（材料加工工程專(zhuān)業(yè)論文）電解鋁導(dǎo)桿鋼鋁連接工藝及設(shè)備研究.pdf

電解鋁導(dǎo)桿鋼一鋁連接工藝及設(shè)備研究 摘要 傳統(tǒng)的鋁電解槽陽(yáng)極導(dǎo)電裝置是由鋁導(dǎo)桿 鋁 鋼爆炸焊片和鋼爪通 過(guò)焊接而成的 在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中 由于工況條件惡劣 經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)開(kāi) 裂問(wèn)題 影響生產(chǎn) 另外 傳統(tǒng)導(dǎo)電裝置受導(dǎo)電面積的影響 能耗高 針對(duì)以上問(wèn)題 我們提出對(duì)傳統(tǒng)導(dǎo)電裝置進(jìn)行改進(jìn) 取消爆炸焊片 采 用摩擦焊接技術(shù)實(shí)現(xiàn)鋁導(dǎo)桿與鋼爪的連接 并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)專(zhuān)用 摩擦焊機(jī) 在電解鋁行業(yè)進(jìn)行推廣 本文對(duì)m 1o o m m 的純鋁與 1o o m m 的鑄鋼進(jìn)行摩擦焊接試驗(yàn) 對(duì)接 頭進(jìn)行了力學(xué)性能分析 包括室溫拉伸試驗(yàn) 高溫拉伸試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn) 顯微分析 包括金相組織觀察 電子探針?lè)治?掃描電鏡分析 接頭硬 度分析和x 射線分析 和接頭電阻率測(cè)定 結(jié)果表明 在選定工藝參數(shù) 條件下 接頭成形良好 力學(xué)性能高于鋁母材 焊縫結(jié)合面凹凸不平 近縫區(qū)的晶粒組織扭轉(zhuǎn)變形 界面元素相互擴(kuò)散 形成過(guò)渡層 通過(guò)對(duì) 模擬試樣電阻率測(cè)定 與爆炸焊相比 節(jié)能效果明顯 根據(jù)摩擦焊機(jī)的設(shè)計(jì)要求 結(jié)合前期焊接試驗(yàn)的情況 擬定出了鋁 導(dǎo)桿與鋼爪摩擦焊專(zhuān)機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù) 摩擦焊機(jī)分為主機(jī)系統(tǒng) 液壓系統(tǒng) 和控制系統(tǒng)三部分 本文首先對(duì)主機(jī)結(jié)構(gòu)中的一些主要參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算 給出了移動(dòng)夾具和旋轉(zhuǎn)夾具的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 并且介紹了定相位機(jī)構(gòu)的工作 原理 然后在液壓系統(tǒng)中 選定了電液比例閥 給出了液壓系統(tǒng)的原理 圖 在控制系統(tǒng)中 采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī) i p c 與可編程控制器 p l c 相結(jié)合的控制模式 共同完成對(duì)系統(tǒng)的閉環(huán)控制過(guò)程 詳細(xì)介紹了控制 系統(tǒng)的工藝流程以及p l c 的外部接線圖 最后應(yīng)用d e f o r m 軟件對(duì)鋁導(dǎo)桿與鋼爪的焊接過(guò)程進(jìn)行了溫度場(chǎng)的 模擬 為后期的生產(chǎn)提供了一定的指導(dǎo) 關(guān)鍵詞 電解鋁 鋼 鋁 摩擦焊 性能分析 摩擦焊機(jī) 溫度場(chǎng) 碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t t r a d i t i o n a la l u m i n u me l e c t r o l y t i c a l u m i n u mg u i d eb a r a l u m i n u m s t e e l c e l la n o d ec o n d u c t i v ed e v i c em a k eu p e x p l o s i o nw e l d e dp i e c ea n ds t e e lt a l o n b yw e l d e d i nt h e a c t u a lp r o d u c t i o np r o c e s s t h ea n o d ec o n d u c t i v ed e