摩擦焊接工作原理

摩擦焊接是一種鍛造焊接過程。在壓力作用下，兩個(gè)管件表面之間發(fā)生摩擦，摩擦力產(chǎn)生熱量形成焊縫。兩個(gè)表面之間的相對運(yùn)動(dòng)或摩擦要持續(xù)進(jìn)行，直到產(chǎn)生足夠的熱量為止。之后，停止摩擦，兩部分便在足夠的作用力下鍛接在一起，形成焊縫。在大多數(shù)應(yīng)用場合下，都是對管件圓周或圓柱狀零部件進(jìn)行焊接，相對運(yùn)動(dòng)容易產(chǎn)生摩擦。有兩種不同的摩擦焊接方式，其不同點(diǎn)是將能量傳入該系統(tǒng)的途徑不同:有連續(xù)驅(qū)動(dòng)方式，或利用儲(chǔ)存的慣性能量進(jìn)行方式。

傳統(tǒng)的摩擦焊方法的不足之處是，對不能旋轉(zhuǎn)的零部件不能夠?qū)嵤┖附?。管體可能有18m那么長，為了使摩擦焊接法能夠用于管道焊接，開發(fā)出一種新的改型。這種新的改型與傳統(tǒng)的摩擦焊接方法的主要區(qū)別是:在剛性圓環(huán)形成過程中，采用不同的填充材料。焊接圓環(huán)被放置在兩根管子之間，在軸向壓力下旋轉(zhuǎn)焊接圓環(huán)，即可產(chǎn)生所需要的摩擦力和與之相關(guān)的熱量。當(dāng)兩部分組件相互接觸時(shí)，在旋轉(zhuǎn)的焊接圓環(huán)與兩根管子之間的摩擦便可使接觸區(qū)的溫度升高，直至達(dá)到相互鍛接的溫度為止。在此瞬間，焊接環(huán)的旋轉(zhuǎn)很快停止，軸向壓力隨之升高到最終的鍛接壓力。鍛接壓力可借助爆炸力(液動(dòng)或氣動(dòng))來施加。

摩擦焊接

把要對接的兩個(gè)熱塑性塑料制品的待接表面相互接觸旋轉(zhuǎn)，而使其相繼發(fā)生摩擦生熱，接合面受熱熔化，以致在壓力下結(jié)為整體的一種焊接法。

摩擦焊接不僅可用于塑料制品焊接，還可以用于鋼-鋼，鋼-鋁，銅-鋁等不同表面的焊接，而這些是普通焊接很難做到的。摩擦焊接速度很快，每個(gè)工件只需要幾秒，而普通焊接需要數(shù)倍的時(shí)間。而且摩擦焊接不產(chǎn)生電焊煙塵和錳、鎳等對人體有害的職業(yè)病危害因素。摩擦焊接的強(qiáng)度也很大，有時(shí)甚至比材料本身的強(qiáng)度還要大，也就是當(dāng)外力用力拉扯時(shí)，首先斷裂的是沒有焊接的材料本身而不是焊接點(diǎn)。

摩擦焊接的起源可追溯到公元1891年，當(dāng)時(shí)美國批準(zhǔn)了這種焊接方法的第一個(gè)專利。該專利是利用摩擦熱來連接鋼纜。隨后德國、英國、前蘇聯(lián)、日本等國家先后開展了摩擦焊接的生產(chǎn)與應(yīng)用。我國早在1957年就通過封閉加壓原理實(shí)驗(yàn)成功了鋁-銅摩擦焊。經(jīng)過50多年的發(fā)展，摩擦焊接以其優(yōu)質(zhì)、精密、高效、節(jié)能的特色，在航空、航天、核能、海洋開發(fā)等高技術(shù)領(lǐng)域及電力、機(jī)械制造、石油鉆探、汽車制造等產(chǎn)業(yè)部門都得到了廣泛的應(yīng)用。

摩擦焊接過程包括四個(gè)階段

1、將焊接工件近焊接環(huán);

2、使焊接工件與填充環(huán)接觸，并使焊接環(huán)開始旋轉(zhuǎn);

3、軸向壓力開始上升，從而使溫度升高，直至達(dá)到鍛造溫度;

4、焊接環(huán)停止旋轉(zhuǎn)并施以最后的鍛造力。

第二個(gè)階段為干摩擦階段，此時(shí)使焊接組件在最初的低壓下開始接觸，以清理端面，使之達(dá)到預(yù)熱程度，并在第三個(gè)階段開始之前減小摩擦系數(shù)。本階段需要持續(xù)一段時(shí)間。因?yàn)榇藭r(shí)摩擦系數(shù)頗大，故需頗大的功率來旋轉(zhuǎn)焊接圓環(huán)。

