西安石油大学：《材料科学与工程》课程教学资源（讲义）摩擦焊设备及工艺综合实验指导书.pdf

摩擦焊设备及工艺综合实验一、实验目的（1）了解摩擦焊机主要组成部分、工作程序：（2）加深对摩擦焊焊接过程的认识；（3）了解摩擦焊工艺参数及其对焊接质量的影响；（4）学习和初步掌握摩擦焊机的操作。二、实验原理2.1摩擦焊定义和分类摩擦焊是利用被焊焊件接触端面相对摩擦运动产生的热量来实现材料可靠连接的一种压力焊方法。其焊接过程是在压力作用下，相对运动的待焊材料之间产生摩擦，使界面及其附件温度升高并达到热塑性状态，随着顶锻力的作用界面氧化膜破碎，材料发生塑性变形与流动，通过界面元素扩散及再结晶冶金反应而形成焊接接头。摩擦焊的方法很多，一般根据焊件的相对运动和工艺特点进行分类。实际生产中，连续驱动摩擦焊、相位控制摩擦焊、惯性摩擦焊和搅拌摩擦焊应用的比较普遍。通常所说的摩擦焊主要是指连续驱动摩擦焊、相位控制摩擦焊、惯性摩擦焊和轨道摩擦焊，统称为传统摩擦焊，它们共同的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等，是靠搅拌头与待焊件之间的相对摩擦运动产生热量而实现焊接。摩擦焊特别适合焊接圆形截面的对接焊缝，不适于焊接非圆截面工件、盘状及薄壁管件。摩擦焊具有生产率高、质量稳定、节省材料、成本低、焊接尺寸精度高、生产条件及环境好和特别适于异种材料焊接、易实现机械化和自动化等特点，在汽车、石油、纺织、电力、航空等领域中得到广泛的应用。2.2连续驱动摩擦焊工作原理本次实验所用设备是连续驱动摩擦焊机，其特点是在焊接过程中工件被主轴电机连续驱动，以恒定的转速旋转。2.2.1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。如图1所示。遵进（较块）(a)二道选（性）一送遇（检）牛大(d)(a）焊接准备；(b)摩擦加热开始：(c)摩擦加热终了；(d)顶锻焊接图1连续驱动摩擦焊示意图对于直径为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2所示。从图2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

摩擦焊设备及工艺综合实验一、实验目的（1）了解摩擦焊机主要组成部分、工作程序；（2）加深对摩擦焊焊接过程的认识；（3）了解摩擦焊工艺参数及其对焊接质量的影响；（4）学习和初步掌握摩擦焊机的操作。二、实验原理 2.1摩擦焊定义和分类摩擦焊是利用被焊焊件接触端面相对摩擦运动产生的热量来实现材料可靠连接的一种压力焊方法。其焊接过程是在压力作用下，相对运动的待焊材料之间产生摩擦，使界面及其附件温度升高并达到热塑性状态，随着顶锻力的作用界面氧化膜破碎，材料发生塑性变形与流动，通过界面元素扩散及再结晶冶金反应而形成焊接接头。摩擦焊的方法很多，一般根据焊件的相对运动和工艺特点进行分类。实际生产中，连续驱动摩擦焊、相位控制摩擦焊、惯性摩擦焊和搅拌摩擦焊应用的比较普遍。通常所说的摩擦焊主要是指连续驱动摩擦焊、相位控制摩擦焊、惯性摩擦焊和轨道摩擦焊，统称为传统摩擦焊，它们共同的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等，是靠搅拌头与待焊件之间的相对摩擦运动产生热量而实现焊接。摩擦焊特别适合焊接圆形截面的对接焊缝，不适于焊接非圆截面工件、盘状及薄壁管件。摩擦焊具有生产率高、质量稳定、节省材料、成本低、焊接尺寸精度高、生产条件及环境好和特别适于异种材料焊接、易实现机械化和自动化等特点，在汽车、石油、纺织、电力、航空等领域中得到广泛的应用。 2.2连续驱动摩擦焊工作原理本次实验所用设备是连续驱动摩擦焊机，其特点是在焊接过程中工件被主轴电机连续驱动，以恒定的转速旋转。 2.2.1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。如图1所示。 (a）焊接准备；(b)摩擦加热开始；(c)摩擦加热终了；(d)顶锻焊接图1 连续驱动摩擦焊示意图对于直径为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2所示。从图2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

