線性摩擦焊設備的振動測量和分析

中航工業(yè)北京航空制造工程研究所航空焊接與連接技術航空科技重點實驗室 李 輝 張?zhí)飩} 江樂天

線性摩擦焊是近些年發(fā)展起來的新型固相焊接方法，優(yōu)點包括：固相焊接，能夠獲得致密的鍛造組織；接頭綜合力學性能好；焊接過程無需氣體保護、無需真空條件；可焊接大尺寸、大截面以及異種金屬材料的鈦合金等有色金屬構件[1]。

為了滿足高性能發(fā)動機對整體葉盤的需求，美國MTI、德國MTU、英國Thompson、法國ACB等公司陸續(xù)開發(fā)了線性摩擦焊設備用于整體葉盤的焊接。北京航空制造工程研究所于2006年研制成功國內第一臺線性摩擦焊設備，見圖1。

該設備采用電液伺服控制系統(tǒng)，垂直方向的激振力為147kN，水平方向的頂鍛力為196kN，可實現最大2000mm2鈦合金的焊接。在此設備上完成了大量試件及整體葉盤模擬件的焊接，極大促進了國內線性摩擦焊技術的發(fā)展和應用。

焊接精度是設備的關鍵指標，一般采用焊后試件3個方向的誤差來表征，見圖2，振動方向誤差±a、橫向誤差±b、頂鍛方向誤差±c。

圖1 國內第一臺線性摩擦焊設備Fig.1 The first domestic linear friction welding equipment

圖2 焊后試件3個方向的誤差Fig.2 Error in three orientations of welded Sample

經檢測，焊后試件的振動方向誤差為±0.35mm，橫向誤差為±0.1mm，頂鍛方向誤差為±0.35mm，與國外設備3個方向誤差為±0.1mm的指標相比，振動方向誤差和頂鍛方向誤差還有較大差距。另外，在整體葉盤焊接中發(fā)現，因為振動方向誤差對焊接質量影響最大，所以應首先研究振動方向誤差。導致振動方向誤差的眾多因素中，首先是設備振動，因此本文研究設備的振動情況并提出改進方案。

1 試驗方法和試驗過程

1.1 試驗方法

在圖1中的線性摩擦焊設備上進行焊接試驗。測量設備不同部位的振動加速度，將測量的加速度數據轉換為振幅后分析結果。

1.2 試驗過程

（1）配置美國NI公司的參數記錄系統(tǒng)和加速度傳感器，如圖3所示。

（2）加工試件和焊接夾具如圖4所示，試件材料為碳鋼Q235A，尺寸為20mm×40mm×105mm。

（3）確定工藝參數，見表1。

圖3 參數記錄系統(tǒng)Fig.3 Reference record system

圖4 試件和焊接夾具Fig.4 Sample and welding fixture

表1 線性摩擦焊接工藝參數

（4）確定設備上的5個振動測量點：A點位于振動滑臺下方的床身上，B點位于遠離振動滑臺的床身頂鍛滑臺導軌后端，C點位于頂鍛夾具頂部，D點位于頂鍛滑臺前端，E點位于頂鍛滑臺后端，見圖5。

圖5 設備的A、B、C、D、E振動測量點Fig.5 Vibration measurem ent points A、B、C、D、E of equipm ent

圖6 線性摩擦焊接后試件Fig.6 Linear friction welded samples

（5）焊接試件見圖6。編號1、2、3試件用于測量床身上A、B點的振動加速度；編號4、5、6試件用于測量頂鍛夾具和頂鍛滑臺上C、D、E點的振動加速度。

（6）分析數據。將測量的加速度數據轉換為振幅匯總分析對比。

（7）提出減小振動的解決方案。

2 結果與討論

2.1 振動數據圖

（1）A、B點的空振和焊接時振動加速度測量數據見圖7、圖8（以試件1的數據為例）。圖中的A、B代表測量點位置，數字0代表空振狀態(tài)，數字1代表焊接狀態(tài)。

（2）C、D、E點空振時振動加速度測量數據見圖 9，焊接時振動加速度測量數據見圖10（以試件6的數據為例）。圖中的C、D、E代表測量點位置，數字0代表空振狀態(tài)，數字1代表焊接狀態(tài)。

