φ15 45钢+45钢连续驱动摩擦焊焊接工艺
一、概论
摩擦焊是在外力作用下，利用焊件接触面之间的相对摩擦运动和塑形流动所
产生的热量，使接触面金属件相互扩散、流动和动态再结晶而完成的固态连接方法。焊接过程不需要填充金属、焊剂或保护气体。摩擦焊方法以优质、高效、节能、无污染的技术特点受到制造业的重视，特别是近几年来开发的搅拌摩擦焊、超塑性摩擦焊等新技术，使其在航空航天、能源、海洋开发等技术领域及石油化工、机械和汽车制造等产业部门得到了广泛应用。
二、母材技术状况
45钢属于优质碳素结构钢，是铁碳二元合金，含碳量为0.45%，综合力学性
能良好，适合制作受力复杂的工件。一般45钢的交货状态可为正火状态。
1、化学成分如表1
2、物理性能：密度7.85g/cm3，弹性模量210GPa，泊松比0.269。力学性
能为抗拉强度≥600MPa ； 屈服强度≥355MPa ； 伸长率：17% ；
三、焊接材料选择技术状况
1、摩擦焊的定义
摩擦焊（Friction Welding，FW）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。如图1
图1
2、连续驱动摩擦焊的优点：
（1）焊接施工时间短，生产效率高。
（2）焊接热循环引起的焊接变形小，焊后尺寸精度高，不用焊后校形和消除
应力。
（3）机械化、自动化程度高，焊接质量稳定。当给定焊接条件后，操作简单，
不需要特殊的焊接技术人员。
（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的焊接。
（6）焊接时不产生烟雾、弧光以及有害气体等，不污染环境。同时，与闪光
焊相比，电能节约5-10倍。
3、连续驱动摩擦焊的应用:
目前我国连续驱动摩擦焊技术的应用比较广泛，可焊接直径3.0～120mm的
工件以及8000mm²的大截面管件，同时还开发了相位焊和径向摩擦焊技术，以及
搅拌摩擦焊技术。不仅可焊接钢、铝、铜，而且还成功焊接了高温强度级相差很
大的异种钢和异种金属，以及形成低熔点共晶和脆性化合物的异种金属。如高速
钢—碳钢、耐热钢—低合金钢、高温和金—合金钢、不锈钢—低碳钢、不锈钢—
电磁铁以及铝—铜、铝—钢等。近年来随着我国航空航天事业的发展，也加速了
摩擦焊技术向这些领域的渗透，进行了航空发动机转子、起落架结构件、紧固件
等材料（Ln718Ti17300MGH159GH4169）以及金属与陶瓷、复合材料、粉末高温合
金的摩擦焊工艺试验研究，某些电工材料的钎焊工艺也开始用摩擦焊接所取代。
四、焊前准备
1、坡口形式：无需开坡口
2、接头形式：连续驱动摩擦焊可以实现棒材-棒材、管材-管材、棒材-管材、
棒材-板材及管材-板材的可靠连接。接合面形状对获得高质量的接头非常重要，
图1给出了常用的接头形式。
3、工件尺寸：φ15×100mm
4、焊前处理
焊接前还需对焊件作如下处理：
⑴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。
⑵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。
⑶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。
⑷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。
图1
五、焊接设备与工具
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。
7、所选国产连续驱动摩擦焊机型号如表2
六、焊接确定
连续驱动摩擦焊的工作原理：摩擦焊是在外力作用下，利用焊件接触面之间
的相对摩擦运动和塑形流动所产生的热量，使接触面金属件相互扩散、流动和动
态再结晶而完成的固态连接方法。焊接过程不需要填充金属、焊剂或保护气体。
其原理如图2
图2
七、焊接工艺参数确定
连续驱动摩擦焊的焊接参数主要包括主轴转速、摩擦压力、摩擦时间、顶锻
压力、顶段时间、变形量等。
1、转速和摩擦压力
转速和摩擦压力是最主要的工艺参数。在焊接过程中，转速与摩擦压力直接
影响摩擦转矩、摩擦加热功率、接头温度场、塑性层厚度以及摩擦变形速度等。
2、摩擦时间
摩擦时间决定了摩擦加热过程的阶段和加热程度，直接影响接头的加热温
度、温度分布和焊接质量。碳钢工件的摩擦时间一般在1～40s范围内。
3、摩擦变形量
要得到牢固的接头，必须有一定的摩擦变形量，在焊接碳钢时，摩擦变形量
通常选取的范围为1～10mm。
4、停车时间
停车时间影响接头变形层的厚度和焊接质量，通常通过变形层的厚度选择参
数。通常制动停车时间的选择范围为0.1～1s。
5、顶锻压力、顶锻变形量和顶锻速度
施加顶锻压力是为了能挤出摩擦塑性变形层中的氧化物和其他有害杂质，并
使金属得到锻造，结合紧密，晶粒细化，以提高接头性能。
6、连续驱动摩擦焊的焊接参数如表3
表3
八、操作要点及安全注意事项
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，避免螺钉或防转块飞觥
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，防护罩必
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、参考文献
1、曹长霞主编. 特种焊接技术. 北京：机械工业出版社，2009
2、雷世明主编．焊接方法及设备雷．北京：机械工业出版社，2002
3、唐迎春主编. 焊接质量检测技术. 北京：中国人民大学出版社，2012
4、李志远主编. 先进连接方法. 北京：机械工业出版社，2000
