摩擦焊原理简介.docx

连续驱动摩擦焊基本原理1 .焊接过程连续驱动摩擦焊接时，通常将待焊工件两端分别固定在旋转夹具和移动夹具内， 工件被夹紧后，位于滑台上的移动夹具随滑台一起向旋转端移动， 移动至一定距 离后，旋转端工件开始旋转，工件接触后开始摩擦加热此后，则可进行不同的 控制，如时间控制或摩擦缩短量（又称摩擦变形量）控制当达到设定值时，旋 转停止，顶锻开始，通常施加较大的顶锻力并维持一段时间，然后，旋转夹具松 开，滑台后退，当滑台退到原位置时，移动夹具松开，取出工件，至此，焊接过 程结束对于直径为16mm的45号钢，在2000r/min转速、8.6MPa摩擦压力、0.7s摩擦 时间和161MPa的顶锻压力下，整个摩擦焊接过程如图 10所示从图中可知， 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 摩擦加热过程又可以分成四个阶段，即初始摩擦、不稳定摩擦、稳定摩擦和停车阶段顶 锻焊接过程也可以分为纯顶锻和顶锻维持两个阶段1）初始摩擦阶段（t1） 此阶段是从两个工件开始接触的 a点起，到摩擦加 热功率显着增大的b点止摩擦开始时，由于工件待焊接表面不平，以及存在氧 化膜、铁锈、油脂、灰尘和吸附气体等，使得摩擦系数很大。

随着摩擦压力的逐 渐增大，摩擦加热功率也慢慢增加，最后摩擦焊接表面温度将升到 200〜300c左右0在初始摩擦阶段，由于两个待焊工件表面互相作用着较大的摩擦压力和具有很高 的相对运动速度，使凸凹不平的表面迅速产生塑性变形和机械挖掘现象 塑性变形破坏了界面的金属晶粒，形成一个晶粒细小的变形层，变形层附近的母材也沿 摩擦方向产生塑性变形金属互相压入部分的挖掘，使摩擦界面出现同心圆痕迹， 这样又增大了塑性变形因摩擦表面不平，接触不连续，以及温度升高等原因， 使摩擦表面产生振动，此时空气可能进入摩擦表面，使高温下的金属氧化但由 于t1时间很知，摩擦表面的塑性变形和机械挖掘又可以破坏氧化膜，因此，对 接头的影响不大当焊件断面为实心圆时，其中心的相对旋转速度为零，外缘速 度最大，此时焊接表面金属处于弹性接触状态， 温度沿径向分布不均匀，摩擦压 力在焊接表面上呈双曲线分布，中心压力最大，外缘最小在压力和速度的综合 影响下，摩擦表面的加热往往从距圆心半径 2/3左右的地方首先开始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着增大的 b点起，越过功率峰值c点，到功率稳定值的 d点为止。

由于摩擦压力较初始摩擦阶段增大，相对摩擦破坏了焊接金属表面， 使纯净的金属直接接触随着摩擦焊接表面的温度升高，金属的强度有所降低， 而塑性和韧性却有很大的提高，增大了摩擦焊接表面的实际接触面积 这些因素都使材料的摩擦系数增大，摩擦加热功率迅速提高当摩擦焊接表面的温度继续 增高时，金属的塑性增高，而强度和韧性都显着下降，摩擦加热功率也迅速降低 到稳定值d点因此，摩擦焊接的加热功率和摩擦扭矩都在 c点呈现出最大值 在45号钢的不稳定摩擦阶段，待焊表面的温度由 200〜300 c升高至IJ 1200〜1300C,而功率峰值出现在 600〜700c左右这时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局部 金属表面互相焊合后，又被工件旋转的扭力矩剪断，并彼此过渡随着摩擦过程 的进行，接触良好的塑性金属封闭了整个摩擦面，并使之与空气隔开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，具范围从摩擦加热功率稳定值的d点起，到接头形成最佳温度分布的e点为止，这里的 e点也是焊机主轴开始停车的时间点 （可称为e'点），也是顶锻压力开始上升的 点（图10的？点）以及顶锻变形量的开始点。

在稳定摩擦阶段中，工件摩擦表面 的温度继续升高，并达到1300c左右这时金属的粘结现象减少，分子作用现 象增强稳定摩擦阶段的金属强度极低，塑性很大，摩擦系数很小，摩擦加热功 率也基本上稳定在一个很低的数值止匕外，其它连接参数的变化也趋于稳定，只 有摩擦变形量不断增大，变形层金属在摩擦扭矩的轴向压力作用下， 从摩擦表面 挤出形成飞边，同时，界面附近的高温金属不断补充，始终处于动平衡状态，只 是接头的飞边不断增大，接头的热影响区变宽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始停车减速的 e'点起，到主轴停止转动的g点止从图 10可知，实际的摩擦加热时间从a点开始，至ij g点结束，即t? = t1+t2+t3+t4尽 管顶锻压力从？点施加，但由于工件并未完全停止旋转，所以 g'点以前的压力， 实质上还是属于摩擦压力顶锻开始后，随着轴向压力的增大，转速降低，摩擦 扭矩增大，并再次出现峰值，此值称为后峰值扭矩同时，在顶锻力的作用下， 接头中的高温金属被大量挤出，工件的变形量也增大因此，停车阶段是摩擦焊 接的重要过程，直接影响接头的焊接质量，要严格控制。

