钢螺柱-钢板结构摩擦复合热源螺柱焊接研究(3)
。经过一定摩
擦时间或产生一定变形量后，停止相对运动，在顶锻压力的作用下，使材料产生较大
的塑性变形及流动，通过界面上原子的扩散及再结晶过程而实现连接[14]
。
摩擦螺柱焊技术就是螺柱焊与摩擦焊两种新技术的紧密结合，摩擦螺柱焊的一对
待焊工件一般为螺柱——螺柱或螺柱——板材（或筒状）。焊接准备时，待焊的两个
工件中，旋转夹具夹持的工件称为旋转工件，移动夹具夹持的工件称为移动工件。焊接过程中电机驱动使旋转工件告诉转动，横向轴向力驱使移动工件移向旋转工件，在
不断的接触过程中由于摩擦产生大量热量。当工件不断被压紧，接触面的温度随之增
加，并随接触面积的增加而升高，高温粘塑性金属逐渐覆盖在摩擦界面[14]
。由于不断
增加的摩擦热量使两侧工件温度升高，使两接触面两侧金属发生液塑性流动，导致飞
边的形成，并随摩擦时间的增加为不断长大。当达到设定的摩擦时间时，电机制动，
在气缸产生横向顶端力下两工件紧密结合，形成焊接接头，从而完成整个试验[15,16]
。
旋转摩擦焊四个阶段如图1.2所示。 图1.2 旋转摩擦焊的四个阶段
摩擦焊螺柱焊工艺方法适应性较广，可焊材料较多，不仅能焊接传统的金属材料，
还能够焊接其他材料，如复合材料、粉末合金、功能材料甚至陶瓷等新型材料和异种
材料。
随着基础学科的发展，焊接工艺也在不断地发生变化和改进，摩擦焊接领域也因
此得到扩展。被焊工件的形状尺寸也得到扩展，可以与板状母材进行摩擦焊接。
摩擦焊工艺方法及分类如下图1.3所示[17]
。 1.2.3 摩擦螺柱焊特点[18]
（1）焊接接头质量高。一般情况下，焊接材料不熔化，仍处于固相状态，焊合
区金属为锻造组织，晶粒细小且致密，不会产生熔焊状态后偏析、夹杂和气孔等缺陷；
其次，由于轴向压力和扭矩的存在导致晶粒细化、组织致密等力学冶金效应；同时，
当缩短焊接时间时，会导致焊接热影响区变窄，且不会出现组织粗化等现象。以上均
能获得有效的较高强度的焊接接头[14]。
（2）广泛的工艺适应性。摩擦焊方法适应的焊接材料非常广泛，不仅能焊接一
般的金属，还可以应用于复合材料、粉末合金等特殊的材料。与其他焊接方法相比，
摩擦焊更适用于异种材料的连接[19]
。对于管-管、棒-棒、棒-管、棒(管)-板的焊接，同样适用于摩擦焊[20]。
（3）焊接过程可靠性高。摩擦焊设备结构简单，且不需要其他配套设备，焊接时需要的调控参数较少，自动化程度较高。且摩擦焊对焊接电流、电压、电阻及外界
环境敏感性较低；焊件准备简单、工件接触面要求简单。在整个焊接过程中基本能实现完全自动化[21]。
（4）焊件尺寸精度高。由于摩擦焊接过程为固态连接，焊接过程中接触表面接
触均匀，能量高度集中，在较短的焊接时间内能量输入速度很快，所以焊接变形较小。
在对工件装配定位时进行精确控制，对焊接参数条件优化设定后，焊件尺寸精度会大大提高。
（5）摩擦焊接生产效率高。摩檫焊接过程较短，最快几秒内完成，因此，其生
产效率很高。若配备自动给料装置、及焊前自动装夹机械手、焊后辅助工序等，实现
全自动生产后，生产效率还能大大提高[22]。
（6）焊机工作环境清洁。摩擦焊是一种固相连接，不会产生弧光、飞溅、烟雾
等有害气体与杂质，较为清洁。