旋转摩擦焊过程金属流动行为的分析

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1、 毕业设计（论文）开题报告题目 旋转摩擦焊过程金属流动行为的分析专 业 名 称 焊接技术与工程班 级 学 号 -学 生 姓 名 -指 导 教 师 -填 表 日 期 2010 年 3 月 29 日一、选题依据及意义惯性摩擦焊基本上是在恒定的焊接压力作用下，通过焊接表面摩擦，把预先贮存在飞轮中的动能转化为热能，使焊件加热，并在飞轮和焊接压力的联合作用下把两个焊件牢固地焊接在一起，同时使飞轮一主轴停止转动。惯性摩擦焊接过程实际上是一个热加工过程,其特点不仅表现为加热温度高(高达1200 以上) 、加热速度快(1300 / s)、焊接时间短(整个焊接过程在3s之内完成)1。这种焊接工艺主要具有以下优点

2、：焊接质量高、稳定、可靠；焊件尺寸精度高；具有广泛的可焊性；耗能低，节能效果显著，节约原材料；焊接过程环保；生产效率高2。虽然惯性摩擦焊有上述的优势，但是焊缝接头和热影响区(HAZ)冲击韧性却远远低于母材。对于现如今要求焊缝有很好的综合性能是满足不了的，为了研究这方面的不足，现在主要从控制母材的合金过度和优化惯性摩擦焊的工艺参数入手。这两个方面都与金属在惯性摩擦焊过程中的塑性流动有关，因此研究焊接过程中金属的塑性流动对提高焊接接头的综合力学性能有很大的指导作用。在焊接过程中，焊接接头金属虽然没有达到熔点，但是接头处金属已经达到塑性状态，在这个过程中金属会发生再结晶过程。在本文中主要通过在45#

3、中插入标记材料如（纯铁丝），分别应用不同的焊接参数进行惯性摩擦焊。焊后将焊接接头制作成切片，分析出金属的流动过程。通过了解这个流动过程，对不同物理化学性能焊接材料制定焊接工艺具有指导意义，同时可以填补摩擦焊焊接接头金属流动分析的空白。二、 国内外研究现状概况及发展趋势摩擦焊是一种现代金属固相热压焊方法，即把两种焊件的结合面作相对高速运动。其实质是将机械运动转化为分子运动，机械能转化为热能，并遵守能量守恒定擦热使接触部分达到塑性状态，再经加压而连接成一体的一种工艺方法，它是一个包含着热、力、冶金、传质极其相互作用的复杂过。2.1惯性摩擦焊在生产和科研中的发展状况随着材料科学和工程技术的发展，现代

4、结构材料对焊接质量的要求越来越高。摩擦焊机的前身是由普通的车床改装而成，其转速低、功能简单、焊接过程必须由工人手工控制。自1963年第一台用于焊接钢缆的摩擦焊机问世及1964年福特汽车公司将摩擦焊运用于汽车尾轴的焊接以后，摩擦焊接便得到了广泛的研究和应用。六十年代初，美国GE公司对Incoel718、Rene77、Udimet700等高温合金进行了惯性摩擦焊研究3，惯性摩擦焊的技术可靠性得到了充分肯定和验证。六十年代末，P&W公司针对发动机涡轮盘用的waspalyo镍基沉淀强化高温合金作了惯性摩擦焊和电子束焊全面对比试验研究。他们的研究结果表明，惯性摩擦焊接头的各项性能均优于电子束焊，且达到或

5、接近母材水平。七十年代，MTU公司对高温合金惯性摩擦焊作了更深入的研究4，他们认为惯性摩擦焊最后顶锻阶段的扭矩是影响接头的主要参数。日本住友金属工业中央技术研究所5通过对Ti-6Al-4V进行大量拉伸、弯曲、冲击试验，评估了焊接的最佳工艺参数。发现轴向压力对位伸、弯曲、冲击性能有较大的影响，并且存在一临界值，大于此临界值时，接头的性能可与母材等同。九十年代初GE公司6将惯性摩擦焊用于高性能气体涡轮机的快速凝固含稀土钦合金，发现惯性摩擦适合于快速凝固钦合金的焊接。国内从事摩擦焊工艺研究的单位有北京航空材料研究所(621所)、西北工业大学和西安交通大学。北京航空材料研究所的设备为推力20吨的连续、

