资源简介

(共39张PPT)
摩擦焊接
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摩擦焊技术
摩擦焊原理及技术优势介绍
传统摩擦焊介绍
摩擦焊典型产品
搅拌摩擦焊介绍
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回顾历史、掌握未来
摩擦焊的历史
1891年：美国批准了第一个摩擦焊专利
1956年：前苏联楚迪克夫发明了摩擦焊技术
1957年：成功实现铝－铜的摩擦焊
1991年：英国焊接研究所发明了搅拌摩擦焊，成功焊接了铝合金平板
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摩擦焊接概念
摩擦焊（Friction Welding），
在轴向压力与扭矩作用下，利用焊接接触端面之间的相对运动及塑性流动所产生的摩擦热及塑性变形热使接触面及其近区达到粘塑性状态并产生适当的宏观塑性变形，（有时需要迅速顶锻），通过两侧材料的相互扩散和动态再结晶而完成连接的一种压焊方法
主要由连续驱动摩擦焊、惯性摩擦焊、搅拌摩擦焊、线性摩擦焊、三体摩擦焊和摩擦堆焊等组成
摩擦焊是一种优质、高效、节能、无污染的固相连接方法
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摩擦焊原理
以连续驱动摩擦焊为例说明原理
焊前，夹持旋转焊件和移动焊件
a。旋转焊件高速旋转，移动焊件逐步靠拢
b。接触压紧，摩擦扭矩迅速升高
c。摩擦继续升温，轴向压力，径向塑性流动
d。制动、顶锻
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摩擦焊特点和技术优势
1.工艺适应性广。可焊金属范围广，特别适应于焊接异种金属。
2.接头性能好。焊接表面不易氧化，接头组织细密（锻造组织），不易产生气孔、裂缝等缺陷。通常可比较容易地得到与母材强度相同的接头
3.焊接过程可靠性高。参数重现性好，焊接质量稳定，容易实现工艺参数及质量的自动控制
4.尺寸精度高。焊后焊件的尺寸精度及几何精度高，有些零件焊后可不进行机械加工
5.环保。劳动条件好，无环境污染，便于放在机械生产线上使用
6.高效低耗。生产率高，耗电小、节省能源，焊接过程中不需要填充材料且焊件材料损耗小节省材料
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摩擦焊的应用
各类同质、异质金属连接
汽车半轴、汽车凸轮轴、汽车动力转向轴节点、汽车前后桥、发动机汽门顶杆、集成齿轮、拨叉、花键套管、连轴器、传动轴、驱动桥壳、制动凸轮、排气阀、液压油缸推杆、气囊充气器、涡轮增压器转子 、印刷机滚子、电机轴、船用马达驱动轴、石油与地质钻杆、长冲程超高强度抽油杆、双金属轴瓦、双金属刀具、铜铝导电接头等
增压器转子
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摩擦焊的应用
汽车电流传感器
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电流传感器焊接过程
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电流传感器
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铜铝的摩擦焊接
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连续驱动摩擦焊机基本结构
SD-250B型连续驱动摩擦焊机
上海三都机械有限公司
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摩擦焊的分类
传统摩擦焊
新型摩擦焊
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连续驱动摩擦焊
电机连续驱动主轴，使旋转焊件以设定的转速转动
加热结束时，需制动刹车
有顶锻保压阶段
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惯性摩擦焊过程
旋转焊件与飞轮相连。
焊接时飞轮被加速到设定转速，以动能形式储存能量，随后电动机与主轴脱离
储存在飞轮中的动能通过摩擦逐渐转换为热能，而飞轮转速则不断降低，至主轴停止转动
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线性摩擦焊 LFW
LFW焊接过程
摩擦副一侧工件被一对往复机构驱动着相对于另一侧被夹紧的工件表面作相对运动，并在其轴向施加压力下，随着摩擦运动的进行，摩擦表面被清理并产生摩擦热，摩擦表面的金属逐渐达到粘塑性状态并产生变形，形成飞边。然后，停止往复运动并施加顶锻力，完成焊接
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线性摩擦焊的优点
（1）可焊接方形、圆形、多边形截面的金属或塑料工件。配合合适的工夹具还可焊接更不规则的构件，如叶片与涡轮盘的焊接
（2）固态焊接，金属不熔化和热影响区窄；低应力和小变形，高完整性；焊缝的结构强度与弹性性能与基体金属相同
（3）可实现机械和自动控制，可靠性高，可实现一次焊接多零件，亦可用于生产线上
LinFricTM型线性摩擦焊机
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线性摩擦焊
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线性摩擦焊接
主要适用于多数的热塑性部件，包括非晶态的和半晶质的
焊缝的形成只要几毫秒，并且焊接过程对于聚合物来说较能耐潮，例如：尼龙。正如大家可以预想的一样，两个部件的接口虽然有10度的误差也是可以焊接的，但是最理想的情况还是要求两个焊接的部件接口处平整
焊接的振幅一般从0.5毫米到几毫米，频率则要求在100－500赫兹之间（一般是频率是选择100－300赫兹）
特殊应用的焊接参数通常由实验决定
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摩擦堆焊过程
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耗材摩擦焊接和耗材摩擦焊敷
耗材摩擦焊
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耗材摩擦焊敷的过程
预热阶段
400kgf–1825rpm–2.2mm/s
稳态焊敷阶段
400kgf–1825rpm–2.2mm/s
c-25s
b-20s
a-10s
f-55s
e-40s
d-35s
