摩擦焊接的能量来自于摩擦生热、施加轴向压力以及转动惯量的输入,在接触表 面上产生大量塑性变形、表面激活现象,还有扩散和再结晶以及在液体的相互作用下 而形成焊接接头[1]。摩擦焊接是一个复杂过程,他不仅包含热、力和冶金现象等,还 具有动态、高温、大变形等的特点,在惯性摩擦焊接过程中,总是伴随着一系列的物 理现象,如:摩擦表面的相互作用、热量的产生与耗散、金属的塑性变形、流动与粘 性效应、质量输送和固态相变以及残余应力、变形等。

接触面摩擦所消耗的功率 P 和正压力 F、摩擦的速度 υ 以及母材的摩擦系数 μ 以 下关系:

P=μ·F·υ (1-1)

式中,P-摩擦所消耗的功率(J/s);μ-摩擦系数;F-正压力(N);υ-摩擦速度(m/s)。 随着摩擦的进行,接触界面摩擦不断产生热量,表面温度不断升高,达到焊接所需要的温度,产生了粘性的塑性变形金属,两者变得容易粘连,再加以顶端压力就可 以使之焊在一起。

1。3 惯性摩擦焊的原理

惯性摩擦焊的焊接过程可分为摩擦加热和顶锻两部分。摩擦加热过程有 2 个阶段: 初始摩擦阶段和稳定摩擦阶段[2]。顶锻过程分为纯顶锻和维持顶锻两个过程,每个焊 接阶段都有其各自的特点。

初始摩擦阶段:两端工件相互接触并在轴向压力的作用下压紧,接触界面的微凸 体粘着剪断并摩擦生热。随后接触面积变大,摩擦所产生的扭矩随之增加,温度也急 剧升高,同时产生很厚的一层温度很高的塑性金属,产热机制从摩擦产热变为塑性变 形金属之间的产热,如图 1-1 所示[2,3]。

稳定摩擦阶段:在高温下,接触界面处的高温粘塑性金属发生动态再结晶,流体 应力降低,摩擦扭矩先上升到极限程度后逐渐降低[4]。之后摩擦热量沿轴向向两侧试 件传导,界面温度随之升高,由于轴向压力的作用,焊缝区金属沿径向发生塑性流动, 形成飞边。随着摩擦时间的不断增加,界面处的温度和扭矩趋于稳定,热影响区宽度 增大,飞边也越来越大,在这个阶段,摩擦轴向压力与旋转速度保持恒定。如图 1-1。

顶锻阶段:当摩擦焊缝区金属的变形程度达到一定量后,此时便开始刹车制动, 轴向压力迅速上升到预先设定的顶锻压力[4,5]。此时飞边急剧增大,轴向缩短量迅速增 加,随着界面温度降低和摩擦压力增大,摩擦扭矩出现第二个峰值。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、再结晶以及机械混合作用,使两侧金 属牢固焊接在一起,从而完成整个焊接过程。如图 l-1 所示。

图 1-1 惯性摩擦焊过程各参数随时间变化曲线

1。4 惯性摩擦焊接工艺特点

惯性摩擦焊的优点有以下几点[4]:

(1)惯性焊接属于固相焊接,能获得高质量的焊接接头,焊接缺陷少。通常情况下, 焊接过程中最高温度低于材料熔点,焊接接头的材料是不熔化的,焊接时焊缝区的金 属属于固相连接状态,所以熔化焊接经常出现的缺陷如裂纹、气孔和偏析等缺陷完全 不会产生;另外,由于焊接过程中的轴向压力和扭矩的影响,焊接接头产生了一定的 冶金效果,如细化晶粒、产生致密组织、自清理作用等;其次,由于焊接时间短,使 得热影响区窄,因而没有明显的粗化现象;这些特点为获得与母材材料和强度基本相 同的焊接接头起到了至关重要的作用[6-8]。

(2)惯性摩擦焊接工艺适应性很强。惯性摩擦焊接不仅可以焊接传统的金属材料, 并且能够实现异种材料之间的焊接,如铝-铜、铜-钢等;不仅如此,惯性摩擦焊接可 以适应各种工件尺寸以及接头形式[7-9]。文献综述

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