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摩擦焊
现代连接技术
材料科学与工程学院
现代连接技术
现代连接技术
——摩擦焊 汇报人： 指导教师：
西南石油大学材料科学与工程学院
现代连接技术
摩擦焊技术
摩擦焊的定义 摩擦焊基本原理 摩擦焊的特点 摩擦焊的分类 摩擦焊的应用 摩擦焊的焊接设备 摩擦焊焊接工艺 传统摩擦焊接头质量控制
西南石油大学材料科学与工程学院
现代连接技术
摩擦焊焊接工艺——CDFW
（1）转速和摩擦压力 当工件的直径一定时，转速就代表摩擦速度。一般将达到焊接 温度时的转速称为临界摩擦速度，为了使变形层加热到金属材料的 焊接温度，转速必须大于临界摩擦速度。 摩擦压力对焊接接头的质量有很大影响，为了产生足够的摩擦 加热功率，保证摩擦表面的全面接触，摩擦力不能太小。摩擦力大 时，接头的温度梯度大，变形层金属不易被氧化。一般情况下摩擦 力为定值，但是为了满足工艺要求，还可以不断上升，或采用两级 或三级加压。 （2）摩擦时间与摩擦变形量 摩擦时间短，焊接表面加热不完全，不能形成完整的塑性变形 层，接头上的温度和温度分布不能满足焊接质量要求。摩擦时间过 长，接头温度分布宽，高温区金属容易过热，摩擦变形量大，飞边 大，消耗的热量多。
西南石油大学材料科学与工程Fra bibliotek院现代连接技术
摩擦焊的特点
摩擦焊也有如下缺点和局限性 （1）对非圆形截面焊接较困难，所需设备复杂；对盘状薄 零件和薄壁管件，由于不易夹固，焊接也比较困难。 （2）对形状及组装位置已经确定的构件，很难实现摩擦焊 接。 （3）接头容易产生飞边，一般焊后需要进行机械加工。 （4）夹紧部位容易产生划伤或夹持痕迹。
图4 连续驱动摩擦焊接基本结构
西南石油大学材料科学与工程学院
摩擦焊
70mm厚铝合金板的焊接
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搅拌摩擦焊是通过搅拌头对被焊材料的摩擦加热、破碎、 搅拌和顶锻等行为的作用，得到了比母材金属还精细的微观 晶粒组织实现高质量的可靠焊接。 a区一个晶粒非常细小的焊核区域，经历了完全再结晶过 程，其中椭圆形的“洋葱”环状组织结构是搅拌头的外形以 及搅拌头焊接时向前移动综合作用的结果；b 区存在一个热 -机影响区，此部分晶粒发生了明显的塑性变形和部分重结 晶；C 区为热影响区。材料晶粒长大明显。
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f) 对于棒一棒和棒一板接头，如果工作条件允许，可将一 个或两个零件加工成具有中心孔洞，这样，既可用较小功率 的焊机，又可提高生产率。 g) 采用中心部位突起的接头可有效地避免中心未焊合 h) 摩擦焊应避免渗碳、渗氮等。
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(2)接头形式 基本形式、特殊形式
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连续驱动摩擦焊工艺参数
第五章 摩擦焊
1、原理
将两个圆形工件迚行对接 使一个工件以中心线为轴高速 旋转，然后将另一个工件向选 装工件施加轴向压力，达到给 定摩擦时间或规定的摩擦变形 量时，工件停止转动，施加顶 锻压力，接头在顶锻压力的作 用下产生一定的塑性变形，保 持一段时间后松开夹头，完成 焊接过程。
1
摩擦焊机理
摩擦破坏了金属表面的氧化膜。摩擦生热降低了金
转ห้องสมุดไป่ตู้n对热影响区和飞边形状的影响
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3)摩擦变形量
摩擦变形量与转速、摩压力、摩擦时间、材质的
状态和变形抗力有关，要得到牢靠的接头，必须有一
定的摩擦变形量，通常选取的范围为1-10mm。
4)顶锻压力、顶锻变形量和顶锻变形速度
顶锻压力的作用是挤出摩擦塑性变形层中的氧化 物和其他有害杂质，并使焊缝得到锻压，结合牢靠，
