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惯性摩擦焊报告

北京航空航天大学

《热制造学基础》报告

惯性摩擦焊接工艺

学号：

ZY1307201

姓名：

吴朝阳

院系：

705

摘要2

1.惯性摩擦焊的发展背景3

2.惯性摩擦焊的原理4

2.1摩擦焊4

2.2惯性摩擦焊5

2.2.1惯性摩擦焊接过程6

2.2.2惯性摩擦焊的典型接头8

3.惯性摩擦焊的优缺点和现状9

3.1惯性摩擦焊的优点9

3.2惯性摩擦焊的缺点10

3.3惯性摩擦焊的现状10

参考文献11

摘要

惯性摩擦焊作为一种先进的焊接工艺，已成为先进航空发动机的压气机转子及涡轮部件的主要焊接工艺，惯性摩擦焊接技术同时作为一种具有环保、节能、省材、高效的新型焊接技术，在其他领域也有有着十分重要的应用。

惯性摩擦焊作为一门新的焊接工艺已经展现出强大的市场潜力和前景，并且正在飞速发展。

本篇论文介绍了惯性摩擦焊接工艺的发展背景、焊接原理和优缺点及现状。

关键词：

惯性摩擦焊，先进，航空发动机转子

1.惯性摩擦焊的发展背景

摩擦焊这一概念出来己久，旱在1891年英国人J．H．贝文顿就获得了利用摩擦热进行焊接和挤压的专利。

但是，直到1956年才由前苏联学者首先试验成功第一种实用的摩擦焊方法，即连续驱动摩擦焊（FRW）。

此后，连续驱动摩擦焊技术迅速发展，并大量应用于汽车工业，但是在航空工业中未能得到实际应用，摩擦焊真正用于航空工业始于二十世纪六十年代后期[1]。

1962年，美国履带车辆公司（CaterpillerTractorCo．）发明了一种新的摩擦焊方法即惯性摩擦焊[2]。

不久，美国GE公司便使用该公司的大型焊机制造了航空发动机的整体压气机转子和涡轮部件。

经过近40年的研究和应用，惯性摩擦焊的技术日臻完善，己成为制造航空发动机转子部件的主要焊接方法。

2.惯性摩擦焊的原理

2.1摩擦焊

摩擦焊接是一种固态结合焊接工艺过程，两个被焊接工件作相对的运动或旋转，在压力下对接，由接触面摩擦生热，使得焊接材料从接触面塑性地相互渗透而融合。

焊前，待焊的一对工件中，一件夹持于旋转夹具，称为旋转工件，另一件夹持于移动夹具，称为移动工件。

焊接时，旋转工件在电机驱动下开始高速旋转，移动工件在轴向力作用下逐步向旋转工件靠拢，两侧工件接触并压紧后，摩擦界面上一些微凸体首先发生粘接与剪切，并产生摩擦热。

随着实际接触面积增大，摩擦扭矩迅速升高，摩擦界面处温度也随之上升，摩擦界面逐渐被一层高温粘塑性金属所覆盖。

此时，两侧工件的相对运动实际上已发生在这层粘塑性金属内部，产热机制已由初期的摩擦产热转变为粘塑性金属层内的塑性变形产热。

在热激活作用下，这层粘塑性金属发生动态再结晶，使变形抗力降低，故摩擦扭矩升高到一定程度（前峰值扭矩）后逐渐降低。

随着摩擦热量向两侧工件的传导，焊接面两侧温度亦逐渐升高，在轴向压力作用下，焊合区金属发生径向塑性流动，从而形成飞边，轴向缩短量逐渐增大。

随摩擦时间延长，摩擦界面温度与摩擦扭矩基本恒定，温度分布区逐渐变宽，飞边逐渐增大，此阶段称之为准稳定摩擦阶段。

在此阶段，摩擦压力与转速保持恒定。

当摩擦焊接区的温度分布、变形达到一定程度后，开始刹车制动并使轴向力迅速升高到所设定的顶锻压力此时轴向缩短量急骤增大，并随着界面温度降低，摩擦压力增大，摩擦扭矩出现第二个峰值，即后峰值扭矩。