v i c e c r a c k e dd u et op o o rw o r k i n gc o n d i t i o n s i na d d i t i o n t r a d i t i o n a lc o n d u c t i v e d e v i c eh a v e h i g h e n e r g yc o n s u m p t i o nb yi m p a c t o f c o n d u c t i v ea r e a a c c o r d i n gt ot h e a b o v ep r o b l e m s w ep r o p o s et h a t i m p r o v et r a d i t i o n a l c o n d u c t i v ed e v i c e c a n c e l e de x p l o s i o nw e l d e dp i e c e c o n n e c t e da l u m i n u m g u i d eb a ra n ds t e e lt a l o nb yf r i c t i o nw e l d o nt h i sb a s i s d e s i g ns p e c i a l f r i c t i o nw e l d i n gm a c h i n e i nt h ea l u m i n u mi n d u s t r yt op r o m o t e f r i c t i o n w e l d i n go 10 0 m ms t e e la n d 西1o o m mp u r ea l u m i n u mw a s i n v e s t i g a t e da n dt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s i n c l u d i n gt h er o o mt e m p e r a t u r e t e n s i l et e s t h i g ht e m p e r a t u r et e n s i l et e s ta n di m p a c tt e s t m i c r o s c o p i c a n a l y s i s i n c l u d i n g t h em i c r o s t r u c t u r e e l e c t r o nm i c r o p r o b e s c a n n i n g e l e c t r o nm i c r o s c o p y h a r d n e s sa n a l y s i sa n dx r a ya n a l y s i s a n dw e l d e d jo i n t o fe l e c t r i c a lr e s i s t a n c e t h er e s u l t ss h o w e dt h a t o nc o n d i t i o no ft h es e l e c t e d p r o c e s sp a r a m e t e r s t h ejo i n tw a sg o o da n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e st h a nt h e a l u m i n u mb a s em a t e r i a l c o m b i n e ds u r f a c eo fw e l d i n gs e a mi su n e v e n t h e g r a i ns t r u c t u r eo fn e a rt h ew e l dz o n eo c c u rr e v e r s i o na n dd e f o r m a t i o n i n t e r f a c ee l e m e n t si n t e r d i f f u s i o n f o r m e dt h et r a n s i t i o nl a y e r t h es i m u l a t e d s a m p l ec o m p a r e dw i t hl o w e rt h ee x p l o s i o nw e l d i n gi ne l e c t r i c a lr e s i s t a n c e a c c o r d i n gt ot h ed e s i g nr e q u i r e m e n t so ft h ef r i c t i o nw e l d i n gm a c h