第九章 摩擦焊连接方法与基本原理
Contents
9.1
摩擦焊基本原理 摩擦焊分类 摩擦焊接过程分析 摩擦焊规范参数
9.2
9.3
9.4
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
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，
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
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
摩擦焊概述
连续驱动摩擦焊工艺在顶锻开始之前就有一 个明显的加热阶段，在这个阶段中焊件转速恒 定不变。如果采用摩擦压力大而摩擦时间短的 强规范时，其摩擦加热功率将以脉冲形式输出， 功率极值很高。
LEE MAN (SCETC)
摩擦焊
2.惯性摩擦焊
惯性摩擦焊又称储能焊，焊前先将飞 轮、主轴系统和旋转夹头上的焊件加 速到预定的转速，然后，主轴电动机 和飞轮脱开或断电。同时，另一个焊 件向前移动、接触并施加轴向压力， 开始摩擦加热过程。在摩擦加热过程 中，飞轮受到摩擦扭矩的制动，转速 降低，并产生机械能，机械能通过摩 擦转变成热能来加热接合界面。当飞 轮、主轴系统和旋转夹头上的焊件转 速为零时，接头上的加热温度及其分 布也达到了要求。最后，在轴向压力 的作用下，结束焊接过程。
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，如各种方钢、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。
7
LEE MAN (SCETC)
摩擦焊
4.径向摩擦焊
径向摩擦焊的示意图如图4-7 所示，焊前将芯棒插入开有 坡口的两个待焊管子内，然 后装上一个加工好的带有斜 面的圆环。焊接时圆环旋转 并向两个管端施加径向摩擦 压力。当摩擦加热过程结束 时，圆环停止旋转，向圆环 施加顶锻压力，使圆环与两 管端焊牢。由于被连接的管 子本身不转动，管子内部不 产生飞边，整个焊接过程大 约需要10s。孔径向压力摩擦 焊适用于管子的现场装配焊 接。
LEE MAN (SCETC)
摩擦焊
6.线性摩擦焊
10
如图所示。在线性摩擦焊过 程中，一个焊件固定，另一 个焊件以一定的速度作往复 运动，或两个焊件作相对往 复运动，在压力F的作用下两 焊件的界面摩擦产生热量， 从而实现焊接。该方法的主 要优点是不管焊件结构是否 对称，均可进行焊接。近年 来，线性摩擦焊的研究较多， 主要用于飞机发动机涡轮盘 与叶片的焊接，还用于大型 塑料管道的现场焊接。
LEE MAN (SCETC)
摩擦焊
2.惯性摩擦焊
惯性摩擦焊又称储能焊，焊前先将飞 轮、主轴系统和旋转夹头上的焊件加 速到预定的转速，然后，主轴电动机 和飞轮脱开或断电。同时，另一个焊 件向前移动、接触并施加轴向压力， 开始摩擦加热过程。在摩擦加热过程 中，飞轮受到摩擦扭矩的制动，转速 降低，并产生机械能，机械能通过摩 擦转变成热能来加热接合界面。当飞 轮、主轴系统和旋转夹头上的焊件转 速为零时，接头上的加热温度及其分 布也达到了要求。最后，在轴向压力 的作用下，结束焊接过程。
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，如各种方钢、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。
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LEE MAN (SCETC)
摩擦焊
4.径向摩擦焊
径向摩擦焊的示意图如图4-7 所示，焊前将芯棒插入开有 坡口的两个待焊管子内，然 后装上一个加工好的带有斜 面的圆环。焊接时圆环旋转 并向两个管端施加径向摩擦 压力。当摩擦加热过程结束 时，圆环停止旋转，向圆环 施加顶锻压力，使圆环与两 管端焊牢。由于被连接的管 子本身不转动，管子内部不 产生飞边，整个焊接过程大 约需要10s。孔径向压力摩擦 焊适用于管子的现场装配焊 接。
