摩擦焊设备及工艺综合实验

一、实验目的

   （1）了解摩擦焊机主要组成部分、工作程序；

   （2）加深对摩擦焊焊接过程的认识；

   （3）了解摩擦焊工艺参数及其对焊接质量的影响；

   （4）学习和初步掌握摩擦焊机的操作。

二、实验原理

2.1摩擦焊定义和分类

摩擦焊是利用被焊焊件接触端面相对摩擦运动产生的热量来实现材料可靠连接的一种压力焊方法。其焊接过程是在压力作用下，相对运动的待焊材料之间产生摩擦，使界面及其附件温度升高并达到热塑性状态，随着顶锻力的作用界面氧化膜破碎，材料发生塑性变形与流动，通过界面元素扩散及再结晶冶金反应而形成焊接接头。

摩擦焊的方法很多，一般根据焊件的相对运动和工艺特点进行分类。实际生产中，连续驱动摩擦焊、相位控制摩擦焊、惯性摩擦焊和搅拌摩擦焊应用的比较普遍。

通常所说的摩擦焊主要是指连续驱动摩擦焊、相位控制摩擦焊、惯性摩擦焊和轨道摩擦焊，统称为传统摩擦焊，它们共同的特点是靠两个待焊件之间的相对摩擦运动产生热能，而搅拌摩擦焊、嵌入摩擦焊、第三体摩擦焊和摩擦堆焊等，是靠搅拌头与待焊件之间的相对摩擦运动产生热量而实现焊接。

摩擦焊特别适合焊接圆形截面的对接焊缝，不适于焊接非圆截面工件、盘状及薄壁管件。摩擦焊具有生产率高、质量稳定、节省材料、成本低、焊接尺寸精度高、生产条件及环境好和特别适于异种材料焊接、易实现机械化和自动化等特点，在汽车、石油、纺织、电力、航空等领域中得到广泛的应用。

2.2连续驱动摩擦焊工作原理

本次实验所用设备是连续驱动摩擦焊机，其特点是在焊接过程中工件被主轴电机连续驱动，以恒定的转速旋转。

    2.2.1焊接过程

    连续驱动摩擦焊接时，通常将待焊工件两端分别固定在旋转夹具和移动夹具内，工件被夹紧后，位于滑台上的移动夹具随滑台一起向旋转端移动，移动至一定距离后，旋转端工件开始旋转，工件接触后开始摩擦加热。此后，则可进行不同的控制，如时间控制或摩擦缩短量（又称摩擦变形量）控制。当达到设定值时，旋转停止，顶锻开始，通常施加较大的顶锻力并维持一段时间，然后，旋转夹具松开，滑台后退，当滑台退到原位置时，移动夹具松开，取出工件，至此，焊接过程结束。如图1所示。

 

(a）焊接准备；(b)摩擦加热开始；(c)摩擦加热终了；(d)顶锻焊接

图1  连续驱动摩擦焊示意图

    对于直径为16mm的45号钢，在2000r/min转速、8.6MPa摩擦压力、0.7s摩擦时间和161MPa的顶锻压力下，整个摩擦焊接过程如图2所示。从图2中可知，摩擦焊接过程的一个周期可分成摩擦加热过程和顶锻焊接过程两部分。摩擦加热过程又可以分成四个阶段，即初始摩擦、不稳定摩擦、稳定摩擦和停车阶段。顶锻焊接过程也可以分为纯顶锻和顶锻维持两个阶段。

n-工作转速；P_f-摩擦压力；P_u-顶锻压力；ΔI_f-摩擦变形量；ΔI_u-顶锻变形量；

P-摩擦加热功率；P_max-摩擦加热功率峰值；t-时间；t_f-摩擦时间；t_h-实际摩擦时间；t_u-实际顶锻时间

图2  摩擦焊接过程参量变化示意图

（1）初始摩擦阶段（t1）  此阶段是从两个工件开始接触的a点起，到摩擦加热功率显著增大的b点止。摩擦开始时，由于工件待焊接表面不平，以及存在氧化膜、铁锈、油脂、灰尘和吸附气体等，使得摩擦系数很大。随着摩擦压力的逐渐增大，摩擦加热功率也慢慢增加，最后摩擦焊接表面温度将升到200～300℃左右。