6、惯性两用摩擦焊机，主要从事航空发动机转子的焊接工艺研究。2.2惯性摩擦焊对不同材料的焊接及焊缝金属塑性变形的研究目前对于高温合金和钛合金的连接主要采用摩擦焊，特别是对回转形状材料的焊接多采用惯性摩擦焊。近来对惯性摩擦焊的研究主要是从工业中实际应用材料的惯性摩擦焊工艺过程入手。北京航空材料研究所的梁海和刘效方7通过改变惯性摩擦焊焊接GH4169高温合金不同的焊接参数来研究组织和强化机制。研究发现，GH4169高温合金惯性摩擦焊的最优参数是是低转速、高压力和大惯量，焊缝中存在细化晶粒并在晶粒内部形成了稠密的位错结构。焊缝中心区相大部分回溶，和，相全部回溶；在HAZ，相、，和，相仍然存在。得出接头的

7、强化机制包括细晶强化、固溶强化和位错强化，还可以通过形变热处理的方法加以强化的结论。西安交通大学的宋西平8做的硕士毕业论文对钛合金惯性摩擦焊组织性能和强韧化机理作了深入研究。通过改变焊接参数焊接TC4钛合金，观察试样的断口形貌和显微组织，发现转速（）对焊接接头性能的影响最大，高转速、小压力试样的综合性能优于其他试样。同时对不同焊接参数下的焊缝进行磨金相，通过扫描电镜，透射电镜分析发现焊缝组织沿径向存在较大差异，焊口为针状+残留组织，半径l/2处为少量针状，+残留和分布在其间的初生等轴晶粒，焊心则为初生等轴和分布在其间的再结晶及组织。通过分析发现焊接接头的强化是由焊缝的细晶强化、亚结构强化及焊缝

8、周围热影响区的冷形变强化共同造成的，并且延伸率的改善同热影响区冷形变强化程度的减弱及焊缝强度、内应力水平与母材趋于一致有关，焊缝断裂韧性较差则同焊缝的组织形态、强度水平、气体含量也有关。陈建忠、宋振琦、史耀武等9用Q235钢惯性摩擦焊接头进行了超声检测，观察了有缺陷和无缺陷接头的微观组织，并做了拉伸试验和冲击试验。研究发现焊接接头的静载强度很高，就算有未焊合的缺陷也不会影响静载强度，但是未焊合缺陷严重影响接头的冲击韧性。通过观察焊缝组织发现从母材到接合面有明显的细晶区和粗晶区区分，而且接合面处晶粒细小，越靠近圆周处，母材越易被挤入飞边，接合面靠近圆周处(包括外圆周和内圆周) 宽，远离圆周的中心

9、部位窄。西北工业大学杜随更、段立宇和吴诗俘等人10采用在摩擦焊接过程不同时刻停车并迅速冷却的方法来研究GH2132材料摩擦焊接过程中的动态及静态过程，通过分析发现进入准稳定摩擦阶段时，动态再结晶程度已经相当完善，并且在顶端过程中焊接区金属产生非常剧烈的径向塑性变形。西北工业大学段立宇、吴诗俘和唐才荣等人11对摩擦焊接过程中焊合区金属发生动态再结晶的过程与条件进行了实验分析。分析表明，焊合区全属动态再结晶与前峰值扭矩在时问上相互对应，摩擦焊过程中前峰值扭矩的形成过程与焊合区金属的动态再结晶过程密切相关。西北工业大学王锴、郭德伦和刘金和等人12通过模拟GH4169 高温合金惯性摩擦焊建立二维热力耦

10、合模型，利用Ansys有限元分析软件得到摩擦界面附近的温度场和应力应变场。通过改变摩擦初始阶段轴向压力使之逐渐增大，发现界面温度迅速上升，摩擦机制转变，温度出现小幅波动。摩擦最高温度在1300 左右，低于GH4169 的熔点。t=3.5s 顶锻时，摩擦界面温度在900 到1150之间已基本稳定，满足锻造温度1066，适于顶锻。中国兵器工业第五九研究所徐晓菱、徐元泽和吴玮13从理论上分析了惯性摩擦焊瞬时升温的原理，并且通过理论公式计算出焊接过程中主轴转速和顶锻压力的计算方法。通过做实验发现惯性摩擦焊过程中存在瞬时升温的现象，焊接过程中的飞溅是该特点的最好反映，且均与被焊材料和加压方式有关。早期对