LEE MAN (SCETC)
摩擦焊
6.线性摩擦焊
10
如图所示。在线性摩擦焊过 程中，一个焊件固定，另一 个焊件以一定的速度作往复 运动，或两个焊件作相对往 复运动，在压力F的作用下两 焊件的界面摩擦产生热量， 从而实现焊接。该方法的主 要优点是不管焊件结构是否 对称，均可进行焊接。近年 来，线性摩擦焊的研究较多， 主要用于飞机发动机涡轮盘 与叶片的焊接，还用于大型 塑料管道的现场焊接。
摩擦焊
3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．搅拌摩擦焊在轨道交通领域中应用
高质量高精度车体
4.1.3 摩擦焊的应用（重点掌握）
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。
3）高温强度高、塑性低、导热性好的材料不容
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。
特种焊接与设备
讲解人：韩兆波
第四单元 摩擦焊
4.1 摩擦焊概述
综合知识模块
4.2 传统摩擦焊工艺与设备
4.3 搅拌摩擦焊
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。
双臂结构空 芯铝挤压件 自支撑内部 模件 安装轨道连接
摩擦焊
摩擦焊焊接设备
4、夹头 夹头分为旋转和固定两种。为了使夹持牢靠， 不出现打滑旋转、后退、振动等，夹头与工件的 接触部分硬度要高，耐磨性要好。 5、控制系统 控制系统包括焊接操作程序控制和焊接参数 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。
•
摩擦焊的应用
轴承组——平衡油缸液力平衡旋转活塞，多片式粉末冶金 涂层离合器，滚动导轨和可编程序控制器（PLC）控制等 多项先进技术，使焊机制造水平有了较大的提高。 随着实际生产的需要。国内对于其它型式的摩擦焊机也 进行了研制，如长春焊接设备厂研制了小吨位的惯性焊机， 相位摩擦焊机，哈尔滨焊接研究所研制了具有形变热处理 功能带机上淬火装置及自动去飞边装置的混合式摩擦焊机， 变频调速相位摩擦焊机。哈尔滨量具刃具厂研制了20T双 头摩擦焊机，中国兵器工业第五九研究所研制了小吨位径 向摩擦焊机[5]，北京赛福斯特技术有限公司研制了系列搅 拌摩擦焊机等等，这些焊机有的技术指标和制造水平已达 到或接近国外同类焊机的水平。
摩擦焊焊接工艺
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。 3、焊接参数 连续驱动摩擦焊的焊接参数主要包括主轴转速、 摩擦压力、摩擦时间、顶锻压力、顶段时间、变 形量等。 （1）转速和摩擦压力 当工件的直径一定时，转速就代表摩擦速度。 一般将达到焊接温度时的转速称为临界摩擦速度， 为了使变形层加热到金属材料的焊接温度，转速 必须大于临界摩擦速度。
摩擦焊焊接工艺
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、平面度和粗糙度。 2、接头表面准备 焊接前还需对焊件作如下处理 1) 焊件的摩擦端面应平整，中心部位不能有凹面或中 心孔，以防止焊缝中含空气和氧化物。 2) 当结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）摩擦焊对焊件结合面的粗糙度、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施焊。
特种焊接技术摩擦焊
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。
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
4 21 传统摩擦焊的工艺过程 422 传统摩擦焊的工艺及参数 423 典型材料的摩擦焊接工艺 424 传统摩擦焊设备 425 传统摩擦焊质量控制与安全技术