    在初始摩擦阶段，由于两个待焊工件表面互相作用着较大的摩擦压力和具有很高的相对运动速度，使凸凹不平的表面迅速产生塑性变形和机械挖掘现象。塑性变形破坏了界面的金属晶粒，形成一个晶粒细小的变形层，变形层附近的母材也沿摩擦方向产生塑性变形。金属互相压入部分的挖掘，使摩擦界面出现同心圆痕迹，这样又增大了塑性变形。因摩擦表面不平，接触不连续，以及温度升高等原因，使摩擦表面产生振动，此时空气可能进入摩擦表面，使高温下的金属氧化。但由于t1时间很短，摩擦表面的塑性变形和机械挖掘又可以破坏氧化膜，因此，对接头的影响不大。当焊件断面为实心圆时，其中心的相对旋转速度为零，外缘速度最大，此时焊接表面金属处于弹性接触状态，温度沿径向分布不均匀，摩擦压力在焊接表面上呈双曲线分布，中心压力最大，外缘最小。在压力和速度的综合影响下，摩擦表面的加热往往从距圆心半径2/3左右的地方首先开始。

（2）不稳定摩擦阶段（t2）  不稳定摩擦阶段是摩擦加热过程的一个主要阶段，该阶段从摩擦加热功率显著增大的b点起，越过功率峰值c点，到功率稳定值的d点为止。由于摩擦压力较初始摩擦阶段增大，相对摩擦破坏了焊接金属表面，使纯净的金属直接接触。随着摩擦焊接表面的温度升高，金属的强度有所降低，而塑性和韧性却有很大的提高，增大了摩擦焊接表面的实际接触面积。这些因素都使材料的摩擦系数增大，摩擦加热功率迅速提高。当摩擦焊接表面的温度继续增高时，金属的塑性增高，而强度和韧性都显著下降，摩擦加热功率也迅速降低到稳定值d点。因此，摩擦焊接的加热功率和摩擦扭矩都在c点呈现出最大值。在45号钢的不稳定摩擦阶段，待焊表面的温度由200～300℃升高到1200～1300℃，而功率峰值出现在600～700℃左右。这时摩擦表面的机械挖掘现象减少，振动降低，表面逐渐平整，开始产生金属的粘结现象。高温塑性状态的局部金属表面互相焊合后，又被工件旋转的扭力矩剪断，并彼此过渡。随着摩擦过程的进行，接触良好的塑性金属封闭了整个摩擦面，并使之与空气隔开。

（3）稳定摩擦阶段（t3）  稳定摩擦阶段是摩擦加热过程的主要阶段，其范围从摩擦加热功率稳定值的d点起，到接头形成最佳温度分布的e点为止，这里的e点也是焊机主轴开始停车的时间点（可称为e′点），也是顶锻压力开始上升的点（图2的ƒ点）以及顶锻变形量的开始点。在稳定摩擦阶段中，工件摩擦表面的温度继续升高，并达到1300℃左右。这时金属的粘结现象减少，分子作用现象增强。稳定摩擦阶段的金属强度极低，塑性很大，摩擦系数很小，摩擦加热功率也基本上稳定在一个很低的数值。此外，其它连接参数的变化也趋于稳定，只有摩擦变形量不断增大，变形层金属在摩擦扭矩的轴向压力作用下，从摩擦表面挤出形成飞边，同时，界面附近的高温金属不断补充，始终处于动平衡状态，只是接头的飞边不断增大，接头的热影响区变宽。

（4）停车阶段（t4）  停车阶段是摩擦加热过程至顶锻焊接过程的过渡阶段，是从主轴和工件一起开始停车减速的e′点起，到主轴停止转动的g点止。从图2可知，实际的摩擦加热时间从a点开始，到g点结束，即tƒ＝t1+t2+t3+t4。尽管顶锻压力从ƒ点施加，但由于工件并未完全停止旋转，所以g′点以前的压力，实质上还是属于摩擦压力。顶锻开始后，随着轴向压力的增大，转速降低，摩擦扭矩增大，并再次出现峰值，此值称为后峰值扭矩。同时，在顶锻力的作用下，接头中的高温金属被大量挤出，工件的变形量也增大。因此，停车阶段是摩擦焊接的重要过程，直接影响接头的焊接质量，要严格控制。

（5）纯顶锻阶段（t5）  从主轴停止旋转的g(或g′)点起，到顶锻压力上升至最大位的h点止。在这个阶段中，应施加足够大的顶锻压力，精确控制顶锻变形量和顶锻速度，以保证获得优异的焊接质量。

