特種焊接技術(shù)

1、安 徽 工 業(yè) 大 學(xué)研究生考試試卷評(píng)分特種焊接技術(shù)考試科目：_洪永昌閱 卷 人：_研材料12專 業(yè)：_20120049學(xué) 號(hào)：_季承璽姓 名：_注 意 事 項(xiàng)1、 考前研究生將上述項(xiàng)目填寫清楚2、 字跡要清楚，保持卷面清潔3、 教師將成績(jī)單送研究生學(xué)院歸檔 年 月 日關(guān)于電子束焊和摩擦焊的綜述報(bào)告摘要：本文就電子束焊及摩擦焊的發(fā)展及研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，從兩種特種焊接現(xiàn)階段的情況進(jìn)行介紹，闡述了兩種焊接的定義，原理，分類，特點(diǎn)等，最后對(duì)特種焊接的前景進(jìn)行展望。關(guān)鍵詞：電子束焊；摩擦焊；特點(diǎn)；分類；現(xiàn)狀0. 引言隨著全球工業(yè)化步伐的加快及現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，焊接這門古老而現(xiàn)代的技術(shù)也在不斷地

2、完善和發(fā)展，可以說焊接已在現(xiàn)代的生產(chǎn)生活中占有極為重要的地位。近代焊接技術(shù)，自1882 年出現(xiàn)碳弧焊開始，迄今已經(jīng)歷了100 多年的發(fā)展歷程，為了適應(yīng)工業(yè)發(fā)展及技術(shù)進(jìn)步的需要，先后產(chǎn)生了埋弧焊、電阻焊、電渣焊及各種氣體保護(hù)焊等一系列新的焊接方法。進(jìn)入20 世紀(jì)60 年代后，隨著焊接新能源的開發(fā)和焊接新工藝的研究，等離子弧切割與焊接、真空電子束焊接及激光焊接等高能束技術(shù)也陸續(xù)應(yīng)用到各工業(yè)部門，使焊接技術(shù)達(dá)到了一個(gè)新的水平。特別是近年來(lái)，航空、航天、原子能等尖端工業(yè)的發(fā)展需求，不斷提出了具有特殊性能材料的焊接問題，如高強(qiáng)鋼、超高強(qiáng)鋼、特種耐熱耐腐蝕鋼、高強(qiáng)不銹鋼、特種合金及金屬間化合物、復(fù)合材料、

3、難熔金屬及異種材料焊接問題。而電子束焊接技術(shù)以其與其它熔化焊相比獨(dú)具的功率密度大、深寬比大、焊接區(qū)變形小、能耗低、易于控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，在航空、航天及原子能工業(yè)和其它軍用、民用制造業(yè)中得到了高度重視及應(yīng)用發(fā)展。為此，較系統(tǒng)、全面地了解當(dāng)今電子束焊接及摩擦焊接技術(shù)的國(guó)內(nèi)外的研究發(fā)展現(xiàn)狀，以及兩種焊接技術(shù)及相關(guān)工藝應(yīng)用的成果，對(duì)于特種焊接技術(shù)領(lǐng)域研究發(fā)展方向的準(zhǔn)確把握及其開展進(jìn)一步研究工作有著極大的指導(dǎo)意義。1. 電子束焊1.1 定義電子束焊接（Electron Beam Welding）是19世紀(jì)中期發(fā)現(xiàn)和興起的一種新型焊接技術(shù)，顧名思義，電子束焊接是利用被靜電場(chǎng)聚焦并加速的電子束轟擊待焊工

4、件接頭處，使材料快速熔化后迅速冷卻來(lái)完成焊接過程。同以電弧為熱源的傳統(tǒng)焊接方法相比，電子束焊接在能量傳遞，熱量析出部位和能量轉(zhuǎn)換機(jī)理等方面，都有著顯著的不同。電子束焊接（EBW） 是利用電子槍中陰極所產(chǎn)生的電子在陰陽(yáng)極間的高壓（25300 kV）加速電場(chǎng)作用下被拉出，并加速到很高的速度（0. 30. 7倍光速） ，經(jīng)一級(jí)或二級(jí)磁透鏡聚焦后，形成密集的高速電子流，當(dāng)其撞擊在工件接縫處時(shí)，其動(dòng)能轉(zhuǎn)換為熱能，使材料迅速熔化而達(dá)到焊接的目的。其實(shí)，高速電子在金屬中的穿透能力非常弱，如在100 kV加速電壓下僅能穿透0.025 mm。但電子束焊接中之所以能一次焊透甚至達(dá)數(shù)百毫米，這是因?yàn)楹附舆^程中一部分

5、材料迅速蒸發(fā)，其氣流強(qiáng)大的反作用力將熔融的底面金屬液體向四周排開，露出新的底面，電子束繼續(xù)作用，過程連續(xù)不斷進(jìn)行，最后形成一深而窄的焊縫。1.2 原理電子束焊接的工作原理是:在真空條件下。從電子槍中發(fā)射的電子束在高電壓（通常為20300kV）加速下，通過電磁透鏡聚焦成高能量密度的電子束1。當(dāng)電子束轟擊工件時(shí)，電子的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，焊區(qū)的局部溫度可以驟升到6000以上，使工件材料局部熔化實(shí)現(xiàn)焊接。1.3分類1.3.1 根據(jù)焊件所處真空度的差異分2（1）高真空電子束焊接（真空度為10-410-1Pa）：該方法電子散射小，作用在工件上的功率密度高，穿透深度大，焊縫深寬比大。適宜于活性金屬、難熔金屬及

6、質(zhì)量要求高的工件焊接。應(yīng)用最為廣泛。（2）低真空電子束焊接（真空度為10-ll0Pa）。與高真空電子束焊相比，電束較寬，工作距離較大，真空系統(tǒng)簡(jiǎn)單。生產(chǎn)效率高，成本低。減弱了焊接時(shí)金屬的蒸發(fā)等。（3）非真空電子束焊接（無(wú)真空工作室）：在大氣壓力的環(huán)境中焊接，電束散射寬，焊縫較寬、深寬比小，可焊大尺寸的工件。焊接時(shí)。束流進(jìn)入大氣前先經(jīng)過充滿氦的氣室，而后與氦氣一起進(jìn)入大氣。1.3.2 根據(jù)電子槍加速電壓分（1）高壓電子束焊接：加速電壓大于120千伏，束斑直徑小，功率密度大。工作距離長(zhǎng)，焊縫的深寬比大。焊縫精密，變形小，適用于單道焊縫的大厚度板材和難熔、熱敏材料的焊接。（2）中壓電子束焊接：加速電

7、壓范圍為40100千伏，滿足除極薄材料外的一般厚度材料的焊接?？捎镁植空婵帐覞M足大型件的焊接。（3）低壓電子束焊接：加速電壓低于40千伏，功率密度小，工作距離短。焊縫稍寬，畸變稍大，適用于焊縫深寬比小的薄板焊接。1.3.3 根據(jù)電子束對(duì)材料的加熱機(jī)制分（1）熱傳導(dǎo)焊接：作用在工件表面的功率密度<105W/cm2，電子束轉(zhuǎn)化的熱能通過熱傳導(dǎo)使工件熔化，熔化金屬不產(chǎn)生顯著的蒸發(fā)。（2）深熔焊接：作用在工件表面的功率密度>105W/cm2，金屬被熔化并伴有強(qiáng)烈的蒸發(fā)，形成熔池小孔，電子束穿入小孔內(nèi)部與金屬直接作用，焊縫深寬比大。1.4 電子束焊接的特征由于高能量密度的電子束流集中作用的結(jié)

8、果使電子束焊接熔池“小孔”形成機(jī)理與其他熔化焊有所不同。電子束焊接過程是。高壓加速裝置形成的高功率電子束流，通過磁透鏡會(huì)聚，得到很小的焦點(diǎn)（其功率密度可達(dá)104109W/cm2）。轟擊置于真空或非真空的焊件時(shí)，電子的動(dòng)能迅速轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，熔化金屬，?shí)現(xiàn)金屬焊接的目的。電子束焊接的特點(diǎn)可概括如下：（1）電子束斑點(diǎn)直徑小，加熱功率密度大，焊接速度快熱影響區(qū)??；（2）可獲得深寬比大的焊縫，焊接厚件時(shí)可以不開坡口一次成形；（3）多數(shù)構(gòu)件是在真空條件下焊接，焊縫純潔度高；（4）規(guī)范參數(shù)易于調(diào)節(jié)，工藝適應(yīng)性強(qiáng)；（5）適于焊接多種金屬材料；（6）焊接熱輸入低，焊接熱變形小。但電子束焊接方法也有一些不足。如：（

