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連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊基本原理 -工程

工程 時(shí)間:2019-01-01 我要投稿
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    1. 焊接過程    連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊接時(shí),通常將待焊工件兩端分別固定在旋轉(zhuǎn)夾具和移動(dòng)夾具內(nèi),工件被夾緊后,位于滑臺(tái)上的移動(dòng)夾具隨滑臺(tái)一起向旋轉(zhuǎn)端移動(dòng),移動(dòng)至一定距離后,旋轉(zhuǎn)端工件開始旋轉(zhuǎn),工件接觸后開始摩擦加熱,

連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊基本原理

。此后,則可進(jìn)行不同的控制,如時(shí)間控制或摩擦縮短量(又稱摩擦變形量)控制。當(dāng)達(dá)到設(shè)定值時(shí),旋轉(zhuǎn)停止,頂鍛開始,通常施加較大的頂鍛力并維持一段時(shí)間,然后,旋轉(zhuǎn)夾具松開,滑臺(tái)后退,當(dāng)滑臺(tái)退到原位置時(shí),移動(dòng)夾具松開,取出工件,至此,焊接過程結(jié)束。    對于直徑為16mm的45號鋼,在2000r/min轉(zhuǎn)速、8.6MPa摩擦壓力、0.7s摩擦?xí)r間和161MPa的頂鍛壓力下,整個(gè)摩擦焊接過程如圖10所示。從圖中可知,摩擦焊接過程的一個(gè)周期可分成摩擦加熱過程和頂鍛焊接過程兩部分。摩擦加熱過程又可以分成四個(gè)階段,即初始摩擦、不穩(wěn)定摩擦、穩(wěn)定摩擦和停車階段。頂鍛焊接過程也可以分為純頂鍛和頂鍛維持兩個(gè)階段。(1)初始摩擦階段(t1)  此階段是從兩個(gè)工件開始接觸的a點(diǎn)起,到摩擦加熱功率顯著增大的b點(diǎn)止。摩擦開始時(shí),由于工件待焊接表面不平,以及存在氧化膜、鐵銹、油脂、灰塵和吸附氣體等,使得摩擦系數(shù)很大。隨著摩擦壓力的逐漸增大,摩擦加熱功率也慢慢增加,最后摩擦焊接表面溫度將升到200~300℃左右。   在初始摩擦階段,由于兩個(gè)待焊工件表面互相作用著較大的摩擦壓力和具有很高的相對運(yùn)動(dòng)速度,使凸凹不平的表面迅速產(chǎn)生塑性變形和機(jī)械挖掘現(xiàn)象。塑性變形破壞了界面的金屬晶粒,形成一個(gè)晶粒細(xì)小的變形層,變形層附近的母材也沿摩擦方向產(chǎn)生塑性變形。金屬互相壓入部分的挖掘,使摩擦界面出現(xiàn)同心圓痕跡,這樣又增大了塑性變形。因摩擦表面不平,接觸不連續(xù),以及溫度升高等原因,使摩擦表面產(chǎn)生振動(dòng),此時(shí)空氣可能進(jìn)入摩擦表面,使高溫下的金屬氧化。但由于t1時(shí)間很知,摩擦表面的塑性變形和機(jī)械挖掘又可以破壞氧化膜,因此,對接頭的影響不大。當(dāng)焊件斷面為實(shí)心圓時(shí),其中心的相對旋轉(zhuǎn)速度為零,外緣速度最大,此時(shí)焊接表面金屬處于彈性接觸狀態(tài),溫度沿徑向分布不均勻,摩擦壓力在焊接表面上呈雙曲線分布,中心壓力最大,外緣最小。