（6）顶锻维持阶段（t6）  该阶段从顶锻压力的最高点h开始，到接头温度冷却到低于规定值为止。在实际焊接控制和自动摩擦焊机的程序设计时，应精密控制该阶段的时间tu（tu＝t3+t4）。在顶锻维持阶段，顶锻时间、顶锻压力和顶锻速度应相互配合，以获得合适的摩擦变形量△Iƒ和顶锻变形量△Iu。在实际计算时，摩擦变形速度一般采用平均摩擦变形速度（△Iƒ/tƒ），顶锻变形速度也采用其平均值〔△Iu/（t4+t5）〕。

     总之，在整个摩擦焊接过程中，待焊的金属表面经历了从低温到高温摩擦加热，连续发生了塑性变形、机械挖掘、粘接和分子连接的过程变化，形成了一个存在于全过程的高速摩擦塑性变形层，摩擦焊接时的产热、变形和扩散现象都集中在变形层中。在停车阶段和顶锻焊接过程中，摩擦表面的变形层和高温区金属被部分挤碎排出，焊缝金属经受锻造，形成了质量良好的焊接接头。

2.2.2摩擦焊接产热

    摩擦焊接过程中，两工件摩擦表面的金属质点，在摩擦压力和摩擦扭矩的作用下，沿工件径向与切向力的合成方向作相对高速摩擦运动，在界面形成了塑性变形层。该变形层是把摩擦的机械功转变成热能的发热层，它的温度高、能量集中，具有很高的加热效率。

（1）摩擦加热功率  摩擦加热功率的大小及其随摩擦时间的变化，决定了焊接温度及其温度场的分布，直接影响接头的加热过程、焊接生产率和焊接质量，同时也关系到摩擦焊机的设计与制造。摩擦加热功率就是焊接热源的功率，分布如图3。

图3  摩擦加热功率分布图

（2）摩擦焊接表面温度  摩擦焊接表面的温度会直接影响接头的加热温度、温度分布、摩擦系数、接头金属的变形与扩散。其加热面的温度由摩擦加热功率和散热条件所决定。

2.3  摩擦焊设备

C-4A-1型摩擦焊机是一种用于进行连续驱动摩擦焊的设备。利用被焊工件间的相对运动同时施加适当的轴向压力PM（摩擦压力）进行摩擦而产生的热量使工件接触面附近产生高温塑区，当温度达到焊接温度时，使工件间相对转动迅速停止，同时将轴向压力达到PD（顶锻压力）并适当保压一段时间使两工件牢固的焊接在一起。适用于铜铝接头的焊接。

2.3.1主要技术参数

焊机主要参数见表1。

表1  C-4A-1摩擦焊机主要参数

2.3.2主要组成部分及其功能

    焊机的主要组成部分包括传动系统、液压系统、电气系统、润滑系统等。

    （1）传动系统及主机

    传动系统如图4所示。

 

 

图4  焊机传动系统

焊机由床身、主轴箱、工作台、夹具、主轴缸等组成。

A、主轴箱

固定在床身的左端，主轴为三支点支撑用滚动轴承支撑在箱体上，其中的轴承组承受焊接过程中摩擦和顶锻时的轴向压力。

旋转运动由电机经四根皮带，带动输入轴转动，在工作过程中，皮带轮和输入轴始终不停的转动，当离合器油缸右腔进油，活塞向左运动压紧启动离合器摩擦片，主轴即可开始转动。若主轴需停止转动，离合器油缸左腔进油离合器摩擦片脱开制动离合器摩擦片压紧，主轴迅速制动。

旋转夹具由夹具体、弹簧夹头组成。通过旋转夹具油缸控制弹簧夹头夹紧或松开工件。

B、工作台

工作台由导轨座、滚动导轨副、滑台、推力座和轴向定位装置等组成。如图5所示。

 

 

 

图5  工作台

滑台通过滚动导轨副与导轨相连接，滑台后部安装的推力座与主轴缸活塞杆连接在一起，在主油缸活塞杆的带动下滑台可实现快进、摩擦进给顶锻、快退、慢退等动作。

移动夹具端工件的轴向定位装置安装在滑台上。焊接时，为了使工件得到可靠的轴向定位，可使工件的端面紧靠在顶杆上，调节调整螺母，就可适应不同长度的工件，支座能在底板上的T型槽内前后移动。如果工件较长，还可调整支座的位置来实现工件的轴向定位。