5）纯顶锻阶段（t5） 从主轴停止旋转的g（或g'）点起，到顶锻压力上升至 最大位的h点止在这个阶段中，应施加足够大的顶锻压力，精确控制顶锻变形 量和顶锻速度，以保证获得优异的焊接质量6）顶锻维持阶段（t6） 该阶段从顶锻压力的最高点 h开始，到接头温度冷 却到低于规定值为止在实际焊接控制和自动摩擦焊机的程序设计时， 应精密控 制该阶段的时间tu （tu = t3+t4）在顶锻维持阶段，顶锻时间、顶锻压力和顶锻 速度应相互配合，以获得合适的摩擦变形量△ I呼口顶锻变形量△ Iu在实际计算 时，摩擦变形速度一般采用平均摩擦变形速度（△ I?/t?）,顶锻变形速度也采用 其平均值〔△ Iu/ (t4+t5)〕总之，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、粘接和分子连接的过程变化，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，焊缝金属经受锻造，形成了质量良好的焊接接头2 .摩擦焊接产热摩擦焊接过程中，两工件摩擦表面的金属质点，在摩擦压力和摩擦扭矩的作用下， 沿工件径向与切向力的合成方向作相对高速摩擦运动，在界面形成了塑性变形 层。

该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摩擦加热功率就是焊接热源的功率，它的计 算与分布如下：对圆形的焊接工件，假设沿摩擦表面半径方向的摩擦压力 p百口摩擦系数以为常 数为了求出功率分布，在摩擦表面上取一半径为 r的圆环，该环的宽度为 dr(图11),其面积为dA,则dA = 2：trdr,则作用在圆环上的摩擦力为dF=p?N dA = 2：t p?^ rdr (4)以点为圆心的摩擦扭矩为dM = rdF=2：tp?Nr2dr (5)圆环上的摩擦加热功率为dP^1.02dMX10-3n(6)摩擦加热功率沿接合面半径 R方向上的分布dP/dr如图11所示加热功率在圆 心处为零，在外边缘最大将式(5)、式(6)积分，可以得到摩擦焊接表面上总的摩擦扭矩和加热功率为M = 2 兀 p?仙 R3/3⑺P = 2X10-3Ttp?n^R3/3(8)式中 M——摩擦扭矩；P——摩擦加热功率；p? 摩擦压力；n——工件转速；小——摩擦系数；r 圆环半径；R——待焊工件半径。

实际上p? (r)不是常数，在初始摩擦阶段和不稳定摩擦阶段的前期，摩擦表面 还没有全面产生塑性变形，主要是弹性接触，摩擦压力在中心高，外圆低因此 沿摩擦焊接表面半径R的摩擦加热功率最大值不在外圆，而在距圆心 2/3R左右的地方，这一点不仅符合计算结果，也被试验所证实在稳定摩擦阶段，摩擦表 面全部产生塑性变形，成为塑性接触时， p? （r）才可以认为等于常数此外，小（r）在初始摩擦阶段和不稳定摩擦阶段也不是常数，由高温金属组成的高速 塑性变形层热源，在距圆心1/2〜1/3半径处形成环状加热带，随着摩擦加热的进 行，环状加热带向圆心和外圆迅速展开， 当进入稳定摩擦阶段时，摩擦表面的温 度才趋于平衡，此时可以认为 小（r）是常数摩擦表面上总的加热热量为式中 Q——接合面总的摩擦加热热量；t——摩擦时间；to——摩擦加热开始时间（设to=0）;tn——实际摩擦加热时间； k 常数2）摩擦焊接表面温度 摩擦焊接表面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其加热面的温度由摩擦加热功率和 散热条件所决定在焊接圆断面工件时，摩擦焊接热源被认为是一个线性传播的连续均布的面状热 源。

如果不考虑向周围空间的散热，根据雷卡林的焊接热过程计算公式， 同种金 属摩擦焊接表面的温度为式中 T（O,t）——摩擦焊接表面温度（表面热源中心，t是摩擦加热时间）；q2——单位面积上的加热热量；入——焊件热导率；c——焊件热容在式（10）中，如果选定焊接所需要的温度为 Tw,热源温度升高到Tw所需要 的摩擦加热时间为t?',则该式可以写成t? ' q22 = c 兀 入 T2w = 常 数（11）从式（11）可以看出，当Tw和t?'确定以后，能够计算出q2的数值，并可以 根据q2的要求选择焊接参数式（10）和式（11）适合于计算以稳定摩擦阶段 为主的摩擦加热过程实际上，不论何种材料的摩擦焊接，摩擦表面的最高温度是有限制的，不能超过 焊件材料的熔点，止匕外，在采用式（10）和式（11）进行运算时，还应该考虑到 摩擦焊接表面温度与加热功率之间的内在联系、相互制约及摩擦加热功率随摩擦 时间变化的特殊规律 。