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（二）摩擦焊加热功率及其温度
摩擦焊的热源：金属摩擦表面上高速摩擦形成的塑性变形层产生。 塑性变形层—摩擦焊接过程中，两工件摩擦表面的金属质点， 在摩擦压力和摩擦转矩的作用下，沿焊件径向与切向力的合成方 向作相对高速摩擦运动，在界面形成的塑性变形层。 该塑性变形层是把摩擦的机械功转变成热能的发热层，它的 温度高、能量集中，具有很高的加热效率。该变形层的温度就 是摩擦焊热源的温度。
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第五章 摩擦焊 教学目标： 1. 了解传统及新型摩擦焊接技术的原理、工 艺特点、分类及应用范围； 2. 能够制定焊接工艺，熟悉基本操作方法与 安全防护。
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第一节 摩擦焊概述
摩擦焊（Frictim Welding，简称FW）-- 是利用焊 件接触的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。 摩擦焊以其优质、高效、节能、无污染等优势受到制 造业的重视，特别是近年来开发出的搅拌摩擦焊、超塑性 摩擦焊等新技术，使其在航空航天、核能、海洋开发等技 术领域及电力、机械、石化。汽车制造等产业部门得到了 越来越广泛的应用。
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，其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。
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8.超塑性摩擦焊
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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，其焊接的示意图如图所示。低熔 点的第三种物质在轴向压力和扭矩作用 下，在接合面间隙中摩擦生热并产生塑 性变形。相对摩擦运动可以产生足够的 清理效果，因而不需要焊剂和保护气氛。 冷却后，第三体材料固化，从而把两个 部件锁定形成可靠接头。两侧部件一般 没有变形。由于第三体材料不熔化，避 免了熔焊过程伴随的一些凝固问题。这 种方法可提供很大的第三体横截面积， 以承受所需的轴向和扭转载荷。接头强 度可超过部件材料的抗拉强度。
焊件精度高、成本低
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摩擦焊 摩擦焊的优点：
机械化、自动化程度高
当给定焊接条件后，摩擦焊操作简单，对焊工的技艺水 平要求不高。
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焊机功率小、节能、无污染
和闪光焊相比，摩擦焊的电功率和能量节约5～10倍以 上。焊接时不产生烟雾、弧光以及有害气体等，不污 染环境。
摩擦焊的缺点：
机器制造业
汽车、拖拉机制造业
半轴、齿轮轴、汽车后桥轴头、排气阀、活塞杆、双金属轴 瓦等。
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。 轻工纺织机械中的小型轴类、辊类、管类零件焊接。 电工行业钢-铝接线端子焊接。
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第二节 传统摩擦焊的工艺与设备
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两焊件结合面之间在压力作用下高速相对摩擦产生的效果：
表面清理
破坏了接合面的氧化膜或其他污物，使纯净金属暴露出来 使接合面很快形成热塑性层。在随后的摩擦扭矩和轴向压力作用 下，这些破碎的氧化物和部分塑性层被挤出按合面外而形成飞边， 剩余的塑性变形金属就构成了焊缝金属，最后的顶锻使焊缝金属 获得进一步锻造，形成了质量良好的焊接接头。
摩擦生热
从焊接过程分析可以看出，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。
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摩擦焊 二、摩擦焊的分类及特点
（一）摩擦焊的分类 通常所说的摩擦焊主要 是指连续驱动摩擦焊、 惯性摩擦焊、相位控制 摩擦焊和轨道摩擦焊， 统称为传统摩擦焊，它 们的共同特点是靠两个 待焊件之间的相对摩擦 运动产生热能。而搅拌 摩擦焊、嵌入摩擦焊、 第三体摩擦焊和摩擦堆 焊，是靠搅拌工具与待 焊件之间的相对摩擦运 动产生热量而实现焊接。
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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关系，会 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。摩擦加热功率就是 焊接热源的功率。
圆形焊件采用连续驱动摩擦焊时，接合面的摩擦加热功率为：
式中 P---摩擦加热功率 ；K1---常数 ；Pf---摩擦压力（MPa） n---工件转速（r/min) ；μ---焊件金属接合面摩擦因数；R---焊件半径（mm）
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三、摩擦焊的应用
1.适用的材料
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刀具制造业
