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北京航空航天大學(xué) 《熱制造學(xué)基礎(chǔ)》報告 慣性摩擦焊接工藝 學(xué)號：ZY1307201 姓名：吳朝陽 院系：705 目錄 摘要 2 1.慣性摩擦焊的發(fā)展背景 3 2.慣性摩擦焊的原理 4 2.1摩擦焊 4 2.2 慣性摩擦焊 5 2.2.1慣性摩擦焊接過程 6 2.2.2慣性摩擦焊的典型接頭 8 3.慣性摩擦焊的優(yōu)缺點和現(xiàn)狀 9 3.1慣性摩擦焊的優(yōu)點 9 3.2慣性摩擦焊的缺點 10 3.3慣性摩擦焊的現(xiàn)狀 10 參考文獻 11 摘要 慣性摩擦焊作為一種先進的焊接工藝，已成為先進航空發(fā)動機的壓氣機轉(zhuǎn)子及渦輪部件的主要焊接工藝，慣性摩擦焊接技術(shù)同時作為一種具有環(huán)保、節(jié)能、省材、高效的新型焊接技術(shù)，在其他領(lǐng)域也有有著十分重要的應(yīng)用。慣性摩擦焊作為一門新的焊接工藝已經(jīng)展現(xiàn)出強大的市場潛力和前景，并且正在飛速發(fā)展。本篇論文介紹了慣性摩擦焊接工藝的發(fā)展背景、焊接原理和優(yōu)缺點及現(xiàn)狀。 關(guān)鍵詞：慣性摩擦焊，先進，航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子 1.慣性摩擦焊的發(fā)展背景 摩擦焊這一概念出來己久，旱在1891年英國人J．H．貝文頓就獲得了利用摩擦熱進行焊接和擠壓的專利。但是，直到1956年才由前蘇聯(lián)學(xué)者首先試驗成功第一種實用的摩擦焊方法，即連續(xù)驅(qū)動摩擦焊(FRW)。此后，連續(xù)驅(qū)動摩擦焊技術(shù)迅速發(fā)展，并大量應(yīng)用于汽車工業(yè)，但是在航空工業(yè)中未能得到實際應(yīng)用，摩擦焊真正用于航空工業(yè)始于二十世紀(jì)六十年代后期[1]。1962年，美國履帶車輛公司(Caterpiller Tractor Co．)發(fā)明了一種新的摩擦焊方法即慣性摩擦焊[2]。不久，美國GE公司便使用該公司的大型焊機制造了航空發(fā)動機的整體壓氣機轉(zhuǎn)子和渦輪部件。經(jīng)過近40年的研究和應(yīng)用，慣性摩擦焊的技術(shù)日臻完善，己成為制造航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子部件的主要焊接方法。 2.慣性摩擦焊的原理 2.1摩擦焊 摩擦焊接是一種固態(tài)結(jié)合焊接工藝過程，兩個被焊接工件作相對的運動或旋轉(zhuǎn)，在壓力下對接，由接觸面摩擦生熱，使得焊接材料從接觸面塑性地相互滲透而融合。焊前，待焊的一對工件中，一件夾持于旋轉(zhuǎn)夾具，稱為旋轉(zhuǎn)工件，另一件夾持于移動夾具，稱為移動工件。焊接時，旋轉(zhuǎn)工件在電機驅(qū)動下開始高速旋轉(zhuǎn)，移動工件在軸向力作用下逐步向旋轉(zhuǎn)工件靠攏，兩側(cè)工件接觸并壓緊后，摩擦界面上一些微凸體首先發(fā)生粘接與剪切，并產(chǎn)生摩擦熱。隨著實際接觸面積增大，摩擦扭矩迅速升高，摩擦界面處溫度也隨之上升，摩擦界面逐漸被一層高溫粘塑性金屬所覆蓋。此時，兩側(cè)工件的相對運動實際上已發(fā)生在這層粘塑性金屬內(nèi)部，產(chǎn)熱機制已由初期的摩擦產(chǎn)熱轉(zhuǎn)變?yōu)檎乘苄越饘賹觾?nèi)的塑性變形產(chǎn)熱。在熱激活作用下，這層粘塑性金屬發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，使變形抗力降低，故摩擦扭矩升高到一定程度(前峰值扭矩)后逐漸降低。隨著摩擦熱量向兩側(cè)工件的傳導(dǎo)，焊接面兩側(cè)溫度亦逐漸升高，在軸向壓力作用下，焊合區(qū)金屬發(fā)生徑向塑性流動，從而形成飛邊，軸向縮短量逐漸增大。隨摩擦?xí)r間延長，摩擦界面溫度與摩擦扭矩基本恒定，溫度分布區(qū)逐漸變寬，飛邊逐漸增大，此階段稱之為準(zhǔn)穩(wěn)定摩擦階段。在此階段，摩擦壓力與轉(zhuǎn)速保持恒定。