线性摩擦焊工艺样本.docx

资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。摩擦焊是一种利用压力和摩擦热使工件连接在一起的固态连接方法。焊接时, 由电动机带动一个工件旋转,同时把另一工件压向旋转工件, 使其接触面相互摩擦产生热量和一定塑性变形,然后减速停止旋转,同时施加顶锻压力完成焊接。而实际焊接过程中, 根据产热方式的不同, 能够将摩擦焊分为以下几种: 摩擦焊 Friction Welding1. 轨道摩擦焊2. 线性摩擦焊3. 搅拌摩擦焊4. 旋转摩擦焊总而言之, 摩擦焊是一种利用压力和摩擦热使工件连接在一起的固态连接方法。线性摩擦焊是20世纪90年代中期兴起的一种新型固态焊接技术, 它突破了旋转式摩擦焊对被焊工件外形轴对称的限制, 大大的扩展了摩擦焊接的应用领域。线性摩擦焊具有自清理、 自保护的作用。材料采用钛合金TC4轧制板材。试样尺寸为13mm8mm45mm的长方体, 焊接面(13mm8mm)为线切割面。试验采用自制的线性摩擦焊机。采用的工艺参数为: 振动频率13.643Hz, 摩擦压力2.753.2atm(压力表指示值), 顶锻力2.83.4atm(压力表指示值), 摩擦时间1020s, 振幅2mm。 焊后试件沿面、 面(如图1所示)剖开, 经过剖面、 面能够分别观察到摩擦横截面( 与试件往复运动方向垂直) 和纵截面( 与试件往复运动方向平行) 这两个方向上的焊缝形状。 经过对焊接过程和接头质量的观察分析, 能够发现: 摩擦压力和往复运动频率是焊接热输入的主要影响因素。当摩擦压力和往复运动频率增加时, 焊接热量输入也随之显著增加。 图1 试件剖面示意图由于材料变形的局部性和不均匀性, 压力过大则会影响试件往复运动的稳定性, 同时也会增加塑性金属的流出量, 使飞边增大, 因此, 不能采用太大的压力值。在保证运动平稳的条件下, 提高往复运动的频率是增加热输入和提高焊缝质量最有效的方法。 摩擦时间也是线性摩擦焊接过程中的一个重要参数, 但延长摩擦时间不是增加热量输入的最有效方法。因为热传导、 对流及高温塑性金属的挤出等因素的存在, 使得焊接过程中存在一热输入热输出的平衡点。在热平衡之前, 增加摩擦时间对增加热输入有效, 而在热平衡点之后, 增加摩擦时间对热输入作用不大。 顶锻是摩擦焊接的最后一个环节, 顶锻力也是影响焊缝成型的重要因素。在摩擦过程中, 金属摩擦副之间形成一层高温粘塑性层, 它是摩擦表面的”粘结”介质, 经过顶锻使金属摩擦副牢固结合。若顶锻力过大, 使粘结介质大量被挤出, 焊接效果反而下降。 焊缝成型与飞边的形成 摩擦界面横截面和纵截面的形状分别如图2 (a)、 (b)所示, 图3是部分放大的纵向飞边。 (a)摩擦界面横截面的形貌 (b) 摩擦界面纵截面的形貌 图2 TC4摩擦焊焊缝形状 图3 部分放大的飞边 从图2(a)和(b)能够看出, 截面上的焊缝成型均匀一致, 没有裂纹和未焊合缺陷。但无论横截面还是纵截面, 其边缘均有明显的变形, 并产生飞边,且飞边大小不同, 横向飞边比纵向飞边小。从部分放大的纵向飞边图3能够看出, 飞边氧化后呈彩色, 并有明显的横向条纹。 飞边的形成主要受摩擦面温度场和粘塑性应变两个因素的影响, 在摩擦初始阶段摩擦表面的微凸体发生粘着、 剪切, 产生摩擦热, 表面局部的温度开始升高; 随着摩擦的进行, 摩擦面达到一定温度时就形成一层高温塑性金属2。由于温度场分布不均匀, 塑性层厚度不均匀, 相对而言, 摩擦面内部较厚, 而边缘较薄(边缘热散失的缘故)。在摩擦压力和试件往复运动的作用下, 部分塑性金属被推出摩擦面。在平行试件运动的方向, 有类似于机械加工中的”刨削”作用。由于往复运动周期进行, 纵向飞边不断向前推进, 并呈现明显的横向条纹。随着摩擦的继续进行, 温度进一步升高, 塑性层的厚度也增加, 在摩擦压力的作用下, 横向边缘的部分塑性金属则沿横向被挤出, 形成横向(垂直试件运动方向)飞边。无论是被纵向挤出的塑性金属或是被横向挤出的塑性金属, 由于被挤出摩擦面时温度较高, 而钛在600时能够与氧发生强烈作用, 因而飞边被氧化变色。 接头的微观组织 图4为钛合金TC4线性摩擦焊界面纵向截面的低倍放大图。从图能够看出, 焊合界面附近有不同程度的变形, 按照其变形程度, 能够分为完全变形区、 部分变形区和未变形区。完全变形区和部分变形区在光学显微镜下的微观组织结构分别如图5和图6所示, 母材的微观组织如图7所示。 从图4、 图5、 图6和图7能够看出: 完全变形区的晶粒细小且明显被拉长, 这说明TC4钛合金在线性摩擦焊接过程中, 不但有塑性流动的过程, 而且存在动态恢复和再结晶的过程。 图4 摩擦焊界面纵向截面的低倍放大图 图5 完全变形区组织 部分变形区的微观组织也有塑性流动趋势, 晶粒比完全变形区粗大, 但仍比母材的晶粒细小; 未变形区微观组织与母材类似, 不存在塑性流动的趋势。在部分变形区和未变形区之间有明显的界线。 由于TC4钛合金热传导率较低, 室温下的热传导率约为7W/mk, 即使在1000下其热传导率也只有20 W/mk。因此, 部分变形区的温度较低, 这造成该区塑性变形的难度增大; 又由于TC4钛合金的屈服应力在低温下较高而在800以上迅速降低, 从而该区和未变形区之间产生了明显界线。图6部分变形区组织 图7母材组织 结论 (1)利用线性摩擦焊方法成功地实现了钛合金TC4的焊接,获得了高质量的焊接接头。 (2)在线性摩擦过程中, 摩擦压力、 振动频率、 摩擦时间和顶锻压力对焊接质量均有重要影响; 在一定的范围内,提高振动频率是增加热量输入和提高接头质量的有效途径。 (3)线性摩擦焊的飞边独特。由于往复运动、 正压力和摩擦力的共同作用, 使纵向飞边和横向飞边上均呈现有清晰的横向条纹。 (4)钛合金TC4线性摩擦焊焊合界面附近有不同程度的变形, 按照其变形程度, 能够分为完全变形区、 部分变形区和未变形区。完全变形区微观组织细小致密, 有明显的塑性流动趋势。部分变形区的微观组织也有塑性流动趋势, 晶粒比完全变形区粗大, 但仍比母材的晶粒细小; 未变形区微观组织与母材类似, 不存在塑性流动的趋势。在部分变形区和未变形区之间有明显的界线