（3）以設備上C點的焊接時振動加速度測量數據圖為例，圖形包括2個階段，即空振階段和焊接階段?？照耠A段是設備頂鍛系統(tǒng)未動作，只有振動滑臺高頻振動，兩端試件未接觸的振動狀態(tài)。焊接階段是頂鍛系統(tǒng)動作，兩端試件緊密接觸時振動滑臺的振動狀態(tài)?？照耠A段只存在振動方向的激振力，焊接階段除了激振力外還存在水平方向的頂鍛力以及試件接觸面上與振動頻率一致的往復摩擦力，載荷明顯增加，且往復摩擦力作用在頂鍛滑臺上，導致頂鍛滑臺特別是前端振幅較大。從圖 11中可以看出，C點焊接階段的加速度幅值增長較大，達到空振階段加速度幅值的3倍。

圖7 A點空振和焊接時振動對比Fig.7 comparison on vibration before welding and during welding for A point

圖8 B點空振和焊接時振動對比Fig.8 Comparison on vibration before welding and during welding for B point

圖9 空振時C、D、E點測量數據Fig.9 Measured data of C, D and E points before welding

2.2 數據分析

首先根據采集的振動加速度數據，分別計算出A、B、C、D、E點的振動加速度最大值和最小值；然后通過公式“振幅=加速度×9.8×100/4/頻率2”[2]，求出振幅的最大值和最小值；為了便于分析對比，再由 “（振幅最大值-振幅最小值）/2”得到帶正負號的中值。設備上A、B、C、D、E點的空振和焊接狀態(tài)下的振幅見表2。

從表2看出，空振狀態(tài)下，A、B點振幅基本相同，說明床身上距離振動源的遠近對振幅影響不大。E點與A、B點的振幅基本相同，而C和D點振幅最大，這是因為頂鍛滑臺的E點相對C和D點較重且和頂鍛油缸活塞桿剛性連接，減弱了振動。頂鍛滑臺前端的C和D點較輕，所以振幅較大。

圖10 焊接時C、D、E點測量數據Fig.10 Measured data of C,D and E points during welding

圖11 焊接時C點加速度圖說明Fig.11 Acceleration Drawing illustration of C point during welding

從表2焊接絕對振幅均值數據得出，焊接狀態(tài)下，焊接面存在高達數十kN的往復摩擦力，設備振動顯著增大。因為床身和地基剛性連接，所以A、B點的振幅增幅不大。而C、D、E點振幅大增，特別是滑臺前端C、D點處。在此試驗條件下，頂鍛夾具頂部的C點振幅是床身A點的3.6倍，頂鍛滑臺前端的D點振幅是A點的3倍。究其原因，頂鍛滑臺僅靠4個導軌滑塊和床身聯系，本身剛性較差，而滑臺前端又是受力點，所以頂鍛滑臺前端是剛性薄弱環(huán)節(jié)。

表2 線性摩擦焊接設備5點的振幅

圖12 設備頂鍛滑臺的高剛度結構設計Fig.12 High rigidity design of forging slid platform

3 改進方案

根據以上分析，基于線性摩擦焊接設備的現有結構，設計了高剛度頂鍛滑臺方案，為現有設備的改造或新設備的設計提供參考，見圖12。

其設計要點在于：采用進口大型號高剛度MRD65滾柱導軌代替原來的小型號低剛度SNR55LR滾珠導軌，以提高剛度。

（1）增大滑塊間距，由原來557mm改為770mm。

（2）增加導軌滑塊數量，由原來4個改為6個，且在頂鍛滑臺前端每根導軌布置兩個導軌滑塊。

（3）兩側導軌均采用高剛度的雙向定位，基準導軌滑塊采用雙向定位，非基準導軌滑塊為便于裝配無側定位，見圖13。

原來滑塊的額定動載荷為133.3kN，新滑塊的額定動載荷為289kN，前端4個滑塊的理論承載力為以前2個滑塊承載力的4.3倍，顯著提高了滑臺承載能力。

圖13 頂鍛滑臺的導軌定位設計Fig.13 Guide rail position design of forging slid platform

4 結論

（1）設備床身靠近振動源的A點和遠離振動源的B點空振階段振幅基本相同；焊接階段A、B點的振幅均有所增長，且B點振幅增長稍大。說明床身和地基的剛性連接結構具有較好的可靠性。

（2）頂鍛夾具前端是剛性薄弱環(huán)節(jié)，當前試驗條件下，其振幅達到床身A點振幅的3.6倍。

（3）為現有設備的改造或未來新設備的開發(fā)設計提供了可顯著提高頂鍛滑臺前端承載力的結構方案。

[1] 張?zhí)飩},韋依,周夢慰,等. 線性摩擦焊在整體葉盤制造中的應用 . 航空制造技術，2004(11)：56-58.

[2] 徐灝. 機械設計手冊.北京:機械工業(yè)出版社，1992.