通过 机器前的撞块调整滑台行程。

C、主油缸

    主油缸安装在床身的右部，其作用是通过活塞杆推动工件台实现进退运动。滑台前进，实现摩擦加压和顶锻加压。

（2）润滑系统

    主轴采用强制润滑冷却，滑台导轨和移动夹具则采用手动润滑。

（3）液压系统

    采用20#液压油。

（4）电气系统

电源电压50HZ、380V、总功率16KW。PC机电源装有隔离变压器，电压为交流220V，各电磁阀和各信号灯电压均为直流24V。总空气开关设在电气控制器左侧。

2.4 摩擦焊工艺

2.4.1 摩擦焊接头的形式

    摩擦焊接头形状如图6所示。

 

图6  可焊接的截面型状

表2是摩擦焊接头的基本形式。

表2   摩擦焊接头的基本形式

2.4.2  连续驱动摩擦焊的焊接参数

可以控制的主要焊接参数有转速、摩擦压力、摩擦时间、摩擦变形量、停车时间、顶锻延时、顶锻时间、顶锻力、顶锻变形量。其中，摩擦变形量和顶锻变形量（总和为缩短量）是其它参数的综合反映。

A、转速和摩擦压力

转速和摩擦压力直接影响摩擦扭矩、摩擦加热功率、接头温度场、塑性层厚度以及摩擦变形速度等。

工件直径一定时，转速代表摩擦速度。实心圆截面工件摩擦界面上的平均摩擦速度是距圆心为2/3半径处的摩擦线速度。转速对热影响区和飞边形状的影响见图7。

 

图7  参数对热影响区和飞边形状的影响

（低碳钢管φ19mm，压力86MPa）

a)n=1000r/min   b)n=2000r/min c)n=4000r/min

B、摩擦时间

摩擦时间影响接头的温度、温度场和质量。如时间短，则界面加热不充分，接头温度和温度场不能满足焊接要求；如时间长，则消耗能量多，热影响区大，高温区金属易过热，变形大，飞边也大，消耗材料多。碳钢工件的摩擦时间一般在1～40s范围内。

C、摩擦变形量

摩擦变形量与转速、摩擦压力、摩擦时间、材质的状态和变形抗力有关，要得到牢靠的接头，必须有一定的摩擦变形量，通常取的范围为1～10mm。

D、停车时间和顶锻延时

停车时间是转速由给定值下降到零位所对应的时间，当其从短到长变化时，摩擦扭矩后峰值从小到大，见图8。顶锻延时是为了调整摩擦扭矩后峰值和变形层的厚度。

 

 

图8  停车时间和摩擦后峰值扭矩的关系

（低碳钢管φ19mm，初始转速2000r/min，摩擦压力44MPa）

 

E、顶锻力、顶锻变形量和顶锻变形速度

顶锻力的作用是挤出摩擦塑性变形层中的氧化物和其他有害杂质，并使焊缝得到锻压，使结合牢固，晶粒细化。

焊接工艺参数的确定主要考虑：选择适当的焊接参数,对大多数材料而言就是确定和使用速度与压力的正确组合；考虑焊机大小、飞边等因素进行接头设计；优化工艺参数、控制焊接质量。

2.5  焊机的调试与焊接

2.5.1  调试

（1）检查床身内油箱是否有足够的机油；

（2）调整主电机三角皮带张力；

（3）液压和电器的调整要配合。检查电机点动，电机方向是否正确；润滑油供给是否正常；检查电机运行状况；

（4）检查油泵负荷运转情况；

（5）各机构单独动作情况；

（6）调试状态，检查离合器、电机、主轴等工作情况；

（7）观察各动作自动循环运行情况。

2.5.2  工作试车

工作试车在调整和空车试运转后进行，应进行Φ5mm、Φ10mm两种试件的焊接实验，每种试件至少试焊10个接头。

（1）试车材料

旋转夹具端：Φ8×110mm，Φ14×110mm（长度可增加20mm，焊后切断再焊）

移动夹具端：Φ5×120mm、Φ10×120mm（长度可增加20mm，焊后切断再焊）

材料类型及要求：

45钢。要求试件端面的氧化层必须清除，端面对轴线的不垂直度不大于0.5mm。

（2）试焊工艺参数

参数包括：摩擦压力与顶锻压力、摩擦工进速度、夹具夹紧力、摩擦时间、顶锻保压时间、刹车提前和滞后方式及时间。上述参数针对具体工件实验而得出较理想的参数，再在生产中使用。根据有关文献，碳钢焊接规范如下：

