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1、第二讲第二讲电子束焊接电子束焊接 利用加速和聚焦的电子束轰击位于真空或非真空利用加速和聚焦的电子束轰击位于真空或非真空中的焊件所产生的热能进行焊接的一种焊接方法。中的焊件所产生的热能进行焊接的一种焊接方法。2021/9/122021/9/121 1 1.概述概述 德国的德国的K.-H.SteigerwaldK.-H.Steigerwald和法国的和法国的J.A.StohrJ.A.Stohr首先将电子束应用到工业生产中。首先将电子束应用到工业生产中。K.-H.Steigerwald K.-H.Steigerwald 1948 1948年，发现电子束可以用来加工材料年，发现电子束可以用来加工材料
2、19511951年，打孔，刻蚀，切割年，打孔，刻蚀，切割 19561956年，电子束焊机年，电子束焊机J.A.Stohr J.A.Stohr 1954 1954年，真空电子束焊接核工业燃料元件上的年，真空电子束焊接核工业燃料元件上的ZrZr基活泼合金。基活泼合金。19571957年，公布研究成果。年，公布研究成果。电子束焊接首先应用于原子能及宇航工业。电子束焊接首先应用于原子能及宇航工业。2021/9/122021/9/122 2 2电子束焊的基本原理 2.1电子束的产生 高压加速装置形高压加速装置形成的高功率电子束流，成的高功率电子束流，通过磁透镜会聚，得通过磁透镜会聚，得到很小的焦点，轰击
3、到很小的焦点，轰击置于真空或非真空中置于真空或非真空中的焊件时，电子的动的焊件时，电子的动能迅速转化为热能，能迅速转化为热能，熔化金属，实现焊接熔化金属，实现焊接过程。过程。2021/9/122021/9/123 3 (1)(1)阴极阴极 钨。钽及六硼化镧制成。钨。钽及六硼化镧制成。(2)(2)阳极阳极 形成束流形成束流(3)(3)聚束极聚束极 控制极、栅极。控制电子控制极、栅极。控制电子束流，三极枪。束流，三极枪。(4)(4)聚焦透镜聚焦透镜 得到得到10107 7W/cmW/cm2 2以上。以上。(5)(5)偏转系统偏转系统 适应接头类型和加工工艺。适应接头类型和加工工艺。(6)(6)合轴
4、系统合轴系统 得到满意的电子束斑点。得到满意的电子束斑点。2021/9/122021/9/124 4 2.2 电子束深熔焊机理 电子束焊接时，在加速电压作用电子束焊接时，在加速电压作用下，电子可被加热到下，电子可被加热到1/2-2/31/2-2/3的光的光速，工件材料表面温度可达到速，工件材料表面温度可达到10104 4以上，表层金属迅速被熔化。以上，表层金属迅速被熔化。高温还向焊件深层传导。高温还向焊件深层传导。P Pd dP Pi i/RRb b2 2TcTc(1/(1/)P)Pd dR Rb b 当束斑直径足够小时，功率密度当束斑直径足够小时，功率密度分布曲线变得窄而陡，热传导等温分布曲
5、线变得窄而陡，热传导等温线向深层扩散，形成窄而深的加热线向深层扩散，形成窄而深的加热模式。模式。基本结论：提高电子束的功率密度可基本结论：提高电子束的功率密度可以增加穿透深度。以增加穿透深度。2021/9/122021/9/125 5 大厚度电子束焊件中的热传导现象。大厚度电子束焊件中的热传导现象。小孔效应及其形成小孔效应及其形成 高功率密度的电子束轰击焊件，使焊件表面材高功率密度的电子束轰击焊件，使焊件表面材料熔化并伴随着液态金属的蒸发，材料表面蒸发走料熔化并伴随着液态金属的蒸发，材料表面蒸发走的原子的反冲力使焊缝金属表面压凹，随着电子束的原子的反冲力使焊缝金属表面压凹，随着电子束功率密度进
6、一步加大，金属蒸汽量增多功率密度进一步加大，金属蒸汽量增多，液面被压凹的程度也增大，并液面被压凹的程度也增大，并形成一个通道。电子束经过通形成一个通道。电子束经过通道轰击底部的待熔金属，使通道轰击底部的待熔金属，使通道逐渐向纵深发展。道逐渐向纵深发展。小孔的动态平衡与液态金属在小孔的动态平衡与液态金属在重力下的浸灌作用和表面张力重力下的浸灌作用和表面张力的封口作用有关。的封口作用有关。2021/9/122021/9/126 63.电子束焊接技术的特点(1)(1)电子束能量密度高，是理想的焊接热源电子束能量密度高，是理想的焊接热源 热源热源热源热源能量密度能量密度能量密度能量密度/W./W.cm