i n e a n dc o m b i n a t i o no fp r e w e l d i n gt e s t w o r ko u tt h ed e s i g np a r a m e t e r so f a l u m i n u mg u i d eb a ra n ds t e e lt a l o nf r i c t i o n w e l d i n gm a c h i n e f r i c t i o n w e l d i n gm a c h i n ew a sd i v i d e dt h r e ep a r t s h o s ts y s t e m h y d r a u l i cs y s t e ma n d c o n t r o l s y s t e m f i r s t l y s o m eo ft h em a j o rp a r a m e t e r so fh o s ts t r u c t u r e c a l c u l a t e d g i v e nt h es t r u c t u r ed i a g r a mo ft h em o b i l ef i x t u r ea n dr o t a t i n g f i x t u r e a n di n t r o d u c et h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fp h a s ea g e n c y a n dt h e ni nt h e h y d r a u l i cs y s t e m c h o o s e de l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lv a l u ea n dg i v e n t h eh y d r a u l i cs y s t e ms c h e m a t i c s u s e di n d u s t r i a lc o n t r o lc o m p u t e r i p c a n dp r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r p l c c o m b i n i n gw i t hc o n t r o lm o d ei nc o n t r o l s y s t e m c o m p l e t e ds y s t e mc l o s e d l o o p c o n t r o lp r o c e s s i n t r o d u c e dt h e p r o c e s so ft h ec o n t r o ls y s t e ma n dp l ce x t e r n a lw i r i n gd i a g r a m f i n a l l y a p p l y i n go fd e f o r ms o f t w a r es i m u l a t e dt h ew e l d i n gp r o c e s s v 電解鋁導(dǎo)桿鋼一鋁連接工藝及設(shè)備研究 t e m p e r a t u r ef i e l do fa l u m i n u mg u i d eb a ra n ds t e e lt a l o n p r o d u c t i o no ft h e l a t e k e y w o r d e l e c t r o l y s i sa l u m i n u m s t e e l a l u m i n u m f r i c t i o nw e l d i n g p r o p e r t ya n a l y s i a f r i c t i o nw e l d i n gm a c h i n e t e m p e r a t u r ef i e l d 碩士學(xué)位論文 1 1 課題提出背景 第1 章緒論 鋁及鋁合金已成為世界上應(yīng)用最為廣泛的金屬材料之一 在所有金 屬中 產(chǎn)量和消費(fèi)量?jī)H次于鋼鐵材料而居于第二位 1 2 鋁工業(yè)是關(guān)系到 國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要產(chǎn)業(yè) 為經(jīng)濟(jì)發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)提供了重要的基礎(chǔ)原 料 現(xiàn)在世界上所有的鋁都是用電解法生產(chǎn)出來(lái)的 