摩擦焊定義

摩擦焊是利用焊件相對(duì)摩擦運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的熱量來實(shí)現(xiàn)材料可靠連接的一種壓力焊方法。其焊接過程是在壓力的作用下，相對(duì)運(yùn)動(dòng)的待焊材料之間產(chǎn)生摩擦，使界面及其附近溫度升高并達(dá)到熱塑性狀態(tài)，隨著頂鍛力的作用界面氧化膜破碎，材料發(fā)生塑性變形與流動(dòng)，通過界面元素?cái)U(kuò)散及再結(jié)晶冶金反應(yīng)而形成接頭。

摩擦焊原理

兩個(gè)圓斷面的金屬工件在摩擦焊前，分別夾持在可以旋轉(zhuǎn)的夾頭和能夠向前移動(dòng)加壓的夾頭上。焊接開始時(shí)，工件1高速旋轉(zhuǎn)，工件2向工件1方向移動(dòng)并接觸，施加足夠大的摩擦壓力，開始摩擦加熱過程。摩擦一段時(shí)間后，接頭金屬溫度達(dá)到焊接溫度，停止工件1的轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)工件2快速移動(dòng)施加頂鍛壓力，使其產(chǎn)生頂鍛變形，完成焊接。

摩擦焊分類

摩擦焊的方法很多，一般根據(jù)焊件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和工藝特點(diǎn)進(jìn)行分類，主要方法包括：

• 連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊
• 相位控制摩擦焊
• 慣性摩擦焊
• 攪拌摩擦焊
• 嵌入摩擦焊
• 第三體摩擦焊
• 摩擦堆焊

連續(xù)摩擦焊

在摩擦壓力的作用下，被焊界面相互接觸，通過相對(duì)運(yùn)動(dòng)摩擦，使機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽媚Σ翢崛コ缑娴难趸?，在頂鍛力的作用下形成可靠接頭。這是一種普通類型的摩擦焊，在焊接過程中，工件被主軸電機(jī)連續(xù)驅(qū)動(dòng)，以恒定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，直至達(dá)到規(guī)定的摩擦?xí)r間或摩擦變形量，工件才立即停止旋轉(zhuǎn)和頂鍛焊接。

慣性摩擦焊

工件的旋轉(zhuǎn)端被夾持在飛輪里，焊接過程開始時(shí)將飛輪和工件的旋轉(zhuǎn)端加速到一定轉(zhuǎn)速，然后飛輪與主電機(jī)脫開，工件移動(dòng)端向前移動(dòng)開始摩擦加熱。飛輪受摩擦扭矩的制動(dòng)作用，轉(zhuǎn)速逐漸降低，當(dāng)轉(zhuǎn)速為零時(shí)焊接過程結(jié)束。

相位摩擦焊

主要用于相對(duì)位置有要求的工件，如六方鋼、八方鋼、汽車操縱桿等，要求焊后棱邊對(duì)齊、方向?qū)φ蛳辔粷M足要求。主要方法有：

• 機(jī)械同步相位摩擦焊
• 插銷配合摩擦焊
• 同步驅(qū)動(dòng)摩擦焊

徑向摩擦焊

待焊的管子開有坡口，管內(nèi)套有芯棒，裝上帶有斜面的旋轉(zhuǎn)圓環(huán)，焊接時(shí)圓環(huán)旋轉(zhuǎn)并向兩個(gè)管子施加徑向摩擦壓力，摩擦加熱結(jié)束后施加頂鍛壓力。

摩擦堆焊

堆焊金屬圓棒高速旋轉(zhuǎn)，并向母材金屬施加摩擦壓力。由于母材體積大，導(dǎo)熱好，冷卻速度快。使摩擦表面從堆焊金屬和母材的交界面移向堆焊金屬一邊。同時(shí)堆焊金屬凝結(jié)過渡到母材上形成堆焊焊肉。當(dāng)母材相對(duì)于堆焊金屬棒轉(zhuǎn)動(dòng)或者移動(dòng)時(shí)，在母材上就會(huì)形成堆焊焊縫。

線性摩擦焊

待焊的兩個(gè)工件一個(gè)固定，另一個(gè)以一定的速度作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，或兩個(gè)工件作相對(duì)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在壓力的作用下兩工件的界面摩擦產(chǎn)生熱量，從而實(shí)現(xiàn)焊接。

攪拌摩擦焊

將一個(gè)耐高溫硬質(zhì)材料制成的一定形狀的攪拌針旋轉(zhuǎn)深入到兩被焊材料連接的邊緣處，攪拌頭調(diào)整旋轉(zhuǎn)，在兩焊件連接邊緣產(chǎn)生大量的摩擦熱，從而在連接處產(chǎn)生金屬塑性軟化區(qū)，該塑性軟化區(qū)在攪拌頭的作用下受到攪拌、擠壓，并隨著攪拌頭的旋轉(zhuǎn)沿焊縫向后流動(dòng)，形成塑性金屬流，并在攪拌頭離開后的冷卻過程中，受到擠壓而形成固相焊接接頭。

