摩擦焊的发展历程

焊接工艺设计与 实例分析
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• 摩擦焊是一种固态热压焊，是利用摩擦热使焊件产生固相结合的焊接方法。 焊接时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，使 界面及其附近区域达到热塑性状态并在压力作用下产生适当的宏观塑性变形 而形成接头。
• （1）搅拌摩擦焊可以降低制造成本。搅拌摩擦焊是一种 简单、高效、节能且没有焊接消耗的连接方法。搅拌摩擦 焊可以节约能源，一台简单的适合于搅拌摩擦焊焊接的设 备对于厚度为12.5mm的6xxx系列的铝合金材料的搅拌摩 擦焊单道焊的总功率输入大约为3kW，而且除了搅拌头和 电外没有其他消耗。焊接过程不需要填充焊丝和保护气， 焊前不需要开坡口和对材料表面的氧化层等作特殊的处理。
的铝合金桥梁、装饰板、门窗框架、管线、铝合金反应器、
热交换器等；电子工业中的发动机壳体、电器连接件、电 器封装等。此外，FSW还应用在冰箱冷却板、厨房电器、 “白色”家用物品和工具、天然气和液化气储箱、家用装 饰等。
国内外焊接电源的研究现状与发展趋势
国内外 研究现状
目前我国针对逆变焊割设备的研究，特别是应用上的研究主要还是在硬开关 逆变焊机的研究；而全桥软开关技术的逆变焊机的研究，在国内除一些高校进行 研究之外，很少有企业进行研究的。至于采用嵌入式系统数字化处理与逆变软开关 技术相结合的方式设计逆变电源方面研究，除本公司外，目前国内未见类似报道。 而在日、美、欧等国和地区，20kHz左右的弧焊逆变器技术已经成熟，产品的 质量较高且产品已系列化。
（2）搅拌摩擦焊为新产品新结构的设计提供了可能。例如以 前熔焊不能连接的热敏感性很强的硬铝、超硬铝及铝基复合 材料材料都可以用搅拌摩擦焊得到可靠连接。搅拌摩擦焊较 小的焊接变形可以实现精密铝合金零部件的制造。用搅拌摩 擦焊实现小尺寸挤压型材的连接，也可以用来制造大尺寸的 船舶夹板、列车壁板、卡车箱体等。

减速的 e, 点开始，到主轴停 止转动的g 点为止。它是摩擦 加热过程和顶锻焊接过程的过 渡阶段，具有双重特点。这个 阶段是焊接过程的重要阶段， 直接影响到接头的焊接质量， 因此要严格控制这个时间。
图10 摩 擦 焊 接 过 程 示 意 图 n—工作转速 py—摩擦压力 P.一顶锻压力 △l,一摩擦变形量 △1.一顶锻变形量 P— 摩擦加热功率 P.. 一摩擦加热功率峰值 t一时间 I,—摩擦时间 a— 实际摩擦加热时间 1.一实际顶锻时间
点开始，到摩擦加热功率显 著增大的B 点为止。摩擦开 始时，由于摩擦焊接表面存 在氧化膜、油、灰尘和吸附 着一些气体，使得摩擦系数 小，随后摩擦压力逐渐增大， 摩擦加热功率慢慢增加使得 焊件表面的温度上升。
图10 摩擦焊接过程示意图 n—工作转速 Py一摩擦压力 p.一顶锻压力 △l,一摩擦变形量 △/.一顶锻变形量 P— 摩擦加热功率 P.— 摩擦加热功率峰值 t一时间 I,—摩擦时间 tx—实际摩擦加热时间 1.一实际顶锻时间
摩擦焊焊接工艺特点
（1）焊接施工时间短，生产效率高。 （2 ）焊接热循环引起的焊接变形小，焊后尺寸精度高，不
用焊后校形和消除应力。 （3 ）机械化、自动化程度高，焊接质量稳定。当给定焊接
条件后，操作简单，不需要特殊的焊接技术人员。 （4 ）适合各类异种材料的焊接，对常规熔化下不能焊接的
铝-钢、铝-铜、钛-铜、金属间化合物-钢等都可以进行焊接。 （5 ）可以实现同直径、不同直径的棒材和管材的焊接。 （6 ）焊接时不产生烟雾、弧光以及有害气体等，不污染环
n/r.minT
摩擦焊接过程
(3)稳定摩擦阶段 从摩擦加热功率稳定值d 点起 到接头形成最佳温度分布的 e 点为止。 e 点与工件开始停止 旋转的e,, 顶锻压力开始上 升的 f 点以及顶锻变形的开始 点，它们在时间上是重合的。 在这个阶段中，各焊接工艺参 数的变化趋于稳定，只有摩擦 变形量不断增大，飞边增大， 接头的热影响区增宽。

