In-depth analysis of the entire friction welding process

摩擦焊定义

摩擦焊是利用焊件相对摩擦运动产生的热量来实现材料可靠连接的一种压力焊方法。其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，使界面及其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。

摩擦焊原理

两个圆断面的金属工件在摩擦焊前，分别夹持在可以旋转的夹头和能够向前移动加压的夹头上。焊接开始时，工件1高速旋转，工件2向工件1方向移动并接触，施加足够大的摩擦压力，开始摩擦加热过程。摩擦一段时间后，接头金属温度达到焊接温度，停止工件1的转动，同时工件2快速移动施加顶锻压力，使其产生顶锻变形，完成焊接。

摩擦焊分类

摩擦焊的方法很多，一般根据焊件的相对运动和工艺特点进行分类，主要方法包括：

• 连续驱动摩擦焊
• 相位控制摩擦焊
• 惯性摩擦焊
• 搅拌摩擦焊
• 嵌入摩擦焊
• 第三体摩擦焊
• 摩擦堆焊

连续摩擦焊

在摩擦压力的作用下，被焊界面相互接触，通过相对运动摩擦，使机械能转变为热能，利用摩擦热去除界面的氧化物，在顶锻力的作用下形成可靠接头。这是一种普通类型的摩擦焊，在焊接过程中，工件被主轴电机连续驱动，以恒定的转速旋转，直至达到规定的摩擦时间或摩擦变形量，工件才立即停止旋转和顶锻焊接。

惯性摩擦焊

工件的旋转端被夹持在飞轮里，焊接过程开始时将飞轮和工件的旋转端加速到一定转速，然后飞轮与主电机脱开，工件移动端向前移动开始摩擦加热。飞轮受摩擦扭矩的制动作用，转速逐渐降低，当转速为零时焊接过程结束。

相位摩擦焊

主要用于相对位置有要求的工件，如六方钢、八方钢、汽车操纵杆等，要求焊后棱边对齐、方向对正或相位满足要求。主要方法有：

• 机械同步相位摩擦焊
• 插销配合摩擦焊
• 同步驱动摩擦焊

径向摩擦焊

待焊的管子开有坡口，管内套有芯棒，装上带有斜面的旋转圆环，焊接时圆环旋转并向两个管子施加径向摩擦压力，摩擦加热结束后施加顶锻压力。

摩擦堆焊

堆焊金属圆棒高速旋转，并向母材金属施加摩擦压力。由于母材体积大，导热好，冷却速度快。使摩擦表面从堆焊金属和母材的交界面移向堆焊金属一边。同时堆焊金属凝结过渡到母材上形成堆焊焊肉。当母材相对于堆焊金属棒转动或者移动时，在母材上就会形成堆焊焊缝。

线性摩擦焊

待焊的两个工件一个固定，另一个以一定的速度作往复运动，或两个工件作相对往复运动，在压力的作用下两工件的界面摩擦产生热量，从而实现焊接。

搅拌摩擦焊

将一个耐高温硬质材料制成的一定形状的搅拌针旋转深入到两被焊材料连接的边缘处，搅拌头调整旋转，在两焊件连接边缘产生大量的摩擦热，从而在连接处产生金属塑性软化区，该塑性软化区在搅拌头的作用下受到搅拌、挤压，并随着搅拌头的旋转沿焊缝向后流动，形成塑性金属流，并在搅拌头离开后的冷却过程中，受到挤压而形成固相焊接接头。

轨道摩擦焊

轨道摩擦焊是一种新发展起来的焊接方法，主要用于焊接非圆断面工件。直线轨道摩擦焊工件沿直线轨道，以一定的振幅和频率保证振动速度达到要求的数值，使焊接表面做相对的反复振动摩擦。圆形轨道摩擦焊工件的每个质点以相同的半径和转速，沿圆形轨道使焊接表面做相对的移动摩擦。当接头加热到焊接温度以后，就停止工件的摩擦运动，进行顶焊。

摩擦焊焊接工艺

工艺特点

vantage:

1. 焊接施工时间短，生产效率高。
2. 焊接变形小，焊后尺寸精度高。
3. 机械化、自动化程度高，焊接质量稳定。
4. 适合各类异种材料的焊接，对常规熔化下不能焊接的铝-钢、铝-铜、钛-铜、金属间化合物-钢等都可以进行焊接。
5. 可以实现同直径、不同直径的棒材和管材焊接。
6. 焊接时不产生烟雾、弧光及有害气体，不污染环境。

Disadvantages.

1.对非圆形截面焊接较困难，所需设备复杂；对盘状薄零件和薄壁管件，由于不易夹固，焊接也比较困难。
2.对形状及组装位置已经确定的构件，很难实现摩擦焊接。
3.接头容易产生飞边，必须焊后进行机械加工。
4.夹紧部位容易产生划伤或夹持痕迹

摩擦焊接过程

摩擦焊接作为一种高效的固态连接技术，其核心在于利用摩擦热与机械力实现材料的冶金结合。整个工艺始于工件的精准固定——通常一侧的工件被夹具牢牢固定，另一侧则与旋转驱动装置相连，确保两者接触面清洁平整。启动设备后，旋转工件在轴向压力下与静止件紧密接触，高速摩擦瞬间在界面产生高温，热量迅速渗透至材料内部，使其达到塑性状态。这一过程中，摩擦不仅破碎了表面的氧化层，更促使金属晶格发生动态再结晶，形成流动的软化层。当温度累积至临界点时，设备果断停止旋转，转而施加更大的顶锻压力，此时软化材料如同被锻造般挤压融合，微观层面的原子扩散与晶界迁移彻底消除了接合面的缺陷，形成致密无瑕的焊接接头。冷却定型后的焊件几乎无变形，其强度甚至可超越母材。

常见的摩擦焊设备

传统摩擦焊设备

传统摩擦焊设备通过机械驱动系统与高精度压力控制机构实现固态连接，其核心由主轴动力模块、液压加压装置及智能控制系统构成。设备采用模块化设计，可灵活适配轴类、管类及异形工件的装夹需求，在汽车制造领域实现发动机关键部件的高效焊接，军工领域则依托实时监测系统完成高强度合金材料的可靠连接。相较于传统熔焊工艺，该设备在能耗控制与接头质量方面具有显著优势，配合多传感器融合技术，可满足航空航天、轨道交通等行业对精密焊接的严苛要求，成为大批量工业化生产的核心装备。

搅拌摩擦焊设备

搅拌摩擦焊设备（FSW）是基于固态连接原理开发的先进焊接装备，其核心创新在于采用特制搅拌头实现材料的塑性流动与冶金结合。设备主要由高刚性机身、旋转驱动系统、精密控温模块及三维力位传感单元构成，通过搅拌针与轴肩的协同作用，在无需熔化的条件下完成aluminum、镁合金等高熔点材料的无缝连接。相较于传统摩擦焊，该技术显著提升薄板焊接质量，在航空航天领域实现蒙皮-骨架一体化成型，并广泛应用于新能源汽车电池托盘制造，焊缝强度可达母材的95%以上。最新设备集成视觉引导与自适应控制算法，可动态调整焊接参数，成功突破异种材料（如铝/铜、铝/钢）的连接技术瓶颈。