7、cm-2-2热源直径热源直径热源直径热源直径/cmcm电弧电弧电弧电弧10104 40.220.22等离子等离子等离子等离子10104 410105 50.520.52电子束电子束电子束电子束10104 410107 70.0310.031激光激光激光激光10103 310107 70.0110.0112021/9/122021/9/127 7(2)(2)电子束焊热源稳定性好，易控制电子束焊热源稳定性好，易控制(3)(3)真空电子束焊接时，焊缝免遭大气污染，在真空电子束焊接时，焊缝免遭大气污染，在2Pa2Pa真空度下焊接相当于真空度下焊接相当于99.99%99.99%氩气的保护，真空获得氩气的
8、保护，真空获得所消耗的成本远低于消耗氩气的成本。所消耗的成本远低于消耗氩气的成本。(4)(4)电子束焊机易实现自动化控制，操作简单，焊接电子束焊机易实现自动化控制，操作简单，焊接质量易保证，适合批量生产。质量易保证，适合批量生产。(5)(5)允许采用的焊接接头形式较其它焊接方法少，焊允许采用的焊接接头形式较其它焊接方法少，焊接速度快，热影响区窄、焊接变形小，可作为最后接速度快，热影响区窄、焊接变形小，可作为最后加工工序或仅保留精加工余量。加工工序或仅保留精加工余量。2021/9/122021/9/128 8不同焊接方法的热影响区宽度不同焊接方法的热影响区宽度不同焊接方法的热影响区宽度不同焊接方
9、法的热影响区宽度 焊接方法焊接方法焊接方法焊接方法热影响区各区平均尺寸热影响区各区平均尺寸热影响区各区平均尺寸热影响区各区平均尺寸/mmmm热影响区热影响区热影响区热影响区总宽度总宽度总宽度总宽度/mmmm过热区过热区过热区过热区相变重结晶区相变重结晶区相变重结晶区相变重结晶区不完全结晶区不完全结晶区不完全结晶区不完全结晶区埋弧焊埋弧焊埋弧焊埋弧焊2.22.2.22.0 01.52.51.52.52.2302.2306.08.56.08.5手工电弧焊手工电弧焊手工电弧焊手工电弧焊0.81.0.81.2 20.81.70.81.70.71.00.71.02.04.02.04.0电渣焊电渣焊电渣焊
10、电渣焊182018205.07.05.07.02.02.02.02.025302530氧乙炔焊氧乙炔焊氧乙炔焊氧乙炔焊21214.04.02.02.02727氩弧焊氩弧焊氩弧焊氩弧焊6mm206mm20#钢板钢板钢板钢板2.12.2.12.2 20.71.10.71.11.21.91.21.95.06.25.06.2505050504 4 4 4515151512.52.52.52.5管子管子管子管子2.52.2.52.2 20.81.30.81.31.62.01.62.05.66.35.66.3电子束焊电子束焊电子束焊电子束焊不预热不预热不预热不预热-0.050.750.050.751803
11、50180350预预预预热热热热-0.41.10.41.12021/9/122021/9/129 9不同焊接方法焊缝晶粒尺寸的比较不同焊接方法焊缝晶粒尺寸的比较(6Al-6V-25N)焊接方法焊接方法焊接方法焊接方法厚度厚度厚度厚度/mmmm焊缝宽度焊缝宽度焊缝宽度焊缝宽度/mm/mm热影响区宽度热影响区宽度热影响区宽度热影响区宽度/mmmm晶粒尺寸晶粒尺寸晶粒尺寸晶粒尺寸/mmmm钨极氩弧焊钨极氩弧焊钨极氩弧焊钨极氩弧焊1.651.657.99.57.99.51.541.540.890.892.362.369.511.19.511.12.564.572.564.570.890.89电电电电子
12、子子子束束束束焊焊焊焊高压高压高压高压1.271.272.182.180.050.050.250.640.250.642.412.411.521.520.050.050.250.640.250.64低压低压低压低压2.182.182.562.561.271.270.250.640.250.642021/9/122021/9/121010不同焊接方法的横向收缩量不同焊接方法的横向收缩量焊接方法焊接方法焊接方法焊接方法板厚板厚板厚板厚/mmmm线能量线能量线能量线能量/k kJ J cmcm-1-1横向收缩横向收缩横向收缩横向收缩/mmmm电子束焊电子束焊电子束焊电子束焊81881825250.0
