摩擦焊技術的發展與展望

2018-09-04 17:09:00
陸啓蒙
原創
7656

利用摩擦熱焊接起源于一百多年前,此後經半個多世紀的研究發展,摩擦焊技術才逐漸成熟起來,並進入推廣應用階段。自從上世紀五十年代摩擦焊真正焊出合格焊接接頭以來,就以其優質、高效、低耗環保的突出優點受到所有工業強國的重視。我國的摩擦焊研究始于1957年,發源地是哈爾濱焊接研究所,是世界上最早開展摩擦焊研究的幾個國家之一,取得了很多引人注目的成果。

摩擦焊技術的主要優點歸結爲如下幾個方面:

(1) 接头质量好且稳定。焊接过程由机器控制,参数设定后容易监控,重复性好,不依赖于操作人员的技术水平和工作态度。焊接过程不发生熔化,属固相热压焊,接头为缎造组织,因此焊缝不会出现气孔、偏析和夹杂,裂纹等铸造组织的结晶缺陷,焊接接头强度远大于熔焊、钎焊的强度,达到甚至超过母材的强度;

(2) 效率高。对焊件准备通常要求不高, 焊接設備容易自動化,可在流水線上生産,每件焊接時間以秒計,一般只需零點幾秒至幾十秒,是其它 焊接方法如熔焊、釺焊不能相比的;

(3) 节能、节材、低耗。所需功率仅及传统 焊接工藝的1/5~1/15,不需焊條、焊劑、釺料、保護氣體,不需填加金屬,也不需消耗電極;

(4) 焊接性好。特别适合异种材料的焊接,与其它焊接方法相比,摩擦焊有得天独厚的优势,如钢和紫铜、钢和铝、钢和黄铜等等;

(5) 环保,无污染。焊接过程不产生烟尘或有害气体,不产生飞溅,没有孤光和火花,没有放射线。

由于以上這些優點,摩擦焊技術被譽爲未來的綠色 焊接技術

摩擦焊技術在國內的發展及應用狀況

經過幾十年的發展,摩擦焊技術在國內目前已經具備了包括工藝、設備、控制、檢驗等整套完備的專業技術規模,並且在基礎理論研究上也形成了一定的獨立體系。

1 摩擦焊工艺研究与应用

目前我國摩擦焊技術的應用比較廣泛,可焊接直徑3.0~120mm的工件以及8000mm?的大截面管件,同時還開發了相位焊和徑向摩擦焊技術,以及攪拌摩擦焊技術。不僅可焊接鋼、鋁、銅,而且還成功焊接了高溫強度級相差很大的異種鋼和異種金屬,以及形成低熔點共晶和脆性化合物的異種金屬。如高速鋼—碳鋼、耐熱鋼—低合金鋼、高溫和金—合金鋼、 不鏽鋼—低碳钢、不鏽鋼—电磁铁以及铝—铜、铝—钢等。近年来随着我国航空航天事业的发展,也加速了摩擦焊技术向这些领域的渗透,进行了航空发动机转子、起落架结构件、紧固件等材料(Ln718  Ti17  300M  GH159  GH4169)以及金属与陶瓷、复合材料、粉末高温合金的摩擦焊工艺试验研究,某些电工材料的钎焊工艺也开始用摩擦焊接所取代。如电磁铁—不鏽鋼、钨铜合金等。目前我国采用摩擦焊接方法焊接的在办公室里揉护士的胸有:锅炉在办公室里揉护士的胸的蛇形管摩擦焊接,阀门在办公室里揉护士的胸的阀门法兰和阀体密封座的摩擦焊接,轴瓦在办公室里揉护士的胸的止推边轴瓦的摩擦焊接,工具在办公室里揉护士的胸的钻头、铣刀、铰刀的刃部与柄部的摩擦焊接,汽车及机车在办公室里揉护士的胸发动机的双金属排气阀、气门頂杆、柴油机预热室喷咀、半轴、扭力管、内燃机增压器涡轮轴,潜水电泵转轴,紫铜不鏽鋼水接头,铝铜过渡接头,纺织机梭子芯,关节轴承,泥瓦工具,地质钻杆,石油钻杆、实心、空心抽油杆,航空发动机集成齿轮,木工多用机床上的刀轴等等。

2 理论研究及工程应用

我国科技人员对摩擦焊接表面高温塑性金属层的形成、流动、扩展和焊接接头形成机理,摩擦焊接的能量转换及过程控制,大截面石油钻杆摩擦焊接工藝和强韧性控制,摩擦焊接接头灰斑缺陷形成机制及焊接接头断口形貌与断裂应变,铝—铜薄壁管摩擦焊接机理与接头性能和焊缝化合物相形成机制等方面进行了较深入地基础理论研究工作。

