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惯性摩擦焊接的工作原理

主要区别在于 惯性摩擦焊接 与传统焊接不同的是,惯性摩擦焊接是一种固态焊接工艺,材料永远不会达到熔化的液态形式。相反,被焊接的材料会达到塑化状态。该工艺利用动能旋转一个部件,然后利用侧向力将材料连接在一起。这也被认为是一种锻造焊接技术。

惯性摩擦焊接工艺的分步说明

第一步:规划和准备

惯性摩擦焊接是一种非常科学的工艺。不同类型的金属具有不同的品质,赋予它们不同的耐热性、强度和其他特性。在规划焊接时,所用材料的类型将决定几个因素:飞轮所需的转速,以及成功连接两个部件所需的横向推力的精确大小。

该工艺的一个令人难以置信的好处是,它实际上可以焊接异种金属,而传统焊接无法做到这一点。因此,每种金属组合都需要不同的设置。一旦选择了材料,就可以将正确的设置编程到机器中。这意味着它是一种计算焊接,并且易于编程。

工业设施内部用于摩擦焊接过程的机械。

第二步:预接触(惯性)

将要焊接的两件工件插入适当的容器中。其中一件工件将插入带有飞轮的主轴卡盘中,该工件将旋转。另一件工件将插入非旋转卡盘/夹具中,该夹具可在横向液压轴上移动。

第一件开始旋转,达到由材料类型预先确定的速度。当旋转达到最高速度时, 惯性 旋转会在第一块碎片中积聚巨大的动能。

第三步:接触(摩擦)

一旦飞轮达到预定速度,动力旋转就会停止,飞轮将以自由轮状态旋转,并积聚动能。然后,不旋转的部分被向前推,使两部分相遇。这会导致极端 摩擦。

这种摩擦会减慢飞轮的速度,并将所有储存的动能转化为摩擦热。这种热量足以软化两块金属,但实际上不会将它们熔化成液态。相反,两块金属现在都处于塑化状态,这意味着它们柔软且具有延展性。

近距离观察惯性摩擦焊接过程,金属部件焊接在一起时火花四溅。
两个金属部件通过惯性摩擦焊接工艺结合在一起,说明材料已成功连接。

第四步:粘合

非旋转部件的额外推力将导致塑性位移,这意味着每个部件的材料将均匀地流入彼此,形成完整的横截面结合。这个过程听起来很复杂,但实际焊接只需几秒钟即可完成。

惯性摩擦焊接的一个更令人难以置信的方面发生在这里:由于金属界面的旋转和热加工,所有杂质和空隙都被排出。

两个金属部件的前后对比,展示了通过惯性摩擦焊接工艺实现的成功粘合。

5 种摩擦焊接类型

1.惯性摩擦焊接

什么是惯性摩擦焊接?惯性摩擦焊接的特点是将不同尺寸的飞轮连接到卡盘和主轴上。电机连接到主轴以旋转部件。在焊接循环开始时,电机连接到主轴并将部件旋转到所需的转速。达到所需速度后,电机与主轴断开。根据部件、主轴、卡盘和飞轮的重量,自由旋转的部件会产生旋转惯性。此时,如上所述的摩擦焊接过程开始发生,利用旋转惯性在部件组合在一起时产生摩擦热。了解为什么应该将惯性焊接与 CNC 加工相结合。

2. 直接驱动摩擦焊接

在此过程中,主轴驱动电机永久固定在主轴上。当两个部件组合在一起时,电机继续驱动旋转部件,从而产生摩擦热。根据定义的 CNC 程序,在焊接过程中主轴不断减速,并在预定点停止主轴。当需要焊接部件之间的特定方向时,这种类型的摩擦焊接非常有用。

3.线性摩擦焊接

这个过程类似于 惯性摩擦焊接;但是,移动卡盘不会旋转。相反,它以横向运动振荡。整个过程中,两个工件都处于压力之下。该过程要求工件具有高剪切强度,并且涉及比惯性焊接更复杂的机械。这种方法的一个好处是它能够连接任何形状的部件(而不仅仅是圆形接口)。

4.搅拌摩擦焊接(FSW)

FSW 是一种固态连接工艺,使用非消耗性工具将两个相对的工件连接在一起。旋转工具与工件材料之间的摩擦会产生热量,从而导致界面处出现软化区域。当工具沿接头线移动时,它会机械地混合两块金属的软化材料,并通过工具施加的机械压力锻造焊接界面。FSW 用于现代造船、火车和航空航天应用。

5.轨道摩擦焊接

轨道摩擦焊接与旋转摩擦焊接类似,但焊接的两个部件都以相同的方向和相同的速度旋转,但它们的轴线偏移最多 1/8”。随着焊接周期的完成和旋转速度的减慢,部件返回到同一轴线,并在材料重新凝固时保持锻造压力。

应用

摩擦焊接可用于制造更好的工业滚筒、管和轴。该工艺通常用于制造工业打印机、物料搬运设备以及汽车、航空航天、船舶和石油应用的这些子组件。其他组件示例包括齿轮、轴管、传动系、阀门、液压活塞杆、卡车滚轮衬套、泵轴、钻头、连杆等。

惯性摩擦焊接对企业的好处

  • 通过多种方式降低成本
    • 降低材料成本
    • 降低工具成本
    • 降低研发成本
    • 降低加工成本
  • 高速流程意味着高生产率和更大数量的订单
    • 进而加快最终产品的上市速度
  • 过程极其精确且高度可重复
  • 该工艺可减少(有时可消除)废料的数量
  • 环保:不产生烟雾、气体或烟气
  • 速度与工艺相结合有助于降低能耗

惯性摩擦焊接与传统焊接相比的优势

  • 可以连接异种金属——传统焊接无法实现
  • 可焊接多种工件
    • 简单到复杂的形状
    • 任何饰面材质
  • 材料使用得到优化:在短时间内实现近净成形
  • 无需填充材料
  • 准备工作很少
    • 多种表面均可焊接
    • 旋转动作可实现表面的自我清洁
  • 显著减小热影响区 (HAZ) 的尺寸
  • 100%焊透全接头接口
    • 接头强度等于或大于母材强度
    • 这些焊缝的完整性非常可靠
    • 由此产生的接头可以承受高温

详细了解所有 摩擦焊接的好处 与传统方法相比。

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