摩擦焊焊接工艺技术规程与安全操作规程

文件编号：＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿版号：＿＿＿＿＿＿＿＿生效日期：＿＿＿＿＿＿＿＿编制人：＿＿＿＿＿＿＿＿日期：＿＿＿＿＿＿＿＿＿审核人：＿＿＿＿＿＿＿＿日期：＿＿＿＿＿＿＿＿＿批准人：＿＿＿＿＿＿＿＿日期：＿＿＿＿＿＿＿＿＿受控印章：＿＿＿＿＿＿＿分发号：＿＿＿＿＿＿＿＿-1-/15目录（一）、概述： 3（一）、定义及原理： 3（三）、九种摩擦焊接类型原理、特点及范围： 41、惯性摩擦焊接： 42、直接驱动摩擦焊接： 43、线性摩擦焊接： 54、搅拌摩擦焊： 55、轨道摩擦焊接： 56、连续驱动摩擦焊： 67、相位摩擦焊： 68、径向摩擦焊： 69、搅拌摩擦焊： 7（四）、摩擦焊的特点： 7（五）、摩擦焊接头形式： 9（六）、适用范围： 9（七）、摩擦焊焊接过程分析： 9（八）、摩擦焊机安全操作规程： 11（九）、搅拌摩擦焊焊接工艺规程（实例）： 121、摩擦焊接需要条件： 122、搅拌摩擦焊的焊接工艺流程及原理： 123、搅拌摩擦焊工艺过程的优点： 134、搅拌摩擦焊工艺过程的缺点： 145、搅拌摩擦焊接技术规程： 146、搅拌摩擦焊焊接工艺设计说明书： 15-2-/15（一）、概述：⑴、利用热塑性塑料间摩擦所生成的摩擦热而使其在摩擦面发生熔化，而后加压，在压力下冷却使其焊合的方法称为摩擦焊接。此法最适用于旋转体制件。与金属摩擦焊类似，焊接时一件固定，另一件旋转并加压力。⑵、焊接实心部件时，由于旋转体外缘线速度高，故摩擦热自中心至外缘递增，使接头处存在焊接应力，为此可将焊合面做成球面状，以期摩擦先在中心处发生，而后逐渐推向边缘。⑶、对于热塑性塑料可用焊接的方法得到满意的接头。在实际生产中除焊接外还可以对塑料进行粘合和机械连接，尤其是对那些不能用焊接方法焊合的塑料只能用粘结和机械连接。（一）、定义及原理：⑴、利用焊件间相互摩擦，接触端面旋转产生的热能，施加一定的压力而形成焊接接头。⑵、摩擦焊利用工件接触面互相摩擦产生的热量为热源，将工件接触端面加热至塑性状态，然后在压力下进行焊接的一种压力焊。⑶、摩擦焊中应用最广的是旋转式连续驱动摩擦焊，其工作原理，先将两焊件对中夹在焊机上，其中焊件首先高速旋转，然后移动焊件与旋转的焊件接触并施加一定压力。⑷、当两焊件的接触端因摩擦热而升温，使焊件表面处于塑性状态时，利用刹车装置使焊件停止旋转，同时加大压力对3/15两焊件进行顶锻，产生一定的塑性变形，去压后焊件被焊接起来。⑸、在两个焊件的焊接端面上加一定的轴向压力，并使接触面作剧烈的摩擦运动，摩擦产生的热，把接触面加热到一定的焊接温度（一般为稍低于材料的熔点，如碳钢的焊接温度）时急速停止运动，并施以一定的顶锻压力，使两个焊件金属产生一定量的塑性变形，从而把两个焊件牢固地焊接在一起。（三）、九种摩擦焊接类型原理、特点及范围：1、惯性摩擦焊接：⑴、惯性摩擦焊接具有固定在卡盘和主轴上的不同尺寸的飞轮。⑵、电机连接到主轴以旋转零件。⑶、在焊接循环开始时，电机连接到主轴，并将零件旋转到所需的转速。⑷、一旦达到所需的速度，就将电机从主轴上断开。⑸、根据零件，主轴，卡盘和飞轮的重量，自由旋转部件会产生旋转惯性。⑹、将进行如上所述的摩擦焊接过程，利用旋转惯性将零件放在一起时产生摩擦热。2、直接驱动摩擦焊接：⑴、在此过程中，主轴驱动电机永久固定在主轴上。