在壓力和速度的綜合影響下,摩擦表面的加熱往往從距圓心半徑2/3左右的地方首先開始。 (2)不穩(wěn)定摩擦階段(t2)  不穩(wěn)定摩擦階段是摩擦加熱過程的一個(gè)主要階段,該階段從摩擦加熱功率顯著增大的b點(diǎn)起,越過功率峰值c點(diǎn),到功率穩(wěn)定值的d點(diǎn)為止。由于摩擦壓力較初始摩擦階段增大,相對摩擦破壞了焊接金屬表面,使純凈的金屬直接接觸。隨著摩擦焊接表面的溫度升高,金屬的強(qiáng)度有所降低,而塑性和韌性卻有很大的提高,增大了摩擦焊接表面的實(shí)際接觸面積。這些因素都使材料的摩擦系數(shù)增大,摩擦加熱功率迅速提高。當(dāng)摩擦焊接表面的溫度繼續(xù)增高時(shí),金屬的塑性增高,而強(qiáng)度和韌性都顯著下降,摩擦加熱功率也迅速降低到穩(wěn)定值d點(diǎn)。因此,摩擦焊接的加熱功率和摩擦扭矩都在c點(diǎn)呈現(xiàn)出最大值。在45號鋼的不穩(wěn)定摩擦階段,待焊表面的溫度由200~300℃升高到1200~1300℃,而功率峰值出現(xiàn)在600~700℃左右。這時(shí)摩擦表面的機(jī)械挖掘現(xiàn)象減少,振動(dòng)降低,表面逐漸平整,開始產(chǎn)生金屬的粘結(jié)現(xiàn)象。高溫塑性狀態(tài)的局部金屬表面互相焊合后,又被工件旋轉(zhuǎn)的扭力矩剪斷,并彼此過渡。隨著摩擦過程的進(jìn)行,接觸良好的塑性金屬封閉了整個(gè)摩擦面,并使之與空氣隔開。 (3)穩(wěn)定摩擦階段(t3)  穩(wěn)定摩擦階段是摩擦加熱過程的主要階段,其范圍從摩擦加熱功率穩(wěn)定值的d點(diǎn)起,到接頭形成最佳溫度分布的e點(diǎn)為止,這里的e點(diǎn)也是焊機(jī)主軸開始停車的時(shí)間點(diǎn)(可稱為e′點(diǎn)),也是頂鍛壓力開始上升的點(diǎn)(圖10的ƒ點(diǎn))以及頂鍛變形量的開始點(diǎn)。在穩(wěn)定摩擦階段中,工件摩擦表面的溫度繼續(xù)升高,并達(dá)到1300℃左右。這時(shí)金屬的粘結(jié)現(xiàn)象減少,分子作用現(xiàn)象增強(qiáng)。穩(wěn)定摩擦階段的金屬強(qiáng)度極低,塑性很大,摩擦系數(shù)很小,摩擦加熱功率也基本上穩(wěn)定在一個(gè)很低的數(shù)值。此外,其它連接參數(shù)的變化也趨于穩(wěn)定,只有摩擦變形量不斷增大,變形層金屬在摩擦扭矩的軸向壓力作用下,從摩擦表面擠出形成飛邊,同時(shí),界面附近的高溫金屬不斷補(bǔ)充,始終處于動(dòng)平衡狀態(tài),只是接頭的飛邊不斷增大,接頭的熱影響區(qū)變寬。 (4)停車階段(t4)  停車階段是摩擦加熱過程至頂鍛焊接過程的過渡階段,是從主軸和工件一起開始停車減速的e′點(diǎn)起,到主軸停止轉(zhuǎn)動(dòng)的g點(diǎn)止。從圖10可知,實(shí)際的摩擦加熱時(shí)間從a點(diǎn)開始,到g點(diǎn)結(jié)束,即tƒ=t1+t2+t3+t4。盡管頂鍛壓力從ƒ點(diǎn)施加,但由于工件并未完全停止旋轉(zhuǎn),所以g′點(diǎn)以前的壓力,實(shí)質(zhì)上還是屬于摩擦壓力。頂鍛開始后,隨著軸向壓力的增大,轉(zhuǎn)速降低,摩擦扭矩增大,并再次出現(xiàn)峰值,此值稱為后峰值扭矩。