2.2 搅拌摩擦焊接的基本原理
• 搅拌摩擦焊的焊接 过程，可以分解为4 个 不同阶段： 旋转、插
入、焊接、离开。
旋转
插入
离开 焊接
• 搅拌摩擦焊原理图
2.2 搅拌摩擦焊接的基本原理 • 焊接接头的示意图
2.2 搅拌摩擦焊接的基本原理 (V = 14 m/h)
(V = 38 m/h) (V = 28 m/h) • 铝合金搅拌摩擦焊宏观形貌
2.3 搅拌摩擦焊接的重要工艺参数
• FSW焊接的重要工艺参数 主要有搅拌头的形状、搅拌头的位置、搅拌头的转速、焊接
速度、接头精度以及材料拘束等。 这些参数对接头稳定性和焊 接质量的非常重要。
2.3 搅拌摩擦焊接的重要工艺参数 搅拌摩擦焊的工艺参数
2.4 搅拌摩擦焊接的特点
• 搅拌摩擦焊具有的优点： ⑴ 搅拌摩擦焊是一种固相连接技术，接头性能优异。。 ⑵ 焊前不需要开坡口，可以节省焊前准备工时。 ⑶ 焊接过程中不需要保护气，也不需要填充材料。 ⑷ 焊接过程容易实现自动化，可以实现全位置焊接，
接头质量一致性好。
2.4 搅拌摩擦焊接的特点
• 搅拌摩擦焊具有的优点： ⑸ 焊接热输入小，从而导致焊接变形小、接头残余应力水平低，
是一种低应力、小变形焊接技术。 ⑹ 焊接过程中无飞溅、无弧光、无辐射，是一种绿色焊接技术。 ⑺ 焊接效率高、能耗低，是一种高效焊接技术。
2.4 搅拌摩擦焊接的特点
• 搅拌摩擦焊存在的主要问题： （1）焊缝无增高, 在接头设计时要特别注意这一特征。焊接角
接接头受到限制，接头形式必须特殊设计。 （2）需要对焊缝施加大的压力，限制了搅拌摩擦焊技术在机
器人等设备上的应用。 （3）焊接结束时，由于搅拌头的回抽在焊缝中往往残留搅拌

焊接技术发展简史焊接，也称作熔接、镕接，是一种以加热、高温或者高压的方式接合金属或其他热塑性材料如塑料的制造工艺及技术。

焊接透过下列三种途径达成接合的目的：①加热欲接合之工件使之局部熔化形成熔池，熔池冷却凝固后便接合，必要时可加入熔填物辅助②单独加热熔点较低的焊料，无需熔化工件本身，借焊料的毛细作用连接工件（如软钎焊、硬焊）③在相当于或低于工件熔点的温度下辅以高压、叠合挤塑或振动等使两工件间相互渗透接合（如锻焊、固态焊接）依具体的焊接工艺，焊接可细分为：气焊、电阻焊、电弧焊、感应焊接及激光焊接…等其他特殊焊接。

焊接的能量来源有很多种，包括：气体焰、电弧、激光、电子束、摩擦和超声波…等。

除了在工厂中使用外，焊接还可以在多种环境下进行，如：野外、水下和太空。

无论在何处，焊接都可能给操作者带来危险，所以在进行焊接时必须采取适当的防护措施。

焊接给人体可能造成的伤害包括：烧伤、触电、视力损害、吸入有毒气体、紫外线照射过度…等。

19世纪80年代，焊接只用于铁匠锻造上。

工业化的发展和两次世界大战的爆发对现代焊接的快速发展产生了影响。

基本焊接方法——电阻焊、气焊和电弧焊都是在一战前发明的。

但20世纪早期，气体焊接切割在制造和修理工作中占主导地位。

过些年后，电焊得到了同样的认可。

1887年，美国的汤普森发明电阻焊，并用于薄板的点焊和缝焊；缝焊是压焊中最早的半机械化焊接方法，随着缝焊过程的进行，工件被两滚轮推送前进；二十世纪世纪20年代开始使用闪光对焊方法焊接棒材和链条，至此电阻焊进入实用阶段，1956年，美国的琼斯发明超声波焊；苏联的丘季科夫发明摩擦焊；1959年，美国斯坦福研究所研究成功爆炸焊；50年代末苏联又制成真空扩散焊设备。

焊接技术是随着金属的应用而出现的，古代的焊接方法主要是铸焊、钎焊和锻焊，中国商朝制造的铁刃铜钺，就是铁与铜的铸焊件，其表面铜与铁的熔合线婉蜒曲折，接合良好，春秋战国时期曾侯乙墓中的建鼓铜座上有许多盘龙，是分段钎焊连接而成的，经分析，所用的与现代软钎料成分相近。