⑵、当两个部件放在一起时，电动机继续驱动旋转部件，4/15从而产生摩擦热。⑶、根据定义的程序，随着焊接过程的进行，主轴会持续减速，从而将主轴停在预定位置。⑷、当希望在焊接部件之间有特定的方向时，这种类型的摩擦焊接是有益的。3、线性摩擦焊接：⑴、这个过程类似于惯性摩擦焊接。但是，移动的卡盘不会旋转。相反，它以横向运动振荡。⑵、在整个过程中，两个工件均保持在压力下。⑶、与惯性焊接相比，该过程要求工件具有高剪切强度并涉及更复杂的机械。⑷、这种方法的一个好处是它可以连接任何形状的零件（而不仅仅是圆形界面）。4、搅拌摩擦焊：⑴、搅拌摩擦焊是一种固态连接过程，使用一种非消耗性的工具来连接两个相对的工件。⑵、旋转刀具和工件材料之间的摩擦会产生热量，这会导致界面处的区域变软。⑶、沿接合线移动工具时，它会将两种金属的软化材料机械混合，并通过工具施加的机械压力锻造焊接界面。⑷、搅拌摩擦焊用于现代造船，火车和航空航天应用。5、轨道摩擦焊接：5/15⑴、轨道摩擦焊接类似于旋转摩擦焊接，但是两个焊接零件都沿相同的方向和相同的速度旋转，但是它们的轴偏移了最多1/8英寸。⑵、随着焊接周期的完成和转速的降低，零件又返回同一轴线，并且在材料重新凝固的同时保持了锻造压力。6、连续驱动摩擦焊：⑴、最普通的摩擦焊方法；焊接两个圆形横断面工件时，首先使工件以中心线为轴高速旋转，然后将另一工件向旋转工件施加轴向压力，开始摩擦加热。⑵、达到给定的摩擦焊时间或规定的摩擦变形量，即接头加热到焊接温度时，立即停止工件的转动，同时施加更大的轴向压力，进行顶锻焊接。通常，全部焊接过程只要几秒钟。7、相位摩擦焊：⑴、相位摩擦焊主要用于相对位置有要求的工件，如六方钢、八方钢、汽车操纵杆等，要求工件焊后棱边对齐、方向对正或相位满足要求。⑵、在实际应用中，主要有机械同步相位摩擦焊、插销配合摩擦焊和同步驱动摩擦焊。8、径向摩擦焊：⑴、在石油与天然气输送管道连接方面，径向摩擦焊接具有广阔的应用前景。⑵、对开有坡口的管子紧紧地压接在一起，内部有个可膨6/15胀的垫圈，起对中及平衡焊接时径向压力的作用。⑶、管子接头处套上一个带有斜面的圆环。⑷、焊接时，圆环在径向力及扭矩作用下高速旋转，摩擦界面上产生的摩擦热把接头区域加热到焊接温度。⑸、在径向力与高温作用下，利用圆环将两侧管子焊接在一起。⑹、适用于长管的现场焊接，可用于陆地和海上管道铺设、水下修复和连接。9、搅拌摩擦焊：⑴、采用特型搅拌头在待焊工件间旋转、摩擦生热，并挤压以形成焊缝。⑵、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、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。（四）、摩擦焊的特点：⑴、在摩擦过程中，焊件接触表面的氧化膜与杂质被清除，因此接头组织致密，不易产生气孔，夹渣等缺陷，接头质量好而且稳定。⑵、可焊接的金属范围较广，可以焊两金属相同的焊件，也可以焊两金属不同的焊件。⑶、焊接操作简单，不需填充焊接材料，容易，实现自动控制，生产率高。7/15⑷、设备简单（可用车床改装）、电能消耗少（只有闪光对焊的1/15～1/10）。但要求刹车及加压装置的控制灵敏。⑸、焊接接头的质量高而且稳定：①、基本上能达到100%的合格率，接头强度一般都超过母材。这是因为在摩擦焊的整个过程中，焊接表面在固相状态下，始终受轴向力的镦锻作用。