我國(guó)電解鋁工業(yè) 自2 0 世紀(jì)5 0 年代開(kāi)始 經(jīng)過(guò)近5 0 年的發(fā)展 從6 0 k a 自焙槽逐漸發(fā)展 到邊部加料預(yù)焙槽和現(xiàn)代中間下料的大型預(yù)焙槽 自從上世紀(jì)7 0 年代末 引進(jìn)16 0 k a 中間下料預(yù)焙槽技術(shù)之后 以消化國(guó)外技術(shù)開(kāi)始 揭開(kāi)了中 國(guó)現(xiàn)代鋁電解技術(shù)發(fā)展的序幕 以鋁電解槽熱電磁力特性及磁流體數(shù)學(xué) 模型研究為核心 在工藝 材料 過(guò)程控制及配套技術(shù)等方面展開(kāi)了廣 泛深入的研究工作 9 0 年代以來(lái) 在基礎(chǔ)理論 大型電解鋁槽開(kāi)發(fā)以及 工程應(yīng)用方面取得了一系列的成果 開(kāi)發(fā)成功了2 8 0 k a 3 2 0 k a 以上的 特大型電解槽技術(shù) 使鋁工業(yè)的進(jìn)步令人矚目 3 5 目前 我國(guó)有電解鋁廠14 0 多家 鋁產(chǎn)量已居世界第一位 消費(fèi)已 占全球的1 4 我國(guó)電解鋁產(chǎn)量雖然是一個(gè)名符其實(shí)的電解鋁生產(chǎn)大國(guó) 但還稱不上是電解鋁生產(chǎn)強(qiáng)國(guó) 其重要原因之一 就是生產(chǎn)鋁的單位電 耗較高 與世界先進(jìn)水平仍有差距 6 電解鋁生產(chǎn)是高能耗產(chǎn)業(yè) 世界 原鋁生產(chǎn)成本組成中 電能占2 4 而我國(guó)原鋁生產(chǎn)電能消耗占成本的 3 0 左右 7 1 現(xiàn)在通用的鋁電解槽預(yù)焙陽(yáng)極導(dǎo)電裝置是由鋁導(dǎo)桿 鋁 鋼爆炸焊接 復(fù)合片和鑄鋼爪通過(guò)焊接組合而成的 主要起傳導(dǎo)電流和承載陽(yáng)極碳?jí)K 重量的作用 以導(dǎo)電為主1 5 裝置示意圖1 1 所示 這種結(jié)構(gòu)在使用過(guò)程中存在如下問(wèn)題 6 7 1 鋁 鋼爆炸焊片在高溫環(huán)境下容易開(kāi)裂 鋁 鋼復(fù)合爆炸焊片最高使用溫度為3 5 0 鋁 鋼結(jié)合面如果達(dá)到或 超過(guò)35 0 就容易開(kāi)裂 在電解工況條件下 有時(shí)由于電流分布不均或新 啟動(dòng)電解槽時(shí)爆炸焊片就容易達(dá)到這個(gè)溫度 造成爆炸焊片開(kāi)裂 2 鋁 鋼爆炸焊片增加了陽(yáng)極壓降 提高了制作及檢修成本 鋁 鋼爆炸焊片的主要功能是為了解決鋁導(dǎo)桿和鋼爪橫梁兩種不同材 質(zhì)的連接問(wèn)題而采用特殊工藝制成的一種過(guò)渡連接部件 在陽(yáng)極導(dǎo)電裝 置中 復(fù)合爆炸焊片的上部鋁平面部分與鋁導(dǎo)桿的下端平面采用鋁 鋁環(huán) 形焊縫連接 下部鋼平面部分與鋼爪的上平面采用鋼 鋼環(huán)形焊縫連接 電解鋁導(dǎo)桿鋼一鋁連接工藝及設(shè)備研究 這兩種環(huán)形焊縫的斷面尺寸都小于鋁導(dǎo)桿基本斷面和鋼爪橫梁基本截面 積 增加了壓降 另外 電解工況條件惡劣 爆炸焊片更換頻繁 提高 了制作及檢修成本 3 鋼爪橫粱導(dǎo)電性能差 鑄鋼的導(dǎo)電率只有鋁的l 3 4 鋁導(dǎo)桿與鋁 鋼爆炸片的鋁端的連接 目前采用熔化焊 使用工況環(huán) 境惡劣 高溫 腐蝕環(huán)境 反復(fù)使用 更換周轉(zhuǎn)頻繁 工人勞動(dòng)強(qiáng)度大 工作條件惡劣 工藝裝配環(huán)節(jié)多 由于鋼 鋁復(fù)合爆炸焊片在電解鋁生產(chǎn)過(guò)程中處于高溫環(huán)境 同時(shí)由 于電流震蕩沖擊等作用的影響 鋼 鋁結(jié)合界面和鋁 鋁焊接界面焊口容易 開(kāi)裂 脫極事故時(shí)有發(fā)生 另外 現(xiàn)有陽(yáng)極導(dǎo)電裝置電耗較高 近年來(lái) 電力供應(yīng)持續(xù)緊張 電解鋁的產(chǎn)能持續(xù)擴(kuò)張 電解鋁工業(yè)作為高能耗的 產(chǎn)業(yè) 節(jié)能問(wèn)題引起越來(lái)越多業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注 1 2 課題的提出 圖1 1 陽(yáng)極導(dǎo)電裝置示意圖 電解鋁工業(yè)對(duì)環(huán)境影響較大 是高能耗 高污染行業(yè) 為響應(yīng)國(guó)家 節(jié)能減排的要求 