11、惯性摩擦焊的研究主要集中在摩擦焊基本原理上。北京航空材料研究所的梁海和张铮14从惯性摩擦焊的特点入手分析惯性摩擦焊在航空发动机上的应用。由惯性摩擦焊接头质量好、应用范围广、焊件尺寸精度高、可靠性和再现性好等特点得出这种焊接方法很实用于飞机发动机的高温合金的焊接。 谷新珊译自ABTOMAT.CBapka15利用放射性同位素研究惯性摩擦焊过程，在14的工业纯铁和普碳钢在试件接头涂上0.002的铁的同位素。焊后将试件沿轴线切开、抛光、腐蚀然后放到X胶片机上显出清晰痕迹。发现放射性层厚度有0.02增加到0.06，随着顶锻量的增大，放射层越来越薄层状组织消失。目前通过不同的材料研究惯性摩擦焊，对焊缝金属

12、塑性流动有了初步的认识，但这些研究只是对焊接过程的现象进行描述，没有针对焊缝金属塑性流动的普遍规律做详细的研究，这影响了对焊缝组织和接头性能的分析，制约了惯性摩擦焊的实际应用。2.3不同焊接参数下惯性摩擦焊缝组织和性能的分析近两年国内研究人员主要通过特定材料来研究惯性摩擦焊的接头组织和性能，主要是通过研究工艺参数等因素对焊接接头机械性能等方面展开研究工作。赵红凯等人16观察在不同焊接工艺条件下TC4焊接接头的显微组织，讨论了在高转速条件下惯性摩擦焊接接头组织的形成机理，发现了焊接接头的性能得出了在高转速（即大的热输入）情况下，焊接接头的热拉伸试验以及金相分析对Ti17合金惯性摩擦焊接接头的显微

13、组织和力学性能进行影响区（HAZ）较宽，在接头处晶粒组织较母材细小。许鸿吉17通过室温拉伸、高温拉伸试验以及金相分析对Ti17合金惯性摩擦焊接接头的显微组织和力学性能进行了研究。 结果表明，采用惯性摩擦焊焊接Ti17合金可获得室温及高温性能良好的焊接接头，其焊接接头的室温及高温抗拉强度都不低于母材，不同焊接工艺参数对Ti17合金惯性摩焊擦接头热影响区和焊缝的组织没有影响。北京航空制造工程研究所的何胜春，张田仓18研究了 +型钛合金TC17惯性摩擦焊工艺下的接头组织织由三部分组成，细晶区、变形晶区和热影响区。细晶呈等轴晶状态，为典型的动态再结晶组织；变形晶区位于接头边缘,宽度约有几个晶粒，其组织

14、以变形组织为主，以及较为粗大的动态再结晶组织;热影响区的组织形态与母材相同，接头经过焊后时效热处理后的组织为篮网组织。从各种资料中发现现在对惯性摩擦焊的研究主要是通过具体研究材料惯性摩擦焊焊接工艺上进行研究，普遍适用性不是很广泛。从事摩擦焊的基础研究较少，特别是焊接接头的金属流动过程基本无人问津，了解了焊接接头金属的流动过程对惯性摩擦焊工艺的制定具有指导意义。三、研究内容及实验方案3.1 研究内容1.在不同的摩擦时间下，焊接接头塑性金属的流动方向 在最优焊接参数的基础上，为了体现不同的时间段金属的流动状况，减少焊接时间然后制做切片观察流动过程。2.研究惯性摩擦焊接接头在不同的顶锻压力下的轴向收

15、缩量 不同的顶锻压力，焊接接头塑性区间的金属轴向收缩量不一样，逐渐降低顶锻压力，同样能分析塑性金属的收缩过程。3.在不同的转轴转速下，焊接接头塑性金属的周向变形 转轴转速对焊接接头的热输入有很大的影响，减慢转轴速度能分析焊接接头热变形过程中塑性金属的周向变形。 3.2 实验方案试验焊接材料采用45#钢规格为8025，焊前45#钢的供货状态是热轧，标记材料是0.5纯铁丝。45#钢外观是银灰色，而标记材料（纯铁丝）银白色两者在外观上比较容易辨认。为保证焊接接头的性能焊接材料焊前需要预热焊后热处理。我们采用连续驱动摩擦焊机，焊机的参数如下表格1。 表格1 焊机参数产品名称连续驱动摩擦焊机单位型号C-