②、由于利用焊接表面的相互摩擦作为热源，整个表面同时被加热，焊接时间极短，热影响区小，因此，只要合理地选择焊接规范，焊机设计得当，焊接规范的重现性好，就完全可以避免裂纹、气孔、夹渣及未溶透等熔化焊时所常见的缺陷，而得到均匀一致的接头质量。⑹、具有比较广泛的可焊性：①、它不仅可用来焊接相同的金属材料，而且特别适用于性能相差较大的异种金属的焊接。②、某些异种金属用普通的熔化焊或闪光对接焊时，会由于接头内生成金属间脆性化合物而无法进行焊接或难以得到优质的接头。③、采用摩擦焊接时，可以在较广的范围内选择和控制焊接温度，并且焊接时间很短，因此能比较容易地防止或大大减少金属间脆性化合物的生成，从而获得良好的焊接接头。⑺、焊件的尺寸精度和几何精度高：①、摩擦焊机实际上相当于一台带有加压机构的车床，按8/15照现代机床的设计及制造技术来讲，使它具有足够的精度及刚性并不困难。、再采用适当的控制方法，可使焊件在焊接后的长度误差小于±0.2毫米，偏心度可在0.2毫米之内。⑻、降低了制造成本。摩擦焊时，焊件的焊接余量小，焊口的装配要求不高，焊接功率小，省电能。⑼、劳动条件好。没有火花、弧光、有害气体，也无振动、无噪音等。⑽、摩擦焊容易实现全自动化。（五）、摩擦焊接头形式：⑴、摩擦焊接头形式为对接，两焊件截面形状尺寸可以相同，也可以不同。⑵、要求其中一焊件的截面为圆形或管形。（六）、适用范围：⑴、摩擦焊已广泛用于圆形工件、棒料及管子的对接，可焊实心焊件的直径为2-100mm以上，管子外径可达几百毫米。⑵、适用于铝、铜、钢及异种金属材料的焊接。（七）、摩擦焊焊接过程分析：⑴、两个焊件接触表面开始摩擦，首先是使表面附着的氧化物及杂质受到破坏与排除，同时接触表面凹凸不平的地方产生塑性变形，晶粒受到破坏，结果是接触面被加热，并显露出较平整的纯洁金属表面。9/15⑵、对纯洁金属的接触表面继续进行摩擦运动，使接触面温度继续升高，塑性变形增大，开始产生金属的相互“粘接”现象（即局部焊合）。随着摩擦运动的继续，焊件接触表面附近的温度迅速上升，并接近或达到焊接温度。⑶、当到达焊接温度时，金属塑性很大。在急速停止相对运动并加以很大的顶锻压力时，使两个焊件产生很大的塑性变形，接触表面金属原子更靠近，出现相互扩散和晶间连系，形成共同的重结晶、中间化合物及少量的再结晶晶粒，从而把两焊件焊接在一起。⑷、对于异种金属的摩擦焊接，由于两金属的硬度、塑性与熔点的差异，其摩擦焊接过程的机理也有区别。例如铜铝在摩擦焊接过程中，最初是两种金属原子在摩擦热与压力作用下，相互渗透扩散。在接头表面形成两种金属的合金。这种合金和原来金属性能不同，如塑性降低，强度增高。所以最初是铜铝金属之间的摩擦，当形成极薄的合金层后，由于它的强度比铝高，在铝的一侧就成为抗剪强度最低点，所以摩擦逐渐变为合金层与铝之间的摩擦。可见铜铝摩擦焊接是以铜的摩擦面为基础成长起来的。这种概念从试验观察也可得到证实，如果摩擦到最后不施加顶锻力，即把两焊件分开，可以明显地看到在铜件上已焊上一层极薄的含铜的合金。这层合金随时间增长而变厚，并逐渐趋于纯铝，这时合金厚度就不再增长了。当然，如果最后施加了顶锻力，两者就焊在一起了。10/15（八）、摩擦焊机安全操作规程：⑴、操作者必须熟悉机床操作顺序和性能，严禁超性能使用设备。⑵、操作者必须经过培训、考试或考核合格后，持证上岗。⑶、开机前，按设备润滑图表注油，检查油标油位或注油点。