1,64,63,65,60,71,76,试件2,58,57,61,60,67,74,3 铜合金的焊接,焊接操作简单，焊前只需丙酮等有机溶剂去除结合面油脂，无需开坡口去除氧化膜；,焊后无需去除余高，提高了生产效率。焊接过程能耗小，无需填充材料，焊接成本低。,4 钛合金的焊接,采用搅拌摩擦焊技术焊接钛合金Ti-6 Al-4 V，可以得到高质量的焊缝，且焊接速度快、成本低、效益好、操作简单。,钛合金的搅拌摩擦焊接性与铜合金相近，难度大于铝合金，低于钢材。,5 钢的焊接,钢的搅拌摩擦焊接头同样存在焊核区、热机影响区和热影响区。焊核区为等轴晶粒组织，晶粒比母材区细小；与铝合金的搅拌摩擦焊接相类似。,二、搅拌摩擦焊的工业应用,1搅拌摩擦焊在航天领域的应用,2搅拌摩擦焊在飞机制造领域的应用,3搅拌摩擦焊在船舶制造工业中的应用,4搅拌摩擦焊在轨道交通领域中应用,双臂结构空 自支撑内部 安装轨道连接,芯铝挤压件 模件,高质量高精度车体,模式设计,815系列EMU常客列车 20000系列EMU常客列车,683系列EMU高速列车 885系列EMU全速列车,5搅拌摩擦焊在汽车制造中的应用,6搅拌摩擦焊在其他工业中的应用,搅拌摩擦焊成功地解决了轻合金金属的连接难题，在兵器、建筑、电力、能源、家电等工业中的应用也越来越广泛。,