13、60.070.060.07手工焊手工焊手工焊手工焊8 8303230320.80.90.80.9单面自动焊单面自动焊单面自动焊单面自动焊1212566056600.750.80.750.8TIGTIG1212121312130.350.420.350.422021/9/122021/9/121111(6)(6)大功率电子束适合焊接大厚度零件，提高材料利大功率电子束适合焊接大厚度零件，提高材料利用率，经济效益好。用率，经济效益好。(7)(7)电子束焊的适用范围极广，它可用于焊接贵重部电子束焊的适用范围极广，它可用于焊接贵重部件件(如喷气式发动机部件如喷气式发动机部件)，又可焊接廉价部件，又可焊接
14、廉价部件(如齿如齿轮等轮等)；既可适用大批量生产；既可适用大批量生产(如汽车、电子元件如汽车、电子元件)，也适用于单件生产也适用于单件生产(如核反应堆结构件如核反应堆结构件)；既可以焊；既可以焊接微型传感器，也可焊接结构庞大的飞机机身；从接微型传感器，也可焊接结构庞大的飞机机身；从薄的锯片到厚的压力容器它都能焊接；不但可焊接薄的锯片到厚的压力容器它都能焊接；不但可焊接普通的结构，亦可焊接多种特殊金属材料，如超高普通的结构，亦可焊接多种特殊金属材料，如超高强度钢、钛合金、高温合金及其它贵重稀有金属。强度钢、钛合金、高温合金及其它贵重稀有金属。2021/9/122021/9/1212121 1焊缝
15、深宽比高焊缝深宽比高焊缝深宽比高焊缝深宽比高 束斑尺寸小，能量密度高。可实现高深宽比束斑尺寸小，能量密度高。可实现高深宽比束斑尺寸小，能量密度高。可实现高深宽比束斑尺寸小，能量密度高。可实现高深宽比(即焊缝深即焊缝深即焊缝深即焊缝深而窄而窄而窄而窄)的焊接，深宽比达的焊接，深宽比达的焊接，深宽比达的焊接，深宽比达60:160:1，从，从，从，从0.13000.1300mmmm厚度厚度厚度厚度不锈钢板可一次焊透。不锈钢板可一次焊透。不锈钢板可一次焊透。不锈钢板可一次焊透。2 2焊接速度快，焊焊接速度快，焊焊接速度快，焊焊接速度快，焊缝物理性能好缝物理性能好缝物理性能好缝物理性能好 能量集中，熔化
16、和凝固过程快。例如焊接厚能量集中，熔化和凝固过程快。例如焊接厚能量集中，熔化和凝固过程快。例如焊接厚能量集中，熔化和凝固过程快。例如焊接厚125125mmmm的铝板，焊接速度达的铝板，焊接速度达的铝板，焊接速度达的铝板，焊接速度达400400mmmm/min/min，是氩弧焊的，是氩弧焊的，是氩弧焊的，是氩弧焊的4040倍，倍，倍，倍，能避免晶粒长大，使接头性能改善，高温作用时间短，能避免晶粒长大，使接头性能改善，高温作用时间短，能避免晶粒长大，使接头性能改善，高温作用时间短，能避免晶粒长大，使接头性能改善，高温作用时间短，合金元素烧损少，焊缝抗蚀性好。合金元素烧损少，焊缝抗蚀性好。合金元素烧
17、损少，焊缝抗蚀性好。合金元素烧损少，焊缝抗蚀性好。3 3工件热变形小工件热变形小工件热变形小工件热变形小能量密度高，输入工件的热量少，工件变形小能量密度高，输入工件的热量少，工件变形小能量密度高，输入工件的热量少，工件变形小能量密度高，输入工件的热量少，工件变形小4 4焊缝纯洁度高焊缝纯洁度高焊缝纯洁度高焊缝纯洁度高真空对焊缝有良好的保护作用，高真空电子束焊接尤其真空对焊缝有良好的保护作用，高真空电子束焊接尤其真空对焊缝有良好的保护作用，高真空电子束焊接尤其真空对焊缝有良好的保护作用，高真空电子束焊接尤其适合焊接钛及钛合金等活性材料。适合焊接钛及钛合金等活性材料。适合焊接钛及钛合金等活性材料。
18、适合焊接钛及钛合金等活性材料。5 5工艺适应性强工艺适应性强工艺适应性强工艺适应性强参数易于精确调节，便于偏转，对焊接结构有广泛的适参数易于精确调节，便于偏转，对焊接结构有广泛的适参数易于精确调节，便于偏转，对焊接结构有广泛的适参数易于精确调节，便于偏转，对焊接结构有广泛的适应性。应性。应性。应性。6 6可焊材料多可焊材料多可焊材料多可焊材料多不仅能焊金属，也可焊陶瓷、石英玻璃等，以及非金属不仅能焊金属，也可焊陶瓷、石英玻璃等，以及非金属不仅能焊金属，也可焊陶瓷、石英玻璃等，以及非金属不仅能焊金属，也可焊陶瓷、石英玻璃等，以及非金属材料与某些金属的异种材料接头。材料与某些金属的异种材料接头。材
19、料与某些金属的异种材料接头。材料与某些金属的异种材料接头。7 7再现性好再现性好再现性好再现性好电子束焊接参数易于机械化、自动化控制，重复性、再电子束焊接参数易于机械化、自动化控制，重复性、再电子束焊接参数易于机械化、自动化控制，重复性、再电子束焊接参数易于机械化、自动化控制，重复性、再现性好，提高了产品质量的稳定性。现性好，提高了产品质量的稳定性。现性好，提高了产品质量的稳定性。现性好，提高了产品质量的稳定性。8 8可简化加工工艺可简化加工工艺可简化加工工艺可简化加工工艺可将重复的或大型整体加工件分为易于加工的、简单的可将重复的或大型整体加工件分为易于加工的、简单的可将重复的或大型整体加工件