4 21 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;
➢ 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
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。
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
4 21 传统摩擦焊的工艺过程 422 传统摩擦焊的工艺及参数 423 典型材料的摩擦焊接工艺 424 传统摩擦焊设备 425 传统摩擦焊质量控制与安全技术
4 21 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;
➢ 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
摩擦焊
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。
二 、焊接工艺参数
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
4.3.1 搅拌摩擦焊的焊接过程及特点 （了解）
一、搅拌摩擦焊焊接过程 二、搅拌摩擦焊的焊接接头 三、搅拌摩擦焊的特点
一、搅拌摩擦焊焊接过程
4.3.2 搅拌摩擦焊工艺（掌握）
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
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 （重点掌握） 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）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。
二、搅拌摩擦焊的热输入与焊接参数
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。
二 、焊接工艺参数
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
4.3.1 搅拌摩擦焊的焊接过程及特点 （了解）
一、搅拌摩擦焊焊接过程 二、搅拌摩擦焊的焊接接头 三、搅拌摩擦焊的特点
一、搅拌摩擦焊焊接过程
4.3.2 搅拌摩擦焊工艺（掌握）
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
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 （重点掌握） 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）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。
二、搅拌摩擦焊的热输入与焊接参数
摩擦焊
，也存在如下定缺点: (1)目前焊接速度不高 对板材进行单道连接时，焊接速度低于电弧焊。 (2)焊件的夹持要求较高 不同的结构需要不同的工装夹具，设备的灵活性差。 (3)焊缝尾端留有“ 匙孔”，需要用其他焊接方法填充。 (4)焊缝背面需要有垫板，在封闭结构中垫板的取出比较困难。 (5)刀头因磨损消耗太快，虽然目前正在尝试用更为耐磨的陶瓷材料替代硬质合金，钴基高
h)角接
搅拌摩擦焊作为一种新型连接技术，也存在如下定缺点: (1)目前焊接速度不高 对板材进行单道连接时，焊接速度低于电
弧焊。
(2)焊件的夹持要求较高 不同的结构需要不同的工装夹具，设备 的灵活性差。
(3)焊缝尾端留有“ 匙孔”，需要用其他焊接方法填充。 (4)焊缝背面需要有垫板，在封闭结构中垫板的取出比较困难。 (5)刀头因磨损消耗太快，虽然目前正在尝试用更为耐磨的陶瓷
图5 搅拌摩擦焊示意图
