Transcript 第九章 摩擦焊连接方法与基本原理 - 焊接成型原理精品课

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焊接成型原理
长春工业大学材料科学与工程学院
课件制作：徐世伟
指导教师：刘耀东
第九章 摩擦焊连接方法与基本原理
摩擦焊(Friction Welding)是一种压焊方法
，它是在外力作用下，利用焊件接触面之间的相对
摩擦运动和塑性流动所产生的热量，使接触面及其
临近区金属达到粘塑性状态并产生适当的宏观塑性
变形，通过两侧材料间的相互扩散和动态再结晶而
完成焊接的。
Contents
9.1
摩擦焊基本原理
9.2
摩擦焊分类
9.3
摩擦焊接过程分析
9.4
摩擦焊规范参数
9.5
摩擦焊接头的缺陷及检测
§9 .1 摩擦焊基本原理
图9一1是摩擦焊的基本形式，两个圆断面的金属
工件摩擦焊前，工件1夹持在可以旋转的夹头上，
工件2夹持
图9，1摩擦焊原理示意图
1一工件;2一工件;3一旋转夹头;4一移动夹头
(a)形成相对转动〔b) 施加压力两界面接触(C)进行焊接(d)焊接结束
在能够向前移动加压的夹头上。焊接开始时，工件1首先以
高速旋转，然后工件2向工件1方向移动、接触，并施加足
够大的摩探压力，这时开始了摩擦加热过程，摩擦表面消耗
的机械能直接转换成热能。
摩擦一段时间后，接头金属的摩擦加热温度达到焊接
温度，立即停止工件1的转动，同时工件2向前快速移动，
对接头施加较大的顶锻压力，使其产生一定的顶锻变形量。
压力保持一段时间后，松开两个夹头，取出焊件，全部焊接
过程结束，通常全部焊接过程只要2～3 S的时间。
在整个焊接过程中，摩擦界面温度一般不会超过材料熔
点，所以摩擦焊属于固相焊接。
同种材质摩擦焊时，最初界面接触点上产生犁削一粘
合现象。由于单位压力很大，粘合区增多，继续摩擦使这
些粘合点产生剪切撕裂，金属从一个表面迁移到另一个表
面。
界面上的犁削一粘合一剪切撕裂过程进行时，摩擦力
矩增加使界面温度升高。当整个界面上形成一个连续塑性
状态薄层后，摩擦力矩降低到一最小值。界面金属成为塑
性状态并在压力作用下不断被挤出形成飞边，工件轴向长
度也不断缩短。
异种金属的结合机理比较复杂，除了犁削一粘合一剪
切撕裂物理现象外，金属的物理与力学性能、相互间固溶
度及金属间化合物等，在结合机理中都会起作用。
焊接时由于机械混合和扩散作用，在结合面附近很窄
的区域内有可能发生一定程度的合金化。这一薄层的性能
对整个接头的性能会有重要影响。机械混合和相互镶嵌对
结合也会有一定作用。这种复杂性使得异种金属的摩擦焊
接很难预料。
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§9.2
摩擦焊分类
摩擦焊工艺方法目前已由传统的几种形式发展
到20多种，极大地扩展了摩擦焊的应用领域。常用
的摩擦焊工艺有连续驱动摩擦焊、惯性摩擦焊、线性
摩擦焊、搅拌摩擦焊等。焊件的形状由典型的圆截面
扩展到非圆截面(线性摩擦焊)和板材(搅拌摩擦焊)，
所焊材料由传统的金属材料拓宽到粉末合金和异种材
料领域。
9.2.1 搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding）
搅拌摩擦焊是英国焊接研究所推出的一项专利
技术，其原理见图9一2。
搅拌摩擦焊目前不仅限
于对各类铝合金的焊接，也
开发应用于钢和钛合金，单
面可焊厚度从2mm到25mm ,
双面焊的厚度可达50mm用常
规熔焊方法不能焊接的2xxx
系列铝合金，采用搅拌摩擦