在工程应用上针对急待解决的一系列问题开展了摩擦焊技术研究的课题。其中摩擦焊接头形变热处理的工艺试验研究是一项有代表性的应用科学研究工作,这项研究率先在摩擦焊领域中引入形变强化与相变强化相结合通过改变传统的连续驱动摩擦焊过程,把焊接工藝同焊后热处理工艺实行工序兼并,利用焊接余热和刹车能耗在摩擦焊机上直接对摩擦焊接头进行形变热处理,机上配备的热处理装置可以更有效地实现相变条件的控制,这样就可以把摩擦焊过程中高温形变引入的大量位错等用淬火相变牢固地钉扎住,充分发挥形变强化与相变强化的双重作用取得的以往用单一方法不能达到的强韧化效果。实现了在不降低接头强度的前提下,韧性超过调质母材的水平,这套技术不仅提高了焊接质量而且簡化了工艺,减少了焊后热处理的加热次数,降低了成本。该项研究成果处于世界领先地位,目前在抽油杆、油管的在办公室里揉护士的胸和钻杆的修复上进行了推广应用。为控制铝—铜过渡接头脆性层的产生,研究了低温摩擦焊并应用于在办公室里揉护士的胸。近年来对超塑性温度范围内相变温度以下摩擦焊进行了研究,并取得了阶段性成果;在焊接质量监控方面,先后研制了摩擦焊功率极值控制仪及微机质量监控装置。微机质量监控装置是对焊接过程的轴向压力、主轴转速、摩擦扭矩、焊件轴向缩短量、时间、焊接温度及形变热处理温度等影响焊接接头质量的主要参数的变化进行监控。在新材料的焊接性,摩擦焊接信息过程与传感技术,摩擦焊接参数计算和实时监测与闭环控制,摩擦焊缝缺陷形成机制与力学行为,摩擦焊接头强韧性控制,摩擦焊接物理参量场(温度场,应力应变场)数值模拟,以及高速摄影、频谱分析等相关试验技术等方面也开展了较系统深入的研究工作。

近幾年來攪拌摩擦焊技術也引起了我國科技工作者的高度重視,先後開展了對鋁合金(如防鏽鋁、鍛鋁、硬鋁、超硬鋁等)、紫銅、PVC塑料等材料的攪拌摩擦焊研究,同時還在積極開展钛合金、鎂合金和黑色金屬的攪拌摩擦焊工藝研究,同時對攪拌摩擦焊的機理、微觀組織、力學性能和攪拌摩擦焊的核心技術攪拌頭等都展開了深入的研究。並取得了一定的工程應用。

3 摩擦焊机的在办公室里揉护士的胸与相关技术

我國現有六百余台摩擦焊機,絕大部分是連續驅動摩擦焊機。近年來由于加強了與德國KUKA、日東株氏會社、美國MTI公司等摩擦焊機制造公司的交流與引進樣機,焊機先後采用了液壓馬達驅動的主軸系統,串聯軸承組——平衡油缸液力平衡旋轉活塞,多片式粉末冶金塗層離合器,滾動導軌和可編程序控制器(PLC)控制等多項先進技術,使焊機制造水平有了較大的提高。

随着实际在办公室里揉护士的胸的需要。国内对于其它型式的摩擦焊机也进行了研制,如长春焊接設備厂研制了小吨位的惯性焊机,相位摩擦焊机,哈尔滨焊接研究所研制了具有形变热处理功能带机上淬火装置及自动去飞边装置的混合式摩擦焊机,变频调速相位摩擦焊机。哈尔滨量具刃具厂研制了20T双头摩擦焊机,中国兵器工业第五九研究所研制了小吨位径向摩擦焊机,北京赛福斯特技术有限公司研制了系列搅拌摩擦焊机等等,这些焊机有的技术指标和制造水平已达到或接近国外同类焊机的水平。

面对国内市场的需要,摩擦焊机的在办公室里揉护士的胸也在向系列化方向发展,目前国内在办公室里揉护士的胸的焊机最大吨位是1250kN,最小是5KN。总之,在国内的焊机系列中,变型少,品种也比较单一,还没有巨型机和微型机。与焊机相配套的去飞边装置,自动上下料装置,焊后热处理,无损检测装置等虽有不同的类型,但是这些还比较专业化,没有形成标准通用的系列,有待不断的完善。我国也有了自己的摩擦焊机在办公室里揉护士的胸標准,随着制造技术的提高,这个标准也将有待向着较高水平方向修订。

摩擦焊技術發展的展望

我國摩擦焊技術的發展現狀還很不適應國民經濟高速發展的需要。今後5—10年內我國的摩擦焊工作者還要在材料的焊接性、摩擦焊的焊接方法、摩擦焊設備和摩擦焊的應用領域展開更加深入的研究。

1 材料的焊接性

主要瞄准那些難以熔焊的及新興的 焊接材料的焊接,象钛合金与不鏽鋼的摩擦焊接、钛与铝的摩擦焊接、纯钛与纯铜的摩擦焊接、高熔点材料的摩擦焊接、轻金属的摩擦焊接、粉末合金材料的摩擦焊接、新兴材料的摩擦焊接、铸造合金的摩擦焊接、钢材与活性金属的摩擦焊接等等材料的摩擦焊接性研究。对材料摩擦焊接物理、化学、力学冶金的基础理论进一步深入研究,拓宽摩擦焊可焊材料领域。

