线性摩擦焊工艺样本.docx

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摩擦焊是一种利用压力和摩擦热使工件连接在一起的固态连接方法。焊接时, 由电动机带动一个工件旋转,同时把另一工件压向旋转工件, 使其接触面相互摩擦产生热量和一定塑性变形,然后减速停止旋转,同时施加顶锻压力完成焊接。而实际焊接过程中, 根据产热方式的不同, 能够将摩擦焊分为以下几种:  

摩擦焊 Friction Welding
1. 轨道摩擦焊
2. 线性摩擦焊
3. 搅拌摩擦焊
4. 旋转摩擦焊
总而言之, 摩擦焊是一种利用压力和摩擦热使工件连接在一起的固态连接方法。
线性摩擦焊是20世纪90年代中期兴起的一种新型固态焊接技术, 它突破了旋转式摩擦焊对被焊工件外形轴对称的限制, 大大的扩展了摩擦焊接的应用领域。线性摩擦焊具有自清理、 自保护的作用。
材料采用钛合金TC4轧制板材。试样尺寸为13mm×8mm×45mm的长方体, 焊接面(13mm×8mm)为线切割面。试验采用自制的线性摩擦焊机。采用的工艺参数为: 振动频率13.6～43Hz, 摩擦压力2.75～3.2atm(压力表指示值), 顶锻力2.8～3.4atm(压力表指示值), 摩擦时间10～20s, 振幅2mm。
焊后试件沿面Ⅰ、 面Ⅱ(如图1所示)剖开, 经过剖面Ⅰ、 面Ⅱ能够分别观察到摩擦横截面( 与试件往复运动方向垂直) 和纵截面( 与试件往复运动方向平行) 这两个方向上的焊缝形状。
经过对焊接过程和接头质量的观察分析, 能够发现: 摩擦压力和往复运动频率是焊接热输入的主要影响因素。当摩擦压力和往复运动频率增加时, 焊接热量输入也随之显著增加。

图1 试件剖面示意图
由于材料变形的局部性和不均匀性, 压力过大则会影响试件往复运动的稳定性, 同时也会增加塑性金属的流出量, 使飞边增大, 因此, 不能采用太大的压力值。在保证运动平稳的条件下, 提高往复运动的频率是增加热输入和提高焊缝质量最有效的方法。
摩擦时间也是线性摩擦焊接过程中的一个重要参数, 但延长摩擦时间不是增加热量输入的最有效方法。因为热传导、 对流及高温塑性金属的挤出等因素的存在, 使得焊接过程中存在一热输入热输出的平衡点。在热平衡之前, 增加摩擦时间对增加热输入有效, 而在热平衡点之后, 增加摩擦时间对热输入作用不大。
顶锻是摩擦焊接的最后一个环节, 顶锻力也是影响焊缝成型的重要因素。在摩擦过程中, 金属摩擦副之间形成一层高温粘塑性层, 它是摩擦表面的”粘结”介质, 经过顶锻使金属摩擦副牢固结合。若顶锻力过大, 使粘结介质大量被挤出, 焊接效果反而下降。
焊缝成型与飞边的形成
摩擦界面横截面和纵截面的形状分别如图2 (a)、 (b)所示, 图3是部分放大的纵向飞边。

(a)摩擦界面横截面的形貌 (b) 摩擦界面纵截面的形貌
图2 TC4摩擦焊焊缝形状

图3 部分放大的飞边
从图2(a)和(b)能够看出, 截面上的焊缝成型均匀一致, 没有裂纹和未焊合缺陷。但无论横截面还是纵截面, 其边缘均有明显的变形, 并产生飞边,且飞边大小不同, 横向飞边比纵向飞边小。从部分放大的纵向飞边图3能够看出, 飞边氧化后呈彩色, 并有明显的横向条纹。
飞边的形成主要受摩擦面温度场和粘塑性应变两个因素的影响, 在摩擦初始阶段摩擦表面的微凸体发生粘着、 剪切, 产生摩擦热, 表面局部的温度开始升高; 随着摩擦的进行, 摩擦面达到一定温度时就形成一层高温塑性金属[2]。由于温度场分布不均匀, 塑性层厚度不均匀, 相对而言, 摩擦面内部较厚, 而边缘较薄(边缘热散失的缘故)。在摩擦压力和试件往复运动的作用下, 部分塑性金属被推出摩擦面。在平行试件运动的方向, 有类似于机械加工中的”刨削”作用。由于往复运动周期进行, 纵向飞边不断向前推进, 并呈现明显的横向条纹。随着摩擦的继续进行, 温度进一步升高, 塑性层的厚度也增加, 在摩擦压力的作用下, 横向边缘的部分塑性金属则沿横向被挤出, 形成横向(垂直试件运动方向)飞边。无论是被纵向挤出的塑性金属或是被横向挤出的塑性金属, 由于被挤出摩擦面时温度较高, 而钛在600℃时能够与氧发生强烈作用, 因而飞边被氧化变色。
接头的微观组织
图4为钛合金TC4线性摩擦焊界面纵向截面的低倍放大图。从图能够看出, 焊合界面附近有不同程度的变形, 按照其变形程度, 能够分为完全变形区、 部分变形区和未变形区。完全变形区和部分变形区在光学显微镜下的微观组织结构分别如图5和图6所示, 母材的微观组织如图7所示。
从图4、 图5、 图6和图7能够看出: 完全变形区的晶粒细小且明显被拉长, 这说明TC4钛合金在线性摩擦焊接过程中, 不但有塑性流动的过程, 而且存在动态恢复和再结晶的过程。

图4 摩擦焊界面纵向截面的低倍放大图 图5 完全变形区组织
部分变形区的微观组织也有塑性流动趋势, 晶粒比完全变形区粗大, 但仍比母材的晶粒细小; 未变形区微观组织与母材类似, 不存在塑性流动的趋势。在部分变形区和未变形区之间有明显的界线。
由于TC4钛合金热传导率较低, 室温下的热传导率约为7W/m·k, 即使在1000℃下其热传导率也只有20 W/m·k。因此, 部分变形区的温度较低, 这造成该区塑性变形的难度增大; 又由于TC4钛合金的屈服应力在低温下较高而在800℃以上迅速降低, 从而该区和未变形区之间产生了明显界线。

图6部分变形区组织  图7母材组织
结论
(1)利用线性摩擦焊方法成功地实现了钛合金TC4的焊接,获得了高质量的焊接接头。
(2)在线性摩擦过程中, 摩擦压力、 振动频率、 摩擦时间和顶锻压力对焊接质量均有重要影响; 在一定的范围内,提高振动频率是增加热量输入和提高接头质量的有效途径。
(3)线性摩擦焊的飞边独特。由于往复运动、 正压力和摩擦力的共同作用, 使纵向飞边和横向飞边上均呈现有清晰的横向条纹。
(4)钛合金TC4线性摩擦焊焊合界面附近有不同程度的变形, 按照其变形程度, 能够分为完全变形区、 部分变形区和未变形区。完全变形区微观组织细小致密, 有明显的塑性流动趋势。部分变形区的微观组织也有塑性流动趋势, 晶粒比完全变形区粗大, 但仍比母材的晶粒细小; 未变形区微观组织与母材类似, 不存在塑性流动的趋势。在部分变形区和未变形区之间有明显的界线