焊可以使其焊接性能大为改
善。与氢弧焊接头相比，同
图9.2搅拌摩擦焊原理
一种铝合金搅拌摩擦焊头的强度高15%～20%，伸长
率高1倍，断裂韧度高30%，接头区为细晶组织，焊缝
中无气孔、裂纹等缺陷;此外，焊件焊后残余变形很小，
焊缝中的残余应力很低。
这种方法的缺点是，为了避免搅拌引起的振动力使焊
件偏离正确的装配方位，在施焊时必须把焊件刚性固定，
从而使它的工艺柔性受到限制。
搅拌摩擦焊技术及其工程应用的开发进展很快，已在
新型运载工具的新结构设计中开始采用，如铝合金高速船
体结构、高速列车结构及火箭箭体结构等。
9.2.2 连续驱动摩擦焊
连续驱动摩擦焊是一工件固定不转动，另一工件被
驱动机构驱动到恒定转速n。在不转动的工件上施以轴向
压力P1推向转动工件。两工件相接触，焊接过程开始。
转速仍保持不变。经过一定时间，界面温度达到材料锻造
范围，转动工件脱开驱动并制动，转速从n降至零。在制
动过程中轴向压力常增大至P2使界面金属产生顶锻，并
保持到工件冷却。在顶锻过程中界面热塑材料被挤出界面
形成飞边。连续驱动摩擦焊典型特性曲线见图9一3。
9.2.3 惯性摩擦焊
惯性摩擦焊是在焊接过程开始前输人焊接所需的全
部机械能。一工件固定不转动，转动的工件装在带有可更
换的飞轮组的转动夹具上，整个转动部分被驱动到转速
n0后脱开驱动。使两工件接触并施加轴向压力P，焊接过
程开始。飞轮的能量通过工件结合面上的摩擦迅速消耗，
转速减至零，焊接结束。在转动停止前摩擦扭矩有一个急
剧上升现象。
惯性摩擦焊一般是在恒定压力下完成(也有采用二级
压力方法，即达到初速n0 后先施加压力P1，当转速下降
至某个值时再增加压力至P2保持到焊接结束)。
惯性摩擦焊典型的特性曲线见图9一4。Ⅰ阶段为焊接
开始，界面接触并出现较小的扭矩峰值，Ⅱ阶段是以扭矩
平稳为特征的加热阶段，Ⅲ阶段是焊接即将结束，其特征
是出现较大的扭矩峰值。
图9一3连续驱动摩擦
焊典型特性曲线
图9一4惯性摩擦焊
典型特征曲线
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§9.3 摩擦焊接过程分析
这里我们主要讨论应用最广泛的结构钢
连续驱动摩擦焊的焊接过程及其热源特点。
9.3.1 焊接过程
摩擦焊接过程，是焊接表面金属在一定的空间和时间
内，金属状态和性能发生变化的过程。连续驱动摩擦焊特
性曲线如图9一3，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。
(1)摩擦开始时,由于工件摩擦焊接表面不平,以及存在
氧化膜、油锈、灰尘和吸附气体使得摩擦系数很大，随着
摩擦压力逐渐增大,摩擦加热功率慢慢增加,使凹凸不平的
表迅速产生塑性变形和机械挖掘现象。塑性变形破坏了摩
擦表面金属晶粒,成为一个晶细小的变形层。沿变形层附
近的母材也顺摩擦方向产生塑性变形。金属相互压人部分
挖掘,使摩擦表面出现同心圆痕迹,这样又增大了塑性变形。
(2)摩擦压力增大，摩擦破坏了焊接金属表面，使纯
净的金属接触，接触面积也增大，而焊接表面温度的升高，
使金属的强度有所下降，塑性和韧性却有很大提高，这些
因素都使摩擦系数增大，摩擦加热功率迅速提高，扭矩也
出现一个峰值。
焊接表面温度继续升高时，金属的塑性增高，但强
度和韧性都显著下降，摩擦加热功率也迅速降低到稳定值。
这一过程中，摩擦表面的机械挖掘现象减少，振动降低，
表面逐渐平整，开始产生金属的粘结现象。高温塑性状态
的金属颗粒互相焊合后，又被工件旋转的扭力矩剪断，并
彼此过渡。
(3)摩擦功率或扭矩稳定后，摩擦表面的温度继续升高，