軌道摩擦焊

軌道摩擦焊是一種新發(fā)展起來的焊接方法，主要用于焊接非圓斷面工件。直線軌道摩擦焊工件沿直線軌道，以一定的振幅和頻率保證振動(dòng)速度達(dá)到要求的數(shù)值，使焊接表面做相對(duì)的反復(fù)振動(dòng)摩擦。圓形軌道摩擦焊工件的每個(gè)質(zhì)點(diǎn)以相同的半徑和轉(zhuǎn)速，沿圓形軌道使焊接表面做相對(duì)的移動(dòng)摩擦。當(dāng)接頭加熱到焊接溫度以后，就停止工件的摩擦運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行頂焊。

摩擦焊焊接工藝

工藝特點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn):

1. 焊接施工時(shí)間短，生產(chǎn)效率高。
2. 焊接變形小，焊后尺寸精度高。
3. 機(jī)械化、自動(dòng)化程度高，焊接質(zhì)量穩(wěn)定。
4. 適合各類異種材料的焊接，對(duì)常規(guī)熔化下不能焊接的鋁-鋼、鋁-銅、鈦-銅、金屬間化合物-鋼等都可以進(jìn)行焊接。
5. 可以實(shí)現(xiàn)同直徑、不同直徑的棒材和管材焊接。
6. 焊接時(shí)不產(chǎn)生煙霧、弧光及有害氣體，不污染環(huán)境。

缺點(diǎn):

1.對(duì)非圓形截面焊接較困難，所需設(shè)備復(fù)雜；對(duì)盤狀薄零件和薄壁管件，由于不易夾固，焊接也比較困難。
2.對(duì)形狀及組裝位置已經(jīng)確定的構(gòu)件，很難實(shí)現(xiàn)摩擦焊接。
3.接頭容易產(chǎn)生飛邊，必須焊后進(jìn)行機(jī)械加工。
4.夾緊部位容易產(chǎn)生劃傷或夾持痕跡

摩擦焊接過程

摩擦焊接作為一種高效的固態(tài)連接技術(shù)，其核心在于利用摩擦熱與機(jī)械力實(shí)現(xiàn)材料的冶金結(jié)合。整個(gè)工藝始于工件的精準(zhǔn)固定——通常一側(cè)的工件被夾具牢牢固定，另一側(cè)則與旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置相連，確保兩者接觸面清潔平整。啟動(dòng)設(shè)備后，旋轉(zhuǎn)工件在軸向壓力下與靜止件緊密接觸，高速摩擦瞬間在界面產(chǎn)生高溫，熱量迅速滲透至材料內(nèi)部，使其達(dá)到塑性狀態(tài)。這一過程中，摩擦不僅破碎了表面的氧化層，更促使金屬晶格發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，形成流動(dòng)的軟化層。當(dāng)溫度累積至臨界點(diǎn)時(shí)，設(shè)備果斷停止旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)而施加更大的頂鍛壓力，此時(shí)軟化材料如同被鍛造般擠壓融合，微觀層面的原子擴(kuò)散與晶界遷移徹底消除了接合面的缺陷，形成致密無瑕的焊接接頭。冷卻定型后的焊件幾乎無變形，其強(qiáng)度甚至可超越母材。

常見的摩擦焊設(shè)備

傳統(tǒng)摩擦焊設(shè)備

傳統(tǒng)摩擦焊設(shè)備通過機(jī)械驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與高精度壓力控制機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)固態(tài)連接，其核心由主軸動(dòng)力模塊、液壓加壓裝置及智能控制系統(tǒng)構(gòu)成。設(shè)備采用模塊化設(shè)計(jì)，可靈活適配軸類、管類及異形工件的裝夾需求，在汽車制造領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件的高效焊接，軍工領(lǐng)域則依托實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)完成高強(qiáng)度合金材料的可靠連接。相較于傳統(tǒng)熔焊工藝，該設(shè)備在能耗控制與接頭質(zhì)量方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，配合多傳感器融合技術(shù)，可滿足航空航天、軌道交通等行業(yè)對(duì)精密焊接的嚴(yán)苛要求，成為大批量工業(yè)化生產(chǎn)的核心裝備。

攪拌摩擦焊設(shè)備

攪拌摩擦焊設(shè)備（FSW）是基于固態(tài)連接原理開發(fā)的先進(jìn)焊接裝備，其核心創(chuàng)新在于采用特制攪拌頭實(shí)現(xiàn)材料的塑性流動(dòng)與冶金結(jié)合。設(shè)備主要由高剛性機(jī)身、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、精密控溫模塊及三維力位傳感單元構(gòu)成，通過攪拌針與軸肩的協(xié)同作用，在無需熔化的條件下完成鋁合金、鎂合金等高熔點(diǎn)材料的無縫連接。相較于傳統(tǒng)摩擦焊，該技術(shù)顯著提升薄板焊接質(zhì)量，在航空航天領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)蒙皮-骨架一體化成型，并廣泛應(yīng)用于新能源汽車電池托盤制造，焊縫強(qiáng)度可達(dá)母材的95%以上。最新設(shè)備集成視覺引導(dǎo)與自適應(yīng)控制算法，可動(dòng)態(tài)調(diào)整焊接參數(shù)，成功突破異種材料（如鋁/銅、鋁/鋼）的連接技術(shù)瓶頸。