9、1）電子束焊機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制設(shè)備精度高，所需費(fèi)用高；（2）焊接前對(duì)接頭加工、裝配要求嚴(yán)格，以保證接頭位置準(zhǔn)確、間隙小而且均勻；（3）真空電子束焊接時(shí)，被焊工件尺寸和形狀常常受到工作室的限制，每次裝卸工件要求重新抽真空；（4）冷卻過程中快速凝固，引起焊接缺陷，如氣孔、焊接脆性等；（5）電子束易受雜散電磁場(chǎng)的干擾，影響焊接質(zhì)量；（6）電子束焊接時(shí)產(chǎn)生的X射線需要嚴(yán)加防護(hù)。以保證操作人員的健康和安全。1.5 電子束焊接的應(yīng)用范圍電子束焊接相對(duì)于傳統(tǒng)焊接方式的突出優(yōu)點(diǎn)，使其的應(yīng)用范圍十分廣泛，從可焊接的材料來(lái)看有以下幾個(gè)方面1：1）適合焊接各種金屬材料電子束可以焊接難熔金屬鉭、鈮、鉬，化學(xué)性質(zhì)活潑的金

10、屬如鈦、鋯、鈾等以及工業(yè)生產(chǎn)中大量使用的碳鋼、不銹鋼、合金鋼、銅、鋁等。2）可焊工件種類多電子束焊接薄件、厚件及大厚件。薄件焊接厚度可以為0.1mm，厚件一次焊接厚度可達(dá)300mm，解決一些大厚件的焊接如汽輪機(jī)隔板的焊接。3）能實(shí)現(xiàn)異種焊接目前，工業(yè)中電子束已經(jīng)較好地完成異種金屬的焊接，如銅-鎢焊接、鋼-不銹鋼焊接、鋼-硬質(zhì)合金焊接、半導(dǎo)體材料及陶瓷材料的焊接等。1.6 電子束焊的工藝參數(shù)電子束焊的工藝參數(shù)主要是加速電壓、電子束電流、聚焦電流、焊接速度和工作距離。電子束焊的工藝參數(shù)主要由板厚來(lái)決定。板厚越大，所要求的熱量輸入越高。為了防止裂紋、氣孔和保證質(zhì)量，對(duì)焊接工藝參數(shù)要嚴(yán)格控制。（1）加

11、速電壓在相同的功率、不同的加速電壓下，所得焊縫深度和形狀是不同的。提高加速電壓可增加焊縫的熔深，焊縫斷面深寬比與加速電壓成正比例。當(dāng)焊接大厚度件并要求得到窄而平的焊縫或電子槍與焊件的距離較大時(shí)可提高加速電壓。（2）電子束電流由電子槍陰極發(fā)射流向陽(yáng)極的電子束電流（也稱束流）與加速電壓一起決定著電子束的功率。電子束的功率是指電子束單位時(shí)間內(nèi)放出的能量，用加速電壓與電子束電流的乘積表示。增加電子束電流，熔深和熔寬都會(huì)增加。在電子束焊中，由于加速電壓基本不變，所以為滿足不同的焊接工藝要求，常常要調(diào)整電子束電流。（3）焊接速度焊接速度和電子束功率一起決定著焊縫的熔深、寬度以及被焊材料熔池行為（冷卻、凝固

12、及焊縫融合線形狀）。增加焊接速度會(huì)使焊縫變窄，熔深減小。（4）聚焦電流電子束焊時(shí)，相對(duì)于焊件表面而言，電子束焊的聚焦位置有上焦點(diǎn)、下焦點(diǎn)和表面焦點(diǎn)三種，焦點(diǎn)的位置對(duì)焊縫成形影響很大。根據(jù)被焊材料的焊接速度、接頭間隙等決定聚焦位置，進(jìn)而確定電子束斑點(diǎn)大小。（5）工作距離焊件表面至電子槍的工作距離影響到電子束的聚焦程度。工作距離變小時(shí)，電子束的壓縮比增大，使電子束斑點(diǎn)直徑變小，增加了電子束功率密度。但工作距離太小會(huì)使過多的金屬蒸汽進(jìn)入槍體造成放電。在不影響到電子槍穩(wěn)定工作的前提下，可以采用盡可能短的工作距離。1.7 電子束焊接設(shè)備1.7.1 主要生產(chǎn)研制機(jī)構(gòu)1）德國(guó)PTR和IGM公司、PROBEA

13、M公司；2）法國(guó)TECHMETA（泰克米特）公司；3）英國(guó)的CVE公司；4）烏克蘭巴東焊接研究所；5）北京航空工藝研究所；6）中科院沈陽(yáng)金屬所；7）桂林電器科學(xué)研究所1.7.2 分類按照真空室壓力:1）高真空電子束焊機(jī)；2）低真空電子束焊機(jī)；3）非真空電子束焊機(jī)按照加速電壓:1）高壓型電子束焊機(jī)；2）中壓型電子束焊機(jī)；3）低壓型電子束焊機(jī)按照電子槍固定方式:1）動(dòng)槍式電子束焊機(jī)；2）定槍式電子束焊機(jī)1.7.3電子束焊機(jī)介紹 電子束焊機(jī)通常由電子槍、高壓電源、控制系統(tǒng)、真空工作室、真空系統(tǒng)、工作臺(tái)及輔助裝置等幾大部分組成。選用電子束焊設(shè)備時(shí)，應(yīng)綜合考慮被焊材料、板厚、形狀、產(chǎn)品批量等因素。一般來(lái)

14、說，焊接化學(xué)性能活潑的金屬（如W、Ta、Mo、Nb、Ti）及其合金應(yīng)選用高真空焊機(jī)；焊接易蒸發(fā)的金屬及其合金應(yīng)選用低真空焊機(jī)；厚大焊件應(yīng)選用高壓型焊機(jī)，中等厚度工件選用中壓焊機(jī)；成批量生產(chǎn)時(shí)應(yīng)選用專用焊機(jī)，品種多、批量小或單件生產(chǎn)選用通用型焊機(jī)。隨著真空技術(shù)及相關(guān)科學(xué)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，電子束焊接的可焊性和接頭性能研究方面也獲得了可喜的進(jìn)展，電子束焊接相對(duì)于傳統(tǒng)焊接方式的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，使其開始廣泛應(yīng)用于各種材料、各種構(gòu)件、各個(gè)行業(yè)的焊接領(lǐng)域。電子束焊機(jī)基本原理圖如圖1所示.圖1 電子束焊機(jī)基本原理圖1.8 電子束焊接在工業(yè)上的應(yīng)用：1.8.1 飛機(jī)和航天飛行器作為一種現(xiàn)代先進(jìn)的焊接技術(shù)，電子束焊接首先

15、進(jìn)入的就是航空航天領(lǐng)域。小到微型壓力傳感器，大到航天器外殼，航空航天零部件所用材料的獨(dú)特性及焊接要求的特殊性， 使得電子束焊接迅速成為這些重要零部件加工所必須采用的工藝，大量應(yīng)用于飛機(jī)重要承力件和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子部件的焊接上。電子束已被用來(lái)將鈦鍛件焊接成新型直升機(jī)的轉(zhuǎn)翼，現(xiàn)代戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)翼箱等。發(fā)動(dòng)機(jī)上一些其他部件如透平罩、壓縮機(jī)箱體以及飛機(jī)的燃料驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和著陸起落架等也都采用了電子束焊接。由于電子束焊接的變形和熱影響區(qū)小，已被用于航天飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配焊接。如主燃燒室、熱氣歧管、高（低）壓燃料渦輪泵、高（低）壓氧化劑渦輪泵、燃料預(yù)燃燒室、氧化劑預(yù)燃燒器等間的焊接。美國(guó)的F-22戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)身段上，由電子束