这时金属的粘结现象减少，分子作用现象增强。此时金属强度
极低，塑性很大，摩擦表面似乎被一层液体金属所润滑，摩擦
系数很小，各工艺参数的变化也趋于稳定，只有摩擦变形量不
断增大，飞边增大，接头的热影响区增宽。
(4)主轴和工件开始停车减速后，随着轴向压力增大，转
速降低，摩擦扭矩增大，再次出现峰值，称为后峰值扭矩。同
时接头中的高温金属被大量挤出，变形量也增大。制动阶段是
摩擦加热过程和顶锻焊接过程的过渡阶段，具有双重特点。
主轴停止旋转后，顶锻力仍要维持一段时间，直至接头温
度冷却到规定值为止。
总之，在摩擦焊接过程中，金属摩擦表面从低温到高
温变化，而表面的塑性变形、机械挖掘、粘结和分子作用
四种摩擦现象连续发生。
在整个摩擦加热过程中，摩擦表面上都存在着一个高
速摩擦塑性变形层。摩擦焊的发热、变形和扩散现象主要
都集中在变形层中，稳定摩擦时变形层金属在摩擦扭矩和
轴向压力的作用下，从摩擦表面挤出形成飞边，同时又被
附近高温区的金属所补充，始终处于动平衡状态。
在制动和顶锻焊接过程中，摩擦表面的变形层和高温
区金属被部分挤碎排出，焊缝金属经受锻造，形成了质量
良好的焊接接头。
9.3.2 摩擦焊热源的特点
摩擦焊的热源就是金属摩擦焊接表面上的高速摩擦
塑性变形层。它是以两工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，沿工件径向与切向力的
合成方向做相对高速摩擦运动的塑性变形层。这个变形层
是把摩擦的机械功率转变成热能的发热层。由于它的温度
最高，能量集中，又产生在金属的焊接表面，所以加热效
率很高。作为一个焊接热源，主要参数是功率和温度。
摩擦焊热源的功率和温度不仅取决于焊接工艺规范
参数，还受到焊接工件材料、形状、尺寸和焊接表面准备
情况的影响。摩擦焊热源的最高温度接近或等于焊接金属
的熔点。
异种金属摩擦焊时，热源温度不超过低熔点金属的熔
点，这对保证焊接质量和提高焊接过程的稳定性起了很大
作用。不同材料和直径的工件，在不同转速和摩擦压力下
焊接时，摩擦焊接表面的稳定温度列于表9.1。
金属焊接表面的摩擦不仅产生热量，面且还能破坏
和清除表面的氧化膜。变形层金属的封闭、挤出和不断被
高温区金属更新,可以防止焊口金属的继续氧化。顶锻焊
接后,部分变形层金属像填料一样留在接头中会影响焊接
质量。
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§9.4 摩擦焊规范参数
9.4.1连续驱动摩擦焊工艺参数
连续驱动摩擦焊主要工艺参数有转速、摩擦压力、
摩擦时间、停车时间和顶锻时间以及顶锻压力和顶锻
变形量等。这些参数取决于工件的横截面积、金属的
熔点和导热系数、热循环过程中冶金性能的变化(特
别是在异种金属焊接时)等因素。一下对各种工艺参
数进行详细说明。
1. 转速和摩擦压力
摩擦焊接过程的加热来源于摩擦能，其加热功率为
式中 , R — 焊件的工作半径(mm);
n — 主轴转速(r/min);
P—摩擦压力(MPa);
μ—摩擦系数，其值在摩擦过程中是变化的，数值在0.2～2
之间;
Kf，—常数。
由上式可见:
(l)焊件直径越大，所需的摩擦加热功率也越人。
(2)焊件直径确定时，所需摩擦加热功率将取决于主轴转速和摩
擦压力。
2.摩擦时间
在P、n 确定的前提下，
适当的摩擦时间是获得结合
面均匀加热温度和恰当变形
量的条件，这时接头区沿轴
向有一层恰当厚度的变形层
及高温区，但飞边较小，而
在随后的顶锻阶段能产生足
够大的轴向变形量，变形层
沿结合面径向有足够扩展，
形成粗大、不对称封闭圆滑