2500c(PmaxPu2001500aP/1000AI500A0.20.30.40.50.60.10.70.80.91.0tis12In-工作转速：P摩擦压力；P.-顶锻压力：AL摩擦变形量：AL-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-实际摩擦时间；tu-实际顶锻时间图2摩擦焊接过程参量变化示意图（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，到摩擦加热功率显著增大的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200～300℃左右。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时间很短，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。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，而强度和韧性都显著下降，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℃升高到1200～1300℃，而功率峰值出现在600～700℃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，其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2的f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1300℃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。此外，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2可知，实际的摩擦加热时间从a点开始，到g点结束，即tf=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，实质上还是属手摩

n-工作转速；P f -摩擦压力；P u -顶锻压力；ΔIf -摩擦变形量；ΔI u -顶锻变形量； P-摩擦加热功率；P max -摩擦加热功率峰值；t-时间；t f -摩擦时间；t h -实际摩擦时间；t u -实际顶锻时间图2 摩擦焊接过程参量变化示意图（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，到摩擦加热功率显著增大的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200～300℃左右。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时间很短，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。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，而强度和韧性都显著下降，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℃升高到1200～1300℃，而功率峰值出现在600～700℃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，其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2的ƒ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1300℃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。此外，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2可知，实际的摩擦加热时间从a点开始，到g点结束，即tƒ＝ t1+t2+t3+t4。尽管顶锻压力从ƒ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△If和顶锻变形量△lu。在实际计算时，摩擦变形速度一般采用平均摩擦变形速度（△if/tf），顶锻变形速度也采用其平均值（△lu/（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。2.2.2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，分布如图3。P图3摩擦加热功率分布图（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。2.3摩擦焊设备C-4A-1型摩擦焊机是一种用于进行连续驱动摩擦焊的设备。利用被焊工件间的相对运动同时施加适当的轴向压力PM（摩擦压力）进行摩擦而产生的热量使工件接触面附近产生高温塑区，当温度达到焊接温度时，使工件间相对转动迅速停止，同时将轴向压力达到PD（顶锻压力）并适当保压一段时间使两工件牢固的焊接在一起。适用于铜铝接头的焊接。2.3.1主要技术参数焊机主要参数见表1。表1C-4A-1摩擦焊机主要参数序号项目名称C-4A-1140KN最大顶锻力2主轴摩擦转速2500r/min08~014棒料（碳素钢）3焊接工件直径范围管料@8@124旋转夹具装夹工件长度50-270mm5移动夹具装夹工件长度100~370mm

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△Iƒ和顶锻变形量△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（△Iƒ/tƒ），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。 2.2.2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，分布如图3。图3 摩擦加热功率分布图（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。 2.3 摩擦焊设备 C-4A-1型摩擦焊机是一种用于进行连续驱动摩擦焊的设备。利用被焊工件间的相对运动同时施加适当的轴向压力PM（摩擦压力）进行摩擦而产生的热量使工件接触面附近产生高温塑区，当温度达到焊接温度时，使工件间相对转动迅速停止，同时将轴向压力达到PD（顶锻压力）并适当保压一段时间使两工件牢固的焊接在一起。适用于铜铝接头的焊接。 2.3.1主要技术参数焊机主要参数见表1。表1 C-4A-1摩擦焊机主要参数序号项目名称 C-4A-1 1 最大顶锻力 40KN 2 主轴摩擦转速 2500r/min 3 焊接工件直径范围棒料（碳素钢） Φ8~Φ14 管料 Φ8~Φ12 4 旋转夹具装夹工件长度 50-270mm 5 移动夹具装夹工件长度 100~370mm