20、分为易于加工的、简单的可将重复的或大型整体加工件分为易于加工的、简单的或小型部件，用电子束焊为一个整体，简少加工难度，或小型部件，用电子束焊为一个整体，简少加工难度，或小型部件，用电子束焊为一个整体，简少加工难度，或小型部件，用电子束焊为一个整体，简少加工难度，节省材料，简化工艺。节省材料，简化工艺。节省材料，简化工艺。节省材料，简化工艺。2021/9/122021/9/121313All metallic materials can be melted using a focused All metallic materials can be melted using a focused e
21、lectron beam and,in consequence,most pure metals electron beam and,in consequence,most pure metals and alloys can be successfully welded.and alloys can be successfully welded.Steels and iron alloys Steels and iron alloys C-Mn and structural steels C-Mn and structural steels Alloy steels Alloy steels
22、 Stainless steels Stainless steels Soft iron Soft iron Nickel alloys Nickel alloys Aluminium and magnesium alloys Aluminium and magnesium alloys Copper and its alloys Copper and its alloys Refractory and reactive metals Refractory and reactive metals Dissimilar metals Dissimilar metals Non-metals No
23、n-metals Cast ironsCast irons:EB welding is not recommended as a :EB welding is not recommended as a joining process for cast ironsjoining process for cast irons。2021/9/122021/9/121414nEBWLimitationsEBWLimitationsHighequipmentcostHighequipmentcostWorkchambersizeconstraintsWorkchambersizeconstraintsT
24、imedelaywhenweldinginvacuumTimedelaywhenweldinginvacuumHighweldpreparationcostsHighweldpreparationcostsX-raysproducedduringweldingX-raysproducedduringweldingRapidsolidificationratescancausecrackinginsomeRapidsolidificationratescancausecrackinginsomematerialsmaterials2021/9/122021/9/121515EBWProblems
25、andDiscontinuitiesn nUndercuttingUndercutting（咬边）（咬边）n n PorosityPorosityn nCrackingCrackingn nUnderfillUnderfilln nLackoffusionLackoffusionn nShrinkagevoidsShrinkagevoidsn nMissedjointsMissedjoints 2021/9/122021/9/121616 4.电子束焊接设备按真空状态分按真空状态分 真空型真空型 局部真空型局部真空型 非真空型非真空型按加速电压分按加速电压分 高压型：大于高压型：大于80KV8
