连续驱动摩擦焊的基本原理

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：对于直径为16mm的45钢，在转速2000r/min、摩擦压力8.6MPa、摩擦时间0.7s和顶锻压力161MPa下，其摩擦焊的焊接过程如图2-4-3所示。一个周期可分成摩擦加热过程和顶锻焊接过程两部分。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。

1.连续驱动摩擦焊焊接过程

典型连续驱动摩擦焊的焊接过程如图2-4-2所示，由旋转、摩擦、焊接、顶锻、保持等程序组成。

对于直径为16mm的45钢，在转速2000r/min、摩擦压力8.6MPa、摩擦时间0.7s和顶锻压力161MPa下，其摩擦焊的焊接过程如图2-4-3所示。一个周期可分成摩擦加热过程和顶锻焊接过程两部分。摩擦加热过程分为初始摩擦、不稳定摩擦、稳定摩擦和停车四个阶段，顶锻焊接过程分为纯顶锻和顶锻维持两个阶段。

（1）初始摩擦阶段（t₁）由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，使得摩擦因数很大。随着摩擦压力的逐渐增大，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，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℃。同时，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。

图2-4-2 连续驱动摩擦焊过程

图2-4-3 摩擦焊的焊接过程示意图（ϕ16mm，45钢）

n—工作转速 p—轴向压力 p_f—摩擦压力 p_u—顶锻压力 Δl_f—摩擦变形量 Δl_u—顶锻变形量 P—摩擦加热功率 P_max—摩擦加热功率峰值 t_f—摩擦时间 t_h—实际摩擦加热时间 t_u—实际顶锻时间

（2）不稳定摩擦阶段（t₂）该阶段是摩擦加热过程的一个主要阶段，从b点起到功率峰值c点，再到功率稳定值d点止。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因数增大，摩擦加热功率和摩擦扭矩迅速提高，c点呈现出最大值，此时摩擦表面温度达600～700℃。当温度继续升高时，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，此时待焊表面的温度升高到1200～1300℃。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，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）稳定摩擦阶段也是摩擦加热过程的主要阶段，从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2-4-3的f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，摩擦因数很小，摩擦加热功率也基本上稳定在一个很低的数值。此外，其他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和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2-4-3可知，实际的摩擦加热时间从a点开始，到g点结束，即t_f=t₁+t₂+t₃+t₄。尽管顶锻压力从f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（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，停车阶段是摩擦焊的重要过程，直接影响焊接接头的质量，要严格控制。

（5）纯顶锻阶段（t₅）从g（或g′）点起，到顶锻压力上升至最大值的h点止。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）从h点起，到接头温度冷却到低于规定值为止。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Δl_f和顶锻变形量Δl_u。在实际计算时，摩擦变形速度一般采用平均摩擦变形速度（Δl_f/t_f），顶锻变形速度也采用其平均值（Δl_u/（t₄+t₅））。

总之，在整个摩擦焊过程中，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、粘结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.摩擦焊的产热

摩擦焊过程中，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做相对高速摩擦运动，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，其计算与分布如下：

对圆形焊件，假设沿摩擦表面径向的摩擦压力p_f和摩擦因数μ为常数。为了求出功率分布，在摩擦表面上取一半径为r的圆环，该环的宽度为dr（见图2-4-4），其面积为dA，则dA=2πrdr，则作用在圆环上的摩擦力为

dF=p_fμdA=2πp_fμrdr （2-4-1）

以O点为圆心的摩擦扭矩为

dM=rdF=2πp_fμr²dr （2-4-2）

圆环上的摩擦加热功率为

dP≈1.02dM×10^-3n （2-4-3）

从图2-4-4可知，加热功率在圆心处为零，在外边缘最大。

将式（2-4-2）、式（2-4-3）积分，可以得到摩擦焊表面上总的摩擦扭矩和加热功率：

M=2πp_fμR³/3 （2-4-4）

P=2×10^-3πp_fnμR³/3 （2-4-5）

式中 F——摩擦表面上的摩擦力；

M——摩擦扭矩；

P——摩擦加热功率；

p_f——摩擦压力；

n——工件转速；

μ——摩擦因数；

r——圆环半径；

R——待焊工件半径。

图2-4-4 摩擦加热功率分布图

实际上p_f（r）不是常数，在初始摩擦阶段和不稳定摩擦阶段的前期，摩擦表面还没有全面产生塑性变形，主要是弹性接触，摩擦压力在中心高，外圆低。因此沿摩擦焊表面半径R的摩擦加热功率最大值不在外圆，而在距圆心2R/3左右的地方，这一点不仅符合计算结果，也被试验所证实。在稳定摩擦阶段，摩擦表面全部产生塑性变形，成为塑性接触时，p_f（r）才可以认为等于常数。此外，μ（r）在初始摩擦阶段和不稳定摩擦阶段也不是常数，由高温金属组成的高速塑性变形层热源，在距圆心1/2～1/3半径处形成环状加热带，随着摩擦加热的进行，环状加热带向圆心和外圆迅速开展，当进入稳定摩擦阶段时，摩擦表面的温度才趋于平衡，此时可以认为_μ（r）是常数。

摩擦表面上总的加热热量为

式中 Q——接合面总的摩擦加热热量；

t——摩擦时间；

t₀——摩擦加热开始时间（设t₀=0）；

t_n——实际摩擦加热时间；

k——常数。

图2-4-4显示出总摩擦加热功率P随摩擦加热时间t的变化规律，从图中可知，P（t）≠常数，也表明M（t）≠常数。但是，由于在整个加热过程中工件半径R、主轴转速n和摩擦压力p_f基本不变，仅摩擦因数发生了变化，其变化规律与加热规律随加热时间的变化相类似。在钢的摩擦加热过程中，摩擦因数由小到大，达到最大值后又逐渐变小，其变化规律与摩擦焊界面的升温有关，在常温下钢的摩擦因数很小，600～700℃时最大，1200～1300℃时又变小。

（2）摩擦焊表面温度摩擦焊表面的温度直接影响接头的加热温度、温度分布、摩擦因数、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。

在焊接圆断面工件时，摩擦焊热源被认为是一个线性传播的连续均布的面状热源。如果不考虑向周围空间的散热，根据雷卡林的焊接热过程计算公式，同种金属摩擦焊接表面的温度为

T（0，t）=q₂t/πλc （2-4-7）

式中 T（0，t）——摩擦焊表面温度（0为表面热源中心，t是摩擦加热时间）；

q₂——单位面积上的加热热量；

λ——焊件热导率；

c——焊件热容。

在式（2-4-7）中，如果选定焊接所需要的温度为T_w，热源温度升高到T_w所需要的摩擦加热时间为t_f′，则该式可写成

t_f′q₂²=cπλT²_w=常数（2-4-8）

从式（2-4-8）可以看出，当T_w和t_f′确定以后，能够计算出q₂的数值，并可以根据q₂的要求选择焊接参数。式（2-4-7）和式（2-4-8）适合于计算以稳定摩擦阶段为主的摩擦加热过程。

实际上，不论何种材料的摩擦焊，摩擦表面的最高温度是有限制的，不能超过材料的熔点，此外，在采用式（2-4-7）和式（2-4-8）进行运算时，还应该考虑到摩擦焊表面温度和加热功率之间的内在联系、相互制约及摩擦加热功率随摩擦时间变化的特殊规律。