我們提出對(duì)陽(yáng)極導(dǎo)電裝置進(jìn)行改進(jìn) 陽(yáng)極導(dǎo)電裝置是 鋁電解槽重要的導(dǎo)電部件 研究節(jié)能型鋼 鋁復(fù)合結(jié)構(gòu)的連接工藝 將為 電解鋁生產(chǎn)的節(jié)能降耗開(kāi)創(chuàng)出一條新途徑 根據(jù)該廠節(jié)能技改的要求 我們進(jìn)行了大量的調(diào)研工作 結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況 提出取消爆炸焊片 采用摩擦焊接技術(shù)將鋁導(dǎo)桿與鋼爪橫梁直接連接起來(lái) 這樣增大了焊縫 尺寸 降低了接頭電阻 有效提高了其導(dǎo)電性能 達(dá)到節(jié)能降耗的目的 2 碩士學(xué)位論文 并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)研發(fā)鋁導(dǎo)桿 鋼爪摩擦焊接專(zhuān)用摩擦焊機(jī) 在電解鋁行 業(yè)進(jìn)行推廣 力爭(zhēng)讓中國(guó)的電解鋁行業(yè)走上一條節(jié)能 經(jīng)濟(jì) 環(huán)保和高 效的發(fā)展之路 1 3 摩擦焊 1 3 1 摩擦焊原理 摩擦焊是一種壓焊方法 它是在外力作用下 利用焊件接觸面之間 的相對(duì)摩擦運(yùn)動(dòng)和塑性流動(dòng)所產(chǎn)生的熱量 使接觸面及其近縫區(qū)金屬達(dá) 到粘塑性狀態(tài)并產(chǎn)生適當(dāng)?shù)暮暧^塑性變形 通過(guò)兩側(cè)材料間的相互擴(kuò)散 和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶而完成焊接的 摩擦焊接過(guò)程一般分為以下幾個(gè)基本過(guò)程 圖1 2 8 j a b c 2 0 0 0 r a m 由哈爾濱龍飛焊接設(shè)備有限公司生產(chǎn)的m c 2 0 0 型摩擦焊機(jī)是為焊 接石油鉆桿專(zhuān)門(mén)研制的 可焊接石油鉆桿直徑為0 7 3 m m 0 8 9 m m 西1 1 4 m m 1 2 7 m m 西1 4 0 m m 1 6 0 m m 0 2 0 0 m m 以上 長(zhǎng)度為2 5 0 0 m m i 至12 5 0 0 r a m 等規(guī)格的鉆桿 可焊接棒料直徑為 9 0 矗m o13 4 m m 也可 用于其它行業(yè)零件的焊接 m c 2 0 0 型摩擦焊機(jī)基本參數(shù)為 整機(jī)重量3 2 噸 主軸功率2 4 0 k w 最大頂鍛力為2 0 0 0 k n 主軸轉(zhuǎn)速為5 4 0 r r a i n 旋轉(zhuǎn)夾具夾料長(zhǎng)度為 15 0 m m 5 0 0 r a m 移動(dòng)夾具夾料長(zhǎng)度為 2 0 0 0 r a m 9 0 0 0 m m 滑臺(tái)最大行程為6 0 0 m m 焊件直徑0 9 0m m 13 4 m m 焊接面積 普通鋼 14 0 0 0 r a m 2 生產(chǎn)效率3o 6 0 件 小時(shí) m c 2 0 0 型摩擦焊機(jī)采取自動(dòng)對(duì)中方式 對(duì)中方便 定心精度高 各 部件具有足夠的剛度 采用滾動(dòng)直線導(dǎo)軌 工作平穩(wěn) 焊接質(zhì)量可靠 電解鋁導(dǎo)桿鋼一鋁連接工藝及設(shè)備研究 控制系統(tǒng)采用微機(jī)質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)和焊接循環(huán)過(guò)程變形量控制自動(dòng)化系 統(tǒng) 即利用工控機(jī)和p l c 控制器及相應(yīng)的傳感器 繼電器結(jié)合實(shí)現(xiàn)焊接 循環(huán)自動(dòng)化 對(duì)影響焊接質(zhì)量的主要參數(shù)如壓力 變形量 轉(zhuǎn)速進(jìn)行監(jiān) 控 并隨機(jī)在線 以數(shù)據(jù)和曲線形式 顯示 焊接參數(shù)超差報(bào)警 有效 地防止在焊機(jī)發(fā)生故障或焊接參數(shù)變化而操作者未發(fā)現(xiàn)期間焊出大量廢 品 大大提高了焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性 實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程自動(dòng)化 除自動(dòng)程序 外 還具有上料 