4.嵌入摩擦焊(Friction plunge welding)
嵌入摩擦焊是利用摩擦焊原理 把相对较硬的材料（工件1）嵌入到 较软的材料（工件2）中。如图所示， 两个焊件之间相对运动所产生的摩 擦热使得较软材料局部呈现热塑性 状态，并在拘束肩的作用下产生塑 性变形，流入预先加工好的硬材料 的凹区中，拘束肩迫使软材料紧紧 包住硬材料的连接头，当转动停止、 焊件冷却后，即形成可靠接头。如 图6所示。
六、材料的摩擦焊接性
材料的摩擦焊接性是指材料在一定的摩擦焊工艺条件下，获得优质 摩擦焊接接头的能力。所谓优质接头，是指接头与母材等强度、等塑性 。摩擦焊具有广泛的工艺适应性，适用于摩擦焊的材料有金属材料、陶 瓷材料、复合材料、塑料等。 影响材料摩擦焊接性的因素主要有：
(1)材料的互溶和扩散性
(2)材料表面的氧化膜是否易破碎 表面氧化膜易破碎的金属的摩擦
h)角接
搅拌摩擦焊作为一种新型连接技术，也存在如下定缺点: (1)目前焊接速度不高 对板材进行单道连接时，焊接速度低于电
弧焊。
(2)焊件的夹持要求较高 不同的结构需要不同的工装夹具，设备 的灵活性差。
(3)焊缝尾端留有“ 匙孔”，需要用其他焊接方法填充。 (4)焊缝背面需要有垫板，在封闭结构中垫板的取出比较困难。 (5)刀头因磨损消耗太快，虽然目前正在尝试用更为耐磨的陶瓷
图5 搅拌摩擦焊示意图
4.嵌入摩擦焊(Friction plunge welding)
嵌入摩擦焊是利用摩擦焊原理 把相对较硬的材料（工件1）嵌入到 较软的材料（工件2）中。如图所示， 两个焊件之间相对运动所产生的摩 擦热使得较软材料局部呈现热塑性 状态，并在拘束肩的作用下产生塑 性变形，流入预先加工好的硬材料 的凹区中，拘束肩迫使软材料紧紧 包住硬材料的连接头，当转动停止、 焊件冷却后，即形成可靠接头。如 图6所示。
六、材料的摩擦焊接性
材料的摩擦焊接性是指材料在一定的摩擦焊工艺条件下，获得优质 摩擦焊接接头的能力。所谓优质接头，是指接头与母材等强度、等塑性 。摩擦焊具有广泛的工艺适应性，适用于摩擦焊的材料有金属材料、陶 瓷材料、复合材料、塑料等。 影响材料摩擦焊接性的因素主要有：
(1)材料的互溶和扩散性
(2)材料表面的氧化膜是否易破碎 表面氧化膜易破碎的金属的摩擦
压焊方法及设备 第十章摩擦焊PPT
(６)顶锻维持阶段(ｔ６) 该阶段从顶锻压力的最高点ｈ开场，到接头温度冷 却到低于规定值为止。
图１０-１０ 摩擦焊接过程示意图 ｎ—工作转速 —摩擦压力 —顶锻压力 Δ —摩擦变形量
Δ —顶锻变形量 Ｐ—摩擦加热功率 —摩擦加热功率峰值 ｔ—时间 —摩擦时间 —实际摩擦加热时间 —实际顶锻时间
2.摩擦焊接产热
ｃ)４０００ｒ／ｍｉｎ
(１)摩擦加热功率 摩擦加热功率的大小及其随摩擦时间的变化，决定了焊接 温度及其温度场的分布，直接影响接头的加热过程、焊接生产率和焊接质量， 同时也关系到摩擦焊机的设计与制造。 (２)摩擦焊接外表温度 摩擦焊接外表的温度会直接影响接头的加热温度、温 度分布、摩擦系数、接头金属的变形与扩散。
图１０-１１ 摩擦加热 功率分布图
1.焊接过程 2.摩擦焊接产热
1.焊接过程
(１)初始摩擦阶段(ｔ１) 此阶段是从两个工件开场接触的ａ点起，到摩擦加 热功率显著增大的ｂ点止。 (２)不稳定摩擦阶段(ｔ２) 不稳定摩擦阶段是摩擦加热过程的一个主要阶段， 该阶段从摩擦加热功率显著增大的ｂ点起，越过功率峰值ｃ点，到功率稳定 值的ｄ点为止。 (３)稳定摩擦阶段(ｔ３) 稳定摩擦阶段是摩擦加热过程的主要阶段，其范围 从摩擦加热功率稳定值的ｄ点起，到接头形成最正确温度分布的ｅ点为止， 这里的ｅ点也是焊机主轴开场停车的时间点(可称为ｅ′点)，也是顶锻压力开 场上升的点(图１０-１０的ｆ点)以及顶锻变形量的开场点。 (４)停车阶段(ｔ４) 停车阶段是摩擦加热过程至顶锻焊接过程的过渡阶段， 是从主轴和工件一起开场停车减速的ｅ′点起，到主轴停顿转动的ｇ点止。 (５)纯顶锻阶段(ｔ５) 从主轴停顿旋转的ｇ(或ｇ′)点起，到顶锻压力上升至 最大位的ｈ点为止。
2.接头形式设计
