摩擦焊接產品的工藝分析

沈俊美

（哈爾濱量具刃具集團有限責任公司，哈爾濱 150040）

1 引言

摩擦焊接是一種固態焊接方法，即通過機械摩擦運動及施加載荷使兩個表面之間產生熱量，然后利用此熱量使材料之間互相連接。摩擦焊接方法的工藝質量和鍛造出的一樣。在正常條件下，摩擦焊接方法不需要填充金屬、焊劑和保護氣體。

摩擦焊接工藝的特點是可以實現不同種材料的對接，節約制造成本、減少加工時間、節省原材料等。

我單位主要生產鉆頭、銑刀和絲錐等產品，根據刃具使用的特殊性及其刃部參加切削、柄部用于夾持的特點，刃部通常采用高速鋼W6Mo5Cr4V2，利用其良好的紅硬性，柄部采用普通碳素鋼對焊成一體。既使刃部具有一定的硬度，又節省了大量的高速鋼原材料，降低了產品的制造成本。我們通常采用摩擦焊接制造該類產品，其摩擦焊接的質量是影響整個產品質量的重要因素。

2 摩擦焊接質量問題及原因分析

摩擦焊接工藝過程分為摩擦加熱和停車頂鍛保壓兩個主要階段。其主要參數有：摩擦焊機主軸轉速、摩擦時間、摩擦壓力、頂鍛時間、頂鍛壓力和變形量。原材料的微量成分的變化、摩擦焊機的主軸轉速、摩擦時間及施加載荷的大小，時時刻刻都在影響著產品的質量。下面將分別對主要因素進行分析。

2.1 摩擦焊機的主軸轉速

摩擦焊接機的主軸轉速是焊接工藝要求的主要參數之一。由線速度公式：V=π·D·n/60000 可知，工件焊接時其最大外輪廓的線速度與焊接機床的主軸轉速n 以及被焊接工件的直徑D 成正比例關系。當被焊接工件規格確定后，只有焊接機床的主軸轉速為變量參數。以刃部φ20mm 高速鋼W6Mo5Cr4V2 和柄部φ20mm的45 鋼，做摩擦轉速參數的對比分析如表1 所示。

表1

現象分析：主軸轉速過低時，工件摩擦線速度低，摩擦不充分，否則增加摩擦時間，生產效率低。主軸轉速過高時，工件摩擦線速度高，工件邊緣和心部產生的熱量不一致，易斷裂。

2.2 摩擦時間對比

摩擦焊接時摩擦時間對焊接質量有直接影響。因此確定合理的摩擦時間參數是十分必要的。以刃部φ20mm高速鋼W6Mo5Cr4V2 和柄部φ20mm的45 鋼，做摩擦時間參數的對比分析如表2。

表2

現象分析：摩擦時間過短，工件熔化不充分，焊縫內有沒有完全熔化的成分，焊接不牢靠，容易斷裂；摩擦時間過長，工件在外加載荷的作用下產生很大的焊瘤（即焊接卷邊），浪費原材料。

2.3 施加載荷的大小

摩擦焊接時施加載荷（即摩擦壓力）的大小也是一個影響較大的參數，往往都是根據焊機設計時系統的總壓力和傳統經驗確定的，依據被加工零件的大小設定為固定值。

3 工藝分析的目的

摩擦焊接工藝分析的目的就是要確定合理的工藝參數，各項參數合理的選用有利于生產效率的提高，節約生產使用的原材料。

圖1

圖1 所示的現象是變形量不足，焊縫凸起不完整，甚至焊縫有凹陷或心部焊接不完全。產生的原因是：（1）焊機轉速過低，沒有產生足夠的熱量；（2）摩擦時間短，產生的摩擦熱不足且不均勻。缺點是焊接不充分，易斷裂產生廢品。

圖2 所示的現象是理想的標準焊縫，焊接牢靠、焊縫凸起變形正常，工藝參數選用為最佳狀態。

圖3 所示的現象是變形過大且焊縫有飛邊。產生的原因有：（1）焊機轉速過高，摩擦過于充分；（2）摩擦時間過長，導致摩擦后變形量過大；（3）頂鍛壓力不適宜，焊縫變形量增大。缺點是摩擦時間增加，效率降低；變形量過大后工件整體長度變短，產生廢次品；增加了去除變形區多余材料的時間。

圖2

圖3

4 摩擦焊接工藝參數的選擇

摩擦焊接工藝過程分為摩擦加熱和停車頂鍛保壓兩個階段。其主要參數有：摩擦焊機轉速、摩擦時間、摩擦壓力、頂鍛時間、頂鍛壓力及變形量。

（1）摩擦焊機轉速的選擇。摩擦焊機轉速是摩擦焊接的主要參數之一。對于不同直徑的焊接工件，摩擦焊機的轉速也不相同。直徑較小的工件，焊機的轉速取得相對高一些，這樣摩擦熱量充足；直徑較大的工件，焊機的轉速取得相對低一些，避免摩擦熔化速度過快。

（2）摩擦壓力與摩擦時間的選擇。高速鋼W6Mo5Cr4V2與45 鋼進行摩擦焊接時，應在盡量短的時間里將摩擦副表面加熱到焊接溫度，以防止摩擦接觸面金屬高溫氧化，因此需要選擇較大的摩擦壓力，較短的摩擦時間。對于不同直徑的焊接工件，摩擦壓力和摩擦時間參數選擇也不相同。小直徑工件焊接是摩擦壓力和摩擦時間應取工藝要求范圍較大的值，盡量加快摩擦熱量的產生；大直徑工件焊接是摩擦壓力和摩擦時間應取工藝要求范圍較小的值，避免過快摩擦熱量的產生。

（3）頂鍛壓力和頂鍛保壓時間的選擇。頂鍛是指在一定的壓力下使兩金屬摩擦副表面產生塑性變形而焊接在一起，頂鍛壓力越大，焊縫強度越高，但頂鍛壓力過大，會顯著降低焊縫的韌性。因此一般情況下頂鍛壓力可按摩擦壓力的1.2～2 倍來選擇。頂鍛后塑變的金屬在一定壓力下、時間內才能牢固地焊接為一體。

（4）焊接變形量的選擇。變形量的選擇直接影響焊縫強度。變形量選擇過小，在去除焊縫余量時，容易遺留焊縫不完全的缺陷；變形量選擇過大，去除時浪費大量的原材料，也增加了輔助時間。

5 結語

摩擦焊接工藝參數的選擇直接影響工件焊接質量，各個參數具有密不可分的連帶關系，工藝參數合理確定要與實際焊接過程中的實際情況相結合。只有通過選擇不同的參數進行摩擦焊接實驗，檢驗了參數的合理性，才能發揮了摩擦焊接的優勢。