16、焊接的鈦合金焊縫長(zhǎng)度達(dá)87.6mm，厚度為6.4-25mm。另外，電子束焊接技術(shù)還用來(lái)焊接汽輪機(jī)噴管隔板、高溫蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)軸、汽輪機(jī)定子、燃?xì)鉁u輪葉片、航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子、搖臂組件、機(jī)匣、功率軸、飛機(jī)梁、起落架， 導(dǎo)彈殼體、航彈尾翼等1.8.2 發(fā)電設(shè)備電子束焊接以其獨(dú)有的優(yōu)點(diǎn)正在發(fā)電設(shè)備的制造方面取代傳統(tǒng)的焊接方法。如美國(guó)、日本等國(guó)家都已使用真空電子束焊接取代埋弧焊工藝焊接汽輪機(jī)定子和汽輪機(jī)導(dǎo)向葉片。使用埋弧焊需要幾天才能完成的焊接，使用電子束焊接后僅需幾個(gè)小時(shí)就能完成。1.8.3 汽車工業(yè)使用電子束焊接方法焊接汽車后橋，省去了坡口的制作的準(zhǔn)備。由于在真空條件下施焊，電子束焊接大大地清除了產(chǎn)生氣孔、

17、裂紋、夾渣等這些缺陷的可能。強(qiáng)度得到了保證，獲得了極佳的經(jīng)濟(jì)效益。此外，真空電子束焊接還用來(lái)焊接汽車驅(qū)動(dòng)輪、扭矩變換器、行星齒輪支座、飛輪、滑叉等。都取得了前所未有的效果2。20世紀(jì)60年代，日本富士重工和美國(guó)通用汽車公司率先采用電子束焊接變速箱齒輪和飛輪，此后電子束焊接便吹響了進(jìn)軍汽車工業(yè)的號(hào)角。目前，幾乎所有的國(guó)際汽車制造公司都引入了電子束焊接設(shè)備。德國(guó)大眾汽車公司僅一個(gè)齒輪加工車間內(nèi)， 就裝有20余臺(tái)電子束焊機(jī)。汽車生產(chǎn)中，電子束焊接多用來(lái)加工發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、行走系等處的零件，這些零件的機(jī)械加工量相對(duì)較少，符合電子束焊接的經(jīng)濟(jì)性要求。比如，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中的配電盤凸輪必須是滲氮后焊接，因其對(duì)

18、接材料不同（低碳滲氮鋼-SAE1144），采用其它接合方法比較困難，故采用電子束焊接較為合適；柴油機(jī)的預(yù)燃室過去采用釬焊（對(duì)接材料不銹鋼-耐熱鋼），改用電子束焊后提高了質(zhì)量， 也降低了成本；起動(dòng)馬達(dá)整流子銅環(huán)采用電子束焊后，可同時(shí)高速焊接數(shù)十個(gè)，生產(chǎn)率大大提高，成本大幅度下降；轉(zhuǎn)向車輪部分的球窩接頭采用電子束焊接，施焊速度非?？?，熱影響很小，能很好地防止球接頭中封裝的黃油受熱變質(zhì)；轉(zhuǎn)向柱管的焊接要求變形小、焊接表面光滑，故也適宜采用電子束焊接。另外，從生產(chǎn)成本考慮，汽車工業(yè)比航天工業(yè)更多地開發(fā)和利用非真空電子束焊接。美國(guó)最早把非真空電子束焊接引入到批量汽車零件的生產(chǎn)中，歐洲和日本汽車制造商也相

19、繼開始采用該技術(shù)。非真空電子束焊接突破了“真空”的局限，可以在汽車生產(chǎn)線上連續(xù)進(jìn)行，對(duì)于現(xiàn)在汽車上廣泛使用的鋁合金零件，非真空電子束焊接依然可以獲得質(zhì)量良好的焊接接頭。由此可見，電子束焊接熱影響小、變形小，可以在工件精加工后進(jìn)行焊接，又能夠?qū)崿F(xiàn)異種金屬焊接。因此，復(fù)雜的工件就可以分成幾個(gè)簡(jiǎn)單的零件， 每個(gè)零件可以單獨(dú)使用合適的材料和方法加工制造，最后利用電子束焊接成一個(gè)完整的工件， 從而可以獲得理想的技術(shù)性能和顯著的經(jīng)濟(jì)效益，這就有利于達(dá)到汽車生產(chǎn)降低成本和輕量化的要求。1.8.4 電子元器件隨著現(xiàn)代工業(yè)對(duì)電子線路和元器件的要求越來(lái)越高，電子束焊在電子行業(yè)發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。真空電子束用來(lái)

20、焊接密封晶體管已取代釬代焊焊接晶體管連接接頭。有些電子線路和元器件要求其焊縫在焊完后繼續(xù)保持在真空密封裝置內(nèi)，焊縫不得有腐蝕性雜質(zhì)。電子束焊接正是滿足這種要求的最有效方法。在這一領(lǐng)域里，利用電子束焊接精密可控的獨(dú)特性能，更容易實(shí)現(xiàn)微細(xì)精密焊接，同時(shí)又能保證焊縫純凈、無(wú)污染、不氧化。電子管陰極是發(fā)射電子的心臟部件，性能要求高，一般由鎢、鉬、鉭等高熔點(diǎn)金屬或其合金材料組成。采用真空電子束焊接可獲得光滑牢固的焊接，接頭不氧化、無(wú)夾渣、不脆不裂。光電管殼由纖維玻璃屏、高鉻鋼盤、可伐合金筒等組成，內(nèi)部光電陰極是一種非常敏感的材料，封口焊接作為制管工藝的最后一道工序，不得使粘接的玻璃焊料與纖維屏受傷， 而

21、且不能出現(xiàn)氧化層。采用真空電子束焊接可獲得高質(zhì)量的焊縫， 光滑平整、無(wú)氧化、而且氣密性好3。傳感器封裝焊接。某種遙測(cè)壓力傳感器似一個(gè)金屬電子管， 內(nèi)部裝有一組敏感元件和電子元件，為了使該傳感器工作穩(wěn)定可靠， 采用腔體內(nèi)部具有一定真空度的結(jié)構(gòu)。該傳感器不銹鋼外殼上留有一個(gè)出氣孔。焊接時(shí)將傳感器置于焊機(jī)真空室內(nèi)， 當(dāng)達(dá)到一定真空度時(shí)， 先焊接電極盤與外殼， 再封焊出氣孔。電子束焊接成品率很高， 性能測(cè)試表明各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)， 并且未發(fā)現(xiàn)漂移現(xiàn)象，說明縫焊與孔焊的氣密性均良好， 內(nèi)腔具有了一定真空度， 內(nèi)部元件完好無(wú)損。電子束焊接的穩(wěn)定性很高， 可用于薄件或超薄件的穿透焊或半穿透焊， 焊接規(guī)范

22、可以恰到好處。應(yīng)變傳感器的半穿透焊接。某種應(yīng)變傳感器采取薄片與薄壁圓管在外側(cè)相焊的結(jié)構(gòu)， 圓管內(nèi)充有MgO粉和應(yīng)變絲。片與管壁的厚度僅0.1-0.15mm，在外側(cè)焊接時(shí)只能半透， 不能全透， 不然薄壁圓管出洞造成管內(nèi)的MgO濺散而報(bào)廢。電子束焊接工藝規(guī)范臨界， 穩(wěn)定性好， 獲得了滿意的焊縫。1.8.5 機(jī)械基礎(chǔ)件電子束也用來(lái)焊接有特殊要求的機(jī)械基礎(chǔ)件，如軸、軸承、齒輪、金屬帶鋸、雙金屬帶等。對(duì)于硬度極高的金屬的切斷，使用電子束?？蓪⒏咚黉撔筒暮冈谌犴g的載體帶上。適當(dāng)選擇高速鋼型材寬度使得銑鋸齒時(shí)，齒間，即斷裂危險(xiǎn)區(qū)位于柔韌性載體帶上，這樣，就能使高速鋼齒尖達(dá)到最佳硬度。帶鋸能在最佳經(jīng)濟(jì)效益下實(shí)

23、現(xiàn)最大負(fù)荷4。1.8.6 核工業(yè)產(chǎn)品電子束焊接最早應(yīng)用于核工業(yè)產(chǎn)品部件，近些年來(lái)，在這一領(lǐng)域得到更充分的發(fā)展。如：一種核工業(yè)多種用途的真空電子束焊機(jī)，在離子推進(jìn)系統(tǒng)中，它應(yīng)用于難熔、耐蝕金屬的焊接和不同金屬之間的連接。焊縫無(wú)裂紋和泄漏，變形也相當(dāng)小。1.9 電子束焊的焊接工藝1.9.1 焊前準(zhǔn)備（1）結(jié)合面的加工與清理電子束焊接頭金屬緊密配合無(wú)坡口對(duì)接形式，一般不加填充金屬，僅在焊接異種金屬或合金，又確有必要時(shí)才使用填充金屬。要求結(jié)合面經(jīng)機(jī)械加工，表面粗糙度一般為1.525。寬焊縫比窄焊縫對(duì)結(jié)合面要求可放寬，搭接接頭也不必過嚴(yán)。焊前必須對(duì)焊件表面進(jìn)行嚴(yán)格清理，否則易產(chǎn)生焊縫缺陷，力學(xué)性能變壞，

