摩擦焊接產(chǎn)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(tài)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(chǎn)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(zhì)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(xiàn)不同種材料的對接，節(jié)約制造成本、減少加工時間、節(jié)省原材料等。

我單位主要生產(chǎn)鉆頭、銑刀和絲錐等產(chǎn)品，根據(jù)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(jié)省了大量的高速鋼原材料，降低了產(chǎn)品的制造成本。我們通常采用摩擦焊接制造該類產(chǎn)品，其摩擦焊接的質(zhì)量是影響整個產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素。

2 摩擦焊接質(zhì)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(shù)有：摩擦焊機主軸轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速、摩擦時間及施加載荷的大小，時時刻刻都在影響著產(chǎn)品的質(zhì)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(zhuǎn)速

摩擦焊接機的主軸轉(zhuǎn)速是焊接工藝要求的主要參數(shù)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(zhuǎn)速n 以及被焊接工件的直徑D 成正比例關(guān)系。當被焊接工件規(guī)格確定后，只有焊接機床的主軸轉(zhuǎn)速為變量參數(shù)。以刃部φ20mm 高速鋼W6Mo5Cr4V2 和柄部φ20mm的45 鋼，做摩擦轉(zhuǎn)速參數(shù)的對比分析如表1 所示。

表1

現(xiàn)象分析：主軸轉(zhuǎn)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(chǎn)效率低。主軸轉(zhuǎn)速過高時，工件摩擦線速度高，工件邊緣和心部產(chǎn)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(zhì)量有直接影響。因此確定合理的摩擦時間參數(shù)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(shù)的對比分析如表2。

表2

現(xiàn)象分析：摩擦時間過短，工件熔化不充分，焊縫內(nèi)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(chǎn)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(shù)，往往都是根據(jù)焊機設(shè)計時系統(tǒng)的總壓力和傳統(tǒng)經(jīng)驗確定的，依據(jù)被加工零件的大小設(shè)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(shù)，各項參數(shù)合理的選用有利于生產(chǎn)效率的提高，節(jié)約生產(chǎn)使用的原材料。

圖1

圖1 所示的現(xiàn)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(chǎn)生的原因是：（1）焊機轉(zhuǎn)速過低，沒有產(chǎn)生足夠的熱量；（2）摩擦時間短，產(chǎn)生的摩擦熱不足且不均勻。缺點是焊接不充分，易斷裂產(chǎn)生廢品。

圖2 所示的現(xiàn)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(shù)選用為最佳狀態(tài)。

圖3 所示的現(xiàn)象是變形過大且焊縫有飛邊。產(chǎn)生的原因有：（1）焊機轉(zhuǎn)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(chǎn)生廢次品；增加了去除變形區(qū)多余材料的時間。

圖2

圖3

4 摩擦焊接工藝參數(shù)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(shù)有：摩擦焊機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速的選擇。摩擦焊機轉(zhuǎn)速是摩擦焊接的主要參數(shù)之一。對于不同直徑的焊接工件，摩擦焊機的轉(zhuǎn)速也不相同。直徑較小的工件，焊機的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(yīng)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(shù)選擇也不相同。小直徑工件焊接是摩擦壓力和摩擦時間應(yīng)取工藝要求范圍較大的值，盡量加快摩擦熱量的產(chǎn)生；大直徑工件焊接是摩擦壓力和摩擦時間應(yīng)取工藝要求范圍較小的值，避免過快摩擦熱量的產(chǎn)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(chǎn)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(nèi)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(jié)語

摩擦焊接工藝參數(shù)的選擇直接影響工件焊接質(zhì)量，各個參數(shù)具有密不可分的連帶關(guān)系，工藝參數(shù)合理確定要與實際焊接過程中的實際情況相結(jié)合。只有通過選擇不同的參數(shù)進行摩擦焊接實驗，檢驗了參數(shù)的合理性，才能發(fā)揮了摩擦焊接的優(yōu)勢。