李 峰

（湖北汽車工業(yè)學院 機械工程系，湖北 十堰 442002）

1 概述

摩擦焊是一種基于摩擦熱的壓力焊方法。其基本原理是在外力作用下，利用焊件接觸面之間的相對摩擦運動和塑性流動產(chǎn)生的熱量，使接觸面積及其近縫區(qū)金屬達到塑性狀態(tài)并產(chǎn)生適當?shù)暮暧^塑性變形，通過兩側(cè)材料間的相互擴散和動態(tài)再結(jié)晶而完成焊接。

1.1 基本過程

摩擦焊一般分為四個基本過程。焊前，待焊的一對焊件，一個夾持于旋轉(zhuǎn)夾具成為旋轉(zhuǎn)焊件；另一個夾持于移動夾具稱為移動焊件。焊接時，旋轉(zhuǎn)焊件在電機驅(qū)動下開始高速旋轉(zhuǎn)，移動焊件在軸向力作用下逐步向旋轉(zhuǎn)焊件靠攏如圖1所示。

圖1 摩擦焊接的基本過程一

兩側(cè)焊件接觸并壓緊后，摩擦界面上的一些微凸體首先發(fā)生粘結(jié)和剪切，并產(chǎn)生摩擦熱，如圖2所示。

圖2 摩擦焊接的基本過程二

隨著實際接觸面積的增大，摩擦扭矩迅速升高，摩擦界面溫度也隨之上升，摩擦界面逐漸被一層高溫粘塑性金屬所覆蓋。這時，兩側(cè)焊件的相對運動實際上已發(fā)生在高溫粘塑性金屬內(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，故摩擦扭矩上升到一定高度后逐漸降低。隨著摩擦熱向兩側(cè)焊件的傳導，焊接面兩側(cè)的溫度亦逐漸升高，在軸向壓力作用下，焊合區(qū)金屬發(fā)生徑向塑性流動，形成飛邊如圖3所示。

圖3 摩擦焊接的基本過程三

軸向縮短量急劇增大，并隨著摩擦時間的延長摩擦界面溫度和摩擦扭矩基本恒定，溫度分布區(qū)逐漸變寬，飛邊逐漸增大，此階段稱為準穩(wěn)定摩擦階段。在此階段，摩擦壓力與轉(zhuǎn)速保持恒定。當摩擦焊接區(qū)的溫度分布、變形達到一定程度后，開始剎車制動并使軸向力迅速升高至所設定的頂鍛力如圖4所示。此時軸向縮短量急劇增大，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。在頂端過程及頂端后保壓過程中，焊合區(qū)金屬通過擴散與再結(jié)晶將兩側(cè)金屬牢固地焊接在一起，從而完成整個焊接過程。全部焊接過程只要數(shù)秒鐘。在整個焊接過程中，摩擦界面溫度一般不會超過熔點，因此摩擦焊屬于固態(tài)焊。

圖4 摩擦焊接的基本過程四

1.2 摩擦焊的優(yōu)點

（1）固態(tài)連接。摩擦焊接頭不產(chǎn)生與熔化和凝固冶金有關(guān)的焊接缺陷和焊接脆化現(xiàn)象，如粗晶、偏析、夾雜、裂紋和氣孔等；由于軸向力和扭矩共同作用于摩擦焊表面及其附近，產(chǎn)生了一些有益的力學冶金效應，如晶粒細化、組織致密、夾雜物彌散分布，以及摩擦焊表面的“自清理”作用等，所以接頭為鍛造的細晶組織；焊接時間短、熱影響區(qū)窄，熱影響區(qū)組織無明顯粗化。這些均有利于獲得與母材等強度的焊接接頭。

（2）工藝適應性寬。摩擦焊對被焊材料具有廣泛的工藝適應性，除傳統(tǒng)金屬材料外，還可焊接粉末冶金、復合材料、功能材料、難熔材料等新型材料，尤其適于異種材料。此外摩擦焊還具有廣泛的結(jié)構(gòu)尺寸和接頭形式的適應性，如管—管、棒—棒、棒—板等。

（3）焊接過程可靠性高、焊接尺寸精度較高。摩擦焊過程完全由焊接設備自動控制，人為因素影響很小。焊接過程中所需的關(guān)鍵控制工藝參數(shù)少，只有壓力、時間、速度和位移。尤其是慣性摩擦焊，當飛輪的轉(zhuǎn)速被設定后，實際的控制參數(shù)只有軸向壓力一個參數(shù)。由于計算機控制技術(shù)的引入，使得摩擦焊過程的控制精度和焊接質(zhì)量的可靠性、重現(xiàn)性大大提高。

（4）摩擦焊具有高效、低耗、清潔等特點。摩擦焊接所需功率僅為傳統(tǒng)焊接工藝的20%，焊接過程清潔，不產(chǎn)生火花、飛濺、無煙霧、弧光、高頻及有害氣體等對人體和環(huán)境有影響的污染。

2 摩擦焊接試驗機方案分析

2.1 試驗機的主要技術(shù)指標

（1） 摩擦棒直徑 15～25 mm；（2） 壓緊力 300～500 N；（3）主軸轉(zhuǎn)速 1000～3000 r/min。

最終達到的目標是設計一臺試驗機滿足上述各項技術(shù)指標，完成試驗機的驅(qū)動裝置、傳動裝置和控制裝置的設計。

2.2 試驗機的方案分析

設計了一臺帶有雙摩擦棒的摩擦焊接試驗機，其基本原理與攪拌摩擦焊相似。與攪拌摩擦焊相比，該方案采用上下兩個摩擦棒，取消了中間的攪拌焊針，并且是摩擦棒動焊件不動的結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

