一種無液壓系統(tǒng)的摩擦焊機(jī)的研制

李 峰

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 機(jī)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(dá)到塑性狀態(tài)并產(chǎn)生適當(dāng)?shù)暮暧^塑性變形，通過兩側(cè)材料間的相互擴(kuò)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(jī)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(jī)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(dǎo)，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?xí)r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(zhǔn)穩(wěn)定摩擦階段。在此階段，摩擦壓力與轉(zhuǎn)速保持恒定。當(dāng)摩擦焊接區(qū)的溫度分布、變形達(dá)到一定程度后，開始剎車制動并使軸向力迅速升高至所設(shè)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(kuò)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(xué)冶金效應(yīng)，如晶粒細(xì)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(xì)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(qiáng)度的焊接接頭。

（2）工藝適應(yīng)性寬。摩擦焊對被焊材料具有廣泛的工藝適應(yīng)性，除傳統(tǒng)金屬材料外，還可焊接粉末冶金、復(fù)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(yīng)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(shè)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(dāng)飛輪的轉(zhuǎn)速被設(shè)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(jī)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(jī)方案分析

2.1 試驗機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)

（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(dá)到的目標(biāo)是設(shè)計一臺試驗機(jī)滿足上述各項技術(shù)指標(biāo)，完成試驗機(jī)的驅(qū)動裝置、傳動裝置和控制裝置的設(shè)計。

2.2 試驗機(jī)的方案分析

設(shè)計了一臺帶有雙摩擦棒的摩擦焊接試驗機(jī)，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(jī)設(shè)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(shè)計結(jié)構(gòu)示意如圖6所示。

設(shè)計方案采用氣缸作為動力源，通過六桿機(jī)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(jī)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(biāo)。

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

圖5 試驗機(jī)的焊接原理

圖6 試驗機(jī)的焊接原理

其動作流程如圖7所示。

圖7 試驗機(jī)主要動作流程

2.3 驅(qū)動裝置方案分析

試驗機(jī)采用的是氣缸和變頻電機(jī)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(jī)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(shè)計

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

圖8 傳動機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸

根據(jù)計算，圖8中六桿機(jī)構(gòu)的自由度為1，具有確定的運動方向，符合設(shè)計要求。在試驗機(jī)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(jī)的狀態(tài)下不會向氣缸供氣，適合于連續(xù)操作?？紤]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(jī)控制裝置方案。

由于要求電動機(jī)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(dǎo)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?。籌SPM專利技術(shù)，集成了驅(qū)動電機(jī)的功率器件和控制電路元件；抗電磁干擾能力強(qiáng)；速度調(diào)節(jié)旋鈕標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)置；電機(jī)參數(shù)自整定，具有兩套電機(jī)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(yīng)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(jī)加/減（UP/DOWN）；可預(yù)設(shè)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(jī)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(jī)工作系統(tǒng)框圖

2.6 總體尺寸設(shè)計

試驗機(jī)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(jī)、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(jī)的整體框架包括：工作臺、立柱和蓋板。將所設(shè)計的全部零件裝配起來后得到整臺試驗機(jī)的高度1910 mm，長度920 mm，寬度 700 mm。

圖12 試驗機(jī)總體結(jié)構(gòu)

3 結(jié)束語

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

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