Φ15--45钢+45钢连续驱动摩擦焊焊接工艺

Φ1545钢+45钢连续驱动摩擦焊焊接工艺概述连续驱动摩擦焊是在外力作用下，利用焊件接触面之间的相对摩擦运动和塑形流动所产生的热量，使接触面金属件相互扩散、流动和动态再结晶而完成的固态连接方法。焊接过程不需要填充金属、焊剂或保护气体。连续驱动摩擦焊方法以优质、高效、节能、无污染的技术特点受到制造业的重视，特别是近几年来开发的搅拌摩擦焊、超塑性摩擦焊等新技术，使其在航空航天、能源、海洋开发等技术领域及石油化工、机械和汽车制造等产业部门得到了广泛应用。一.母材技术状况试件材料：45钢试件尺寸：Φ15×100mm45号钢,是GB中的叫法,JIS中称为:S45C,ASTM中称为1045,080M46,DIN称为:C45。表145钢化学成分化学元素CSiMnPSCrNiCu成分含量0.42～0.500.17～0.370.50～0.80≤0.040≤0.045≤0.25≤0.25≤0.25物理性能：密度ρ：7.85g/cm³，弹性模量E：210MPa，泊松比μ：0.269。力学性能:抗拉强度：不小于600MPa；屈服强度：不小于355MPa。伸长率：17%；收缩率：40%；冲击功：39J。钢材交货状态硬度：热轧钢：≤229HB退火钢：≤197HB推荐热处理温度：正火850℃淬火840℃回火600℃二、连续驱动摩擦焊原理1、连续驱动摩擦焊原理如图1所示，是在摩擦压力的作用下被焊界面相互接触，通过相对运动进行摩擦，使机械能转变为热能，利用摩擦热去除界面的氧化物，在顶锻力的作用下形成可靠接头。该过程所产生的摩擦加热功率为P＝μkρυ式中：P——摩擦加热功率；μ——摩擦系数；k——系数；ρ——摩擦压力；v——摩擦相对运动速度。图1连续驱动摩擦焊的工作原理图连续驱动摩擦焊接时，通常将待焊工件两端分别固定在旋转夹具和移动夹具内，工件被夹紧后，位于滑台上的移动夹具随滑台一起向旋转端移动，移动至一定距离后，旋转端工件开始旋转，工件接触后开始摩擦加热。此后，则可进行不同的控制，如时间控制或摩擦缩短量（又称摩擦变形量）控制。当达到设定值时，旋转停止，顶锻开始，通常施加较大的顶锻力并维持一段时间，然后，旋转夹具松开，滑台后退，当滑台退到原位置时，移动夹具松开，取出工件，至此，焊接过程结束。整个摩擦焊接过程如图2所示。从图中可知，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。摩擦加热过程又可以分成四个阶段，即初始摩擦、不稳定摩擦、稳定摩擦和停车阶段。顶锻焊接过程也可以分为纯顶锻和顶锻维持两个阶段。2、连续驱动摩擦焊机普通型连续驱动摩擦焊机主要由主轴系统、加压系统、机身、夹头、检测与控制系统以及辅助装置等六部分组成。连续驱动摩擦焊机参数，见表3。表2所选国产连续驱动摩擦焊机型号型号最大顶锻力／kN主轴转速／r·min焊棒料直径／㎜C—20200200012~34三、接头形式1、连续驱动摩擦焊接头形式在设计时主要遵循以下原则：1)在旋转式摩擦焊的两个工件中，至少要有一个工件具有回转断面。2)焊接工件应具有较大的刚度，夹紧方便、牢固，要尽量避免采用薄管和薄板接头。3)同种材料的两个焊件断面尺寸应尽量相同，以保证焊接温度分布均匀和变形层厚度相同。4)一般倾斜接头应与中心线成30°～45°的斜面。5)对锻压温度或热导率相差较大的异种材料焊接时，为了使两个零件的顶锻相对平衡，应调整界面的相对尺寸；为了防止高温下强度低的工件端面金属产生过多的变形流失，需要采用模子封闭接头金属。