24、還影響抽氣時(shí)間。清理完畢后不能再用手或工具觸及接頭區(qū)，以免污染。（2）接頭裝配電子束焊接頭要緊密結(jié)合，不留間隙，盡量使結(jié)合面平行，以便窄小的電子束能均勻融化接頭兩邊的母材。裝配公差取決于焊件厚度、接頭形狀和焊接工藝要求，裝配間隙宜小不宜大。焊薄工件時(shí)裝配間隙要小于0.13mm，隨著焊件厚度的增加，可用稍大一些的間隙。（3）夾緊電子束焊是機(jī)械或自動(dòng)化操作的，如果零件不是設(shè)計(jì)成自緊式的，必須用夾具進(jìn)行定位與夾緊，然后移動(dòng)電子槍體或工作臺(tái)完成焊接。為了避免電子束發(fā)生磁偏轉(zhuǎn)，要使用無(wú)磁性的金屬制造所有的夾具和工具。（4）退磁所有磁性的金屬材料在電子束焊之前都必須退磁。剩磁可能因磁粉探傷、電磁卡盤或電化

25、加工等造成，即使剩磁不大，也足以引起電子束的偏轉(zhuǎn)。焊件退磁后可放在工頻感應(yīng)磁場(chǎng)中，靠慢慢移出進(jìn)行退磁，也可用磁粉探傷設(shè)備進(jìn)行退磁。1.9.2 接頭設(shè)計(jì)電子束焊接的接頭形式有對(duì)接、角接、搭接和卷邊接頭，均可進(jìn)行無(wú)坡口全熔透或給定熔深的單道焊。這些接頭原則上可以用于電子束焊接的一次穿透完成。如果電子束的功率不足以穿透接頭的全厚度，也可采取正反兩面焊的方法來(lái)完成5。電子束焊不同接頭有各自特有的結(jié)合面設(shè)計(jì)、接縫準(zhǔn)備和施焊的方位。設(shè)計(jì)原則是便于接頭的準(zhǔn)備、裝配和對(duì)中，減少收縮應(yīng)力，保證獲得所需熔透度。1.9.3 獲得深熔焊的工藝方法電子束焊的最大優(yōu)點(diǎn)是具有深熔透效應(yīng)。為了保證獲得深熔透效果，除了選擇合適

26、的電子束焊工藝參數(shù)外，還可以采取如下的一些工藝措施。（1）電子束水平入射焊當(dāng)焊接熔深超過100mm時(shí)，可以采用電子束水平入射焊，從側(cè)向進(jìn)行焊接。（2）脈沖電子束焊在同樣的功率下，采用脈沖電子束焊可有效地增加熔深。（3）變焦電子束焊極高的功率密度是獲得深熔焊的基本條件。電子束功率密度最高的區(qū)域在其焦點(diǎn)上。焊接大厚度焊件時(shí)，可使焦點(diǎn)位置隨著焊件的溶化速度變化而改變，始終以最大功率密度的電子束轟擊待焊金屬。（4）焊前預(yù)熱或預(yù)置坡口焊前預(yù)熱被焊件，可減少焊接時(shí)熱量沿焊縫橫向的熱傳導(dǎo)損失，有利于增加熔深。高強(qiáng)度鋼焊前預(yù)熱還可以減少裂紋傾向。在深熔焊時(shí)，往往有一定量的金屬堆積在焊縫表面，如果預(yù)開坡口，這些

27、金屬會(huì)填充坡口，相當(dāng)于增加了熔深。1.10 電子束焊接的發(fā)展趨勢(shì)美國(guó)和蘇聯(lián)的宇航員還在太空實(shí)驗(yàn)竄進(jìn)行了電子束焊接和切割試驗(yàn)。展現(xiàn)了電子束焊接的廣闊發(fā)展前景，今后電子束焊接的發(fā)展趨勢(shì)可以概括為6：（1）繼續(xù)擴(kuò)大在航空航天工業(yè)中的應(yīng)用范圍，并在修復(fù)領(lǐng)域發(fā)揮作用：（2）焊接設(shè)備將趨向多功能化和柔性化；（3）非真空電子束焊接的研究和應(yīng)用將日益成為熱點(diǎn)；（4）在厚大件和批量生產(chǎn)中繼續(xù)發(fā)揮其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)；（5）電子束焊接將成為空間結(jié)構(gòu)焊接的強(qiáng)有力工具。1.11電子束焊的應(yīng)用前景（1）在大批生產(chǎn)中將有較大的發(fā)展。例如：在汽車工業(yè)中，采用電子束焊技術(shù)焊接汽車的齒輪和后橋，可以提高工效、降低成本、減輕零件的質(zhì)量。（

28、2）在航空航天工業(yè)中，電子束焊技術(shù)將繼續(xù)擴(kuò)大其應(yīng)用，并發(fā)展電子束焊在線檢測(cè)技術(shù)。（3）由于電子束在厚大件焊接中獨(dú)樹一幟，所以在能源、重工業(yè)中大有用武之地。（4）在修復(fù)領(lǐng)域，電子束焊技術(shù)將是有價(jià)值的工藝方法之一。（5）電子束焊的焊接設(shè)備將趨向多功能及柔性化。電子束焊已屬成熟技術(shù)，隨著應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，出于經(jīng)濟(jì)方面的考慮，多功能電子束焊的焊接設(shè)備和集成工藝以及電子束焊的柔性化將越來(lái)越顯得重要。（6）電子束焊將是實(shí)現(xiàn)空間結(jié)構(gòu)焊接的強(qiáng)有力工具。1.12 電子束焊接技術(shù)的展望經(jīng)過大半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，電子束焊接已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室走進(jìn)了制造業(yè)地眾多領(lǐng)域，在國(guó)內(nèi)外的航空航天、核能、動(dòng)力、機(jī)械、汽車、電子及醫(yī)療器械等行業(yè)

29、牢固立足，特別是大批量生產(chǎn)、大厚度焊接，以及復(fù)雜、特殊構(gòu)件的焊接中，其優(yōu)越性和作用更為明顯。進(jìn)入21世紀(jì)后，以高新科技產(chǎn)品和現(xiàn)代運(yùn)載工具為代表的前沿工程科技的需求進(jìn)一步擴(kuò)大，而真空技術(shù)、電子光學(xué)理論、精密儀器、高電壓技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)和通信技術(shù)的蓬勃發(fā)展，無(wú)疑將促進(jìn)電子束焊接技術(shù)的不斷創(chuàng)新和持續(xù)發(fā)展7。從電子束焊接的本質(zhì)特征及其在工業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀來(lái)看，今后電子束焊接的發(fā)展趨勢(shì)大致為以下幾個(gè)方向：1）繼續(xù)擴(kuò)大應(yīng)用范圍電子束焊接技術(shù)的研究還遠(yuǎn)沒有到豐收期，對(duì)電子束流品質(zhì)特性、與材料的交互作用機(jī)理、熔池動(dòng)力學(xué)過程等原理還需要更深入研究，應(yīng)繼續(xù)挖掘潛力，研制開發(fā)大功率能量密度電子

30、束焊接裝置、微精細(xì)結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)以及修復(fù)焊接技術(shù)，進(jìn)一步提高工程應(yīng)用條件下運(yùn)行的可靠性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性2）在大厚度件焊接擴(kuò)大其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)短期之內(nèi)，還沒有其他熱源能在焊接大厚度構(gòu)件的深穿透能力上，與電子束焊接一較高下。但目前工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中，應(yīng)用電子束焊接大厚件的工藝還不夠成熟，存在著工藝參數(shù)選擇、質(zhì)量檢測(cè)、缺陷修復(fù)等技術(shù)問題，這些問題都需要在以后的研究中陸續(xù)解決。3）焊接設(shè)備將趨向多功能化在一切強(qiáng)調(diào)“自動(dòng)化”、“智能化”的今天，電子束焊接技術(shù)將繼續(xù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)集成，提高設(shè)備的智能化、柔性化程度，開發(fā)電子束焊接應(yīng)用軟件、開展電子束焊接過程的信息檢測(cè)與控制技術(shù)研究，進(jìn)行焊接模擬和計(jì)算等，推動(dòng)

