活塞杆连续驱动摩擦焊接工艺参数的设计与优化

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1、湖南科技大学硕士学位论文第一章绪论1.1摩擦焊简介摩擦焊是利用焊接对象之间的相互摩擦产生的热量来实现材料的可靠连接，属于特种焊的一种。摩擦界面及其附近的材料在压力的作用下摩擦生热，温度快速升高并达到热塑性状态，之后施加另一个比摩擦压力更大的顶锻压力，使界面氧化膜破碎，高温塑性材料发生塑性变形与流动，再加上摩擦界面两端的同种或者异种元素相互扩散及再结晶冶金反应而形成可靠接头。摩擦焊的方法很多，一般根据焊件的相对运动和工艺特点进行分类。其中连续驱动摩擦焊、相位控制摩擦焊、惯性摩擦焊、线性摩擦焊和搅拌摩擦焊几种在生产实践中相对来说应用的比较广泛。摩擦焊可以焊接的对象几乎涉及到所有的工程机械，如

2、活塞杆、液压缸、汽车阀门、整体叶盘、石油钻杆和发动机转子等。如在一些发达国家，惯性摩擦焊已成功焊接了航空发动机粉末冶金涡轮盘与轴[1]，线性摩擦焊已成功被应用到高推重比航空发动机整体叶盘的关键制造[2]，搅拌摩擦焊已用于制造飞机机舱等大型铝合金构件[3]。因此发展前景相当被看好，越来越多的科学家正投入相当多的精力从事有关方面的研究和开发[4]。我们国家早在1957年就通过封闭加压原理试验把摩擦焊技术成功的应用到了铝——铜的焊接中[5]。经过六十多年的投入和发展，摩擦焊接凭借其优异、绿色、精准、高效、节能等优势，得到了各个高新技术领域以及产业部门的广泛应用[6]。摩擦焊通过与相关学科及高新

3、技术的紧密结合，种类已经发展到了现在的二十余种之多[7]。其中以线性摩擦焊(Linearfetionwelding)、搅拌摩擦焊(Frietionstirwelding)、耗材摩擦敷层(Consumablefrectionsurfacing)、连续驱动摩擦焊（Continuousdrivefrictionwelding）等先进的摩擦焊接技术最具代表性。先进摩擦焊接技术可广泛拓宽焊接应用范围，获得高质量、高性能的接头，潜力巨大，是适应二十一世纪环境保护要求的先进加工制造技术[8]。然而，就我国目前的摩擦焊水平而言，与国外先进水平存在一定差距是个不争的事实。面对国内市场日益扩大的需求与落后的

4、摩擦焊水平的矛盾，为缩短同国外同类先进产品的差距，应加强同其它相关学科的结合，使各学科领域全面协调的发展！-1-第一章绪论1.1.1摩擦焊的特点自从摩擦焊于二十世纪五十年代正式成功问世以来，就一直以其高效、低耗、优质、精密、绿色的显著优点倍受世界众多工业强国的青睐，主要优点如下。（l）焊接质量好通常情况下，不需要填充材料，工件没有到达熔点不发生熔化，焊合区材料经过顶锻压力的锻造作用，不会产生传统焊接技术所无法避免的焊接缺陷；而且，轴向压力可以产生某些力学冶金效应，这些都有利于获得焊接抗拉强度与母材相当甚至超过母材强度。（2）生产效率高摩擦焊接过程方便快捷，一般在不到一分钟甚至只有几秒钟的

5、时间内就能完毕。如果配备一些起辅助作用的机械化装置，生产效率还有更大的提高空间。据美国G.E公司报道，他们采用惯性摩擦焊焊接TF39航空发动机大截面、薄壁(直径为610mm，壁厚为3.8mm)压气机盘时，仅仅只花费了3秒钟时间[9]。（3）广泛的工艺适应性对于一些焊接性较差的异种材料焊接，摩擦焊技术也能克服，这一点是一些传统焊接方法所无法比拟的。如航空发动机转子部件采用的U700高铝镍基合金的焊接以及常温、高温下机械性能、物理性能差异很大的铝—铜、铝—钢、钢—不锈钢等之间的焊接[10]。（4）焊接过程的可靠性好摩擦焊接易于实现焊接工艺参数的自动监控，减少人为因素的干涉，提高焊接过程的控制

6、精度和可靠性，保证接头质量的一致性和稳定性。如德国一家汽车公司将摩擦焊技术引进到汽车排气阀以后，废品率由原来的1.4％降到0.04％~0.01％；英国某家汽车厂对汽车后桥进行摩擦焊时，在200万焊接件中未发现一件不合格产品[11]。（5）成本低，节能与传统的焊接方法相比，可以节约80%~90%左右的电能，仅此一项就能带来巨大的经济收益。此外工件焊前不需单独进行额外的加工清理，有些情况下甚至不用去除焊接飞边，因此摩擦焊接可以降低三分之一的成本。（6）加工精度较高如果能够确保摩擦焊机具有足够的刚度、焊件的装配、定位精确无误以及焊接参数被严格控制的条件下，就会得到加工精度较高的焊件，一般情况下

7、，焊件长度偏差在士0.2mm以下，偏心度可小于0.2mm[12]。（7）绿色安全操作简单快捷、场地卫生，不会产生火花、飞溅、烟雾、辐射、高频等对环-2-湖南科技大学硕士学位论文境和人身有严重影响的污染源，是一种安全绿色的生产工艺[13]。本文的研究对象是液压缸的活塞杆，其横截面为大尺寸圆环形状，而且活塞杆内外径差值较大，不属于薄壁类工件，刚性好，容易装夹和固定，因此摩擦焊中最适合的焊接方法是连续驱动摩擦焊。1.2连续驱动摩擦焊接原理