由圖5可知，試驗機設計的難點是如何保證主軸高速轉(zhuǎn)動并保持向下的壓緊力。設計結(jié)構(gòu)示意如圖6所示。

設計方案采用氣缸作為動力源，通過六桿機構(gòu)把氣缸上的力傳遞到主軸上，保證了焊接過程中向下的壓緊力；通過上下電機帶動主軸高速旋轉(zhuǎn)，保證了焊接過程所需的轉(zhuǎn)速；還可以通過調(diào)整夾頭的大小來安裝直徑不同的摩擦棒，該方案能滿足所要求的技術(shù)指標。

此外方案采用氣缸為動力源，反應速度快，清潔衛(wèi)生，機構(gòu)分布合理。從方案的結(jié)構(gòu)示意圖分析，

圖5 試驗機的焊接原理

圖6 試驗機的焊接原理

其動作流程如圖7所示。

圖7 試驗機主要動作流程

2.3 驅(qū)動裝置方案分析

試驗機采用的是氣缸和變頻電機作為驅(qū)動裝置。氣缸選用QGB-50×400-S型，主要技術(shù)參數(shù)如下：缸內(nèi)徑 D=50 mm；工作壓力 0.15～1.0 MPa；理論作用力推力785 N、拉力705 N。

電動機選用Y802-2 TH B5型，主要技術(shù)參數(shù)為：額定功率 1.1 kW；額定轉(zhuǎn)速 2825 r/min；額定電流 2.5 A；滿載時的效率 η=77%；最大轉(zhuǎn)矩 2.3 N·M。

2.4 傳動裝置主要元件的設計

傳動裝置主要包括氣缸在內(nèi)的六桿機構(gòu)，該機構(gòu)的尺寸如圖8所示。

圖8 傳動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸

根據(jù)計算，圖8中六桿機構(gòu)的自由度為1，具有確定的運動方向，符合設計要求。在試驗機未工作時，摩擦棒距離工作臺200 mm，工作時，摩擦棒向下運動200 mm到工作臺。

2.5 控制裝置方案分析

（1）氣缸控制裝置方案。

要求工作時不能產(chǎn)生大的噪聲，手動或自動控制兩用，輸入?yún)?shù)后要保持該參數(shù)一直不變。

氣缸工作系統(tǒng)框圖如圖9所示。氣缸控制裝置方案如圖10所示。

圖9 工作系統(tǒng)框圖

采用電控比例壓力閥，通過控制電流I來調(diào)節(jié)輸出壓力，工作時只需按一下按鈕便會連續(xù)工作，且在停機的狀態(tài)下不會向氣缸供氣，適合于連續(xù)操作。考慮到焊接是一個長時間連續(xù)的過程，該方案較為實用。

（2）電動機控制裝置方案。

由于要求電動機能在1000～3000 r/min內(nèi)運轉(zhuǎn)，故采用變頻器來控制速度。變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置?？煞譃椋航?交變頻器，交-直-交變頻器。交-交變頻器可直接把交流電變成頻率和電壓都可變的交流電；交-直-交變頻器則是把交流電經(jīng)整流器先整流成直流電，再經(jīng)過逆變器把這個直流電流變成頻率和電壓都可變的交流電。此方案采用日立公司的SJ100系列變頻器，該變頻器的特點是：矢量型變頻（0.2～7.5 kW）；結(jié)構(gòu)緊湊，體積??；ISPM專利技術(shù)，集成了驅(qū)動電機的功率器件和控制電路元件；抗電磁干擾能力強；速度調(diào)節(jié)旋鈕標準內(nèi)置；電機參數(shù)自整定，具有兩套電機參數(shù)；200%起動力矩；電網(wǎng)電壓自動穩(wěn)壓，保持輸出穩(wěn)定；內(nèi)置能耗制動單元；無速度傳感器矢量控制，低速大轉(zhuǎn)矩，動態(tài)響應快；V/f方式下，可手動/自動提升轉(zhuǎn)矩；數(shù)字端子控制電機加/減（UP/DOWN）；可預設16級多步速；載波頻率0.5～16 Hz連續(xù)可調(diào)；加減速過程中可分段改變加減速時間；內(nèi)部/外部起動直流制動。電動機工作系統(tǒng)框圖如圖11所示。

圖10 壓力控制回路

圖11 電動機工作系統(tǒng)框圖

2.6 總體尺寸設計

試驗機總體結(jié)構(gòu)示意如圖12所示。

驅(qū)動裝置的主要元件包括：氣缸、氣缸座、叉桿、電動機、短橫板及長橫板等；傳動裝置的主要元件包括傳動桿、軸承座、角接觸球軸承、滑動軸承、內(nèi)花鍵軸、外花鍵軸、鉆夾頭、基座等；試驗機的整體框架包括：工作臺、立柱和蓋板。將所設計的全部零件裝配起來后得到整臺試驗機的高度1910 mm，長度920 mm，寬度 700 mm。

圖12 試驗機總體結(jié)構(gòu)

3 結(jié)束語

設計的摩擦焊接試驗機滿足預期的技術(shù)要求，從整個設計過程看，采用變頻電機取代了原來繁瑣的傳動機構(gòu)和制動離合裝置，大大簡化了摩擦焊機的機構(gòu)，降低了摩擦焊機的制造成本。

[1]成大先.機械設計圖冊（五卷）[M].北京：化學工業(yè)出版社，2000.

[2]唐金松.簡明機械設計手冊[M].上海：上?？茖W技術(shù)出版社，2000.

[3]孫 桓，陳作模.機械原理[M].北京：高等教育出版社，2000.

[4]濮良貴，紀名剛.機械設計（第七版）[M].北京：高等教育出版社，2001.