在顶锻过程中及顶锻后保压过程中，焊合区金属通过相互扩散与再结晶，使两侧金属牢固焊接在一起，从而完成整个焊接过程。

在整个焊接过程中，摩擦界面温度一般不会超过熔点，故摩擦焊是固态焊接。

摩擦焊的工艺过程如下图1所示。

图1

在压力作用下，被焊接界面通过相对运动摩擦时，机械能转变为热能，所产生的摩擦加热功率为

式中：

2.2惯性摩擦焊

惯性摩擦焊接是一种利用飞轮储存能量，可在短时间内释放很大摩擦热量的摩擦焊接方法。

为了降低主轴电机的功率，采用与主轴相联结的飞轮储能。

在焊接过程中，用飞轮所储藏的动能提供焊接所有或部分热能，因而又被称为储能摩擦焊接。

惯性摩擦焊接过程中，旋转工件与飞轮固定。

焊接时，飞轮首先被加速到设定的转速，以动能形式储存所需的能量，随后电动机通过离合器与主轴脱离。

当移动焊件在轴向压力作用下向旋转焊接靠拢、压紧后，存储在飞轮中的动能通过摩擦逐渐转化为热能，而飞轮转速则不断降低，直至停止转动。

保压一段时问后，焊接结束。

在焊件表面速度降低到1m/s时，会出现一个比连续驱动摩擦焊接大得多的后峰值扭矩，该扭矩与轴向压力一起，使轴向缩短量急剧增大，焊机逐渐停止运转，完成整个焊接过程。

惯性摩擦焊机的结构原理图如下图2所示。

图2

2.2.1惯性摩擦焊接过程

对于给定的材料，在一定的摩擦压力和相对转动速度条件下，摩擦副相互摩擦并不断产生热量。

根据界面的摩擦状态和产生热量的情况摩擦焊接过程大致可分为以下几个阶段：

（1）初始摩擦阶段由于摩擦，焊接表面总是凹凸不平，加之存在有氧化膜、锈、油、灰尘以及吸附的气体等，所以，显示出的摩擦系数很小，随着接触后摩擦压力的逐渐增加，摩擦加热功率也逐渐增加。

在初始摩擦阶段，凹凸不平互相压入的表面迅速产生塑性变形和机械挖掘现象，表面不平会引起震动，空气也可能进入摩擦表面。

（2）不稳定摩擦阶段摩擦破坏了待焊面的原始状态，打碎了覆盖在表面的氧化层，并开始将氧化膜碎片连同其它污物清除出摩擦面，使接触面变得更干净；同时伴随着表面原始状态的改变，摩擦面趋向于平整，使得真实的接触面积增大，摩擦加热功率提高；摩擦面温度快速升高，材料的塑性、韧性有较大的提高。

在这个阶段中，摩擦变形量开始增大，并开始以飞边的形式出现。

在不稳定摩擦阶段，机械挖掘现象减小，震动消除，表面逐渐平整，出现高温塑性状态金属颗粒的“粘结”现象，而粘结在一起的金属又受扭矩作用而发生剪断，并相互过渡。

接触良好的塑性金属封闭了摩擦面，使之与空气隔绝。

（3）稳定摩擦阶段在这个阶段，材料的粘结现象减少，分子作用现象增强，摩擦系数很小，摩擦加热功率稳定在较低的水平。

变形层在力的作用下，不断从摩擦表面被挤出，摩擦变形量不断增大，飞边也增大。

与此同时，变形层附近的金属又不断被加热达到塑性状态。

（4）顶锻或停车阶段对连续驱动摩擦焊，这个时候界面附近的高温材料被大量挤出，变形量亦随之增大，具有顶锻的特点；对惯性摩擦焊，这个时候工件转速已经降到很低，界面温度也下降了很多，变形量己经很小。

