摩擦焊接介紹

摩擦焊的原理是什么，它是如何工作的？

 我們經常在寒冷的天氣里搓手，隨著搓手速度的加快，手會變得暖和起來。這是由于機械摩擦和您在摩擦過程中施加的力而發生的。想象一下，如果兩個金屬物體在向金屬物體施加壓力的情況下高速相互摩擦會發生什么。是的，你是對的; 它導致在界面處產生大量熱量。摩擦焊利用這種熱量在界面處鍛造兩種金屬的接頭（聚結），所使用的壓力取決于要連接的金屬。這就是摩擦焊的原理。

 摩擦焊是固態焊接，因為當兩種金屬都處于固態時就會發生焊接。由于摩擦焊接不涉及熔化，因此焊接接頭可以更好地描述為“鍛焊”。因此，您可以將摩擦焊接 (FRW) 定義為一種固態焊接過程，焊接是在壓力下進行的，并使用摩擦產生的熱量。

 摩擦焊的主要先決條件之一是要接合的工件必須具有方形且機加工光滑的表面。當我們用肉眼看到加工過的表面時，它看起來很光滑，但實際上，光滑的表面包含非常微小的凸起，這些凸起稱為凹凸不平。當兩個金屬工件相對運動（摩擦）時，界面處的凹凸相互作用，產生摩擦（由于相對運動的阻力）。界面處的凹凸不平之間的相互作用產生摩擦熱。產生的熱量導致金屬軟化（塑性狀態）。當處于軟化狀態時，施加在工件金屬上的軸向壓力會混合金屬以形成結合或焊接。

 FRW工藝的工藝參數

 此過程具有三個因素或參數：

1. 旋轉或往復速度：旋轉或往復速度取決于要焊接的金屬和界面處的接觸面積。
2. 壓力：施加在工件上的壓力量（在初始和精加工階段）取決于移動工件的速度、金屬類型和工件金屬的橫截面積。
3. 焊接時間：焊接時間取決于移動工件的速度、金屬類型、施加的壓力以及工件金屬的橫截面積。

 摩擦焊的種類

 有不同的 FRW 工藝，每一種工藝都不同。但是基本的工作原理和要求還是一樣的，下面解釋一下。

 應準備好兩種工件金屬，使其具有光滑的方形表面。工件安裝在機器上，一個是靜止的，一個是運動的（運動可以是旋轉的，也可以是往復的）。移動的工件高速旋轉或往復運動。開始時，兩個工件在界面處接觸，在這個階段，對工件施加一點壓力。這通過拋光作用清潔界面表面。

 現在，靜止工件上的壓力增加，它被推向旋轉或往復運動的工件。這導致在界面（接觸面）處產生高摩擦熱。這一直持續到達到塑性形成狀態。當接觸面發生塑性成形時，旋轉或往復運動停止，工件受壓直至形成焊縫。如果需要，可以增加壓力。

 不同類型的摩擦焊接工藝是：

1.旋轉摩擦焊。

2.慣性摩擦焊。

3.線性摩擦焊接 (LFW)。

 1. 旋轉摩擦焊（RFW）

如上圖所述，旋轉摩擦焊接通常是通過將工件金屬安裝在水平軸上來完成的。但是，也可以有機器在垂直軸上執行此操作。旋轉 FRW 發生在以下步驟：

• 一個工件金屬固定在卡盤或夾頭中，并以恒定的高速旋轉。將提供從驅動電機上脫離卡盤的規定。
• 第二個工件金屬被牢固地固定住，機器可以將這個工件移向旋轉的工件并施加軸向壓力。
• 最初，對工件施加低接觸壓力，使它們接觸并通過拋光清潔表面。
• 壓力增大，兩個工件的界面產生摩擦熱。
• 一旦產生的熱量足以進行FRW，則停止工件的旋轉運動，保持或增加壓力以完成焊接。
• 在界面（接合面）處形成鍛造接頭，一部分軟化的金屬擠出形成毛邊。閃光燈可以被加工掉。
• 在整個摩擦焊接過程中，兩個工件必須保持在同一軸線上。
• 通過控制焊接參數可以最大限度地減少飛邊。