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搅拌摩擦点焊 FSSW
（Friction Stir Spot Welding）是FSW中的特定形式，是针对汽车铝结构车身的连接而进行开发研究的
FSSW装置安装在机器人臂上，施焊时由机器人臂移到要焊部位，夹紧臂下降夹紧要焊的板，然后搅拌头下降进行焊接，焊接结束后松开夹紧臂，整个装置由机器人臂移到新的点焊位置
工作过程
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搅拌摩擦点焊 FSSW
FSSW焊点实际上有一段长度L，试验表明，AA6061-T4板材的FSSW焊点表面光滑，内部无缺陷，有较好的静载和动载强度
完成的
焊点
焊点外观
焊点横截面
L
D
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搅拌摩擦焊接技术原理
搅拌摩擦焊接的出现，已经使铝合金等有色金属的连接技术发生了重大变革
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搅拌摩擦焊原理和特点
搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding）
英国焊接研究所（TWI）于1991年发明的一种固相连接技术
在30几个国家申请了专利，包括中国
搅拌摩擦焊采用特型搅拌头在待焊工件件旋转、摩擦生热，并挤压以形成焊缝。属于一种崭新的固态连接方法
采用搅拌摩擦焊取代传统的氩弧焊，不仅能完成材料的对接、搭接、丁字等多种接头方式，而且能用于高强铝合金、铝锂合金的焊接，大大提高了焊接接头的力学性能，并且排除了熔焊缺陷产生的可能性
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搅拌摩擦焊
搅拌摩擦焊试样
（c）
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搅拌摩擦焊的搅拌头、焊缝外观
搅拌摩擦焊的焊缝外观
搅拌头实物照片
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搅拌摩擦焊技术特点
搅拌摩擦焊作为一种固相连接方法，除可焊接用普通熔焊方法难以焊接的材料外（如可实现用熔焊难以保证质量的裂纹敏感性强的7000、2000系列铝合金高质量连接），FSW还具有以下优点
固相连接工艺
单道焊接过程
接头力学性能提高
接头残余应力和变形减小
成本降低
工艺具有环保性
焊接工艺适应性扩大、被焊材料适应性好、稳定性提高、高效高质量焊接等
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搅拌摩擦焊
固相连接工艺
焊接过程无元素烧损
凝固时元素和组织无偏析
焊缝中无气孔缺陷
无热裂纹
接头显微组织各向同性
单道焊接过程
对于0.75～50mm铝合金可一道焊接
至今还没有明确搅拌摩擦焊可焊厚度的上下限
在大厚度焊接时可以采用两道或多道焊
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搅拌摩擦焊
接头力学性能提高
FSW接头静态性能一般超过熔焊接头
FSW接头性能数据分散性小
FSW接头比熔焊接头疲劳性能更优
对某些铝合金材料，焊缝和热影响区的断裂韧性甚至超过母材
接头残余应力和变形减小
固相焊接没有凝固收缩
搅拌摩擦焊与
熔焊变形比较
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搅拌摩擦焊
成本降低
工艺成本低，材料成本低，能源成本低，环境成本低，维修成本低
焊前及焊后处理简单，焊接过程中的摩擦和搅拌可以有效去除焊件表面氧化膜及附着杂质
焊接过程中不需要保护气体、焊条及焊料
焊高较小，兼有减重效果
工艺具有环保性
焊接环境良好，不会产生烟尘，无弧光辐射，无熔滴飞溅，无噪音
一种环保型工艺方法
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搅拌摩擦焊
尤其值得指出的是
搅拌摩擦焊所具有适合于自动化和机器人操作的优点，诸如：不需要填丝、保护气（对于铝合金）、允许有薄的氧化膜、对批生产不需要进行打磨和刮擦之类的表面处理、非损耗的工具头（一个典型的工具头就可以用来焊接6000系列的铝合金达1000米等）
机械化过程，人为因素少，焊接缺陷减少和焊后修补率低
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搅拌摩擦焊机
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搅拌摩擦焊在兵器工业中应用
装甲铝合金FSW
接头和焊缝结构
美国的先进水陆两栖
坦克突击车辆 (AAAV)
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FSW在车辆制造上应用
FSW主要用于焊接铁路客车车顶、车身、汽车轮鼓、载货车的尾部升降平台、高速刹车结构等
日本轻金属公司已将FSW工艺用于地铁车辆，接合质量良好
住友轻金属公司采用FSW的列车壁板和列车车顶
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FSW在航空航天的应用
Delta II太空船燃料箱内焊专用FSW设备
1999年，波音公司采用FSW生产Delta II和III运载火箭贮箱
提高强度 30-50%
总 成 本 60%
节约时间 23-60天
型 号：SuperStirTM
名 称：Delta II太空船燃料箱内焊专用设备
制造日期：1999年
制 造 商: ESAB
采 购 方：Boeing
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FSW在航空航天的应用
2001年，波音公司采用FSW技术焊接Delta IV运载火箭贮箱
Delta IV太空船燃料箱立式外焊专用FSW设备
型 号：ESAB SuperStirTM
名 称：Delta IV太空船燃料箱立式外焊专用设备
制造日期：1999年
采 购 方：Boeing
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FSW在航空航天的应用
航天飞机的助推燃料筒
154’ 长, 27.6’ 直径
航天飞机的主承力结构件吸收6百万镑的冲击力
Drawing: http://www.lockheedmartin.com/michoud/et/description.htm

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