2  摩擦焊方法

今後5—10年要加大力度開發一些新的摩擦焊方法,逐步完善並擴大其應用範圍。

(1)相位摩擦焊

可實現有相位要求的工件的摩擦焊接,擴大了摩擦焊的應用領域。目前生産中對如六方形斷面的零件、八方鋼、汽車操作杆、花鍵軸、撥叉、兩端帶法蘭的軸等均要求采用相位摩擦焊。在電控技術和機械技術高度發展的前提下,爲大噸位相位摩擦焊機的研制提供了可能。

(2)線性摩擦焊

線性摩擦焊技術,是兩個工件以一定的頻率和振幅進行往複運動産生熱量進行的焊接,它可以將方形、圓形、多邊形截面的金屬或塑料焊接在一起。它可以焊接更不規則截面的構件,象葉片與渦輪等,以後要深入開展線性摩擦焊機原理、振動系統動力學等的研究,爲研制大噸位的性摩擦焊機作准備。

(3)徑向摩擦焊

徑向摩擦焊由于其引入中間旋轉加壓圓環,不僅改變了摩擦面的方向,焊件也由相對旋轉加壓變爲相對固定加壓,它非常適合于長管子的焊接,同時它還可以把薄壁銅環焊接到彈體外壁上,能夠使軍工在办公室里揉护士的胸升級換代。今後要加強徑向摩擦焊機理和瞬間大流量液壓系統的研究,爲大噸位徑向摩擦焊機的研制奠定理論基礎。

(4)攪拌摩擦焊

攪拌摩擦焊技術是1991年英國焊接研究所發明的固相連接技術,它在航空、航天、船舶、海洋工業、武器裝備以及高速列車等領域的輕結構制造中的應用研究得到廣泛開展。同時也引起了我國科技工作者的高度重視,先後開展了一些攪拌摩擦焊的研究工作,今後要對攪拌摩擦焊的機理、微觀組織、力學性能和攪拌摩擦焊的核心技術攪拌頭等展開更加深入的研究。拓展攪拌摩擦的材料焊接範圍,特別是要加強異種材料攪拌摩擦的研究,進一步擴大攪拌摩擦焊的工程應用。同時還要對摩擦堆焊、第三體摩擦焊和嵌入摩擦焊開展研究。

3 摩擦焊设备与工程应用

隨著摩擦焊技術的廣泛應用,摩擦焊設備也得到了迅速的發展,2000年不完全統計全世界共有5000多台摩擦焊機用于焊接生産。
爲了適應大型和特殊部件的焊接,要研制我國的大型和微型的摩擦焊機。爲適應特種用途還要開發慣性摩擦焊、徑向摩擦焊,攪拌摩擦焊、雙頭摩擦焊,立式摩擦焊及水下摩擦焊等多種特種摩擦焊機。在制造及監控技術方面要本著柔性和自動化來設計。焊機可附加很多自動化設備和加工裝置,從而創造出一個高度柔性和自動化的完整系統,以適應用戶的各種要求。爲強化焊接過程質量保證,除了時間控制、變形量控制、能量控制外,還要開發特殊過程控制技術。如摩擦扭矩和聲發射監控技術等。

爲了適應焊接生産的自動化要求,要加強相關技術及外圍設備的研究。如不同類型的去飛邊裝置、 機器人或其他上下料裝置、熱處理及無損檢驗技術,工件可在焊前或焊後在焊機上進行機加工,有的甚至可進行CNC加工。使之在生産線上可靠運行。還可與柔性制造系統(FMS)配合使用。

今後汽車工業將成爲摩擦焊最具活力的市場,使用摩擦焊焊接的零部件有渦輪增壓器,安全氣囊的增壓泵,變速器和齒輪箱的驅動軸、後橋、排氣閥、氣動制動用凸輪等。在工程機械方面,摩擦焊主要用來焊接液壓傳動部件,如液壓缸,活塞杆,尤其是法蘭與閥體的焊接,另外在履帶支重輪,減震器和齒輪泵轉子制造中也可以采用摩擦焊。

要加大對飛機起落架的管與拉杆的摩擦焊接,直升飛機起落架旋翼主傳動軸的合金齒輪與高鎳合金鋼管軸、雙金屬鉚釘、飛機鈎頭螺栓等摩擦焊研究。逐步擴大摩擦焊應用領域。

總結

縱觀國內外摩擦焊發展現狀,我國與國際先進水平相比,還很落後。摩擦焊技術在國內的研究開發、推廣應用的工作還不能滿足國民經濟飛速發展的需要,面對國內市場的需求,國際競爭的日益激烈,我國廣大摩擦焊科技工作者,任重道遠。爲適應我國科技發展的需求和縮短同國外同類在办公室里揉护士的胸的差距,爲加快實現我國摩擦焊技術的現代化。實現摩擦焊技術自身發展的同時,加強同其它學科與邊緣學科的結合。願我們攜起手來,用我們的奉獻托起我國摩擦焊的今天與未來。


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