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摩擦焊接过程分析

发表时间:2018-11-22 07:53

一、焊接过程

   摩擦焊接过程,是焊接表面金属在一定的空间和时间内,金属状态和性能发生变化的过程。连续驱动摩擦焊特性曲线如图,摩擦焊接过程的一个周期,可分成摩擦加热过程和顶锻焊接过程两部分。

  • 摩擦开始时,由于工件摩擦焊接表面不平,以及存在氧化膜、油锈、灰尘和吸附气体使得摩擦系数很大,随着摩擦压力逐渐增大,摩擦加热功率慢慢增加,使凹凸不平的表迅速产生塑性变形和机械挖掘现象。塑性变形破坏了摩擦表面金属晶粒,成为一个细小的变形层。沿变形层附近的母材也顺摩擦方向产生塑性变形。金属相互压人部分挖掘,使摩擦表面出现同心圆痕迹,这样又增大了塑性变形。
  • 摩擦压力增大,摩擦破坏了焊接金属表面,使纯净的金属接触,接触面积也增大,而焊接表面温度的升高,使金属的强度有所下降,塑性和韧性却有很大提高,这些因素都使摩擦系数增大,摩擦加热功率迅速提高,扭矩也出现一个峰值。
  • 焊接表面温度继续升高时,金属的塑性增高,但强度和韧性都显著下降,摩擦加热功率也迅速降低到稳定值。这一过程中,摩擦表面的机械挖掘现象减少,振动降低,表面逐渐平整,开始产生金属的粘结现象。高温塑性状态的金属颗粒互相焊合后,又被工件旋转的扭力剪断,并彼此过渡。
  • 摩擦功率或扭矩稳定后,摩擦表面的温度继续升高,这时金属的粘结现象减少,分子作用现象增强。此时金属强度极低,塑性很大,摩擦表面似乎被一层液体金属所润滑,摩擦系数很小,各工艺参数的变化也趋于稳定,只有摩擦变形量不断增大,飞边增大,接头的热影响区增宽。
  • 主轴和工件开始停车减速后,随着轴向压力增大,转速降低,摩擦扭矩增大,再次出现峰值,称为后峰值扭矩。同时接头中的高温金属被大量挤出,变形量也增大。制动阶段是摩擦加热过程和顶锻焊接过程的过渡阶段,具有双重特点。
  • 主轴停止旋转后,顶锻力仍要维持一段时间,直至接头温度冷却到规定值为止。
  •    总之,在摩擦焊接过程中,金属摩擦表面从低温到高温变化,而表面的塑性变形、机械挖掘、粘结和分子作用四种摩擦现象连续发生。

    在整个摩擦加热过程中,摩擦表面上都存在着一个高速摩擦塑性变形层。摩擦焊的发热、变形和扩散现象主要都集中在变形层中,稳定摩擦时变形层金属在摩擦扭矩和轴向压力的作用下,从摩擦表面挤出形成飞边,同时又被附近高温区的金属所补充,始终处于动平衡状态。在制动和顶锻焊接过程中,摩擦表面的变形层和高温区金属被部分挤碎排出,焊缝金属经受锻造,形成了质量良好的焊接接头。

    二、摩擦焊热源的特点

       摩擦焊的热源就是金属摩擦焊接表面上的高速摩擦塑性变形层。它是以两工件摩擦表面为中心的金属质点,在摩擦压力和摩擦扭矩的作用下,沿工件径向与切向力的合成方向做相对高速摩擦运动的塑性变形层。这个变形层是把摩擦的机械功率转变成热能的发热层。由于它的温度最高,能量集中,又产生在金属的焊接表面,所以加热效率很高。作为一个焊接热源,主要参数是功率和温度。

    摩擦焊热源的功率和温度不仅取决于焊接工艺规范参数,还受到焊接工件材料、形状、尺寸和焊接表面准备情况的影响。摩擦焊热源的最高温度接近或等于焊接金属的熔点。

    异种金属摩擦焊时,热源温度不超过低熔点金属的熔点,这对保证焊接质量和提高焊接过程的稳定性起了很大作用。不同材料和直径的工件,在不同转速和摩擦压力下焊接时,摩擦焊接表面的稳定温度列于下表(这里我们主要讨论应用最广泛的结构钢连续驱动摩擦焊的焊接过程及其热源特点。)


    试件编号
    焊材料
    试件直径/mm
    转速(rmin-2)
    摩擦压力MPa
    焊材料熔点/
    实际表面温度/
    1
    45
    15
    2000
    10
    1480
    1130
    2
    45
    80
    1750
    20
    1480
    1380
    3
    +
    10
    2000
    90
    660
    580
    4
    +
    10
    2000
    140
    660
    660
    5
    +
    10
    3000
    0
    660
    580
    6
    +
    10
    3000
    140
    660
    660
    7
    +
    10
    3000
    140
    660
    660
    8
    +
    16
    2000
    24
    1083
    1030
    9
    +
    28
    1750
    16
    1083
    1080
    10
    +
    28
    1750
    24
    1083
    1080
    I1
    +
    28
    1750
    32
    1083
    1080



    金属焊接表面的摩擦不仅产生热量,面且还能破坏和清除表面的氧化膜。变形层金属的封闭、挤出和不断被高温区金属更新,可以防止焊口金属的继续氧化。顶锻焊接后,部分变形层金属像填料一样留在接头中会影响焊接质量。


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