同時(shí),在頂鍛力的作用下,接頭中的高溫金屬被大量擠出,工件的變形量也增大。因此,停車階段是摩擦焊接的重要過程,直接影響接頭的焊接質(zhì)量,要嚴(yán)格控制。 (5)純頂鍛階段(t5)  從主軸停止旋轉(zhuǎn)的g(或g′)點(diǎn)起,到頂鍛壓力上升至最大位的h點(diǎn)止。在這個(gè)階段中,應(yīng)施加足夠大的頂鍛壓力,精確控制頂鍛變形量和頂鍛速度,以保證獲得優(yōu)異的焊接質(zhì)量。 (6)頂鍛維持階段(t6)  該階段從頂鍛壓力的最高點(diǎn)h開始,到接頭溫度冷卻到低于規(guī)定值為止。在實(shí)際焊接控制和自動(dòng)摩擦焊機(jī)的程序設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)精密控制該階段的時(shí)間tu(tu=t3+t4)。在頂鍛維持階段,頂鍛時(shí)間、頂鍛壓力和頂鍛速度應(yīng)相互配合,以獲得合適的摩擦變形量△Iƒ和頂鍛變形量△Iu。在實(shí)際計(jì)算時(shí),摩擦變形速度一般采用平均摩擦變形速度(△Iƒ/tƒ),頂鍛變形速度也采用其平均值〔△Iu/(t4+t5)〕。    總之,在整個(gè)摩擦焊接過程中,待焊的金屬表面經(jīng)歷了從低溫到高溫摩擦加熱,連續(xù)發(fā)生了塑性變形、機(jī)械挖掘、粘接和分子連接的過程變化,形成了一個(gè)存在于全過程的高速摩擦塑性變形層,摩擦焊接時(shí)的產(chǎn)熱、變形和擴(kuò)散現(xiàn)象都集中在變形層中。在停車階段和頂鍛焊接過程中,摩擦表面的變形層和高溫區(qū)金屬被部分?jǐn)D碎排出,焊縫金屬經(jīng)受鍛造,形成了質(zhì)量良好的焊接接頭。 2. 摩擦焊接產(chǎn)熱    摩擦焊接過程中,兩工件摩擦表面的金屬質(zhì)點(diǎn),在摩擦壓力和摩擦扭矩的作用下,沿工件徑向與切向力的合成方向作相對高速摩擦運(yùn)動(dòng),在界面形成了塑性變形層,

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連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊基本原理》(http://www.ishadingyu.com)。該變形層是把摩擦的機(jī)械功轉(zhuǎn)變成熱能的發(fā)熱層,它的溫度高、能量集中,具有很高的加熱效率。(1)摩擦加熱功率  摩擦加熱功率的大小及其隨摩擦?xí)r間的變化,決定了焊接溫度及其溫度場的分布,直接影響接頭的加熱過程、焊接生產(chǎn)率和焊接質(zhì)量,同時(shí)也關(guān)系到摩擦焊機(jī)的設(shè)計(jì)與制造。摩擦加熱功率就是焊接熱源的功率,它的計(jì)算與分布如下:    對圓形的焊接工件,假設(shè)沿摩擦表面半徑方向的摩擦壓力pƒ和摩擦系數(shù)μ為常數(shù)。為了求出功率分布,在摩擦表面上取一半徑為r的圓環(huán),該環(huán)的寬度為dr(圖11),其面積為dA,則dA=2πrdr,則作用在圓環(huán)上的摩擦力為 dF=pƒμdA=2πpƒμrdr     (4) 以O(shè)點(diǎn)為圓心的摩擦扭矩為 dM=rdF=2πpƒμr2dr     (5) 圓環(huán)上的摩擦加熱功率為 dP≈1.02dM×10-3n     (6) 摩擦加熱功率沿接合面半徑R方向上的分布dP/dr如圖11所示。