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6
摩擦焊的应用
各类同质、异质金属连接
汽车半轴、汽车凸轮轴、汽车动力转向轴节点、汽车前 后桥、发动机汽门顶杆、集成齿轮、拨叉、花键套管、 连轴器、传动轴、驱动桥壳、制动凸轮、排气阀、液压 油缸推杆、气囊充气器、涡轮增压器转子 、印刷机滚 子、电机轴、船用马达驱动轴、石油与地质钻杆、长冲 程超高强度抽油杆、双金属轴瓦、双金属刀具、铜铝导 电接头等
d-35s
e-40s
f-55s
稳态焊敷阶段
400kgf– 1825rpm– 2.2mm/s
22
搅拌摩擦点焊 FSSW
（Friction Stir Spot Welding）是FSW中的特定 形式，是针对汽车铝结构车 身的连接而进行开发研究的
FSSW装置安装在机器人臂 上，施焊时由机器人臂移到 要焊部位，夹紧臂下降夹紧 要焊的板，然后搅拌头下降 进行焊接，焊接结束后松开 夹紧臂，整个装置由机器人 臂移到新的点焊位置
14
惯性摩擦焊过程
旋转焊件与飞轮相连。 焊接时飞轮被加速到设 定转速，以动能形式储 存能量，随后电动机与 主轴脱离 储存在飞轮中的动能通 过摩擦逐渐转换为热能， 而飞轮转速则不断降低， 至主轴停止转动
15
线性摩擦焊 LFW
LFW焊接过程
摩擦副一侧工件被一对 往复机构驱动着相对于 另一侧被夹紧的工件表 面作相对运动，并在其 轴向施加压力下，随着 摩擦运动的进行，摩擦 表面被清理并产生摩擦 热，摩擦表面的金属逐 渐达到粘塑性状态并产 生变形，形成飞边。然 后，停止往复运动并施 加顶锻力，完成焊接
LinFricTM型线性摩擦焊机
17
线性摩擦焊
18
线性摩擦焊接
主要适用于多数的热塑性部件，包括非晶态的和 半晶质的
焊缝的形成只要几毫秒，并且焊接过程对于聚合 物来说较能耐潮，例如：尼龙。正如大家可以预 想的一样，两个部件的接口虽然有10度的误差也 是可以焊接的，但是最理想的情况还是要求两个 焊接的部件接口处平整 焊接的振幅一般从0.5毫米到几毫米，频率则要求 在100－500赫兹之间（一般是频率是选择100－ 300赫兹） 特殊应用的焊接参数通常由实验决定
4
摩擦焊原理
以连续驱动摩擦焊为例说明原理
焊前，夹持旋转焊件和移动焊件 a。旋转焊件高速旋转，移动焊件 逐步靠拢 b。接触压紧，摩擦扭矩迅速升高 c。摩擦继续升温，轴向压力，径 向塑性流动 d。制动、顶锻
5
摩擦焊特点和技术优势
1.工艺适应性广。可焊金属范围广，特别适应于焊接异种 金属。 2.接头性能好。焊接表面不易氧化，接头组织细密（锻造 组织），不易产生气孔、裂缝等缺陷。通常可比较容易地 得到与母材强度相同的接头 3.焊接过程可靠性高。参数重现性好，焊接质量稳定，容 易实现工艺参数及质量的自动控制 4.尺寸精度高。焊后焊件的尺寸精度及几何精度高，有些 零件焊后可不进行机械加工 5.环保。劳动条件好，无环境污染，便于放在机械生产线 上使用 6.高效低耗。生产率高，耗电小、节省能源，焊接过程中 不需要填充材料且焊件材料损耗小节省材料
增压器转子
7
摩擦焊的应用
汽车电流传感器
8
电流传感器 焊接过程
9
电流传感器
10
铜铝的摩擦焊接
11
连续驱动摩擦焊机基本结构
SD-250B 型连续驱动 摩擦焊机
上海三都机械有限公司
12
摩擦焊的分类
传统摩擦焊 新型摩擦焊
13
连续驱动摩擦焊
电机连续驱动主轴， 使旋转焊件以设定 的转速转动 加热结束时，需制 动刹车 有顶锻保压阶段
工作过程
23
搅拌摩擦点焊 FSSW
FSSW焊点实际上有一段长度L，试验表明， AA6061-T4板材的FSSW焊点表面光滑，内部无 缺陷，有较好的静载和动载强度
L
焊点外观
D
完成的 焊点
焊点横截面
24
搅拌摩擦焊接技术原理
搅拌摩擦焊接的出现，已经使铝合金等有 色金属的连接技术发生了重大变革
25
搅拌摩擦焊原理和特点
摩擦焊接
摩擦焊技术
摩擦焊原理及技术优势介绍 传统摩擦焊介绍 摩擦焊典型产品 搅拌摩擦焊介绍
2
回顾历史、掌握未来
摩擦焊的历史