的飞边，如图9-5（a）所
示。
图9一5主轴转速高时产生的不良影响
(a)n = 1000 r/min ; (b) n= 2000r/min
(c)n = 4000r/min
对于同一个焊件短，只需几秒钟;而当n、p、t 的参数
条件不是惟一的。当n 较低、p较大，t可以较短，只需几
秒钟时间；当n 较高、p较小，t 将较长，例如可达40s显
然对于小焊件宜尽可能采用短时间参数，大端面焊件则只
可用弱参数。此外，不同材质的焊件，t的匹配条件也不一
样，例如高合金钢摩擦焊，摩擦压力和时间都应增加。
3. 停车时间及顶断延时
一般应在制动停车0.1～1s后进行顶锻，其间转速降
低，摩擦阻力和摩擦扭矩增大，轴向缩短速度也增大。调
节顶锻延时则可以调整后峰值扭矩及变形层厚度。
4. 顶锻压力及顶锻变形量
顶锻是为了挤碎和挤出变形层中氧化了的金属和其它
有害杂质，并使接头区金属得到锻压、结合紧密、晶粒细
化、性能提高。顶锻变形量是锻压程度的主要标志。
顶锻力大小取决于焊件材质、温度及变形层厚度，也
跟摩擦压力有关。材质高温强度高、接头区温度低或变形
层较薄时，顶锻压力应取大一些，其范围为100～
200MPa。一般顶锻压力宜为摩擦压力的2～3倍,顶锻
量为1～6mm,顶锻速度宜为10～40（mm/h） 。
9.4.2 惯性摩擦焊工艺参数
主要有三项参数:飞轮转动惯量、飞轮初速、轴向压力。
前两项参数决定焊接的总能量，压力的大小一般取决于被
焊材质和焊接界面的面积。
1.飞轮转动惯量
飞轮转动惯量取决于飞轮的形状、直径、质量(包括
飞轮、卡爪、轴承和传动部件)。在焊接循环的任一瞬间，
其能量可由下式确定
E = 54.7×10-4 I·n2 = 54.7 ×10-4 W·R2·n2 （9-3）
式中 , E—能量 （j）； I —惯性矩，I = W·R
W —飞轮系统的质量(kg);
n - 瞬时转速(r ·min-1)。
2
（kg·m2）;
R—回转半径(m);
飞轮惯量大，产生的顶锻作用亦大。大的低速飞轮产生的
锻造量大于小的高速飞轮，尽管动能量是相同的。能量的大小
将明显影响飞边的尺寸和形状。在初始速度和轴向压力一定时，
增加飞轮惯量，焊接总能量增加，焊接时间增长，界面上热塑
状态金属被挤出的量增加，焊接飞边增大。
钢与钢焊接时，飞轮初速推荐的范围是2.5～7.6m/s。
如果速度太低，界面加热不匀，中心部位的热量将不足以使整
个截面形成结合，毛刺粗糙不匀，飞边亦少。当初速高于
6m/s时，焊缝呈鼓形，中心处比外围厚。
速度对塑性区的宽度影响较大，速度增加，焊缝及热影响
区的宽度加大，接头的冷却速度变小，引起不同的组织转变。
3.摩擦压力
摩擦压力控制着焊接周期时间，对焊接界面的能量
输人有直接影响。它的作用一般与速度变化的影响相
反。轴向压力增大，界面相对运动功耗增大，界面热
塑性金属挤出量增多，飞边量增多，焊接热影响区变
窄。压力降低，热影响区增宽。压力过高会导致接头
中心结合不良。
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§9.5 摩擦焊接头的缺陷及检测
9.5.1 摩擦焊接头中的缺陷
摩擦焊是固相连接，接头中不会出现与熔化、凝固有
关的缺陷，但当材料焊接性差、焊接参数不当或表面清理
不好时，在摩擦焊连接界面上也会出现一些“非理想结合”
的缺陷，如“灰斑”、裂纹、未焊合、夹杂、金属问化合
物、错叠等，这些缺陷一般具有二维、平面、弥散分布的
特征。
1.“灰斑”缺陷
“灰斑”是一种焊接缺陷在断口上的表现形式，它在断口
上一般表现为暗灰色平斑状，无金属光泽，一般为近似圆形、