第三階段壓力開始升高，焊接組件之間的摩擦加大。施焊材料變得脆弱并呈現(xiàn) - 流淌 - 狀態(tài)，即形成 - 燒化 - 的現(xiàn)象。材料的 - 熔化 - 使污物從焊縫界面上清除掉。，當(dāng)預(yù)先設(shè)置的短管到達(dá)限定的位置時(shí)，本階段的工作結(jié)束，旋轉(zhuǎn)應(yīng)盡可能快的停止。

第四個(gè)階段即最后一個(gè)階段，壓力會(huì)上升到足以使焊接組件達(dá)到能鍛接在一起的程度。由于沒有熱輸入，該階段可對接合件進(jìn)行附加的機(jī)械加工，以促進(jìn)顯微組織的進(jìn)一步精細(xì)化?？山柚簤焊谆驓鈩?dòng)錘沖擊管端的方式施加鍛造壓力。本階段一旦結(jié)束，焊接過程便宣告完成，便可將焊接工件立即拆卸。

第1章 緒論1

1.1 攪拌摩擦焊接原理1

1.2 攪拌摩擦焊接特點(diǎn)1

1.3 接頭形式及焊接材料3

1.4 攪拌摩擦焊接專利許可與授權(quán)6

1.5 攪拌摩擦焊接技術(shù)應(yīng)用8

1.5.1 攪拌摩擦焊接技術(shù)在造船業(yè)的應(yīng)用8

1.5.2 攪拌摩擦焊接技術(shù)在鐵道車輛制造上的應(yīng)用10

1.5.3 攪拌摩擦焊接技術(shù)在飛機(jī)制造業(yè)的應(yīng)用11

1.5.4 攪拌摩擦焊接技術(shù)在航天制造業(yè)的應(yīng)用14

1.5.5 攪拌摩擦焊接技術(shù)在其他工業(yè)方面的應(yīng)用17

1.6 攪拌摩擦焊接技術(shù)的常用術(shù)語18

1.7 小結(jié)19

第2章 攪拌頭與攪拌摩擦焊接設(shè)備20

2.1 攪拌頭的研制與開發(fā)20

2.1.1 攪拌頭的構(gòu)成20

2.1.2 攪拌頭材料選擇21

2.1.3 攪拌頭形狀設(shè)計(jì)28

2.1.4 工程用常見攪拌頭37

2.1.5 攪拌頭的改進(jìn)措施39

2.2 攪拌摩擦焊接設(shè)備40

2.2.1 攪拌摩擦焊接設(shè)備分類40

2.2.2 攪拌摩擦焊接設(shè)備結(jié)構(gòu)43

2.2.3 常見攪拌摩擦焊接設(shè)備簡介53

2.3 小結(jié)59

第3章 鋁合金攪拌摩擦焊接工藝60

3.1 焊接工藝參數(shù)60

3.1.1 攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度60

3.1.2 焊接速度67

3.1.3 焊接壓力77

3.1.4 焊接線能量78

3.1.5 焊接扭矩和焊接能量83

3.2 影響焊接接頭性能的工程因素86

3.2.1 焊接間隙87

3.2.2 板厚差88

3.2.3 板材表面處理狀態(tài)90

3.2.4 攪拌頭偏移量91

3.3 理想的參數(shù)規(guī)范93

3.3.1 旋轉(zhuǎn)速度與焊接速度參數(shù)范圍93

3.3.2 焊接裝配范圍98

3.3.3 鋁合金常用焊接規(guī)范102

3.4 小結(jié)103

第4章 鋁合金攪拌摩擦焊接接頭組織及力學(xué)性能104

4.1 攪拌摩擦焊接接頭組織104

4.1.1 焊縫外觀形貌104

4.1.2 攪拌摩擦焊接接頭宏觀組織104

4.1.3 攪拌摩擦焊接接頭微觀組織109

4.2 鋁合金攪拌摩擦焊接接頭力學(xué)性能117

4.2.1 鋁合金攪拌摩擦焊接接頭性能優(yōu)勢117

4.2.2 常見攪拌摩擦焊接接頭力學(xué)性能119

4.2.3 接頭力學(xué)性能各層異性123

4.3 接頭顯微硬度127

4.3.1 典型鋁合金攪拌摩擦焊接接頭顯微硬度127

4.3.2 焊接工藝參數(shù)對接頭顯微硬度的影響133

4.3.3 接頭顯微硬度的各層異性134

4.4 接頭斷口分析137

4.5 小結(jié)144

第5章 攪拌摩擦焊接缺陷定義及分類145

5.1 表面缺陷145

5.1.1 飛邊145

5.1.2 匙孔147

5.1.3 表面下凹147

5.1.4 毛刺148

5.1.5 起皮150

5.1.6 背部粘連151

5.1.7 表面犁溝152

5.1.8 背部間隙153

5.2 內(nèi)部缺陷154