1891年：美国批准了第一个摩擦焊专利 1956年：前苏联楚迪克夫发明了摩擦焊技术 1957年：成功实现铝－铜的摩擦焊 1991年：英国焊接研究所发明了搅拌摩擦焊， 成功焊接了铝合金平板
16
线性摩擦焊的优点
（1）可焊接方形、圆形、多 边形截面的金属或塑料工件。 配合合适的工夹具还可焊接更 不规则的构件，如叶片与涡轮 盘的焊接
（2）固态焊接，金属不熔化 和热影响区窄；低应力和小变 形，高完整性；焊缝的结构强 度与弹性性能与基体金属相同
（3）可实现机械和自动控制， 可靠性高，可实现概念
摩擦焊（Friction Welding），
在轴向压力与扭矩作用下，利用焊接接触端面之间的 相对运动及塑性流动所产生的摩擦热及塑性变形热使 接触面及其近区达到粘塑性状态并产生适当的宏观塑 性变形，（有时需要迅速顶锻），通过两侧材料的相 互扩散和动态再结晶而完成连接的一种压焊方法
主要由连续驱动摩擦焊、惯性摩擦焊、搅拌摩擦 焊、线性摩擦焊、三体摩擦焊和摩擦堆焊等组成 摩擦焊是一种优质、高效、节能、无污染的固相 连接方法
搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding）
英国焊接研究所（TWI）于1991年发明的一种固相连 接技术 在30几个国家申请了专利，包括中国
搅拌摩擦焊采用特型搅拌头在待焊工件件旋转、 摩擦生热，并挤压以形成焊缝。属于一种崭新的 固态连接方法
采用搅拌摩擦焊取代传统的氩弧焊，不仅能完成 材料的对接、搭接、丁字等多种接头方式，而且 能用于高强铝合金、铝锂合金的焊接，大大提高 了焊接接头的力学性能，并且排除了熔焊缺陷产 生的可能性
26
搅拌摩擦焊
（c）
搅拌摩擦焊试样
27
搅拌摩擦焊的搅拌头、焊缝外观
19
摩擦堆焊过程
旋转的耗材棒
轴向载荷
轴向载荷
静止的基体 金属板件
（1）
静止的基体 金属板件
轴向加载后 形成的塑性层熔敷层的
半圆形前缘
熔敷层
（2）
移动的基体金属板
（3）
20
耗材摩擦焊接和耗材摩擦焊敷
耗材摩擦焊
21
耗材摩擦焊敷的过程
a-10s
b-20s
c-25s
预热阶段
400kgf– 1825rpm– 2.2mm/s
摩擦焊的应用
各类同质、异质金属连接
汽车半轴、汽车凸轮轴、汽车动力转向轴节点、汽车前 后桥、发动机汽门顶杆、集成齿轮、拨叉、花键套管、 连轴器、传动轴、驱动桥壳、制动凸轮、排气阀、液压 油缸推杆、气囊充气器、涡轮增压器转子 、印刷机滚 子、电机轴、船用马达驱动轴、石油与地质钻杆、长冲 程超高强度抽油杆、双金属轴瓦、双金属刀具、铜铝导 电接头等
d-35s
e-40s
f-55s
稳态焊敷阶段
400kgf– 1825rpm– 2.2mm/s
22
搅拌摩擦点焊 FSSW
（Friction Stir Spot Welding）是FSW中的特定 形式，是针对汽车铝结构车 身的连接而进行开发研究的
FSSW装置安装在机器人臂 上，施焊时由机器人臂移到 要焊部位，夹紧臂下降夹紧 要焊的板，然后搅拌头下降 进行焊接，焊接结束后松开 夹紧臂，整个装置由机器人 臂移到新的点焊位置
14
惯性摩擦焊过程
旋转焊件与飞轮相连。 焊接时飞轮被加速到设 定转速，以动能形式储 存能量，随后电动机与 主轴脱离 储存在飞轮中的动能通 过摩擦逐渐转换为热能， 而飞轮转速则不断降低， 至主轴停止转动
15
线性摩擦焊 LFW
LFW焊接过程
摩擦副一侧工件被一对 往复机构驱动着相对于 另一侧被夹紧的工件表 面作相对运动，并在其 轴向施加压力下，随着 摩擦运动的进行，摩擦 表面被清理并产生摩擦 热，摩擦表面的金属逐 渐达到粘塑性状态并产 生变形，形成飞边。然 后，停止往复运动并施 加顶锻力，完成焊接
LinFricTM型线性摩擦焊机
17
线性摩擦焊
18
线性摩擦焊接
主要适用于多数的热塑性部件，包括非晶态的和 半晶质的
焊缝的形成只要几毫秒，并且焊接过程对于聚合 物来说较能耐潮，例如：尼龙。正如大家可以预 想的一样，两个部件的接口虽然有10度的误差也 是可以焊接的，但是最理想的情况还是要求两个 焊接的部件接口处平整 焊接的振幅一般从0.5毫米到几毫米，频率则要求 在100－500赫兹之间（一般是频率是选择100－ 300赫兹） 特殊应用的焊接参数通常由实验决定
