Φ15 45钢+45钢连续驱动摩擦焊焊接工艺
一、目的
《特种焊接设备使用与维护》是三年制高职焊接技术及自动化专业的一门专业主干课程。其任务主要是讲述各种特种焊接方法的过程本质、质量控制、相应焊接设备的构成、工件原理、焊接参数的合理选择及设备使用维护的技术知识。为了巩固所学常用特种焊接方法与设备的知识，熟悉有关资料，掌握焊接工艺参数的选择和焊接设备的使用维护，安排了为期一周的课程设计。通过本次焊接工艺设计，锻炼学生们的分析问题与解决问题的能力，提高焊接操作技能。
二、摩擦焊接技术概况
摩擦焊接是利用焊件接触的端面相对运动中相互摩擦所产生的热，使端面达到热塑性状态，然后迅速顶锻，完成焊接的一种固相焊接方法。摩擦焊以其优质、高效、节能、无污染等优势受到制造业的重视，使其在航天、核能、海洋开发等技术领域及电力、机械、石化、汽车制造等产业部门得到了越来越广泛的应用。摩擦焊的基本原理：摩擦焊焊接过程是在压力的作用下，相对运动的待焊材料之间产生摩擦，使界面及附近温度升高并达到热塑性状态，随着顶锻力的作用，界面氧化膜破碎，材料发生塑性变形与流动，通过界面元素扩散及再结晶冶金反应而形成接头。 焊接过程不加填充金属，不需焊剂，也不用保护气体，全部焊接过程只需几秒钟。两焊件结合面之间在较高的压力下高速旋转相互摩擦产生了两个重要的效果：一是破坏了结合面的氧化膜或其他污物，使纯净金属暴露出来；另一个是摩擦生热，使结合面很快形成热塑性层。在随后的摩擦扭矩和轴向压力作用下这些破碎的氧化物和部分塑性层被挤出结合面外形成飞边，剩余的塑性变形金属就构成了焊缝金属，最后的顶锻使焊缝金属获得进一步锻造，形成了质量良好的焊接.
三、摩擦焊的优缺点
1、焊接质量好而稳定。由于摩擦焊是一种热压焊接法，摩擦不仅能消除焊接表面的氧化膜, 同时在较大的顶锻压力作用下, 还能挤碎和挤出由于高速摩擦而产生的塑性变形层中氧化了的部分和其它杂质, 并使焊缝金属得到锻造组织。
2、摩擦焊不仅能焊接黑色金属、有色金属、同种异种金属, 而且还能焊接非金属材料, 如塑料、陶瓷等。
3、对具有紧凑的回转断面的工件的焊接,都可用摩擦焊代替闪光焊、电阻焊及电弧焊。并可简化和减少锻件和铸件, 充分利用轧制的棒材和管材。
4、焊件尺寸精度高。采用摩擦焊工艺生产的柴油发动机预燃烧室, 全长最大误差为士0.1毫米。专用的摩擦焊机可以保证焊件的长度公差为士0.2 毫米, 偏心度小于0.2毫米
5、焊接生产率高, 易实现机械化、自动化, 操作技术简单。
6、焊接费用低。由于摩擦焊节省电能、金属变形量小（焊接缩短量少）、接头焊前不需要清理、焊接时不需要填料和保护气体、接头上的飞边有时可以不必去除, 所以焊接费用显著降低。
7、工作场地卫生, 无火花、弧光及有害气休。适于和其它先进的金属加工方法一起列入自动生产线。
四、传统摩擦焊机的设备组成
传统摩擦焊设备可分为连续驱动摩擦焊机和惯性摩擦焊机。
连续驱动摩擦焊机通常由六部分组成，即主轴系统、加压系统、机身、夹头、控制系统及辅助装置。
1、主轴系统
主轴系统由主轴电动机、带传动轮、离合器、制动器、旋转主轴和轴承等组成。主轴电动机一般采用交流电动机，通过带传动轮直接带动主轴。摩擦加热终了时要求主轴迅速停车。对于功率较小、生产率不高的摩擦焊机，可以采用电动机反制动或能耗制动停车；生产率高和主轴电动机功率大的焊机，普遍采用离合-制动联合装置。
2、液压系统
加压系统主要包括加压机构和受力机构两部分，加压机构由加压方式决定。摩擦焊机加压方式有丝杠-螺母、凸轮等机械加压、气压、液压和气-液联合加压。
受力机构的作用是为了平衡轴向力和摩擦转矩以及防止焊机变形，保持主轴与加压系统的同轴度。
3、机身
机身一般为卧式，少数为立式，用来安装主轴、加压机构及导轨等。机身应有足够的刚度和强度，以防止焊接时产生变形和振动。
4、夹头
夹头分为旋转和固定两种。为了使夹持牢靠，不出现打滑旋转、后退、振动等，夹头与工件的接触部分硬度要高，耐磨性要好。
5、控制系统
控制系统包括焊接操作程序控制和焊接参数控制等。
程序控制即控制摩擦焊机按预先规定的动作次序完成送料、夹紧焊件、主轴旋转、摩擦加热、顶锻焊接、切除飞边和退出焊件等操作。
焊接参数控制主要有时间控制、摩擦加热功率峰值控制和综合参数控制等。
6、辅助装置
辅助装置主要包括自动送料、卸料以及自动切除飞边等。
惯性摩擦焊机与连续驱动摩擦焊机的主要区别是惯性摩擦焊机上装有一个供储存机械能的飞轮。惯性摩擦焊机由电动机、主轴、飞轮、夹盘、移动夹具、液压缸等
五、母材的技术状况
表1 45钢化学成分
化学成分 质量分数 C 045～0.50 Si 0.17～0.37 Cr ≤0.25 Ni ≤0.30 Cu ≤0.25 Mn 0.5～0.8
化学成分质量分数%C；045～0.50；化学成分质量分数%Si；0.17～0.37 化学成分质量分数%Cr：小于等于0.25；化学成分质量分数%Ni：小于等于0.30
化学成分质量分数%Cu：小于等于0.25；化学成分质量分数%Mn：0.5～0.8 推荐热处理：
淬火：840摄氏度；正火：850摄氏度；回火：600摄氏度。
六、焊前准备
1、坡口形式
一般来说摩擦焊接无需开坡口，因为一般都是直接焊接的，但应保持使用大直径的接触面不产生倾斜，同时要加大摩擦力，必须在短时间内停止相对运动，要求设备具有良好的刚性。
2、接头形式与设计原则 接头形式的设计
连续驱动摩擦焊可以实现圆棒-圆棒、圆管-圆管、圆棒-圆管、圆棒-板材及圆管-板材的可靠连接，接头形式对焊接质量尤为重要.见表2.