6)为了增大焊缝面积，可以把焊缝设计成搭接或维形接头。7)焊接大断面接头时，为了降低加热功率峰值，可以采用将焊接端面倒角的方法，使摩擦面积逐渐增大。8)对于棒－棒和棒－板接头，当中心部位材料被挤出形成飞边时要消耗更多的能量，而焊缝中心部位对扭矩和弯曲应力的承担又很少，所以，如果工件条件允许，可将一个或两个零件加工成具有中心孔洞，这样，既可用较小功率的焊机，又可提高生产率。9)待焊表面应避免渗氮、渗碳等。10)设计接头形式的同时，还应注意工件的长度、直径公差、焊接端面的垂直度、不平度和表面粗糙度。2、连续驱动摩擦焊可以实现棒材-棒材、管材-管材、棒材-管材、棒材-板材及管材-板材的可靠连接。接合面形状对获得高质量的接头非常重要，图3给出了常用的接头形式。图3接头形式四、连续驱动摩擦焊主要参数及影响1）转速与摩擦压力。转速和摩擦压力直接影响摩擦扭矩、摩擦加热功率、接头温度场、塑性层厚度以及摩擦变形速度等。转速和摩擦压力的选择范围很宽，它们不同的组合可得到不同的规范，常用的组合有强规范和弱规范。强规范时，转速较低，摩擦压力较大，摩擦时间短；弱规范时，转速较高，摩擦压力小，摩擦时间长。2）摩擦时间。摩擦时间影响接头的加热温度、温度场和质量。如果时间短，则界面加热不充分，接头温度和温度场不能满足焊接要求；如果时间长，则消耗能量多，热影响区大，高温区金属易过热，变形大，飞边也大，消耗的材料多。碳钢工件的摩擦时间一般在1～40s范围内。3）摩擦变形量。摩擦变形量与转速、摩擦压力、摩擦时间、材质的状态和变形抗力有关。要得到牢靠的接头，必须有一定的摩擦变形量，通常选取的范围为1～10mm。4）停车时间。停车时间是转速由给定值下降到零时所对应的时间，直接影响接头的变形层厚度和焊接质量。当变形层较厚时，停车时间要短；当变形层较薄而且希望在停车阶段增加变形层厚度时，则可加长停车时间。5）顶锻压力、顶锻变形量和顶锻速度。顶锻压力的作用是挤出摩擦塑性变形层中的氧化物和其他有害杂质，并使焊缝得到锻压，结合牢靠，晶粒细化。顶锻压力的选择与材质、接头温度、变形层厚度以及摩擦压力有关。材料的高温强度高时，顶锻压力要大；温度高、变形层厚度小时，顶锻压力要小（较小的顶锻压力就可得到所需要的顶锻变形量）；摩擦压力大时，相应的顶锻压力要小一些。顶锻变形量是顶锻压力作用结果的具体反映，一般选取1～6mm。顶锻速度对焊接质量影响很大，如顶锻速度慢，则达不到要求的顶锻变形量，一般为10～40mm/min。其中，摩擦变形量和顶锻变形量（总和为缩短量）是其他参数的综合反应。五、连续驱动摩擦焊焊接参数选择一般来讲，碳钢的连续驱动摩擦焊接参数选择范围为：摩擦速度0.6～3m/s，摩擦压力20～100MPa，摩擦时间1～40s，变形量1～10mm低碳钢的焊接参数。为了防止中碳钢、高碳钢和低合金钢焊缝中的淬火组织，减少焊后回火处理工序，应选用较弱的焊接规范。应注意，焊接高温强度差的高合金钢时，需要增大摩擦压力和顶锻压力，适当延长摩擦时间。焊接管子时，为了减少内毛剌，在保证焊接质量的前提下应尽量减小摩擦变形量和顶锻变形量。焊接高温强度差别比较大的异种钢或某些不产生脆性化合物的异种金属时，除了在高温强度低的材料一方加模子以外，还要适当延长摩擦时间，提高摩擦压力和顶锻压力。焊接容易产生脆性化合物的异种金属时，需要采用一定的模具封闭接头金属，降低摩擦速度，增大摩擦压力和顶锻压力。