4
摩擦焊原理
以连续驱动摩擦焊为例说明原理
焊前，夹持旋转焊件和移动焊件 a。旋转焊件高速旋转，移动焊件 逐步靠拢 b。接触压紧，摩擦扭矩迅速升高 c。摩擦继续升温，轴向压力，径 向塑性流动 d。制动、顶锻
5
摩擦焊特点和技术优势
1.工艺适应性广。可焊金属范围广，特别适应于焊接异种 金属。 2.接头性能好。焊接表面不易氧化，接头组织细密（锻造 组织），不易产生气孔、裂缝等缺陷。通常可比较容易地 得到与母材强度相同的接头 3.焊接过程可靠性高。参数重现性好，焊接质量稳定，容 易实现工艺参数及质量的自动控制 4.尺寸精度高。焊后焊件的尺寸精度及几何精度高，有些 零件焊后可不进行机械加工 5.环保。劳动条件好，无环境污染，便于放在机械生产线 上使用 6.高效低耗。生产率高，耗电小、节省能源，焊接过程中 不需要填充材料且焊件材料损耗小节省材料
增压器转子
7
摩擦焊的应用
汽车电流传感器
8
电流传感器 焊接过程
9
电流传感器
10
铜铝的摩擦焊接
11
连续驱动摩擦焊机基本结构
SD-250B 型连续驱动 摩擦焊机
上海三都机械有限公司
12
摩擦焊的分类
传统摩擦焊 新型摩擦焊
13
连续驱动摩擦焊
电机连续驱动主轴， 使旋转焊件以设定 的转速转动 加热结束时，需制 动刹车 有顶锻保压阶段
工作过程
23
搅拌摩擦点焊 FSSW
FSSW焊点实际上有一段长度L，试验表明， AA6061-T4板材的FSSW焊点表面光滑，内部无 缺陷，有较好的静载和动载强度
L
焊点外观
D
完成的 焊点
焊点横截面
24
搅拌摩擦焊接技术原理
搅拌摩擦焊接的出现，已经使铝合金等有 色金属的连接技术发生了重大变革
25
搅拌摩擦焊原理和特点
摩擦焊接
摩擦焊技术
摩擦焊原理及技术优势介绍 传统摩擦焊介绍 摩擦焊典型产品 搅拌摩擦焊介绍
2
回顾历史、掌握未来
摩擦焊的历史
1891年：美国批准了第一个摩擦焊专利 1956年：前苏联楚迪克夫发明了摩擦焊技术 1957年：成功实现铝－铜的摩擦焊 1991年：英国焊接研究所发明了搅拌摩擦焊， 成功焊接了铝合金平板
16
线性摩擦焊的优点
（1）可焊接方形、圆形、多 边形截面的金属或塑料工件。 配合合适的工夹具还可焊接更 不规则的构件，如叶片与涡轮 盘的焊接
（2）固态焊接，金属不熔化 和热影响区窄；低应力和小变 形，高完整性；焊缝的结构强 度与弹性性能与基体金属相同
（3）可实现机械和自动控制， 可靠性高，可实现概念
摩擦焊（Friction Welding），
在轴向压力与扭矩作用下，利用焊接接触端面之间的 相对运动及塑性流动所产生的摩擦热及塑性变形热使 接触面及其近区达到粘塑性状态并产生适当的宏观塑 性变形，（有时需要迅速顶锻），通过两侧材料的相 互扩散和动态再结晶而完成连接的一种压焊方法
主要由连续驱动摩擦焊、惯性摩擦焊、搅拌摩擦 焊、线性摩擦焊、三体摩擦焊和摩擦堆焊等组成 摩擦焊是一种优质、高效、节能、无污染的固相 连接方法
搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding）
英国焊接研究所（TWI）于1991年发明的一种固相连 接技术 在30几个国家申请了专利，包括中国
搅拌摩擦焊采用特型搅拌头在待焊工件件旋转、 摩擦生热，并挤压以形成焊缝。属于一种崭新的 固态连接方法
采用搅拌摩擦焊取代传统的氩弧焊，不仅能完成 材料的对接、搭接、丁字等多种接头方式，而且 能用于高强铝合金、铝锂合金的焊接，大大提高 了焊接接头的力学性能，并且排除了熔焊缺陷产 生的可能性
26
搅拌摩擦焊
（c）
搅拌摩擦焊试样
27
搅拌摩擦焊的搅拌头、焊缝外观
19
摩擦堆焊过程
旋转的耗材棒
轴向载荷
轴向载荷
静止的基体 金属板件
（1）
静止的基体 金属板件
轴向加载后 形成的塑性层熔敷层的
半圆形前缘
熔敷层
（2）
移动的基体金属板
（3）
20
耗材摩擦焊接和耗材摩擦焊敷
耗材摩擦焊
21
耗材摩擦焊敷的过程
a-10s
b-20s
c-25s
预热阶段
400kgf– 1825rpm– 2.2mm/s