26、0KV 中压型：中压型：40-60KV40-60KV 低压型：小于等于低压型：小于等于30KV30KV主要组成：电子枪、工作真空室、工作台、高压电主要组成：电子枪、工作真空室、工作台、高压电源、控制及调整系统、真空系统和焊接夹具。源、控制及调整系统、真空系统和焊接夹具。2021/9/122021/9/121717 (1)电子枪 产生电子使之加速、会聚成产生电子使之加速、会聚成电子束的装置。影响电子束稳电子束的装置。影响电子束稳定性的主要原因是高压放电，定性的主要原因是高压放电，往往使电子束偏转以避免金属往往使电子束偏转以避免金属蒸汽对束源段产生直接的影响。蒸汽对束源段产生直接的影响。电子枪一般
27、安装在真空室外，电子枪一般安装在真空室外，有时安装在真空室内可运动的有时安装在真空室内可运动的传动机构上，动枪。传动机构上，动枪。(2)高压电源及控制系统 为电子枪提供加速电压、控为电子枪提供加速电压、控制电压及灯丝加热电流。制电压及灯丝加热电流。(3)控制及调整系统 2021/9/122021/9/121818 (4)工作室及抽真空系统 工作室尺寸及设计。工作室尺寸及设计。气密性、刚度要求、气密性、刚度要求、X X射线防护。射线防护。电子枪抽真空系统、工作室抽真空系统电子枪抽真空系统、工作室抽真空系统(5)电子束焊机现状1)大型真空电子束焊机 几十立方米到几百立方米：几十立方米到几百立方米：
28、280280、110110、400400、8008002)局部真空电子束焊机 节省抽气时间节省抽气时间3）通用电子束焊机4）批量生产用小型真空电子束焊机2021/9/122021/9/121919 7电子束焊的焊接工艺(1)焊接参数1)1)加速电压加速电压U Ua a 大多数保持不变。提高加速电压可以增加焊缝的熔深。大多数保持不变。提高加速电压可以增加焊缝的熔深。2)2)电子束流电子束流I Ib b 主要调整参数，以适应不同焊接工艺的需要。主要调整参数，以适应不同焊接工艺的需要。3)3)焊接速度焊接速度V Vb b 和电子束功率一起决定着焊缝的熔深、焊缝宽度以及和电子束功率一起决定着焊缝的熔深
29、、焊缝宽度以及被焊材料熔池行为。被焊材料熔池行为。4)4)聚焦电流聚焦电流I If f 当焊件厚度大于当焊件厚度大于10mm10mm时，通常采用下焦点，且焦点在时，通常采用下焦点，且焦点在焊缝熔深的焊缝熔深的3030处。处。5)5)工作距离工作距离H H 焊件表面至电子枪的距离尽可能短。焊件表面至电子枪的距离尽可能短。2021/9/122021/9/122020 (2)获得深熔焊的工艺方法1 1）电子束水平入射焊）电子束水平入射焊 降低了小孔通道封堵作用。自下而上或水平横焊。降低了小孔通道封堵作用。自下而上或水平横焊。2)2)脉冲电子束焊脉冲电子束焊 功率相同，脉冲更有效的增加熔深。功率相同，
30、脉冲更有效的增加熔深。3 3）变焦电子束焊）变焦电子束焊 焊接大厚度焊件时，使焦点位置随着焊件熔化深度焊接大厚度焊件时，使焦点位置随着焊件熔化深度度变化而变化，始终以最大功率密度进行焊接。度变化而变化，始终以最大功率密度进行焊接。4 4）焊前预热或预置坡口）焊前预热或预置坡口 减少热量沿焊缝横向的热传导损失，利于增加熔深。减少热量沿焊缝横向的热传导损失，利于增加熔深。2021/9/122021/9/122121 8.电子束焊接技术现状与发展前景(1)(1)国外国外 1)1)大功率电子枪的开发大功率电子枪的开发大阪大学，大阪大学，600kv600kv、300kv300kv的超高压电子束热源装置，
31、的超高压电子束热源装置，200mm200mm厚不锈钢的焊接，深宽比达厚不锈钢的焊接，深宽比达7070：1 1。2)2)电子束特性的定量研究电子束特性的定量研究3)3)双抢电子束及填丝电子束焊接技术的研究双抢电子束及填丝电子束焊接技术的研究日、德、俄等开展填丝电子束焊。大厚板采用二次焊日、德、俄等开展填丝电子束焊。大厚板采用二次焊4)4)大功率表面处理技术大功率表面处理技术日、俄日、俄 研究研究500kv500kv的电子束热源，用于涂层处理工艺的电子束热源，用于涂层处理工艺5)5)复合式电子束加工设备的研制复合式电子束加工设备的研制俄罗斯，具备电子束焊、钎焊、局部热处理、表面强俄罗斯，具备电子束