摩擦焊已用于焊接直徑達 100 毫米或更大的鋼筋和外徑達 100 毫米的管道。旋轉式FRW用于焊接銅鋁電氣連接件、渦輪軸、活塞桿、汽車軸、刀具等，工件一般為圓形截面。然而，工件之一可能具有不同的橫截面。

可以目視檢查摩擦焊。焊接時會在工件外圍形成飛邊，飛邊的多少取決于焊縫金屬和焊接參數。從接頭處直接伸出的閃光可能表示非常高的速度或較低的壓力，或較短的焊接時間。從焊接接頭向后卷曲的毛邊表明焊接時間非常長，焊接壓力非常高。

2.慣性FRW


慣性焊接是旋轉式FRW的一種改進或變種，其工藝與旋轉式FRW相似，只是做了一個改動?？ūP（夾緊旋轉工件）安裝在帶有飛輪的軸上。飛輪隨卡盤和旋轉工件一起旋轉，并且有一個裝置可以使飛輪與電機脫離。慣性 FRW 發生在以下步驟：

• 一種工件金屬固定在卡盤中并以恒定的高速旋轉。飛輪安裝在卡盤后面（在同一軸上）。
• 第二個工件金屬被牢固地固定住，機器可以將這個工件移向旋轉的工件并施加軸向壓力。
• 靜止工件與可旋轉工件接觸?？尚D工件開始旋轉，當達到指定速度時，飛輪與電機脫離。
• 飛輪（因此是旋轉的工件）由于存儲在其中的機械能而繼續旋轉。
• 壓力增大，在兩個工件的界面處產生摩擦熱。產生的熱量足以進行摩擦焊接，保持或增加壓力以完成焊接。
• 在界面（接合面）處形成鍛造接頭，一部分軟化的金屬擠出形成毛邊。閃光燈可以被加工掉。
• FRW 在飛輪停止時完成。
• 在這個過程中，飛輪中儲存的動能（旋轉能）轉化為摩擦熱。
• 慣性焊接所需的條件可以標準化，輕松復制；因此慣性焊接達到的質量具有一致性。慣性焊接可以自動化。

 由于加熱和冷卻時間短，慣性焊接的熱影響區（HAZ）很窄。所有這些都使慣性焊接成為首選工藝。慣性焊接的關鍵因素是飛輪質量、轉速和施加的軸向壓力。

 慣性FRW的優點

1. 減少循環時間。
2. 非常好的一致性。
3. 重復性。
4. 異種金屬的焊接可以節省成本，因為使用的昂貴金屬的數量會更少。

 慣性 FRW 的限制

1. 焊接金屬在 FRW 溫度下應具有延展性。
2. 只能對焊。

3.線性摩擦焊（LFW）

直線摩擦焊機可以是立式或臥式結構。線性 FRW 類似于旋轉 FRW，可以通過以下步驟進行解釋：

• 一個工件金屬牢固地固定在夾具中，可以移向另一個工件，并提供施加壓力的措施。第二個工件金屬安裝在夾具中，并具有快速的往復運動。
• 靜止和往復運動的工件相互接觸，并在界面處開始相互摩擦。這種摩擦作用去除了界面（接合面）處的污染物。
• 工件上的壓力增加，由于快速往復運動和壓力，在界面處產生足夠的摩擦熱。
• 停止工件的往復運動，繼續加壓（或必要時增加），直到工件被鍛焊。

 LFW 工藝通常用于連接金屬，但甚至塑料和木材也已使用此工藝連接。

 LFW的應用

• 刀片集成磁盤（刀片和磁盤由單件組成）或 BLISKS，簡而言之，可以使用 LFW 工藝制造。葉片可以通過使用線性 FRW 工藝與磁盤連接或集成。
• LFW 工藝用于連接飛機結構部件的金屬。
• 在上述FRW工藝中，兩個工件的長度會由于燒掉而在壓力方向上縮短，并且這種金屬以飛邊的形式從界面中出來。任何與飛邊和焊接接頭一起出現的氧化物、外來顆粒和污染物都是純金屬。兩種工件金屬將變得非常熱且塑性變形，但在整個 FRW 過程中仍保持固態。