φ15 45钢+45钢连续驱动摩擦焊焊接工艺
一、概论
摩擦焊是在外力作用下，利用焊件接触面之间的相对摩擦运动和塑形流动所
产生的热量，使接触面金属件相互扩散、流动和动态再结晶而完成的固态连接方法。焊接过程不需要填充金属、焊剂或保护气体。摩擦焊方法以优质、高效、节能、无污染的技术特点受到制造业的重视，特别是近几年来开发的搅拌摩擦焊、超塑性摩擦焊等新技术，使其在航空航天、能源、海洋开发等技术领域及石油化工、机械和汽车制造等产业部门得到了广泛应用。
二、母材技术状况
45钢属于优质碳素结构钢，是铁碳二元合金，含碳量为0.45%，综合力学性
能良好，适合制作受力复杂的工件。一般45钢的交货状态可为正火状态。
1、化学成分如表1
2、物理性能：密度7.85g/cm3，弹性模量210GPa，泊松比0.269。力学性
能为抗拉强度≥600MPa ； 屈服强度≥355MPa ； 伸长率：17% ；
三、焊接材料选择技术状况
1、摩擦焊的定义
摩擦焊（Friction Welding，FW）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。如图1
图1
2、连续驱动摩擦焊的优点：
（1）焊接施工时间短，生产效率高。
（2）焊接热循环引起的焊接变形小，焊后尺寸精度高，不用焊后校形和消除
应力。
（3）机械化、自动化程度高，焊接质量稳定。当给定焊接条件后，操作简单，
不需要特殊的焊接技术人员。
（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的焊接。
（6）焊接时不产生烟雾、弧光以及有害气体等，不污染环境。同时，与闪光
焊相比，电能节约5-10倍。
3、连续驱动摩擦焊的应用:
目前我国连续驱动摩擦焊技术的应用比较广泛，可焊接直径3.0～120mm的
工件以及8000mm²的大截面管件，同时还开发了相位焊和径向摩擦焊技术，以及
搅拌摩擦焊技术。不仅可焊接钢、铝、铜，而且还成功焊接了高温强度级相差很
大的异种钢和异种金属，以及形成低熔点共晶和脆性化合物的异种金属。如高速
钢—碳钢、耐热钢—低合金钢、高温和金—合金钢、不锈钢—低碳钢、不锈钢—
电磁铁以及铝—铜、铝—钢等。近年来随着我国航空航天事业的发展，也加速了
摩擦焊技术向这些领域的渗透，进行了航空发动机转子、起落架结构件、紧固件
等材料（Ln718Ti17300MGH159GH4169）以及金属与陶瓷、复合材料、粉末高温合
金的摩擦焊工艺试验研究，某些电工材料的钎焊工艺也开始用摩擦焊接所取代。
四、焊前准备
1、坡口形式：无需开坡口
2、接头形式：连续驱动摩擦焊可以实现棒材-棒材、管材-管材、棒材-管材、
棒材-板材及管材-板材的可靠连接。接合面形状对获得高质量的接头非常重要，
图1给出了常用的接头形式。
3、工件尺寸：φ15×100mm
4、焊前处理
焊接前还需对焊件作如下处理：
⑴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。
⑵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。
⑶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。
⑷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。
图1
五、焊接设备与工具
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。
7、所选国产连续驱动摩擦焊机型号如表2
六、焊接确定
连续驱动摩擦焊的工作原理：摩擦焊是在外力作用下，利用焊件接触面之间
的相对摩擦运动和塑形流动所产生的热量，使接触面金属件相互扩散、流动和动
态再结晶而完成的固态连接方法。焊接过程不需要填充金属、焊剂或保护气体。
其原理如图2
图2
七、焊接工艺参数确定
连续驱动摩擦焊的焊接参数主要包括主轴转速、摩擦压力、摩擦时间、顶锻
压力、顶段时间、变形量等。
1、转速和摩擦压力
转速和摩擦压力是最主要的工艺参数。在焊接过程中，转速与摩擦压力直接
影响摩擦转矩、摩擦加热功率、接头温度场、塑性层厚度以及摩擦变形速度等。
2、摩擦时间
摩擦时间决定了摩擦加热过程的阶段和加热程度，直接影响接头的加热温
度、温度分布和焊接质量。碳钢工件的摩擦时间一般在1～40s范围内。
3、摩擦变形量
要得到牢固的接头，必须有一定的摩擦变形量，在焊接碳钢时，摩擦变形量
通常选取的范围为1～10mm。
4、停车时间
停车时间影响接头变形层的厚度和焊接质量，通常通过变形层的厚度选择参
数。通常制动停车时间的选择范围为0.1～1s。
5、顶锻压力、顶锻变形量和顶锻速度
施加顶锻压力是为了能挤出摩擦塑性变形层中的氧化物和其他有害杂质，并
使金属得到锻造，结合紧密，晶粒细化，以提高接头性能。
6、连续驱动摩擦焊的焊接参数如表3
表3
八、操作要点及安全注意事项
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，避免螺钉或防转块飞觥
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，防护罩必
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、参考文献
1、曹长霞主编. 特种焊接技术. 北京：机械工业出版社，2009
2、雷世明主编．焊接方法及设备雷．北京：机械工业出版社，2002
3、唐迎春主编. 焊接质量检测技术. 北京：中国人民大学出版社，2012
4、李志远主编. 先进连接方法. 北京：机械工业出版社，2000