31、電子束焊接技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新與完善。4）非真空電子束焊接的研究和應(yīng)用將成為熱點(diǎn)雖然真空是一種極其理想的保護(hù)環(huán)境，但從經(jīng)濟(jì)性考慮，工業(yè)生產(chǎn)中很多方面并不需要如此“苛刻完美”的條件，而且真空室的大小和成本對(duì)生產(chǎn)流水線的自動(dòng)化運(yùn)作有著很大的限制。因此，局部真空和非真空電子束焊接已經(jīng)成為國(guó)際上高能束焊接研究的一大熱點(diǎn)。在保證焊縫質(zhì)量的前提下，非真空電子束焊接的廣泛應(yīng)用將極大地提高生產(chǎn)效率、降低成本，幫助完成工業(yè)產(chǎn)品和技術(shù)的更新?lián)Q代，乃至進(jìn)一步提高人民的生活水平作出巨大貢獻(xiàn)。2. 摩擦焊2.1 定義摩擦焊接是在軸向壓力與扭矩作用下，利用焊接接觸端面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)及塑性流動(dòng)所產(chǎn)生的摩擦熱及塑性變形熱使接觸面及

32、其近區(qū)達(dá)到粘塑性狀態(tài)并產(chǎn)生適當(dāng)?shù)暮暧^塑性變形，然后迅速頂鍛而完成焊接的一種壓焊方法。2.2 摩擦焊原理簡(jiǎn)介：摩擦焊是利用金屬焊接表面摩擦生熱的一種熱壓焊接法。摩擦焊接時(shí)，通常將待焊工件兩端分別固定在旋轉(zhuǎn)夾具和移動(dòng)夾具內(nèi)，工件被夾緊后，位于滑臺(tái)上的移動(dòng)夾具隨滑臺(tái)一起向旋轉(zhuǎn)端移動(dòng)，移動(dòng)至一定距離后，旋轉(zhuǎn)端工件開始旋轉(zhuǎn)，工件接觸后開始摩擦加熱。此后，則可進(jìn)行不同的控制，如時(shí)間控制或摩擦縮短量（又稱摩擦變形量）控制。當(dāng)達(dá)到設(shè)定值時(shí)，旋轉(zhuǎn)停止，頂鍛開始，通常施加較大的頂鍛力并維持一段時(shí)間，然后，旋轉(zhuǎn)夾具松開，滑臺(tái)后退，當(dāng)滑臺(tái)退到原位置時(shí)，移動(dòng)夾具松開，取出工件，至此，焊接過程結(jié)束8。示意圖見下圖2.圖2

33、 摩擦焊接過程示意圖摩擦焊接是一種優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能的固態(tài)連接技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于航空、航天、石油、汽車等領(lǐng)域中。在摩擦焊接過程中，主軸轉(zhuǎn)速、焊接壓力、焊接時(shí)間以及焊接變形量是影響焊接質(zhì)量的重要工藝參數(shù)。對(duì)這些參數(shù)實(shí)現(xiàn)精確的檢測(cè)和控制，是獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的保障。因此，研制一套控制精度高、響應(yīng)速度快、具有豐富的數(shù)據(jù)處理能力且易于升一級(jí)和擴(kuò)充的開放式控制系統(tǒng)具有重要意義。圖3 摩擦焊裝置示意圖2.3 摩擦焊的分類摩擦焊的方法很多，一般根據(jù)焊件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和工藝特點(diǎn)進(jìn)行分類，主要方法如圖1所示。在實(shí)際生產(chǎn)中，連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊、相位控制摩擦焊、慣性摩擦焊和攪拌摩擦焊應(yīng)用的比較普遍。通常所說的摩擦焊主要是指連續(xù)

34、驅(qū)動(dòng)摩擦焊、相位控制摩擦焊、慣性摩擦焊和軌道摩擦焊，統(tǒng)稱為傳統(tǒng)摩擦焊，它們的共同特點(diǎn)是靠?jī)蓚€(gè)待焊件之間的相對(duì)摩擦運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生熱能。而攪拌摩擦焊、嵌入摩擦焊、第三體摩擦焊和摩擦堆焊，是靠攪拌頭與待焊件之間的相對(duì)摩擦運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生熱量而實(shí)現(xiàn)焊接9。2.4 摩擦焊優(yōu)點(diǎn)介紹（1）焊接質(zhì)量好而穩(wěn)定。由于摩擦焊是一種熱壓焊接法，摩擦不僅能消除焊接表面的氧化膜， 同時(shí)在較大的頂鍛壓力作用下， 還能擠碎和擠出由于高速摩擦而產(chǎn)生的塑性變形層中氧化了的部分和其它雜質(zhì)， 并使焊縫金屬得到鍛造組織。（2）摩擦焊不僅能焊接黑色金屬、有色金屬、同種異種金屬， 而且還能焊接非金屬材料， 如塑料、陶瓷等。（3）對(duì)具有緊湊的回轉(zhuǎn)斷面的工

35、件的焊接，都可用摩擦焊代替閃光焊、電阻焊及電弧焊。并可簡(jiǎn)化和減少鍛件和鑄件， 充分利用軋制的棒材和管材。（4）焊件尺寸精度高。采用摩擦焊工藝生產(chǎn)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)燃燒室， 全長(zhǎng)最大誤差為士0.1毫米。專用的摩擦焊機(jī)可以保證焊件的長(zhǎng)度公差為士0.2 毫米， 偏心度小于0.2毫米（5）焊接生產(chǎn)率高， 易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化， 操作技術(shù)簡(jiǎn)單。（6）焊接費(fèi)用低。由于摩擦焊節(jié)省電能、金屬變形量?。ê附涌s短量少）、接頭焊前不需要清理、焊接時(shí)不需要填料和保護(hù)氣體、接頭上的飛邊有時(shí)可以不必去除， 所以焊接費(fèi)用顯著降低。（7）工作場(chǎng)地衛(wèi)生， 無(wú)火花、弧光及有害氣休。適于和其它先進(jìn)的金屬加工方法一起列入自動(dòng)生產(chǎn)線。2.

36、5 摩擦焊焊接工藝2.5.1 工藝特點(diǎn)1） 焊接施工時(shí)間短，生產(chǎn)效率高。例如發(fā)動(dòng)機(jī)排氣門雙頭自動(dòng)摩擦焊機(jī)的生產(chǎn)率可達(dá)8001200件/h。對(duì)于外127mm、內(nèi)徑95mm的石油鉆桿與接頭的焊接，連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊僅需要十幾秒鐘9。2） 因焊接熱循環(huán)引起的焊接變形小，焊后尺寸精度高，不用焊后校形和消除應(yīng)力。用摩擦焊生產(chǎn)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)燃燒室，全長(zhǎng)誤差為±0.1mm；專用焊機(jī)可保證焊后的長(zhǎng)度公差為±0.2mm，偏心度為0.2mm。3） 機(jī)械化、自動(dòng)化程度高，焊接質(zhì)量穩(wěn)定。當(dāng)給定焊接條件后，操作簡(jiǎn)單，不需要特殊的焊接技術(shù)人員。4） 適合各類異種材料的焊接，對(duì)常規(guī)熔化下不能焊接的鋁-鋼、鋁

37、-銅、鈦-銅、金屬間化合物-鋼等都可以進(jìn)行焊接。5） 可以實(shí)現(xiàn)同直徑、不同直徑的棒材和管材的焊接。6） 焊接時(shí)不產(chǎn)生煙霧、弧光以及有害氣體等，不污染環(huán)境。同時(shí)，與閃光焊相比，電能節(jié)約510倍。但是，摩擦焊也具有如下缺點(diǎn)與局限性：1） 對(duì)非圓形截面焊接較困難，所需設(shè)備復(fù)雜；對(duì)盤狀薄零件和薄壁管件，由于不易夾固，施焊也比較困難。2） 對(duì)形狀及組裝位置已經(jīng)確定的構(gòu)件，很難實(shí)現(xiàn)摩擦焊接。3） 接頭容易產(chǎn)生飛邊，必須焊后進(jìn)行機(jī)械加工。4） 夾緊部位容易產(chǎn)生劃傷或夾持痕跡。2.5.2 接頭形式設(shè)計(jì)連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊可以實(shí)現(xiàn)棒材-棒材、管材-管材、棒材-管材、棒材-板材及管材-板材的可靠連接。接合面形狀對(duì)獲得高