这个阶段，伴随着焊缝金属产生变形、扩散以及再结晶，最终形成了结合牢固的接。

如图3所示，是惯性摩擦焊接过程示意图和焊接过程中转速、轴向压力、扭矩和轴向缩短量的变化曲线。

2.2.2惯性摩擦焊的典型接头

惯性摩擦焊接工件的两个接头，一般要求摩擦副中至少有一侧截面是圆形截面。

典型的摩擦焊接接头有相同大小的棒-棒、管-管、棒-管；不同直径大小的棒-棒、棒-管、管-管；还有棒-板、管-板

图4惯性摩擦焊的典型接头

3.惯性摩擦焊的优缺点和现状

3.1惯性摩擦焊的优点

1.接头质量高：

由于惯性摩擦焊属于固相焊接，接头不会产生与融化和凝固有关的一些焊接缺陷和焊接脆化现象，如粗大的柱状品，偏析，夹杂，裂纹和气孔等。

再者就是摩擦焊接时间短，焊接热影响区窄，热影响区内组织无明显的粗化现象。

2.广泛的工艺适应性：

除了传统的金属材料，惯性摩擦焊对熔焊性较差的沉淀强化高温合金，高强钛合金，超高强度钢具有良好的焊接性。

惯性摩擦焊接还特别适合不同材料之间的焊接，如铝-铜，铝-钢等。

3.焊接过程可靠性高：

主要是指焊接参数少（一个是转子的转动惯量和转速，另外一个是压力），这些参数可控制性都比较好，焊接过程自动化程度高，焊接质量不受电流，接头电阻和环境影响。

焊接前的准备简单，接头断面状态要求不严格

4.焊接尺寸精度高：

在严格控制焊接参数的条件下，通常焊件长度公差在0.2mm内,偏心度小于0.2mm。

5.摩擦焊接生产效率高：

摩擦焊接过程短暂，一般在几秒到几十秒的范文范围内，速度非常的快。

6.焊机工作环境清洁：

摩擦焊接过程不产生烟雾，火花，飞溅，弧光及有害气体等对环境产生影响的污染源，是一种清洁的产生工艺。

7.摩擦焊接能耗低：

摩擦焊不需要特殊的焊接电源，所需的能量仅为传统焊接工艺的20%左右；也不需要其他消耗材料，如焊条，焊剂，保护气体等。

3.2惯性摩擦焊的缺点

1.惯性摩擦焊接工艺对于非圆形截面焊接比较困难，所需设备比较复杂；对盘状薄零件和薄壁管件，由于不宜固定，焊接也比较困难

2.焊机构造比较复杂，一次性成本投入大，价格昂贵

3.对某些摩擦系数特别小的材料，特别是脆性材料，难以焊接

3.3惯性摩擦焊的现状

汽车工业已成为惯性摩擦焊接最具活力的应用市场。

在涡轮增压泵、安全气囊增压泵。

驱动轴等关键零部件上的应用都取得了令人满意的效果。

航空航天工业尽管不是惯性摩擦焊接最大应用市场，但它在该领域的重要地位却是其他领域无法比拟的，该工艺被认为是目前航空、导弹发动机转子部件制造中最为可靠的连接工艺。

世界上最大的几台惯性摩擦焊机都是为航空航天制造业专门设计的。

世界上最大惯性摩擦焊机是有一家公司为通用电气公司航空发动机部制造的800性惯性摩擦焊机。

功率高达600Kw，最大钢质焊件截面积可达239in2，专门用于航空发动机转子部件的焊接。

目前国内高端市场采用的高性能特种摩擦焊机几乎都从美国MTI、英国TOMSPON、德国KUKA等世界著名公司引进，进口成本很高，价格在200万—800万美元之间，限制条件苛刻。

参考文献

[1]梁海，张峥．惯性摩擦焊在航空发动机上的应用[J]．材料工程，1992,

（2）：

48-51．

[2]腾宁．摩擦焊在美国制造业中的应用[J]．山东机械，2003,（4）：

16-17．

[3]中国机械工程学会焊接学会．焊接手册（第一卷）焊接方法及设备[M]．北京：

机械工业出版社，1992．

[4]葛银川.惯性摩擦焊机的设计及其焊接技术研究[D].西安：

陕西科技大学.

[5]段立宇，刘合金，杜随更．摩擦焊接物理研究进展[J]．西北工业大学学报，1993，1l（增刊）：

9一16．