32、焊、钎焊、局部热处理、表面强化等功能化等功能6)6)非真空电子束焊接设备及工艺的研究和应用非真空电子束焊接设备及工艺的研究和应用克服大型真空造价高、抽真空时间长缺点，英、德开克服大型真空造价高、抽真空时间长缺点，英、德开展研究非真空电子束焊接设备。展研究非真空电子束焊接设备。2021/9/122021/9/122222(2)国内1)1)电子束焊接设备电子束焊接设备 中压真空电子束焊机较成熟，高压大部分进口。中压真空电子束焊机较成熟，高压大部分进口。北京航空工艺研究所北京航空工艺研究所19921992年研制成功了年研制成功了ZD150-15AZD150-15A型高压电子束焊机。国内第一台自行设计
33、、自行制型高压电子束焊机。国内第一台自行设计、自行制造的高压电子枪和大型真空室。造的高压电子枪和大型真空室。2)2)电子束焊接工艺电子束焊接工艺(3)应用前景1)1)大批量生产中将有较大的发展大批量生产中将有较大的发展2)2)航空航天工业中，将继续扩大其应用航空航天工业中，将继续扩大其应用3)3)厚大焊件场合的应用，如能源、重工业厚大焊件场合的应用，如能源、重工业4)4)修复领域修复领域5)5)设备趋向多功能及柔性化设备趋向多功能及柔性化6)6)实现空间结构焊接的强有力工具实现空间结构焊接的强有力工具2021/9/122021/9/122323 9.其它电子束加工技术(1)电子束打孔 始于始于
34、19381938年，年，19581958年生产了第一台电子束打孔机。年生产了第一台电子束打孔机。柔性好，速度高，每秒最多打柔性好，速度高，每秒最多打30003000个孔个孔 束的入射角变化范围打，最大倾角可达束的入射角变化范围打，最大倾角可达7070度度典型产品典型产品 玻璃纤维整流罩玻璃纤维整流罩 离心分离器管，离心分离器管，5000050000个个 卫星燃料系统中多孔钛板，卫星燃料系统中多孔钛板，201020106 6个个/m/m2 22021/9/122021/9/122424 (2)表面改性1)1)表面淬火表面淬火相变温度以上相变温度以上2)2)表面回火表面回火/退火退火3)3)表面重
35、熔表面重熔熔化温度以上熔化温度以上4)4)表面合金化表面合金化5)5)表面涂层表面涂层 2021/9/122021/9/1225252021/9/122021/9/122626 (4)电子束物理气相沉积 19701970年代，巴顿焊研所开始了电子束物理气相年代，巴顿焊研所开始了电子束物理气相沉积设备及工艺的研究。沉积设备及工艺的研究。设备功率一般在设备功率一般在40-200kW40-200kW，加速电压，加速电压20kV20kV左右左右2021/9/122021/9/122727第三讲第三讲摩摩擦擦焊焊 2021/9/122021/9/122828 利用焊件相对摩擦运动产生的热量来实现材料利用
36、焊件相对摩擦运动产生的热量来实现材料可靠连接的压力焊方法可靠连接的压力焊方法 焊接过程：在压力的作用下，相对运动的待焊材焊接过程：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，材料发生塑到热塑性状态，随着顶锻力的作用，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性变形与流动，通过界面元素扩散及再结晶冶金反应形成接头。反应形成接头。18911891年，美国批准了第一个专利，连接钢缆。年，美国批准了第一个专利，连接钢缆。德国、英国、前苏联、日本等国家相继开展。德国、英国、前苏联、日本等国家
37、相继开展。中国是世界上研究摩擦焊最早的国家之一，中国是世界上研究摩擦焊最早的国家之一，19571957年实现了年实现了Al/CuAl/Cu摩擦焊接。摩擦焊接。2021/9/122021/9/1229291摩擦焊原理及技术优势(1)原理2021/9/122021/9/1230302021/9/122021/9/123131 （2）摩擦焊技术的主要优点1)1)接头质量好且稳定接头质量好且稳定 焊接过程由机器控制，参数设定后容易监控，焊接过程由机器控制，参数设定后容易监控，重复性好，不依赖于操作人员的技术水平和工作态重复性好，不依赖于操作人员的技术水平和工作态度。焊接过程不发生熔化，属固相热压焊，接
38、头为度。焊接过程不发生熔化，属固相热压焊，接头为锻造组织，因此焊缝不会出现气孔、偏析和夹杂，锻造组织，因此焊缝不会出现气孔、偏析和夹杂，裂纹等铸造组织的结晶缺陷，焊接接头强度远大于裂纹等铸造组织的结晶缺陷，焊接接头强度远大于熔焊、钎焊的强度，达到母材的强度；熔焊、钎焊的强度，达到母材的强度；2)2)效率高。效率高。对焊件准备通常要求不高，焊接设备容易自动对焊件准备通常要求不高，焊接设备容易自动化，可在流水线上生产，每件焊接时间以秒计，一化，可在流水线上生产，每件焊接时间以秒计，一般只需零点几秒至几十秒，是其它焊接方法如熔焊、般只需零点几秒至几十秒，是其它焊接方法如熔焊、钎焊不能相比的；钎焊不能