⑷、启动油泵电机，弹性夹头夹紧工件，调节液压系统压力、工作压力、夹紧压力，顶锻压力，检查主轴箱润滑。⑸、在调整状态下，调节滑台、刀架移动速度和距离。⑹、检查主轴箱润滑、离合、制动，低速转动主轴。⑺、停机前复位，关闭主轴电机，待主轴停转后，关闭油泵电机。⑻、关闭机床电控总开关，关闭电控柜空气开关。⑼、清洁机床，按设备润滑图表或注油点进行注油。⑩、严禁穿拖鞋、凉鞋、半短裤操作，以防铁屑烫伤，严禁戴手套操作。⑪、夹具的防转块必须锁紧，避免螺钉或防转块飞觥。⑫、装卸夹具应用专门板手，不许把锥面变形的弹簧夹具装上使用。⑬、快进、快退不能调得太快，防止发生危险，皮带张紧要适当，防护罩须锁紧。⑭、飞边切前量应由小到大，工进要适当。11/15⑮、清洗油要及时处理，回火油不能装得太满，放、取料应小心。⑯、机床油桶应有良好接地保护，不许擅自拆修。（九）、搅拌摩擦焊焊接工艺规程（实例）：1、摩擦焊接需要条件：⑴、更换材料时，在正式投入生产前必须进行焊接工艺试验，并对选定的焊接参数、焊接工艺进行工艺评定，编写工艺文件，制定操作规程，然后方能投入生产。⑵、重要产品生产时，应按规定的项目填写数据并存档。⑶、坯件应牢固夹紧，不得沿轴向或旋转方向打滑。同轴度应按焊机精度和工件要求确定。⑷、坯件的伸出量应根据坯件材料和尺寸确定。刚度应满足防止焊接时产生振动的要求。⑸、焊接有空淬裂纹倾向的材料时，一般应在焊后采取保温缓冷措施（方法按工艺文件规定）。⑹、焊接时，环境温度应在0℃以上。2、搅拌摩擦焊的焊接工艺流程及原理：⑴、摩擦焊接是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,然后迅速顶锻而完成焊接的一种压焊方法。⑵、确定待焊接的镁锂合金工件和搅拌头的几何参数，将12/15待焊接的镁锂合金工件和搅拌头固定在搅拌摩擦焊机的相应位置，将搅拌头移动至待焊接的镁锂合金工件上方，确定施焊位置，完成搅拌头的定位增加热力平衡的搅拌摩擦焊接将搅拌头以转速ω1、轴肩下压量h压入待焊接的镁锂合金工件，进行fsw第一阶段；保持搅拌头转速ω1下，保压5～20s，进行fsw第二阶段；将搅拌头转速调整到焊接转速ω2并维持时间t，进行热力平衡阶。⑶、搅拌摩擦桩的焊臂厚度保证在0.5公分。3、搅拌摩擦焊工艺过程的优点：、FSW可以焊接所有牌号的铝合金，包括MIG焊难以焊接的2系和7系铝合金；⑵、焊接过程仅需要提供搅拌动能，无需融化，高效、节能；⑶、焊接过程不需要填充焊丝和惰性气体保护；⑷、焊接过程中母材不熔化，有利于实现全位置焊接；、焊接热输入低，可以提高热处理铝合金的接头强度；⑹、焊接时不产生气孔、裂纹等缺陷；⑺、接头无变形或变形很小，可降低焊后调修的工作量及损耗；⑻、焊接时焊缝金属产生塑性流动，接头不会产生柱状晶等组织，而且可以使晶粒细化，焊接接头的力学性能优良，别是抗疲劳性能；13/15⑼、易于实现机械化、自动化，可以实现焊接过程的精确控制，以及焊接规范参数的数字化输入、控制和纪录；⑽、Fsw过程没有飞溅、烟尘、以及弧光的红外线或紫外线等有害辐射，是一种绿色环保的焊接方法。4、搅拌摩擦焊工艺过程的缺点：⑴、与MIG焊相反，焊缝焊后会有一定的凹陷，在接头设计时要特别注意，以保证缝有足够的安全冗余；⑵、FSW最适合单层板平对接焊接，而角接接头就会受到限制，接头形式必须特殊设计；⑶、焊接时需要对焊缝施加大的压力，限制了FSW技术在机器人等轻便设备上的应用；⑷、焊