表2
接头形式 简图 摩擦焊接头的基本形式
接头形式 简图 棒－棒 管－板 管－管 棒－管 管－管板 棒－管板 矩形和多边形型材棒－板 －棒或板
连续驱动摩擦焊焊接接头形式在设计时主要遵循一下原则： 1）两被焊件中，最好旋转件是圆形且便于绕轴线做高速旋转。 焊件应具有较大的刚度，夹紧方便、牢固，要尽量避免采用薄管和薄板接头。
同种材料的两个焊件截面尺寸应尽量相同，以保证焊接温度分布均匀和变形层厚度相同。
2）对锻压温度或热导率相差较大的异种材料焊接时，为了使两个零件的顶锻相对平衡，应调整界面的相对尺寸。
一般倾斜接头应与中心线成30-50度的斜面。
3）为了增大焊缝面积，可以把焊缝接头设计成搭接或锥形接头。 焊接大截面焊接接头时，为了降低加热功率峰值，可采用将焊接端面倒角的方法，使摩擦面积逐渐增大。
4）要注意飞边的流向，使其在焊接时不受阻碍的被挤出。在不可能切除飞边或者要节省飞边切除费用的情况下，可设计带飞边槽的接头。待焊表面应避免渗氮、渗碳等。
5）设计接头形式的同时，还应注意工件的长度、直径公差、焊接端面的垂
直度、平面度和粗糙度。
3、焊接位置 一般为平焊。 4、工件尺寸 Φ15×100mm的钢管 5、焊前处理
焊接前还需对焊件作如下处理
1)焊件的摩擦端面应平整，中心部位不能有凹面或中心孔，以防止焊缝中含空气和氧化物。
2)当结合面上具有较厚的氧化层、镀铬层、渗碳层或渗氮层时，常不易加热或被挤出，焊前应进行清除。
3）摩擦焊对焊件结合面的粗糙度、清洁度要求并不严格，如果能加大焊接缩短量，则气割，冲剪、砂轮磨削、锯断的表面均可直接施焊。
4）端面垂直度一般小于直径的1%，过大会造成不同轴度的径向力。
七、 焊接参数的确定
1、主要的焊接参数
可以控制的主要焊接参数有转速、摩擦压力、摩擦时间、摩擦变形量、停车时间、顶锻延时、顶锻时间、顶锻力、顶锻变形量。其中，摩擦变形量和顶锻变形量（总和为缩短量）是其它参数的综合反映。
一般来讲，碳钢的连续驱动摩擦焊接参数选择范围为摩擦速度06-3M/s；摩擦压力30-100mpa；摩擦时间1-40s；变形量1-10mm；停车时间0.1-1s；顶锻压力100-200mpa；顶锻变形量1-6mm；顶锻速度10-10mm/s。对于45钢+4钢的连续驱动摩擦焊的焊接参数选择：接头直径15mm；转速2000r/min；摩擦压力60mpa；摩擦时间1.5s；顶锻压力120mpa。如表3
表3摩擦焊接参数
焊接材料 试件直径/mm 转速/r·min-1 45钢+45钢 15 2000 摩擦压力/MPa 10 焊接材料熔点/℃ 1480 焊接表面实测温度/℃ 1130
八、安全技术
1、 操作者必须熟悉机床操作顺序和性能，严禁超性能使用设备。 2、操作者必须经过培训、考试或考核合格后，持证上岗。 3、开机前，按设备润滑图表注油，检查油标油位或注油点。
4 、启动油泵电机，弹性夹头夹紧工件，调节液压系统压力、工作压力、夹紧压力，顶锻压力，检查主轴箱润滑。
5、在调整状态下，调节滑台、刀架移动速度和距离。 6、检查主轴箱润滑、离合、制动，低速转动主轴。
7、停机前复位，关闭主轴电机，待主轴停转后，关闭油泵电机。 8、关闭机床电控总开关，关闭电控柜空气开关。 9、清洁机床，按设备润滑图表或注油点进行注油。
10、严禁穿拖鞋、凉鞋、半短裤操作，以防铁屑烫伤，严禁戴手套操作。 11、夹具的防转块必须锁紧，避免螺钉或防转块
12、装卸夹具应用专门板手，不许把锥面变形的弹簧夹具装上使用。 13、快进、快退不能调得太快，防止发生危险，皮带张紧要适当，防护罩须锁紧。
14、飞边切前量应由小到大，工进要适当。
15、清洗油要及时处理，回火油不能装得太满，放、取料应小心。 16、机床油桶应有良好接地保护，不许擅自拆修。
九、参考资料
1、曹朝霞、特种焊接技术 北京： 机械工业出版社。2002