[科普中国]-摩擦焊接

简述

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，在珏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。

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。

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。2

原理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。3

过程结合分析焊接过程，对于同类金属的摩擦焊接可分为三个阶段：

①两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。

②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。

③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。

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。3

优点生产实践证明，作为热压焊之一的摩擦焊，除了具有一般热压焊的优点外，还有其突出的优点。

1．焊接接头的质量高而且稳定。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。另外，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。

2．具有比较广泛的可焊性。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。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问脆性化合物而无法进行焊接或难以得到优质的接头。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。

3．焊件的尺寸精度和几何精度高。摩擦焊机实际上相当于一台带有加压机构的车床，按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。此外，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。

4．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。

5．劳动条件好。没有火花、弧光、有害气体，也无振动、无噪音等。

6．摩擦焊容易实现全自动化。4