椭圆形或长条形，与周围金属有明显的分界，无显著塑性变形，
具有明显的沿焊缝断裂的特征。微观上看，“灰斑”是由焊合
区破碎或未破碎的夹杂物与基体金属的界面为空穴形成核心，
在外力作用下不断扩展，最终聚合成密集细小的浅韧窝，在宏
观上表现为脆性断裂。
根据扫描电镜分析和X射线能谱分析,“灰斑”缺陷系由以
Si、Mn为主的低塑性物质组成。一般认为其形成机理为:由于
焊接部位母材内部存在的一些夹杂物,在摩擦加热、顶锻加压时
被碎化而进人焊接面,但又未被完全挤出，从而形成“灰斑”。
2. 焊接裂纹
摩擦焊接头上的裂纹主要出现在焊合区边缘飞边缺口部位、
焊合区内部、近缝区及飞边上。飞边缺口裂纹沿焊合区向内
扩展，其产生与材料的淬硬性及焊接参数有关。
有限元分析表明，当焊合区两侧塑性区较宽、顶锻力
过大时，会在焊合区周边部位产生较大的拉应力，这是形成
飞边缺口裂纹的主要原因。
异种材料焊接时可能在焊合区内部产生裂纹。脆性材
料(陶瓷)或易淬硬材料(高速钢)与其它异种材料焊接时，在
焊后或热处理后会产生由飞边缺口部位起裂，并向脆性材料
一侧近缝区内部扩展的环状裂纹，这类裂纹的产生与焊接接
头内部的残余应力分布及焊接过程中脆性材料的损伤有关。
飞边裂纹是指飞边上沿径向或环向开裂的裂纹，其产
生的原因主要是焊合区温度不当(过高或过低)，飞边金属
塑性低，以及焊接变形速度(特别是顶锻速度)过快。通过
改变焊接转速及顶锻速度可有效地防止飞边裂纹的产生。
3. 未焊合
未焊合一般产生于焊接接头的焊合面上，其表面宏观
特征呈氧化颜色。在断口上表现为摩擦变形特征及其上分
布的氧化物层，氧化物主要是焊接过程中在高温形成的
FeO。另外，结合表面上的氧化物、油污、杂质及凹坑等
也会在焊合面上造成“未焊合”缺陷。它的产生与摩擦加
热不足、顶锻力过小及原始表面状态等因素有关。
另外，摩擦焊接头中还会出现焊缝脱碳、过热组织、
淬火组织等缺陷。
9.5.2 摩擦焊接头的无损检测
摩擦焊接头中出现非理想结合的缺陷时，会使接头
的抗断能力下降至几分之一甚至几十分之一。如当“灰
斑，，面积为20%～40%时，焊合区冲击功可下降
70%～80% ，疲劳寿命下降25%～50%。因此，对
摩擦焊接头进行无损检测，对于保证焊件的性能与安全是
非常重要的。
由于摩擦焊焊接缺陷具有二维、弥散和近表面分布
的特征，故应采用高聚焦性能和高分辨力的无损检测技术。
目前摩擦焊接头的无损检测主要以超声波和渗透检测技术
为主，再辅以视觉检查。表9.2给出了检验摩擦焊接头常
用的方法及适用的范围。
本章小结
摩擦焊是利用焊件接触面之间的相对摩擦运动和塑
性流动所产生的热量来实现焊接的，在摩擦焊接过程中，
金属摩擦表面从低温到高温变化，摩擦表面上存在着一个
高速摩擦塑性变形层，这就是摩擦焊的热源，摩擦焊热源
的功率和温度不仅取决于焊接工艺规范参数，还受到焊接
工件材料、形状、尺寸和焊接表面准备情况的影响。摩擦
焊属于固相焊接。
最基本的两种摩擦焊工艺是连续驱动摩擦焊和惯性
摩擦焊。摩擦焊接过程，是焊接表面金属在一定的空间和。
时间内，金属状态和性能发生变化的过程。连续驱动摩
擦焊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，主要工艺参数有转速、摩擦压力、摩擦时
间、停车时间和顶锻时间以及顶锻压力和顶锻变形量等。
惯性摩擦焊工艺参数主要有飞轮转动惯量、飞轮初速、轴
向压力。
摩擦焊连接界面上会出现一些“非理想结合”的缺
陷，如裂纹、未焊合、夹杂、金属间化合物、错叠等，摩
擦焊接头的无损检测主要以超声波和渗透检测技术为主，
再辅以视觉检查。