39、相比的；2021/9/122021/9/123232 3)3)节能、节材、低耗节能、节材、低耗 所需功率仅及传统焊接工艺的所需功率仅及传统焊接工艺的1/51/51/151/15，不需焊，不需焊条、焊剂、钎料、保护气体，不需填加金属，也不条、焊剂、钎料、保护气体，不需填加金属，也不需消耗电极；需消耗电极；4)4)焊接性好焊接性好 特别适合异种材料的焊接，与其它焊接方法相比，特别适合异种材料的焊接，与其它焊接方法相比，摩擦焊有得天独厚的优势，如钢和紫铜、钢和铝、摩擦焊有得天独厚的优势，如钢和紫铜、钢和铝、钢和黄铜等等；钢和黄铜等等；5)5)环保，无污染环保，无污染 焊接过程不产生烟尘或有害气体，不
40、产生飞溅，焊接过程不产生烟尘或有害气体，不产生飞溅，没有孤光和火花，没有放射线。由于以上这些优点，没有孤光和火花，没有放射线。由于以上这些优点，摩擦焊技术被誉为未来的绿色焊接技术。摩擦焊技术被誉为未来的绿色焊接技术。2021/9/122021/9/123333 2 摩擦焊工艺及其新近展2021/9/122021/9/123434(1)连续驱动摩擦焊(2)惯性摩擦焊 旋转焊件与一个飞轮相连旋转焊件与一个飞轮相连(3)线性摩擦焊 线性摩擦焊技术，是两个工件以一定的频率和振线性摩擦焊技术，是两个工件以一定的频率和振幅进行往复运动产生热量进行的焊接，它可以将方幅进行往复运动产生热量进行的焊接，它可以将
41、方形、圆形、多边形截面的金属或塑料焊接在一起。形、圆形、多边形截面的金属或塑料焊接在一起。它可以焊接更不规则截面的构件，象叶片与涡轮等。它可以焊接更不规则截面的构件，象叶片与涡轮等。最初应用于塑料焊接，最初应用于塑料焊接，8080年代后期用于航空发动机年代后期用于航空发动机整体钛合金叶盘的制造。整体钛合金叶盘的制造。2021/9/122021/9/123535(4)搅拌摩擦焊 搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊技术是技术是19911991年英国焊接研究所发明年英国焊接研究所发明的固相连接技术，它在航空、航天、船舶、海洋的固相连接技术，它在航空、航天、船舶、海洋工业、武器装备以及高速列车等领域的轻结构制工业、
42、武器装备以及高速列车等领域的轻结构制造中的应用研究得到广泛开展。同时也引起了我造中的应用研究得到广泛开展。同时也引起了我国科技工作者的高度重视，先后开展了一些搅拌国科技工作者的高度重视，先后开展了一些搅拌摩擦焊的研究工作。摩擦焊的研究工作。(5)相位摩擦焊 可实现有相位要求的工件的摩擦焊接，扩大了可实现有相位要求的工件的摩擦焊接，扩大了摩擦焊的应用领域。目前生产中对如六方形断面摩擦焊的应用领域。目前生产中对如六方形断面的零件、八方钢、汽车操作杆、花键轴、拨叉、的零件、八方钢、汽车操作杆、花键轴、拨叉、两端带法兰的轴等均要求采用相位摩擦焊。在电两端带法兰的轴等均要求采用相位摩擦焊。在电控技术和机
43、械技术高度发展的前提下，为大吨位控技术和机械技术高度发展的前提下，为大吨位相位摩擦焊机的研制提供了可能。相位摩擦焊机的研制提供了可能。2021/9/122021/9/123636 (6)径向摩擦焊 径向摩擦焊由于其引入中间旋转加压圆环，径向摩擦焊由于其引入中间旋转加压圆环，不仅改变了摩擦面的方向，焊件也由相对旋转加不仅改变了摩擦面的方向，焊件也由相对旋转加压变为相对固定加压，它非常适合于长管子的焊压变为相对固定加压，它非常适合于长管子的焊接，同时它还可以把薄壁铜环焊接到弹体外壁上，接，同时它还可以把薄壁铜环焊接到弹体外壁上，能够使军工产品升级换代。能够使军工产品升级换代。2021/9/1220
44、21/9/123737 3摩擦焊设备与工程应用 随着摩擦焊技术的广泛应用，摩擦焊设备也随着摩擦焊技术的广泛应用，摩擦焊设备也得到了迅速的发展，得到了迅速的发展，20002000年不完全统计全世界共有年不完全统计全世界共有50005000多台摩擦焊机用于焊接生产。多台摩擦焊机用于焊接生产。为了适应大型和特殊部件的焊接，要研制我国的为了适应大型和特殊部件的焊接，要研制我国的大型和微型的摩擦焊机。大型和微型的摩擦焊机。为适应特种用途还要开发惯性摩擦焊、径向摩擦为适应特种用途还要开发惯性摩擦焊、径向摩擦焊，搅拌摩擦焊、双头摩擦焊，立式摩擦焊及水下焊，搅拌摩擦焊、双头摩擦焊，立式摩擦焊及水下摩擦焊等多种
