摩擦焊接過程分析

一、焊接過程

　　　摩擦焊接過程，是焊接表面金屬在一定的空間和時間內(nèi)，金屬狀態(tài)和性能發(fā)生變化的過程。連續(xù)驅(qū)動摩擦焊特性曲線如圖，摩擦焊接過程的一個周期，可分成摩擦加熱過程和頂鍛焊接過程兩部分。

• 摩擦開始時,由于工件摩擦焊接表面不平,以及存在氧化膜、油銹、灰塵和吸附氣體使得摩擦系數(shù)很大，隨著摩擦壓力逐漸增大,摩擦加熱功率慢慢增加,使凹凸不平的表迅速產(chǎn)生塑性變形和機械挖掘現(xiàn)象。塑性變形破壞了摩擦表面金屬晶粒,成為一個晶細(xì)小的變形層。沿變形層附近的母材也順摩擦方向產(chǎn)生塑性變形。金屬相互壓人部分挖掘,使摩擦表面出現(xiàn)同心圓痕跡,這樣又增大了塑性變形。
• 摩擦壓力增大，摩擦破壞了焊接金屬表面，使純凈的金屬接觸，接觸面積也增大，而焊接表面溫度的升高，使金屬的強度有所下降，塑性和韌性卻有很大提高，這些因素都使摩擦系數(shù)增大，摩擦加熱功率迅速提高，扭矩也出現(xiàn)一個峰值。
• 焊接表面溫度繼續(xù)升高時，金屬的塑性增高，但強度和韌性都顯著下降，摩擦加熱功率也迅速降低到穩(wěn)定值。這一過程中，摩擦表面的機械挖掘現(xiàn)象減少，振動降低，表面逐漸平整，開始產(chǎn)生金屬的粘結(jié)現(xiàn)象。高溫塑性狀態(tài)的金屬顆粒互相焊合后，又被工件旋轉(zhuǎn)的扭力矩剪斷，并彼此過渡。
• 摩擦功率或扭矩穩(wěn)定后，摩擦表面的溫度繼續(xù)升高，這時金屬的粘結(jié)現(xiàn)象減少，分子作用現(xiàn)象增強。此時金屬強度極低，塑性很大，摩擦表面似乎被一層液體金屬所潤滑，摩擦系數(shù)很小，各工藝參數(shù)的變化也趨于穩(wěn)定，只有摩擦變形量不斷增大，飛邊增大，接頭的熱影響區(qū)增寬。
• 主軸和工件開始停車減速后，隨著軸向壓力增大，轉(zhuǎn)速降低，摩擦扭矩增大，再次出現(xiàn)峰值，稱為后峰值扭矩。同時接頭中的高溫金屬被大量擠出，變形量也增大。制動階段是摩擦加熱過程和頂鍛焊接過程的過渡階段，具有雙重特點。
• 主軸停止旋轉(zhuǎn)后，頂鍛力仍要維持一段時間，直至接頭溫度冷卻到規(guī)定值為止。

　　　總之，在摩擦焊接過程中，金屬摩擦表面從低溫到高溫變化，而表面的塑性變形、機械挖掘、粘結(jié)和分子作用四種摩擦現(xiàn)象連續(xù)發(fā)生。

在整個摩擦加熱過程中，摩擦表面上都存在著一個高速摩擦塑性變形層。摩擦焊的發(fā)熱、變形和擴(kuò)散現(xiàn)象主要都集中在變形層中，穩(wěn)定摩擦?xí)r變形層金屬在摩擦扭矩和軸向壓力的作用下，從摩擦表面擠出形成飛邊，同時又被附近高溫區(qū)的金屬所補充，始終處于動平衡狀態(tài)。在制動和頂鍛焊接過程中，摩擦表面的變形層和高溫區(qū)金屬被部分?jǐn)D碎排出，焊縫金屬經(jīng)受鍛造，形成了質(zhì)量良好的焊接接頭。

二、摩擦焊熱源的特點

　　　摩擦焊的熱源就是金屬摩擦焊接表面上的高速摩擦塑性變形層。它是以兩工件摩擦表面為中心的金屬質(zhì)點，在摩擦壓力和摩擦扭矩的作用下，沿工件徑向與切向力的合成方向做相對高速摩擦運動的塑性變形層。這個變形層是把摩擦的機械功率轉(zhuǎn)變成熱能的發(fā)熱層。由于它的溫度最高，能量集中，又產(chǎn)生在金屬的焊接表面，所以加熱效率很高。作為一個焊接熱源，主要參數(shù)是功率和溫度。

摩擦焊熱源的功率和溫度不僅取決于焊接工藝規(guī)范參數(shù)，還受到焊接工件材料、形狀、尺寸和焊接表面準(zhǔn)備情況的影響。摩擦焊熱源的最高溫度接近或等于焊接金屬的熔點。

異種金屬摩擦焊時，熱源溫度不超過低熔點金屬的熔點，這對保證焊接質(zhì)量和提高焊接過程的穩(wěn)定性起了很大作用。不同材料和直徑的工件，在不同轉(zhuǎn)速和摩擦壓力下焊接時，摩擦焊接表面的穩(wěn)定溫度列于下表（這里我們主要討論應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)鋼連續(xù)驅(qū)動摩擦焊的焊接過程及其熱源特點。）




試件編號	被焊材料	試件直徑/mm	轉(zhuǎn)速(rmin-2)	摩擦壓力MPa	被焊材料熔點/℃	實際表面溫度/℃
1	45	15	2000	10	1480	1130
2	45錮	80	1750	20	1480	1380
3	銅+鋁	10	2000	90	660	580
4	銅+鋁	10	2000	140	660	660
5	銅+鋁	10	3000	0	660	580
6	銅+鋁	10	3000	140	660	660
7	銅+鋁	10	3000	140	660	660
8	鋼+點	16	2000	24	1083	1030
9	鋼+	28	1750	16	1083	1080
10	鋼+	28	1750	24	1083	1080
I1	鋼+	28	1750	32	1083	1080







金屬焊接表面的摩擦不僅產(chǎn)生熱量，面且還能破壞和清除表面的氧化膜。變形層金屬的封閉、擠出和不斷被高溫區(qū)金屬更新,可以防止焊口金屬的繼續(xù)氧化。頂鍛焊接后,部分變形層金屬像填料一樣留在接頭中會影響焊接質(zhì)量。