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，金屬狀態和性能發生變化的過程。連續驅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生塑性變形和機械挖掘現象。塑性變形破壞了摩擦表面金屬晶粒,成為一個晶細小的變形層。沿變形層附近的母材也順摩擦方向產生塑性變形。金屬相互壓人部分挖掘,使摩擦表面出現同心圓痕跡,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增大，摩擦加熱功率迅速提高，扭矩也出現一個峰值。
• 焊接表面溫度繼續升高時，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定值。這一過程中，摩擦表面的機械挖掘現象減少，振動降低，表面逐漸平整，開始產生金屬的粘結現象。高溫塑性狀態的金屬顆粒互相焊合后，又被工件旋轉的扭力矩剪斷，并彼此過渡。
• 摩擦功率或扭矩穩定后，摩擦表面的溫度繼續升高，這時金屬的粘結現象減少，分子作用現象增強。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，摩擦系數很小，各工藝參數的變化也趨于穩定，只有摩擦變形量不斷增大，飛邊增大，接頭的熱影響區增寬。
• 主軸和工件開始停車減速后，隨著軸向壓力增大，轉速降低，摩擦扭矩增大，再次出現峰值，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。
• 主軸停止旋轉后，頂鍛力仍要維持一段時間，直至接頭溫度冷卻到規定值為止。

　　　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、粘結和分子作用四種摩擦現象連續發生。

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。摩擦焊的發熱、變形和擴散現象主要都集中在變形層中，穩定摩擦時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的金屬所補充，始終處于動平衡狀態。在制動和頂鍛焊接過程中，摩擦表面的變形層和高溫區金屬被部分擠碎排出，焊縫金屬經受鍛造，形成了質量良好的焊接接頭。

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變成熱能的發熱層。由于它的溫度最高，能量集中，又產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范參數，還受到焊接工件材料、形狀、尺寸和焊接表面準備情況的影響。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，這對保證焊接質量和提高焊接過程的穩定性起了很大作用。不同材料和直徑的工件，在不同轉速和摩擦壓力下焊接時，摩擦焊接表面的穩定溫度列于下表（這里我們主要討論應用最廣泛的結構鋼連續驅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金屬更新,可以防止焊口金屬的繼續氧化。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量。