 摩擦焊的變化

 FRW 的不同變體是：

1. 徑向摩擦焊。
2. 軌道摩擦焊。
3. 摩擦面。
4. 攪拌摩擦焊。

1.徑向FRW

 徑向摩擦焊 (RFW) 是摩擦焊的一種變體，用于連接兩個長管。在傳統的摩擦焊接中，需要將一根管子旋轉到一般的摩擦熱。然而，在 RFW 中，兩個管道都保持靜止。每根管子的一端準備好進行全深度 V 型槽對接焊或 3/4 深度。V型槽對焊。兩個管段牢固地相互對接，并將一個實心斜面環推到 V 形槽準備上。遵循的技術是：

高速旋轉斜面環并在環上施加徑向壓力。為防止焊接接頭塌陷和焊縫金屬沖入管孔，可在焊接接頭處插入實心或可塌陷的心軸（插入管中）。旋轉的實心斜面環與兩管的界面因摩擦熱而塑性變軟，徑向力將實心環推入V型槽中，焊接完成。

2. 軌道FRW

 軌道摩擦焊與旋轉摩擦焊工藝相似；然而，在這個過程中，兩個工件以相同的速度向同一方向旋轉，但它們的軸是偏移的（大約 3 毫米）。兩個工件在壓力下接觸。

 當產生足夠的摩擦熱且接合面為塑料時。軟狀態，工件的旋轉運動停止，工件被帶到同一軸（機器的公共軸）。通過保持相同的壓力或必要時增加壓力來摩擦焊接工件。

 軌道焊接方法可用于旋轉和線性摩擦焊接。軌道摩擦焊有助于焊接非圓形工件。

 3.摩擦堆焊

 摩擦堆焊過程是摩擦焊接的一個分支，使用該過程，可以在母材（基材）上涂覆所需材料的涂層。在這里，一根涂層材料棒與母材接觸并以高速和高壓旋轉。由于摩擦熱，涂層金屬轉變為塑性狀態并涂覆在基體金屬上。（涂層材料的）棒沿著基底金屬表面移動并涂覆所需的區域。

 注意：這些摩擦焊變體可能仍處于開發階段，尚未商業化。

4. 攪拌摩擦焊

 攪拌摩擦焊 (FSW) 是 FRW 工藝的一種變體；FSW發展的原因解釋如下：

 一些鋁及其合金（2024、7050 和 7075）由于具有脆性樹枝狀結構和微孔以及較差的機械和疲勞性能，因此難以通過摩擦焊工藝進行焊接。所述金屬還遭受熔池中合金元素的損失和熱影響區的強度損失。為了克服這些問題，焊接鋁合金的方法之一是攪拌焊（其他方法有電子束焊接和激光束焊接）。

攪拌摩擦焊 (FSW) 使用非消耗性工具來產生摩擦熱和焊接。高速旋轉的非消耗性刀具插入兩個工件金屬的界面。旋轉刀具運動通過界面，工件金屬界面處產生的摩擦熱使它們在界面處塑性和柔軟。旋轉工具將兩種金屬混合并形成焊接接頭。

 攪拌摩擦點焊 (FSSW)是攪拌摩擦焊的一種應用，此處非消耗性旋轉工具插入為搭接接頭設置的兩個工件金屬中并進行點焊。一旦在一個位置完成點焊，它可以移動到下一個位置。

 FSW工藝參數：

• 轉速。
• 行駛速度。
• 肩部輪廓。
• 引腳配置文件。
• 銷和肩的相對尺寸。
• 銷和肩的材料。
• 插入角度。
• 預熱/冷卻。
• 插入深度。

 攪拌摩擦焊 (FSW) 的優點：

• 固態焊接工藝。低熱量輸入。
• 一般用于20XX、70XX及類似鋁合金的焊接。
• 可以實現細晶粒再結晶組織焊縫。
• 化學成分無重大變化。
• 更低的功耗。
• 它可用于多種金屬。
• 提高較厚部分（超過 10 毫米）的生產率。
• 可用于管道的直焊和環縫（對接）焊。
• 無飛邊焊縫。
• 該過程可以自動化。