38、質(zhì)量的接頭非常重要10。連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊接頭形式在設(shè)計(jì)時(shí)主要遵循以下原則：1） 在旋轉(zhuǎn)式摩擦焊的兩個(gè)工件中，至少要有一個(gè)工件具有回轉(zhuǎn)斷面。2） 焊接工件應(yīng)具有較大的剛度，夾緊方便、牢固，要盡量避免采用薄管和薄板接頭。3） 同種材料的兩個(gè)焊件斷面尺寸應(yīng)盡量相同，以保證焊接溫度分布均勻和變形層厚度相同。4） 一般傾斜接頭應(yīng)與中心線成30°45°的斜面。5） 對(duì)鍛壓溫度或熱導(dǎo)率相差較大的異種材料焊接時(shí)，為了使兩個(gè)零件的頂鍛相對(duì)平衡，應(yīng)調(diào)整界面的相對(duì)尺寸；為了防止高溫下強(qiáng)度低的工件端面金屬產(chǎn)生過多的變形流失，需要采用模子封閉接頭金屬。6） 為了增大焊縫面積，可以把焊縫設(shè)計(jì)成搭接或維形

39、接頭。7） 焊接大斷面接頭時(shí)，為了降低加熱功率峰值，可以采用將焊接端面倒角的方法，使摩擦面積逐漸增大。8） 對(duì)于棒棒和棒板接頭，當(dāng)中心部位材料被擠出形成飛邊時(shí)要消耗更多的能量，而焊縫中心部位對(duì)扭矩和彎曲應(yīng)力的承擔(dān)又很少，所以，如果工件條件允許，可將一個(gè)或兩個(gè)零件加工成具有中心孔洞，這樣，既可用較小功率的焊機(jī)，又可提高生產(chǎn)率。9） 待焊表面應(yīng)避免滲氮、滲碳等。10） 設(shè)計(jì)接頭形式的同時(shí)，還應(yīng)注意工件的長(zhǎng)度、直徑公差、焊接端面的垂直度、不平度和表面粗糙度。2.6 摩擦焊焊接參數(shù)（1）連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊主要參數(shù)有轉(zhuǎn)速、摩擦壓力、摩擦?xí)r間、摩擦變形量、停車時(shí)間、頂鍛時(shí)間、頂鍛壓力、頂鍛變形量。其中，摩擦變

40、形量和頂鍛變形量（總和為縮短量）是其他參數(shù)的綜合反應(yīng)11。1） 轉(zhuǎn)速與摩擦壓力。轉(zhuǎn)速和摩擦壓力直接影響摩擦扭矩、摩擦加熱功率、接頭溫度場(chǎng)、塑性層厚度以及摩擦變形速度等。轉(zhuǎn)速和摩擦壓力的選擇范圍很寬，它們不同的組合可得到不同的規(guī)范，常用的組合有強(qiáng)規(guī)范和弱規(guī)范。強(qiáng)規(guī)范時(shí)，轉(zhuǎn)速較低，摩擦壓力較大，摩擦?xí)r間短；弱規(guī)范時(shí)，轉(zhuǎn)速較高，摩擦壓力小，摩擦?xí)r間長(zhǎng)。2） 摩擦?xí)r間。摩擦?xí)r間影響接頭的加熱溫度、溫度場(chǎng)和質(zhì)量。如果時(shí)間短，則界面加熱不充分，接頭溫度和溫度場(chǎng)不能滿足焊接要求；如果時(shí)間長(zhǎng)，則消耗能量多，熱影響區(qū)大，高溫區(qū)金屬易過熱，變形大，飛邊也大，消耗的材料多。碳鋼工件的摩擦?xí)r間一般在140s范圍內(nèi)。3

41、） 摩擦變形量。摩擦變形量與轉(zhuǎn)速、摩擦壓力、摩擦?xí)r間、材質(zhì)的狀態(tài)和變形抗力有關(guān)。要得到牢靠的接頭，必須有一定的摩擦變形量，通常選取的范圍為110mm。4） 停車時(shí)間。停車時(shí)間是轉(zhuǎn)速由給定值下降到零時(shí)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，直接影響接頭的變形層厚度和焊接質(zhì)量。當(dāng)變形層較厚時(shí)，停車時(shí)間要短；當(dāng)變形層較薄而且希望在停車階段增加變形層厚度時(shí)，則可加長(zhǎng)停車時(shí)間。5） 頂鍛壓力、頂鍛變形量和頂鍛速度。頂鍛壓力的作用是擠出摩擦塑性變形層中的氧化物和其他有害雜質(zhì)，并使焊縫得到鍛壓，結(jié)合牢靠，晶粒細(xì)化。頂鍛壓力的選擇與材質(zhì)、接頭溫度、變形層厚度以及摩擦壓力有關(guān)。材料的高溫強(qiáng)度高時(shí)，頂鍛壓力要大；溫度高、變形層厚度小時(shí)，頂

42、鍛壓力要?。ㄝ^小的頂鍛壓力就可得到所需要的頂鍛變形量）；摩擦壓力大時(shí)，相應(yīng)的頂鍛壓力要小一些。頂鍛變形量是頂鍛壓力作用結(jié)果的具體反映，一般選取16mm。頂鍛速度對(duì)焊接質(zhì)量影響很大，如頂鍛速度慢，則達(dá)不到要求的頂鍛變形量，一般為1040mm/min。（2）對(duì)于慣性摩擦焊在參數(shù)選取上連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊有所不同，主要的參數(shù)有起始轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和軸向壓力。1） 起始轉(zhuǎn)速。起始轉(zhuǎn)速具體反映在工件的線速度上，對(duì)鋼-鋼焊件，推薦的速度范圍為152456m/min。低速（< 91m/min）時(shí)，中心加熱偏低，飛邊粗大不齊，焊縫成漏斗狀；中速（91273m/min）焊接時(shí)，焊縫深度逐漸增加，邊界逐漸均勻；如果

43、速度大于360m/min時(shí)，焊縫中心寬度大于其他部位。2） 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和起始轉(zhuǎn)速均影響焊接能量。在能量相同的情況下，大而轉(zhuǎn)速慢的飛輪產(chǎn)生頂鍛變形量較小，而轉(zhuǎn)速快的飛輪產(chǎn)生較大的頂鍛變形量。3） 軸向壓力。軸向壓力對(duì)焊縫深度和形貌的影響幾乎與起始轉(zhuǎn)速的影響相反，壓力過大時(shí)，飛邊量增大。2.7 典型材料的摩擦焊材料的摩擦焊接性是指材料在摩擦焊接過程中形成優(yōu)質(zhì)接頭的能力。所謂優(yōu)質(zhì)接頭，一般是指與母材等強(qiáng)度及等塑性，所涉及的材料有金屬材料、陶瓷材料、復(fù)合材料、塑料等12。影響材料摩擦焊接性的因素主要有：1） 材料的互溶性。同種材料或互溶性好的異種材料容易進(jìn)行摩擦焊接；有限互溶、不能相互溶接

44、和擴(kuò)散的兩種材料，很難進(jìn)行摩擦焊接。2） 材料表面的氧化膜。金屬表面上的氧化膜如果容易破碎，則焊合比較容易，如低碳鋼的摩擦焊接性比不銹鋼好。3） 材料的力學(xué)性能。高溫強(qiáng)度高、塑性低、導(dǎo)熱性好的材料不容易焊接；力學(xué)性能差別大的異種材料也不容易焊接。4） 合金的碳當(dāng)量。碳當(dāng)量高、淬硬性好的合金材料焊接比較困難。5） 高溫氧化性。一些活性金屬及高溫氧化性大的材料難以焊接。6） 生成的脆性相。凡是能形成脆性化合物層的異種材料，很難獲得高可靠性的焊接接頭。對(duì)這類材料，在焊接過程中必須設(shè)法降低焊接溫度或減少焊接時(shí)間，以控制脆性化合物層的長(zhǎng)大，或者添加過渡金屬層進(jìn)行摩擦焊接。7） 摩擦系數(shù)。摩擦系數(shù)低的材料