焊接大直径工件时，在摩擦速度不变的情况下，应相应地降低转速。工件直径越大，摩擦压力在摩擦表面上的分布越不均匀，摩擦变形阻力越大，变形层的扩展也需要较长的时间。焊接不等端面的碳钢和低合金钢时，由于导热条件不同，在接头上的温度分布和变形层的厚度也不同，为了保证焊接质量，应该采用强规范焊接。表3连续驱动摩擦焊焊接参数常用选择范围摩擦速度m／s摩擦压力／Mpa摩擦时间／s变形量／mm停车时间／s顶锻压力／Mpa顶锻速度mm／s0.6~320~1001~401~100.1~1100~20010~40表4Φ1545钢+45钢连续驱动摩擦焊的工艺参数焊接材料接头直径／㎜工艺参数转速／r·min摩擦压力／MPa摩擦时间／s顶锻压力／MPa45钢152000601.5120六、操作要点及安全注意事项1.操作者必须熟悉机床操作顺序和性能，严禁超性能使用设备。2.操作者必须经过培训、考试或考核合格后，持证上岗。3.开机前，按设备润滑图表注油，检查油标油位或注油点。4.启动油泵电机，弹性夹头夹紧工件，调节液压系统压力、工作压力、夹紧压力，顶锻压力，检查主轴箱润滑。5.在调整状态下，调节滑台、刀架移动速度和距离。6.检查主轴箱润滑、离合、制动，低速转动主轴。7.停机前复位，关闭主轴电机，待主轴停转后，关闭油泵电机。8.关闭机床电控总开关，关闭电控柜空气开关。9.清洁机床，按设备润滑图表或注油点进行注油。10.严禁穿拖鞋、凉鞋、半短裤操作，以防铁屑烫伤，严禁戴手套操作。11.夹具的防转块必须锁紧，避免螺钉或防转块飞觥装卸夹具应用专门板手，不许把锥面变形的弹簧夹具装上使用。12.快进、快退不能调得太快，防止发生危险，皮带张紧要适当，防护罩须锁紧。七、接头质量检验45号钢的摩擦焊接参数见表4，接头的金属组织如图5所示，可以分为正火区、不完全正火区和回火区。正火区是接头金属被加到850℃以上的区域，又称高温区，主要包括未被挤出的高速摩擦塑性变形金属以及在高温产生塑性变形的母材。该区组织通常是力学性能良好的索氏体，但接头加热时间太短或太长时，也可能产生硬度很高的马氏体组织或晶粒粗大的过热组织。不完全正火区是接头金属被加热到723～850℃之间的区域，通常这个区域的金相组织都是索氏体和铁素体组织。但是，当接头的加热和冷却速度太快时，也可能产生马氏体组织。回火区是接头金属被加热至723℃以下的区域。由于加热时间很短，其金相组织不产生明显的变化。表5摩擦焊接头的主要缺陷及产生的原因缺陷产生的原因接头偏心焊机刚度低，夹具偏心；工件端面倾斜或在夹头外伸出量太长飞边不封闭转速高；摩擦压力太大或太小；摩擦时间太长或太短；以致顶锻焊接前接头中变形层和高温区太窄；停车慢未焊透焊前摩擦表面清理不良；转速低；摩擦压力太大或太小；摩擦时间短；顶锻压力小接头组织扭曲转速低；压力大；停车慢接头过热速度高；压力大；摩擦时间长接头淬硬焊接淬火钢时，摩擦时间短，冷却速度快焊接裂纹焊接淬火钢时，摩擦时间短，冷却速度快氧化灰斑焊接工件清理不良；焊机震动；压力小；摩擦时间短；顶锻焊接前，接头中的变形层和高温区窄脆性合金层焊接产生脆性合金化合物的某种金属时，加热温度高；摩擦时间长；压力小对上述规范下摩擦焊接头的质量检验表明，在焊缝中没有产生未焊透、夹杂、气孔、裂缝和金属过热等缺陷，接头的加热区很窄，拉伸试验断裂在母材，弯曲试验可达180°，韧性高，焊接质量好。八.参考文献1.曹朝霞.特种焊接技术.北京:机械工业出版社,20092.李亚江.特种焊接技术及应用.北京:化学工业出版社,2008