16、20A-2最大顶锻力200千牛主轴最高转速2000转/分焊件直径（中碳钢）12-34毫米旋转夹具夹料长度50-355毫米移动夹具夹料长度80-172毫米滑台最大行程415毫米总功率30千瓦生产率80-120件/小时整机轮廓尺寸（长宽高）300632001335毫米重量4吨通过理论公式获得理想的焊接参数。根据公式：焊接压力P=Lb接头面积，Lb为顶锻压力能量 转动惯量可知摩擦焊接时间t=4s，飞轮转速=2000r/min，初始压力P1=60Mpa，顶锻压力P2=120MPa，试验主要通过改变以下3种情况来获得此目的：1、 改变焊接时间因为焊机初始顶锻压力需要一定的时间，所以实验设定焊接时间在2s

17、-4s之间。分别测量2秒、3秒、3.5秒过程中但并不改变其他参数，焊接接头的各项参数，并且观察焊接接头和飞边中标记材料的流向，将标记材料的改变情况记录在表格2中。2、 改变焊接顶锻压力 焊机的初始压力是60Mpa，因此改变的顶锻压力应该在60Mpa-120Mpa之间。焊接其他参数不改变，将顶锻压力分别调到80Mpa、100Mpa、110Mpa记录标记材料的流向于表格2中。3、改变转轴转速焊接过程中应有足够的转速以保证焊接接头的热输入，分别改变主轴转速为1800r/min（中高速）、1500r/min（中速）、1000r/min（低速）。记录材料的流向于表格2中。 3.2.1试验材料与设备 惯性

18、摩擦焊焊机 1台 8025的45# 9根 150.5的纯铁丝 若干根3.2.2 试验方法 该实验主要是通过在45#钢棒中插入标记材料（0.5的纯铁丝），通过调节焊接参数观察焊接接头的金属流动状况。惯性摩擦设备图和惯性摩擦焊焊接过程图如图1、2所示。 图1 惯性摩擦设备图 图2 惯性摩擦焊焊接过程图不同的参数，金属流动的阶段不一样，在宏观上表现的金属标记材料相对位置不一样并且焊接接头的连接程度也不一样，如下图3所示。 图3 惯性摩擦焊接过程中主要参数变化示意图 焊后保留焊接试样的飞边，将接头拉断，首先观察接头的标记材料的分布情况。用游标卡尺测量接头的压缩量，把接头切成不同的切片，根据事先划定的标

19、记线测量标记材料所偏移的位置和角度。标记材料和焊接材料的分布情况与及基准线的位置如下图4、5所示。 图4 标记孔、环行线和基准线的位置 图5 周向标记线和打孔位置四、目标、主要特色及工作进度4.1 目标 通过改变惯性摩擦焊的工艺参数，将焊接接头切成片从而分析焊接接头金属在焊接过程中金属塑性流动的情况。4.2 主要特色 利用插入的标记材料，从宏观上分析焊接接头金属的流动行为和过程。4.3 工作进度1. 检索文献，翻译外文资料一篇，完成开题报告 3.22-4.9 3周 2. 准备焊接试样，将标示材料填入焊接试样中 4.12-4.23 2周3. 使用不同的焊接参数完成惯性摩擦焊焊接过程 4.26-5

20、.21 4周4. 切割试样，观察焊接试样端面上标示材料的变化 5.24-5.28 1周5. 根据得到的结果总结焊缝金属的塑性流动行为 5.31-6.11 2周6. 撰写毕业论文 6.14-6.25 2周7. 答辩准备及毕业答辩 6.287.2 1周五、参考文献1 齐少安，刘承东摩擦焊接及其工艺发展J机械制造，2003，471（41）2 崔 兰，霍立兴，张玉风，等摩擦焊接头组织与力学性能J天津大学学报，1998，31（1）3 CGNessler，DARutz，RDEng and PAVozzella，Friction Welding of Titanium AlloysJ，TheWelding

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22、Titantum AlloyJJournal of Materials Science Letter，1991，10，140114057 梁 海，刘 效GH4169合金惯性摩擦焊参数、组织和强化机制研究J航空材料学报，1994， 12：41-478 宋西平TC4钛合金惯性摩擦焊组织性能及强韧化机理的研究D西安：西安交通大学硕 士论文，19959 陈建忠，宋振琦，史耀武，等碳钢惯性摩擦焊接头的组织和强度J机械工程材料，1999，23，（4）10 杜随更， 段立宇， 吴诗俘，等GH2132摩擦焊金额过程中焊接区金属的再结晶过程J焊接学报1996，17(4)：229-23411 段立宇，吴诗俘，唐才

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