當(dāng)摩擦焊接區(qū)的溫度分布、變形達(dá)到一定程度后，開始剎車制動并使軸向力迅速升高到所設(shè)定的頂鍛壓力此時軸向縮短量急驟增大，并隨著界面溫度降低，摩擦壓力增大，摩擦扭矩出現(xiàn)第二個峰值，即后峰值扭矩。在頂鍛過程中及頂鍛后保壓過程中，焊合區(qū)金屬通過相互擴散與再結(jié)晶，使兩側(cè)金屬牢固焊接在一起，從而完成整個焊接過程。在整個焊接過程中，摩擦界面溫度一般不會超過熔點，故摩擦焊是固態(tài)焊接。摩擦焊的工藝過程如下圖1所示。 圖1 在壓力作用下，被焊接界面通過相對運動摩擦?xí)r，機械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽a(chǎn)生的摩擦加熱功率為 式中： 2.2 慣性摩擦焊 慣性摩擦焊接是一種利用飛輪儲存能量，可在短時間內(nèi)釋放很大摩擦熱量的摩擦焊接方法。為了降低主軸電機的功率，采用與主軸相聯(lián)結(jié)的飛輪儲能。在焊接過程中，用飛輪所儲藏的動能提供焊接所有或部分熱能，因而又被稱為儲能摩擦焊接。慣性摩擦焊接過程中，旋轉(zhuǎn)工件與飛輪固定。焊接時，飛輪首先被加速到設(shè)定的轉(zhuǎn)速，以動能形式儲存所需的能量，隨后電動機通過離合器與主軸脫離。當(dāng)移動焊件在軸向壓力作用下向旋轉(zhuǎn)焊接靠攏、壓緊后，存儲在飛輪中的動能通過摩擦逐漸轉(zhuǎn)化為熱能，而飛輪轉(zhuǎn)速則不斷降低，直至停止轉(zhuǎn)動。保壓一段時問后，焊接結(jié)束。在焊件表面速度降低到1m/s時，會出現(xiàn)一個比連續(xù)驅(qū)動摩擦焊接大得多的后峰值扭矩，該扭矩與軸向壓力一起，使軸向縮短量急劇增大，焊機逐漸停止運轉(zhuǎn)，完成整個焊接過程。 慣性摩擦焊機的結(jié)構(gòu)原理圖如下圖2所示。 圖2 2.2.1慣性摩擦焊接過程 對于給定的材料，在一定的摩擦壓力和相對轉(zhuǎn)動速度條件下，摩擦副相互摩擦并不斷產(chǎn)生熱量。根據(jù)界面的摩擦狀態(tài)和產(chǎn)生熱量的情況摩擦焊接過程大致可分為以下幾個階段： (1)初始摩擦階段由于摩擦，焊接表面總是凹凸不平，加之存在有氧化膜、銹、油、灰塵以及吸附的氣體等，所以，顯示出的摩擦系數(shù)很小，隨著接觸后摩擦壓力的逐漸增加，摩擦加熱功率也逐漸增加。在初始摩擦階段，凹凸不平互相壓入的表面迅速產(chǎn)生塑性變形和機械挖掘現(xiàn)象，表面不平會引起震動，空氣也可能進入摩擦表面。 (2)不穩(wěn)定摩擦階段摩擦破壞了待焊面的原始狀態(tài)，打碎了覆蓋在表面的氧化層，并開始將氧化膜碎片連同其它污物清除出摩擦面，使接觸面變得更干凈；同時伴隨著表面原始狀態(tài)的改變，摩擦面趨向于平整，使得真實的接觸面積增大，摩擦加熱功率提高；摩擦面溫度快速升高，材料的塑性、韌性有較大的提高。在這個階段中，摩擦變形量開始增大，并開始以飛邊的形式出現(xiàn)。在不穩(wěn)定摩擦階段，機械挖掘現(xiàn)象減小，震動消除，表面逐漸平整，出現(xiàn)高溫塑性狀態(tài)金屬顆粒的“粘結(jié)”現(xiàn)象，而粘結(jié)在一起的金屬又受扭矩作用而發(fā)生剪斷，并相互過渡。接觸良好的塑性金屬封閉了摩擦面，使之與空氣隔絕。 (3)穩(wěn)定摩擦階段在這個階段，材料的粘結(jié)現(xiàn)象減少，分子作用現(xiàn)象增強，摩擦系數(shù)很小，摩擦加熱功率穩(wěn)定在較低的水平。變形層在力的作用下，不斷從摩擦表面被擠出，摩擦變形量不斷增大，飛邊也增大。與此同時，變形層附近的金屬又不斷被加熱達(dá)到塑性狀態(tài)。 (4)頂鍛或停車階段對連續(xù)驅(qū)動摩擦焊，這個時候界面附近的高溫材料被大量擠出，變形量亦隨之增大，具有頂鍛的特點；對慣性摩擦焊，這個時候工件轉(zhuǎn)速已經(jīng)降到很低，界面溫度也下降了很多，變形量己經(jīng)很小。這個階段，伴隨著焊縫金屬產(chǎn)生變形、擴散以及再結(jié)晶，最終形成了結(jié)合牢固的接。 如圖3所示，是慣性摩擦焊接過程示意圖和焊接過程中轉(zhuǎn)速、軸向壓力、扭矩和軸向縮短量的變化曲線。 