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钻头、立铣刀、丝锥、绞刀、拉刀等毛坯的焊接，通常是刀刃部（高 速钢）柄部（碳钢）之间的摩擦焊。 轴类零件、管子、螺杆、顶杆、拉杆、拨叉、机床与圆刀主轴、铣床 刀杆、地质钻杆、液压千斤顶、轴与法兰盘等。
一、传统摩擦焊的工艺过程 （一）传统摩擦焊焊接过程
摩 擦 加 热 过 程
初始摩擦阶段t1 塑性变形和 机械挖掘现象 不稳定摩擦阶段t2 金属粘接现象 稳定摩擦阶段t3 粘结现象减少， 分子作用现象增强 停车阶段t4
纯顶锻t5 顶锻维持t6
顶锻焊接过程
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n– 工作转速 Pf—摩擦压力 Pu—顶锻压力 ΔIf—摩擦变形量 ΔIu—顶锻变形量 P—摩擦加热功率 Pmax—摩擦加热功率峰值 t—时间 tf—摩擦时间 th—实际摩擦加热时间 tu--实际顶锻时间
设备复杂、一次性投资较大，只有适合大批量生产 摩擦焊接头有飞边
摩擦焊接头的飞边有时是多余并可能产生一定危害，要求 增加清除工序。
非圆形截面焊接较困难，对盘状薄零件和薄壁管件，由于不易夹固，施焊也比较困难 焊件截受功率限制
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受到焊机主轴电动机功率与压力的限制，目前摩擦焊焊件 最大截面积不超过 200cm2。
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摩擦焊 （三）摩擦焊的特点
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优点：
焊接质量好且稳定
焊接过程中，被焊材料不熔化，不产生与熔化和凝固有关的焊 接缺陷和接头区脆化现象，焊合区金属为锻造组织。焊接时间 短，热影响区窄，易于获得质量良好的焊接接头。 大多数同种和异种金属都可以进行摩擦焊，对常规熔焊方法难以 焊接的铝-钢、铝-铜、钛-铜、金属间化合物-钢等异种材料可以进 行焊接，能够焊接复合材料、功能材料、难熔合金等新型材料。
适焊材料范围广
焊接时间短、生产率高
摩擦焊的生产效率要比其他焊接方法高1～100倍，适合 于大批量生产。例如，发动机排气门双头自动摩擦焊机的 生产率可达 800 ～ 1200 件/h。对于外径Ф 127mm，内 径Ф 95 mm的石油钻杆与端头的焊接，采用连续驱动摩擦 焊，仅需要十几秒钟就能完成。
因焊接热循环引起的焊接变形小，焊后尺寸精度高，不需焊 后校形和消除应力。用摩擦焊生产的柴油发动机预燃烧室， 全长误差为±0.1mm；专用焊机可保证焊后的长度公差为 ± 0.2 mm，偏心度为 0.2 mm。由于摩擦焊省电能，接头 焊前不需特殊处理，焊接时不需要填充材料和保护气体，加 工成本显著降低。如载重汽车推进轴用摩擦焊代替CO2气体 保护焊，成本降低约30％。
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5.摩擦堆焊
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如图所示。堆焊时，堆焊金 属圆棒1以高速n1旋转，堆焊 件（母材）也同时以转速n2 旋转，在压力p的作用下圆棒 与母材摩擦产热。由于待堆 焊的母村体积大，导热性 好，冷却速度快，使堆焊金 属过渡到母材上，当母材相 对于堆焊金属圆棒转动或移 动时形成堆焊焊缝。
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7.嵌入式摩擦焊
嵌入式摩擦焊是利用摩擦 焊原理把相对较硬的材料 嵌入到较软的材料中，如 图所示。两个焊件之间相 对运动所产生的摩擦热在 软材料中产生局部塑性变 形，高温塑性材料流入预 先加工好的硬材料的凹区 中。拘束肩迫使高温塑性 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。
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（二）常规摩擦焊方法
பைடு நூலகம்1.连续驱动摩擦焊
是最常用的一种摩擦焊方 法，焊件由主轴电动机连续 驱动以恒定转速旋转，然后 施加轴向力使焊件间摩擦加 热，达到预定的摩擦时间或 轴向缩短量后，此时焊件的 连接部位处于高温塑性状态， 立即停止焊件的旋转，并施 加轴向顶锻压力。因此，连 续驱动摩擦焊一般有顶锻保 压阶段。
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在整个摩擦焊接过程中，待焊的金属表面经历了从低温到高温摩擦加热，连续发生 了塑性变形、机械挖掘、粘结和分子作用四种现象，形成了一个存在于全过程的高速摩 擦塑性变形层，摩擦焊接时的产热、变形和扩散现象都集中在变形层中。在稳定摩擦阶 段，变形层金属在摩擦转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。在停车阶段和顶锻焊接过程中，摩擦 表面的变形层和高温区金属被部分挤碎排出，焊缝金属经过锻造，形成了质量良好的焊 接接头。
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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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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。