45、，加熱功率低，得到的焊接溫度低，就不容易保證接頭的質(zhì)量，例如焊接黃銅、鑄鐵等就比較困難。8） 材料的脆性。大多數(shù)金屬材料都具有很好的摩擦焊接性能，而對(duì)于焊接性不好的陶瓷材料及異種材料，為了提高接頭性能，摩擦焊接時(shí)應(yīng)選用合適的過渡金屬層。應(yīng)注意，某些摩擦焊接性能不好的材料，隨著摩擦焊工藝的發(fā)展和設(shè)備的改進(jìn)有可能成為焊接性好的材料。2.8摩擦焊設(shè)備2.8.1 傳統(tǒng)摩擦焊設(shè)備摩擦焊的機(jī)械化程度較高，焊接質(zhì)量對(duì)設(shè)備的依賴性很大，要求設(shè)備要有適當(dāng)?shù)闹鬏S轉(zhuǎn)速，有足夠大的主軸電動(dòng)機(jī)功率、軸向壓力和夾緊力，還要求設(shè)備同軸度好、剛度大。根據(jù)生產(chǎn)需要，還需配備自動(dòng)送料、卸料、切除飛邊等裝置。2.8.2 連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩

46、擦焊機(jī)普通型連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊機(jī)主要由主軸系統(tǒng)、加壓系統(tǒng)、機(jī)身、夾頭、檢測(cè)與控制系統(tǒng)以及輔助裝置等六部分組成。1） 主軸系統(tǒng)。主要由主軸電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)皮帶、離合器、制動(dòng)器、軸承和主軸等組成，主要作用是傳送焊接所需要的功率，承受摩擦扭矩。2） 加壓系統(tǒng)。主要包括加壓機(jī)構(gòu)和受力機(jī)構(gòu)。加壓機(jī)構(gòu)的核心是液壓系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)包括夾緊油路、滑臺(tái)快進(jìn)油路、滑臺(tái)工進(jìn)油路、頂鍛保壓油路以及滑臺(tái)快退油路等五個(gè)部分。夾緊油路主要通過對(duì)離合器的壓緊與松開完成主軸的啟動(dòng)、制動(dòng)以及工件的夾緊、松開等任務(wù)。當(dāng)工件裝夾完成之后，滑臺(tái)快進(jìn)；為了避免兩工件發(fā)生撞擊，當(dāng)接近到一定程度時(shí)，通過油路的切換，滑臺(tái)由快進(jìn)轉(zhuǎn)變?yōu)楣みM(jìn)。工件摩擦?xí)r，提

47、供摩擦壓力，依靠頂鍛油路調(diào)節(jié)頂端力和頂鍛速度的大?。划?dāng)頂鍛保壓結(jié)束后，又通過油路的切換實(shí)現(xiàn)滑臺(tái)快退，達(dá)到復(fù)位后停止運(yùn)動(dòng)，一個(gè)焊接循環(huán)結(jié)束。受力機(jī)構(gòu)的作用是為平衡軸向力（摩擦壓力、頂鍛壓力）和摩擦扭矩及能防止焊機(jī)變形，保持主軸與加壓系統(tǒng)的同心度。扭矩的平穩(wěn)常利用裝在機(jī)身上的導(dǎo)軌來(lái)實(shí)現(xiàn)。軸向力的平衡可采用單拉桿或雙拉桿結(jié)構(gòu)，即以工件為中心，在機(jī)身中心位置設(shè)置單拉桿或以工件為中心、對(duì)稱設(shè)置雙拉桿。3） 機(jī)身。機(jī)身一般為臥式，少數(shù)為立式。為防止變形和振動(dòng)，應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和剛度。主軸箱、導(dǎo)軌、拉桿、夾頭都裝在機(jī)身上。4） 夾頭。夾頭分為旋轉(zhuǎn)和固定兩種。旋轉(zhuǎn)夾頭又有自定心彈簧夾頭和三爪夾頭之分。彈簧夾頭適

48、宜于直徑變化不大的工件；三爪夾頭適宜于直徑變化較大的工件。為了使夾持牢靠，不出現(xiàn)打滑旋轉(zhuǎn)、后退、振動(dòng)等，夾頭與工件的接觸部分硬度要高、耐磨性要好。5） 檢測(cè)與控制系統(tǒng)。參數(shù)檢測(cè)主要涉及時(shí)間（摩擦?xí)r間、剎車時(shí)間、頂鍛上升時(shí)間、頂鍛維持時(shí)間）、加熱功率、摩擦壓力（一次壓力和二次壓力）、頂鍛壓力、變形量、扭矩、轉(zhuǎn)速、溫度、特征信號(hào)（如摩擦開始時(shí)刻、功率峰值及所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻）等?？刂葡到y(tǒng)包括程序控制和參數(shù)控制。程序控制用來(lái)完成上料、夾緊、滑臺(tái)快進(jìn)、滑臺(tái)工進(jìn)、主軸旋轉(zhuǎn)、摩擦加熱、離合器松開、剎車、頂鍛保證、車除飛邊、滑臺(tái)后退、工件退出等順序動(dòng)作及其聯(lián)鎖保護(hù)等。焊接參數(shù)控制，則根據(jù)方案進(jìn)行相應(yīng)的諸如時(shí)間控制

49、、功率峰值控制、變形量控制、溫度控制、變參數(shù)復(fù)合控制等。6） 輔助裝置。主要包括自動(dòng)送料、卸料以及自動(dòng)切除飛邊裝置等13。2.8.3 慣性摩擦焊機(jī)慣性摩擦焊機(jī)由電動(dòng)機(jī)、主軸、飛輪、夾盤、移動(dòng)夾具、液壓缸等組成。2.8.4 攪拌摩擦焊設(shè)備攪拌摩擦焊接設(shè)備的部件很多，從設(shè)備功能結(jié)構(gòu)上可以把攪拌摩擦焊機(jī)分為攪拌頭、機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部分、行走部分、控制部分等。（1）常用攪拌摩擦焊接設(shè)備常用的攪拌摩擦焊接設(shè)備大致可以分為懸臂式、C型和龍門式三大類型。懸臂式攪拌摩擦焊接設(shè)備根據(jù)型號(hào)不同，可以焊接15mm、310mm、315m和320mm厚鋁合金或鎂合金。焊件直徑2.2m以下，長(zhǎng)度不超過15m，控制方式為3軸數(shù)控。

50、C型攪拌摩擦焊接設(shè)備一般焊接厚度10mm以下的鋁合金或鎂合金，焊縫形式為縱向直縫、T形焊縫和環(huán)焊縫。龍門式攪拌摩擦焊接設(shè)備主要用于大型構(gòu)件、大厚度材料的焊接，是生產(chǎn)中應(yīng)用最多的一種。（2）數(shù)控FSW焊接設(shè)備這種設(shè)備不同于傳統(tǒng)的三維剛性控制機(jī)械，它利用了六腳昆蟲原理，由6個(gè)支架組成，每個(gè)支架都可以改變長(zhǎng)度。在負(fù)載、剛度和再現(xiàn)性等方面都比傳統(tǒng)的攪拌摩擦焊設(shè)備有優(yōu)勢(shì)。設(shè)備的主軸固定在一個(gè)框架上，可以使6個(gè)支架都能自由移動(dòng)，用來(lái)高速焊接一些航空構(gòu)件，設(shè)備的工作空間為1.2m×1.2m×1.2m。（3）攪拌摩擦焊機(jī)器人為了實(shí)現(xiàn)三維空間曲線的攪拌摩擦焊接，增加焊接適應(yīng)性，研制了攪拌摩擦

51、焊接機(jī)器人，可以實(shí)現(xiàn)空間焊縫的焊接。2.9 摩擦焊焊接工藝2.9.1接頭形式的設(shè)計(jì)連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊可以實(shí)現(xiàn)圓棒-圓棒、圓管-圓管、圓棒-圓管、圓棒-板材及圓管-板材的可靠連接，接頭形式對(duì)焊接質(zhì)量尤為重要14。連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊焊接接頭形式在設(shè)計(jì)時(shí)主要遵循一下原則：1）兩被焊件中，最好旋轉(zhuǎn)件是圓形且便于繞軸線做高速旋轉(zhuǎn)。2）焊件應(yīng)具有較大的剛度，夾緊方便、牢固，要盡量避免采用薄管和薄板接頭。3）同種材料的兩個(gè)焊件截面尺寸應(yīng)盡量相同，以保證焊接溫度分布均勻和變形層厚度相同。4）對(duì)鍛壓溫度或熱導(dǎo)率相差較大的異種材料焊接時(shí)，為了使兩個(gè)零件的頂鍛相對(duì)平衡，應(yīng)調(diào)整界面的相對(duì)尺寸。5）一般傾斜接頭應(yīng)與中心線成30