表3  文献中焊接规范

	摩擦压强PM/MPa	顶锻压强PD/MPa	备注
碳钢	50~100	100~200	PD=(1.5~2)PM
铝-铜	170	450

C-4A-1型摩擦焊机试焊工艺参数表见4。

表4  试焊工艺参数

试件尺寸 焊接参数		Φ8mm	Φ14mm
摩擦压力	压强N/mm2	80	70
	表压MPa	0.9	1.77
顶锻压力	压强N/mm2	160	140
	表压MPa	1.4	3.1
摩擦时间s		2~3	3~4
顶锻保压时间s		1.5~2	3
刹车提前（滞后）时间s		0	0
旋转夹具夹紧压力（表压）MPa		5.0~5.5	5.0~5.5
移动夹具夹紧压力（表压）MPa		5.5~6.0	5.5~6.0
刹车油缸压力（表压）MPa		5.0~5.5	5.0~5.5

（3）试焊步骤

A、首先根据工件的长度调整滑台上的行程开关撞块的位置。

撞块K1为滑台快速退回的极限位置与焊件长度有关，K1向左调时，快退行程加长，K1向右调时，快退行程缩短；

K2为快进转工进的行程开关，快进行程过短影响生产率，所以快进转工进的调整一般控制两件距离5~10mm左右合适；

K3为前极限位置，为了使机床在意外发生时旋转夹具和移动夹具不发生碰撞，应将K3调到适当位置；

K4为快退转慢退行程开关，目的是在主轴缸活塞后退时能起缓冲左作用，但慢退时间不能太长否则将影响生产率。

B、行程开关撞块位置调整固定后即可在不开动主电机的情况下，1~2次往返行程观察液压与电气动作无问题后即可开始试焊，以半自动循环进行。试焊时，务必注意焊机各运行情况，观察有无异常现象。如果出现不正常情况，务必按下“总停”按钮，切断电源，停止电机运行，待排除问题后，再进行试焊。

（3）焊接工艺参数中摩擦压强、顶锻压强单位N/mm在实际操作中要根据该值换算的主油缸的压力表表示的表压值进行调定。

三、实验装置及实验材料

    （1）摩擦焊机（C-4A-1型）     一台

（2）试件：45号钢（f12mm）   数根

（3）扳手、直尺、秒表等     

四、实验内容与实验步骤

    （1）了解摩擦焊机的主要技术参数、主要组成部分及其功能。

（2）熟悉控制面板上各旋按钮的作用及主要参数调节的方法。

（3）进行焊前调试，其步骤为：

接通主电源和可编程控制器——将工作状态置于调试档——启动润滑和液压系统——调节旋转夹具和移动夹具的夹紧力——工件对中的调节——调节摩擦压力——调节顶锻压力——调节工进速度——预置刹车、顶锻顺序——在可编程控制器上预置刹车时间——预置顶锻保压时间——预置摩擦时间。

    （4）进行焊接

    将移动夹头滑台置于“原位”——将工件1放入旋转夹头中，工件2放置在移动夹头架上（注意工件1、2后部都要与顶杆接触）——将工作状态置于焊接挡——启动主轴电机——按下焊接按钮。这时整个焊接过程自动进行，首先移动夹头、旋转夹头将工件夹紧——移动夹头滑台“快进”——到接近旋转夹头处转为“工进”——旋转夹头开始旋转——工件接触，进行摩擦，摩擦计时开始——摩擦计时结束时进行刹车、顶锻——保压——结束焊接。焊接结束后夹具自动松开，移动夹头滑台退回“原位”，即可开始下一个工件的焊接。

    （5）改变主要参数进行焊接，从外观尺寸和接头形状上对焊接质量进行评价。

五、实验报告要求

    （1）写出C-4A-1型摩擦焊机的主要技术参数，主要组成及作用。

（2）根据记录的焊件原始长度和焊接后的长度、飞边尺寸等，与所选择的工艺参数和焊接过程一起进行分析和讨论，说明工艺参数的作用及影响。

（3）实验过程及体会。

摩擦焊视频1

摩擦焊视频2