5.2.1 未焊透缺陷155

5.2.2 弱結(jié)合缺陷156

5.2.3 孔洞型缺陷158

5.2.4 結(jié)合面氧化物殘留162

5.3 攪拌摩擦焊接接頭缺陷產(chǎn)生機(jī)理163

5.4 小結(jié)167

第6章 攪拌摩擦焊接接頭缺陷檢測技術(shù)168

6.1 剖切檢查169

6.2 X射線無損檢測169

6.2.1 X射線無損檢測原理169

6.2.2 X射線無損檢測特點(diǎn)171

6.2.3 X射線無損檢測實(shí)例172

6.3 超聲波反射法無損檢測173

6.3.1 常規(guī)超聲波檢測及實(shí)例173

6.3.2 變角度超聲波無損檢測及實(shí)例177

6.3.3 超聲波檢測特點(diǎn)181

6.4 相控陣超聲波無損檢測181

6.4.1 相控陣超聲波無損檢測與傳統(tǒng)超聲波檢測

技術(shù)的區(qū)別182

6.4.2 相控陣超聲波無損檢測技術(shù)的基本原理183

6.4.3 相控陣超聲波聲束掃描模式184

6.4.4 相控陣超聲波無損檢測技術(shù)特點(diǎn)186

6.4.5 相控陣超聲波無損檢測設(shè)備187

6.4.6 相控陣超聲波無損檢測技術(shù)應(yīng)用實(shí)例188

6.5 小結(jié)191

第7章 攪拌摩擦焊接接頭缺陷修補(bǔ)技術(shù)192

7.1 攪拌摩擦補(bǔ)焊192

7.2 摩擦塞補(bǔ)焊194

7.2.1 摩擦塞補(bǔ)焊原理194

7.2.2 摩擦塞補(bǔ)焊分類196

7.2.3 摩擦塞補(bǔ)焊工藝197

7.2.4 摩擦塞補(bǔ)焊接頭組織206

7.2.5 摩擦塞補(bǔ)焊在攪拌摩擦焊接接頭缺陷修補(bǔ)

中的應(yīng)用209

7.2.6 摩擦塞補(bǔ)焊缺陷與防止措施211

7.3 小結(jié)214

第8章 攪拌摩擦焊接溫度場215

8.1 攪拌摩擦焊接溫度場檢測216

8.1.1 焊接材料種類對溫度場的影響216

8.1.2 焊接材料厚度對溫度場的影響219

8.1.3 工藝參數(shù)對溫度場的影響222

8.2 攪拌摩擦焊接過程溫度場數(shù)值模擬222

8.2.1 不考慮攪拌針產(chǎn)熱的熱源模型223

8.2.2 考慮攪拌針產(chǎn)熱的熱源模型226

8.3 小結(jié)240

第9章 攪拌摩擦焊縫金屬流動(dòng)試驗(yàn)及數(shù)值模擬241

9.1 焊縫金屬流動(dòng)試驗(yàn)241

9.1.1 異種材料焊接241

9.1.2 急停技術(shù)244

9.1.3 嵌入標(biāo)記材料245

9.1.4 典型鋁合金攪拌摩擦焊縫金屬流動(dòng)實(shí)例250

9.2 攪拌摩擦焊縫金屬流動(dòng)數(shù)值模擬258

9.2.1 數(shù)值模擬簡介258

9.2.2 典型鋁合金攪拌摩擦焊縫金屬流動(dòng)數(shù)值模擬262

9.3 小結(jié)266

第10章 攪拌摩擦焊接技術(shù)的發(fā)展267

10.1 高熔點(diǎn)金屬的攪拌摩擦焊接技術(shù)267

10.1.1 攪拌頭材料選擇268

10.1.2 攪拌頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)272

10.1.3 焊接設(shè)備要求275

10.1.4 典型高熔點(diǎn)金屬攪拌摩擦焊接275

10.2 復(fù)合熱源攪拌摩擦焊接技術(shù)284

10.2.1 以激光為輔助熱源的復(fù)合攪拌摩擦焊接技術(shù)284

10.2.2 以等離子弧為輔助熱源的復(fù)合攪拌摩擦焊接技術(shù)286

10.3 攪拌摩擦點(diǎn)焊288

10.3.1 攪拌摩擦點(diǎn)焊的基本原理289

10.3.2 攪拌摩擦點(diǎn)焊特點(diǎn)292

10.3.3 攪拌摩擦點(diǎn)焊工藝294

10.3.4 攪拌摩擦點(diǎn)焊焊接設(shè)備306

10.3.5 攪拌摩擦點(diǎn)焊技術(shù)的應(yīng)用310

10.4 小結(jié)312

參考文獻(xiàn)313