加熱功率在圓心處為零,在外邊緣最大。 將式(5)、式(6)積分,可以得到摩擦焊接表面上總的摩擦扭矩和加熱功率為 M=2πpƒμR3/3     (7) P=2×10-3πpƒnμR3/3      (8) 式中 M——摩擦扭矩;        P——摩擦加熱功率;       pƒ——摩擦壓力;        n——工件轉(zhuǎn)速;        μ——摩擦系數(shù);        r——圓環(huán)半徑;        R——待焊工件半徑。    實(shí)際上pƒ(r)不是常數(shù),在初始摩擦階段和不穩(wěn)定摩擦階段的前期,摩擦表面還沒有全面產(chǎn)生塑性變形,主要是彈性接觸,摩擦壓力在中心高,外圓低。因此沿摩擦焊接表面半徑R的摩擦加熱功率最大值不在外圓,而在距圓心2/3R左右的地方,這一點(diǎn)不僅符合計(jì)算結(jié)果,也被試驗(yàn)所證實(shí)。在穩(wěn)定摩擦階段,摩擦表面全部產(chǎn)生塑性變形,成為塑性接觸時(shí),pƒ(r)才可以認(rèn)為等于常數(shù)。此外,μ(r)在初始摩擦階段和不穩(wěn)定摩擦階段也不是常數(shù),由高溫金屬組成的高速塑性變形層熱源,在距圓心1/2~1/3半徑處形成環(huán)狀加熱帶,隨著摩擦加熱的進(jìn)行,環(huán)狀加熱帶向圓心和外圓迅速展開,當(dāng)進(jìn)入穩(wěn)定摩擦階段時(shí),摩擦表面的溫度才趨于平衡,此時(shí)可以認(rèn)為μ(r)是常數(shù)。    摩擦表面上總的加熱熱量為式中   Q——接合面總的摩擦加熱熱量;        t——摩擦?xí)r間;        to——摩擦加熱開始時(shí)間(設(shè)to=0);        tn——實(shí)際摩擦加熱時(shí)間;        k——常數(shù)。 (2)摩擦焊接表面溫度  摩擦焊接表面的溫度會(huì)直接影響接頭的加熱溫度、溫度分布、摩擦系數(shù)、接頭金屬的變形與擴(kuò)散。其加熱面的溫度由摩擦加熱功率和散熱條件所決定。    在焊接圓斷面工件時(shí),摩擦焊接熱源被認(rèn)為是一個(gè)線性傳播的連續(xù)均布的面狀熱源。如果不考慮向周圍空間的散熱,根據(jù)雷卡林的焊接熱過程計(jì)算公式,同種金屬摩擦焊接表面的溫度為式中   T(O,t)——摩擦焊接表面溫度(O表面熱源中心,t是摩擦加熱時(shí)間);           q2——單位面積上的加熱熱量;            λ——焊件熱導(dǎo)率;          c——焊件熱容。 在式(10)中,如果選定焊接所需要的溫度為Tw,熱源溫度升高到Tw所需要的摩擦加熱時(shí)間為tƒ′,則該式可以寫成    tƒ′q22=cπλT2w=常數(shù)     (11)    從式(11)可以看出,當(dāng)Tw和tƒ′確定以后,能夠計(jì)算出q2的數(shù)值,并可以根據(jù)q2的要求選擇焊接參數(shù)。式(10)和式(11)適合于計(jì)算以穩(wěn)定摩擦階段為主的摩擦加熱過程。   實(shí)際上,不論何種材料的摩擦焊接,摩擦表面的最高溫度是有限制的,不能超過焊件材料的熔點(diǎn),此外,在采用式(10)和式(11)進(jìn)行運(yùn)算時(shí),還應(yīng)該考慮到摩擦焊接表面溫度與加熱功率之間的內(nèi)在聯(lián)系、相互制約及摩擦加熱功率隨摩擦?xí)r間變化的特殊規(guī)律。