52、-50度的斜面。6）為了增大焊縫面積，可以把焊縫接頭設(shè)計(jì)成搭接或錐形接頭。7）焊接大截面焊接接頭時(shí)，為了降低加熱功率峰值，可采用將焊接端面倒角的方法，使摩擦面積逐漸增大。8）要注意飛邊的流向，使其在焊接時(shí)不受阻礙的被擠出。在不可能切除飛邊或者要節(jié)省飛邊切除費(fèi)用的情況下，可設(shè)計(jì)帶飛邊槽的接頭。9）待焊表面應(yīng)避免滲氮、滲碳等。10）設(shè)計(jì)接頭形式的同時(shí)，還應(yīng)注意工件的長(zhǎng)度、直徑公差、焊接端面的垂直度、平面度和粗糙度。2.9.2 接頭表面準(zhǔn)備焊接前還需對(duì)焊件作如下處理1）焊件的摩擦端面應(yīng)平整，中心部位不能有凹面或中心孔，以防止焊縫中含空氣和氧化物。2）當(dāng)結(jié)合面上具有較厚的氧化層、鍍鉻層、滲碳層或滲氮層

53、時(shí)，常不易加熱或被擠出，焊前應(yīng)進(jìn)行清除。3）摩擦焊對(duì)焊件結(jié)合面的粗糙度、清潔度要求并不嚴(yán)格，如果能加大焊接縮短量，則氣割，沖剪、砂輪磨削、鋸斷的表面均可直接施焊。4）端面垂直度一般小于直徑的1%，過大會(huì)造成不同軸度的徑向力。2.9.3 焊接參數(shù)連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊的焊接參數(shù)主要包括主軸轉(zhuǎn)速、摩擦壓力、摩擦?xí)r間、頂鍛壓力、頂段時(shí)間、變形量等15。2.10 摩擦焊安全防護(hù)1）操作者必須熟悉機(jī)床操作順序和性能，嚴(yán)禁超性能使用設(shè)備。 2）操作者必須經(jīng)過培訓(xùn)、考試或考核合格后，持證上崗。 3）開機(jī)前，按設(shè)備潤(rùn)滑圖表注油，檢查油標(biāo)油位或注油點(diǎn)。 4）啟動(dòng)油泵電機(jī)，彈性?shī)A頭夾緊工件，調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)壓力、工作壓力、夾

54、緊壓力，頂鍛壓力，檢查主軸箱潤(rùn)滑。 5）在調(diào)整狀態(tài)下，調(diào)節(jié)滑臺(tái)、刀架移動(dòng)速度和距離。 6）檢查主軸箱潤(rùn)滑、離合、制動(dòng)，低速轉(zhuǎn)動(dòng)主軸。 7）停機(jī)前復(fù)位，關(guān)閉主軸電機(jī)，待主軸停轉(zhuǎn)后，關(guān)閉油泵電機(jī)。 8）關(guān)閉機(jī)床電控總開關(guān)，關(guān)閉電控柜空氣開關(guān)。 9）清潔機(jī)床，按設(shè)備潤(rùn)滑圖表或注油點(diǎn)進(jìn)行注油。 10）嚴(yán)禁穿拖鞋、涼鞋、半短褲操作，以防鐵屑燙傷，嚴(yán)禁戴手套操作。 11）夾具的防轉(zhuǎn)塊必須鎖緊，避免螺釘或防轉(zhuǎn)塊飛出，裝卸夾具應(yīng)用專門板手，不許把錐面變形的彈簧夾具裝上使用。 13）快進(jìn)、快退不能調(diào)得太快，防止發(fā)生危險(xiǎn)，皮帶張緊要適當(dāng)，防護(hù)罩須鎖緊。 14）飛邊切前量應(yīng)由小到大，工進(jìn)要適當(dāng)。 15）清洗油要及時(shí)

55、處理，回火油不能裝得太滿，放、取料應(yīng)小心。 16）機(jī)床油桶應(yīng)有良好接地保護(hù)，不許擅自拆修。2.11 摩擦焊的應(yīng)用目前我國(guó)摩擦焊技術(shù)的應(yīng)用比較廣泛，可焊接直徑3.0120mm的工件以及8000mm²的大截面管件，同時(shí)還開發(fā)了相位焊和徑向摩擦焊技術(shù)，以及攪拌摩擦焊技術(shù)。不僅可焊接鋼、鋁、銅，而且還成功焊接了高溫強(qiáng)度級(jí)相差很大的異種鋼和異種金屬，以及形成低熔點(diǎn)共晶和脆性化合物的異種金屬。如高速鋼碳鋼、耐熱鋼低合金鋼、高溫和金合金鋼、不銹鋼低碳鋼、不銹鋼電磁鐵以及鋁銅、鋁鋼等。近年來(lái)隨著我國(guó)航空航天事業(yè)的發(fā)展，也加速了摩擦焊技術(shù)向這些領(lǐng)域的滲透，進(jìn)行了航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子、起落架結(jié)構(gòu)件、緊固件等材

56、料（Ln718Ti17300MGH159GH4169）以及金屬與陶瓷、復(fù)合材料、粉末高溫合金的摩擦焊工藝試驗(yàn)研究，某些電工材料的釬焊工藝也開始用摩擦焊接所取代。如電磁鐵不銹鋼、鎢銅合金等。目前我國(guó)采用摩擦焊接方法焊接的產(chǎn)品有：鍋爐行業(yè)的蛇形管摩擦焊接，閥門行業(yè)的閥門法蘭和閥體密封座的摩擦焊接，軸瓦行業(yè)的止推邊軸瓦的摩擦焊接，工具行業(yè)的鉆頭、銑刀、鉸刀的刃部與柄部的摩擦焊接，汽車及機(jī)車行業(yè)發(fā)動(dòng)機(jī)的雙金屬排氣閥、氣門頂桿、柴油機(jī)預(yù)熱室噴咀、半軸、扭力管、內(nèi)燃機(jī)增壓器渦輪軸，潛水電泵轉(zhuǎn)軸，紫銅不銹鋼水接頭，鋁銅過渡接頭，紡織機(jī)梭子芯，關(guān)節(jié)軸承，泥瓦工具，地質(zhì)鉆桿，石油鉆桿、實(shí)心、空心抽油桿，航空發(fā)動(dòng)

57、機(jī)集成齒輪，木工多用機(jī)床上的刀軸等等。我國(guó)現(xiàn)有六百余臺(tái)摩擦焊機(jī)，絕大部分是連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊機(jī)。近年來(lái)由于加強(qiáng)了與德國(guó)KUKA、日東株氏會(huì)社、美國(guó)MTI公司等摩擦焊機(jī)制造公司的交流與引進(jìn)樣機(jī)，焊機(jī)先后采用了液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的主軸系統(tǒng)，串聯(lián)軸承組平衡油缸液力平衡旋轉(zhuǎn)活塞，多片式粉末冶金涂層離合器，滾動(dòng)導(dǎo)軌和可編程序控制器（PLC）控制等多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，使焊機(jī)制造水平有了較大的提高。    隨著實(shí)際生產(chǎn)的需要。國(guó)內(nèi)對(duì)于其它型式的摩擦焊機(jī)也進(jìn)行了研制，如長(zhǎng)春焊接設(shè)備廠研制了小噸位的慣性焊機(jī)，相位摩擦焊機(jī)，哈爾濱焊接研究所研制了具有形變熱處理功能帶機(jī)上淬火裝置及自動(dòng)去飛邊裝置的混合式摩擦焊機(jī)，變頻調(diào)速相位摩擦焊機(jī)。哈爾濱量具刃具廠研制了20T雙頭摩擦焊機(jī)，中國(guó)兵器工業(yè)第五九研究所研制了小噸位徑向摩擦焊機(jī)，北京賽福斯特技術(shù)有限公司研制了系列攪拌摩擦焊機(jī)等等，這些焊機(jī)有的技術(shù)指標(biāo)和制造水平已達(dá)到或接近國(guó)外同類焊機(jī)的水平。        面對(duì)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的需要，摩擦焊機(jī)的生產(chǎn)也在向系列