 攪拌摩擦焊 (FSW) 的局限性：

• 在焊接過程中需要堅固和剛性的夾具來固定工件。
• 創建端孔（正在開發以消除此問題）。
• 該工藝不能進行填充焊。
• 該過程需要復雜的設備，不便于攜帶，并且需要自動化。

 攪拌摩擦焊（FSW）的應用：

• 航天工程——機翼、低溫油箱、飛機機身或結構、航空油箱。
• 海洋工程 - 地板、甲板板、船體、其他結構、制冷設備和其他框架。
• 鐵路-鐵路油罐車、高速列車客車、貨車和集裝箱車身。
• 汽車工程——底盤和車身、輪輞、自行車和摩托車車架、油箱、裝甲車身等。
• 其他行業——橋梁建設、電力化工反應堆、空調、食品罐頭、母線等。

攪拌摩擦焊與熔焊的比較：

攪拌摩擦焊與熔焊的比較：
	摩擦焊	熔焊
1	焊縫外觀
	光滑的	不那么光滑或粗糙
2	工件變形
	非常少（可以忽略不計）	有時非常重要。
3	消耗品和保護氣體
	不需要。	必需的。
4	環保？
	是的	不
5	熱輻射和有害煙霧？
	不	是的
6	設備成本
	高的	對于大多數熔焊工藝，低到中等。
7	耐腐蝕
	好的	不如摩擦焊好
8	焊接成本
	中等	高的
9	焊工安全
	焊機不會暴露在熱輻射和有害煙霧中。	焊工暴露在熱輻射和有害煙霧中。

摩擦焊接過程中使用的設備或機器

 摩擦焊設備取決于您的需要。如果您只需要小批量的摩擦焊零件，那么您可以考慮使用車間中的一臺舊機器進行摩擦焊?？紤]一下您的舊車床；它有一個旋轉夾頭或夾頭，用于夾持旋轉工件。另一個工件可以固定在尾座中。對于小直徑棒材（小于10mm）的摩擦焊，可以通過手動轉動尾座手輪來施加軸向壓力。您的車床可以隨時停止旋轉運動。

 對于中等尺寸（直徑）的桿，您可能需要制作一個特殊的夾具并將其安裝在尾座的位置。這種特殊的夾具將有一個裝置，可以牢固地固定靜止的工件，并通過液壓將其移向旋轉的工件?？赡Σ梁腹ぜ淖畲笾睆饺Q于車床的尺寸和剛性。同樣，銑床也可用于摩擦焊接。

 注意：在車床或銑床上進行摩擦焊之前，請研究您的機器狀況，與在機器上工作的操作員討論，然后確定您可以安全地摩擦焊的最大直徑是多少。

 如果您有CNC立式加工中心，您可以與機器制造商討論是否可以安全地用于攪拌摩擦焊而不影響其精度。但是，對于生產要求較高，并且要求始終如一的質量和生產率的制造商，市場上有專用的摩擦焊機。下面對其中一些進行簡要說明。

 CNC控制的旋轉FRW機器。

 機器左側有驅動裝置和夾頭，用于安裝旋轉工件。機器右側有自定心夾具，用于牢牢固定不旋轉的工件。非旋轉工件將移向旋轉工件。

 該機器具有CNC（計算機數字控制）系統，可以將程序輸入其中。該機器具有施加液壓的裝置。該機器具有伺服電機、滾珠絲杠等所有高科技功能。該機器具有內置單元，可在電阻焊完成后立即進行閃光處理?？梢杂袡C械手來自動裝卸工件。干凈的工件從機器中出來，經過適當的摩擦焊接和飛邊去除。

可接合的異種金屬有鋼與不銹鋼、銅與不銹鋼、鋁與不銹鋼、鋁與銅、鋁與鋁、銅與銅。這些機器可以具有 8 至 125 噸的名義鍛造載荷。焊接能力范圍從 4 毫米直徑到 14??5 毫米直徑（為了規范，考慮的材料是低碳鋼）。