2.2.2慣性摩擦焊的典型接頭 慣性摩擦焊接工件的兩個接頭，一般要求摩擦副中至少有一側(cè)截面是圓形截面。典型的摩擦焊接接頭有相同大小的棒-棒、管-管、棒-管；不同直徑大小的棒-棒、棒-管、管-管；還有棒-板、管-板 圖4 慣性摩擦焊的典型接頭 3.慣性摩擦焊的優(yōu)缺點和現(xiàn)狀 3.1慣性摩擦焊的優(yōu)點 1.接頭質(zhì)量高：由于慣性摩擦焊屬于固相焊接，接頭不會產(chǎn)生與融化和凝固有關(guān)的一些焊接缺陷和焊接脆化現(xiàn)象，如粗大的柱狀品，偏析，夾雜，裂紋和氣孔等。再者就是摩擦焊接時間短，焊接熱影響區(qū)窄，熱影響區(qū)內(nèi)組織無明顯的粗化現(xiàn)象。 2.廣泛的工藝適應(yīng)性：除了傳統(tǒng)的金屬材料，慣性摩擦焊對熔焊性較差的沉淀強化高溫合金，高強鈦合金，超高強度鋼具有良好的焊接性。慣性摩擦焊接還特別適合不同材料之間的焊接，如鋁-銅，鋁-鋼等。 3.焊接過程可靠性高：主要是指焊接參數(shù)少（一個是轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量和轉(zhuǎn)速，另外一個是壓力），這些參數(shù)可控制性都比較好，焊接過程自動化程度高，焊接質(zhì)量不受電流，接頭電阻和環(huán)境影響。焊接前的準(zhǔn)備簡單，接頭斷面狀態(tài)要求不嚴(yán)格 4.焊接尺寸精度高：在嚴(yán)格控制焊接參數(shù)的條件下，通常焊件長度公差在0.2mm內(nèi),偏心度小于0.2mm。 5.摩擦焊接生產(chǎn)效率高：摩擦焊接過程短暫，一般在幾秒到幾十秒的范文范圍內(nèi)，速度非常的快。 6.焊機工作環(huán)境清潔：摩擦焊接過程不產(chǎn)生煙霧，火花，飛濺，弧光及有害氣體等對環(huán)境產(chǎn)生影響的污染源，是一種清潔的產(chǎn)生工藝。 7.摩擦焊接能耗低：摩擦焊不需要特殊的焊接電源，所需的能量僅為傳統(tǒng)焊接工藝的20%左右；也不需要其他消耗材料，如焊條，焊劑，保護氣體等。 3.2慣性摩擦焊的缺點 1.慣性摩擦焊接工藝對于非圓形截面焊接比較困難，所需設(shè)備比較復(fù)雜；對盤狀薄零件和薄壁管件，由于不宜固定，焊接也比較困難 2.焊機構(gòu)造比較復(fù)雜，一次性成本投入大，價格昂貴 3.對某些摩擦系數(shù)特別小的材料，特別是脆性材料，難以焊接 3.3慣性摩擦焊的現(xiàn)狀 汽車工業(yè)已成為慣性摩擦焊接最具活力的應(yīng)用市場。在渦輪增壓泵、安全氣囊增壓泵。驅(qū)動軸等關(guān)鍵零部件上的應(yīng)用都取得了令人滿意的效果。 航空航天工業(yè)盡管不是慣性摩擦焊接最大應(yīng)用市場，但它在該領(lǐng)域的重要地位卻是其他領(lǐng)域無法比擬的，該工藝被認(rèn)為是目前航空、導(dǎo)彈發(fā)動機轉(zhuǎn)子部件制造中最為可靠的連接工藝。世界上最大的幾臺慣性摩擦焊機都是為航空航天制造業(yè)專門設(shè)計的。世界上最大慣性摩擦焊機是有一家公司為通用電氣公司航空發(fā)動機部制造的800性慣性摩擦焊機。功率高達(dá)600Kw，最大鋼質(zhì)焊件截面積可達(dá)239in2，專門用于航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子部件的焊接。 目前國內(nèi)高端市場采用的高性能特種摩擦焊機幾乎都從美國MTI、英國TOMSPON、德國KUKA等世界著名公司引進，進口成本很高，價格在200萬—800萬美元之間，限制條件苛刻。 參考文獻 [1]梁海，張崢．慣性摩擦焊在航空發(fā)動機上的應(yīng)用[J]．材料工程，1992,(2)：48-51． [2]騰寧．摩擦焊在美國制造業(yè)中的應(yīng)用[J]．山東機械，2003,(4)：16-17． [3]中國機械工程學(xué)會焊接學(xué)會．焊接手冊(第一卷)焊接方法及設(shè)備[M]．北京：機械工業(yè)出版社，1992． [4]葛銀川. 慣性摩擦焊機的設(shè)計及其焊接技術(shù)研究[D].西安：陜西科技大學(xué). 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