45、特种摩擦焊机。在制造及监控技术方摩擦焊等多种特种摩擦焊机。在制造及监控技术方面要本着柔性和自动化来设计。焊机可附加很多自面要本着柔性和自动化来设计。焊机可附加很多自动化设备和加工装置，从而创造出一个高度柔性和动化设备和加工装置，从而创造出一个高度柔性和自动化的完整系统，以适应用户的各种要求。自动化的完整系统，以适应用户的各种要求。2021/9/122021/9/123838 搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊(frictionstirwelding,(frictionstirwelding,简称简称FSW)FSW)是是由英国焊接研究所由英国焊接研究所(TheWeldingInstitute,(TheWeld
46、ingInstitute,简称简称TWI)TWI)于于19911991年提出的一种固态连接方法年提出的一种固态连接方法搅拌摩擦焊技术是世界焊接技术发展史上自发搅拌摩擦焊技术是世界焊接技术发展史上自发明到工业应用时间跨度最短和发展最快的一项固相明到工业应用时间跨度最短和发展最快的一项固相连接新技术连接新技术截止截止20022002年年9 9月月1515日日,得到英国焊接研究所得到英国焊接研究所(TWI)TWI)搅拌摩擦焊专利技术许可的用户己经有搅拌摩擦焊专利技术许可的用户己经有7878家家,与搅拌摩擦焊技术相关的专利技术有与搅拌摩擦焊技术相关的专利技术有551551项。项。4搅拌摩擦焊2021/
47、9/122021/9/123939 采用搅拌摩擦焊技术不仅能焊接几乎所有熔采用搅拌摩擦焊技术不仅能焊接几乎所有熔焊能够焊接的金属焊能够焊接的金属,而且能焊接许多熔化焊接性能而且能焊接许多熔化焊接性能差的金属差的金属,如铝合金、钛合金、铜合金等如铝合金、钛合金、铜合金等搅拌摩擦焊除了具有摩擦焊的特点外，更重搅拌摩擦焊除了具有摩擦焊的特点外，更重要的是可焊接各种板材的焊接接头，因此可用于结要的是可焊接各种板材的焊接接头，因此可用于结构焊接构焊接.2021/9/122021/9/124040 搅拌摩擦焊发明初期主要解决厚度搅拌摩擦焊发明初期主要解决厚度1.21.2 6 6毫米的铝毫米的铝合金板材焊接
48、问题合金板材焊接问题;1996 1996年，用年，用FSWFSW技术解决了技术解决了6 61212毫米的铝、镁、铜毫米的铝、镁、铜合金的连接。合金的连接。1997 1997年实现了年实现了1212 2525毫米厚铝合金板的搅拌摩擦焊，毫米厚铝合金板的搅拌摩擦焊，并且在宇航结构件上得到应用。并且在宇航结构件上得到应用。1999 1999年搅拌摩擦焊可以焊接年搅拌摩擦焊可以焊接5050毫米厚的铜合金及毫米厚的铜合金及7575毫米厚度的铝合金零件和产品。毫米厚度的铝合金零件和产品。2004 2004年，英国焊接研究所已经能够单道单面实现年，英国焊接研究所已经能够单道单面实现100100毫米厚铝合金板
49、材的搅拌摩擦焊。毫米厚铝合金板材的搅拌摩擦焊。迄今，在材料的厚度上，单道焊可以实现厚度为迄今，在材料的厚度上，单道焊可以实现厚度为0.80.8 100mm100mm铝合金材料的焊接；双道焊可以焊接铝合金材料的焊接；双道焊可以焊接180mm180mm厚厚的对接板材。的对接板材。最近最近,又开发了可以连接又开发了可以连接0.4mm0.4mm铝板的微型搅拌摩擦铝板的微型搅拌摩擦焊技术。焊技术。2021/9/122021/9/124141 搅拌摩擦焊为固相连接方法，采用该方法实现搅拌摩擦焊为固相连接方法，采用该方法实现铜连接避免了熔焊方法的诸多缺陷和不足。焊缝外铜连接避免了熔焊方法的诸多缺陷和不足。焊
50、缝外观均匀光滑，无缺陷，相对于熔焊焊接变形极小。观均匀光滑，无缺陷，相对于熔焊焊接变形极小。焊接操作简单，焊前只需丙酮等有机溶剂去除结合焊接操作简单，焊前只需丙酮等有机溶剂去除结合面油脂，无需开坡口去除氧化膜；焊后无需去除余面油脂，无需开坡口去除氧化膜；焊后无需去除余高，提高了生产效率。焊接过程能耗小，无需填充高，提高了生产效率。焊接过程能耗小，无需填充材料，焊接成本低材料，焊接成本低.图图 搅拌摩擦焊焊接紫铜板全貌搅拌摩擦焊焊接紫铜板全貌2021/9/122021/9/124242 金属在焊接过程中不熔化，热输入量小；焊金属在焊接过程中不熔化，热输入量小；焊缝的连接是在金属受挤压的状态下完成