 制造商可以制造具有特殊功能的機器，例如雙主軸旋轉摩擦焊接機，可以同時將工件 1 和工件 3 摩擦焊接到中心夾緊的工件 2。

 攪拌摩擦焊（FSW）機

 如果您的生產要求非常高，您可以選擇專用的 CNC 控制的 FSW 機器。CNC FSW 機器看起來像一個立式加工中心，工作原理類似，唯一的例外是它是焊接而不是加工。

 還有另一種選擇。如果您已經擁有立式加工中心（3、4 或 5 軸），您可以探索并選擇適用于您的 CNC 機床的攪拌摩擦焊頭。這將使您能夠改用加工頭并使用加工中心進行加工，或改用 FSW 頭并使用加工中心進行攪拌摩擦焊。

 直線摩擦焊機

 直線摩擦焊機的結構可以是臥式或立式。該機器的特點可以與旋轉摩擦焊機相似，只是其中一個工件是往復運動而不是旋轉運動。

 摩擦焊的強度有多大？

 在大多數摩擦焊接工藝中，焊縫的強度將等于或大于被焊接的兩種工件金屬中較弱者的強度。必須遵守指定的焊接參數以實現強度的一致性。

 人們對摩擦焊件進行了拉伸、彎曲等各種試驗，發現零件的失效發生在母材而不是摩擦焊縫。這有力地支持了我們最初的陳述，“焊縫的強度將等于或大于被焊接的兩種工件金屬中較弱的強度。”

 摩擦焊用于焊接兩種韌性金屬或一種韌性金屬與硬化金屬或其他組合。兩種韌性金屬焊接形成的焊接接頭和韌性金屬與硬質金屬焊接形成的焊接接頭不會具有相同的強度。

 摩擦焊工藝的優缺點

 好處：

• 摩擦焊不需要填充金屬、焊劑和保護氣體。
• 該過程是環保的，因為它不會產生有害的輻射、氣體和煙霧。
• 摩擦焊接發生在固態，沒有熔池。
• 形成的氧化物可以在焊接后去除。
• 該過程具有狹窄的熱影響區。
• 在大多數焊縫中，焊縫的強度將等于或大于被焊接的兩種工件金屬中較弱者的強度。
• 摩擦焊接可以自動化進行批量生產。
• 這是一個有效且相對較快的過程。
• 所需的設備最少，可以焊接多種延性金屬及其組合。
• 可以通過修改現有車床或銑床在內部創建設置；然而，需要專用設備來保證質量穩定和快速生產。

 限制：

• 不可鍛造（非延展性）金屬不能進行摩擦焊接。該過程要求兩種工件金屬之一在熱時具有延展性以允許塑性變形。
• 工件表面的準備及其對齊對于產生均勻的摩擦和加熱至關重要，尤其是對于直徑小于 50 毫米的工件。一個工件高速旋轉，另一個工件靜止，它們必須充分對齊。
• 用于更高生產率和更多加工能力的專用專用摩擦焊接設備和工具將是昂貴的。
• 焊接缺陷難以糾正。
• 設備不便攜。

 FRW的應用

 摩擦焊接零件用于各種工程行業，即。航空航天、農業、汽車、石油和煉油廠、國防、海洋、造船等。

• 摩擦焊接的不同汽車零件有齒輪、軸管、驅動零件、減震器、液壓活塞桿、襯套等。
• 摩擦焊在電氣工業中廣泛用于連接鋁和銅。
• 摩擦焊接不銹鋼零件用于海洋工程、家用泵、化學和食品加工業用泵等。
• 很多時候，昂貴的鍛件和鑄件可以用摩擦焊接組件代替。

結束語

 與熔焊工藝不同，摩擦焊是焊接工藝的最新補充。摩擦焊是固態焊接，環保。目前有許多摩擦焊接工藝正在開發中。所有這些都使摩擦焊成為未來的焊接工藝。