對(duì)中 焊接 內(nèi)沖飛邊 機(jī)上淬火 下料等各動(dòng)作的 單獨(dú)調(diào)試功能 m c 2 0 0 型摩擦焊機(jī)實(shí)現(xiàn)了單機(jī)自動(dòng)化 從工件上料一摩擦一焊接一 卸除工件等全部過(guò)程均按預(yù)定程序自動(dòng)循環(huán) 提高了生產(chǎn)率 操作簡(jiǎn)單 改善了勞動(dòng)條件 具備了自動(dòng)線生產(chǎn)和修復(fù)鉆桿的條件 由長(zhǎng)二集團(tuán)生產(chǎn)的c g 4 0 0 j 慣性驅(qū)動(dòng)摩擦焊機(jī)整機(jī)重量為14 0 噸 總功率5 5o k w 最大頂鍛力為4 0 0 0 k n 主軸最高轉(zhuǎn)速為15 0 10 0 0 r m i n 最大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為10 6 0 0 k g m 2 旋轉(zhuǎn)夾具夾料長(zhǎng)度最大為8 0 0 m m 移動(dòng) 夾具夾料長(zhǎng)度為l7 0 0 m m 滑臺(tái)最大行程為l5 0 0 r a m 焊接中碳鋼材料時(shí) 最大焊接面積為2 6 6 6 0 m m 2 生產(chǎn)效率為2 5 件 小時(shí) 現(xiàn)在由哈爾濱正晨焊接切割設(shè)備制造有限公司生產(chǎn)的雙頭車(chē)橋摩擦 焊機(jī)取代電子束焊接和氣保焊的雙頭車(chē)橋摩擦焊機(jī) 焊接時(shí)兩個(gè)焊口 同時(shí)焊接 不僅焊接效率高 兩個(gè)焊口小于4 m i n 焊接效率高 成本低 無(wú)輻射污染而且焊接質(zhì)量好 焊縫強(qiáng)度不低于母材 還能夠降低焊接成 本 成品活塞桿摩擦焊機(jī)是液壓缸活塞桿鍍鉻后再進(jìn)行摩擦焊接 不 僅提高生產(chǎn)效率 還能夠降低成本 e t at e c h n o l o g y 生產(chǎn)的15 0 噸鉆桿摩擦焊機(jī) 有兩個(gè)伺服液壓 缸 一個(gè)交流主軸驅(qū)動(dòng)器 由拉桿形成閉環(huán)系統(tǒng) 線性編碼器和壓力傳 感器組成壓力閉環(huán)反饋控制系統(tǒng) 以p l c 觸摸屏和工業(yè)p c 作為控制基 礎(chǔ) 并且有數(shù)據(jù)采集 歸檔 檢索和提供遠(yuǎn)程診斷的功能 m o o ga n dt h o m p s o n 公司摩擦焊機(jī)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出世界上最大的線性 摩擦焊機(jī)e10 0 它的焊接面積為10 0 0 0 r a m 2 是以前的近兩倍 并打破 焊接鍛造負(fù)荷1o o 噸的記錄 e io o 摩擦焊機(jī)主要應(yīng)用在汽車(chē)和航空航天 等領(lǐng)域 el0 0 摩擦焊機(jī)開(kāi)辟了生產(chǎn)汽車(chē)底板 部件和安全噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)葉 片新的可能性 k u k a 公司生產(chǎn)的大型摩擦焊機(jī)r s 3 0 0 頂鍛力為30 0 0 k n 焊接低 碳鋼的最大截面為2 5 0 0 0 r a m 2 最近研發(fā)的r s10 0 0 摩擦焊機(jī) 頂鍛力為 1 0 0 0 噸 焊接范圍 鈦合金7 0 0 0 9 0 0 0 m m 2 鋼5 0 0 0 4 0 0 0 0 r a m 2 i c o n e l 鎳合金2 8 0 0 2 0 0 0 0 m m 2 1 4 碩士學(xué)位論文 1 5 3 鋁導(dǎo)桿摩擦焊專(zhuān)機(jī)的研究現(xiàn)狀 1 z c c 4 0 0 摩擦焊機(jī) 哈爾濱正晨焊接切割設(shè)備制造有限公司生產(chǎn)的z c c 4 0 0 摩擦焊機(jī)是 目前國(guó)內(nèi)最大的連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊機(jī) 應(yīng)用在電力行業(yè)焊接鋁鋼工件 焊 接工件規(guī)格 方鋁16 0 m i n x16 0 r a m 與圓鋼板西2 3 0 x 5 0 m m 最大焊接面積 為314 0 0 r a m 2 焊件偏心度為s 1m m 旋轉(zhuǎn)夾具為五瓣彈簧夾具 自動(dòng)定 心式 床位移動(dòng)夾具為水平雙鉗口 后頂裝置卡緊范圍為13 0 r a m 和16 0 r a m 兩種 焊接效率 每5 分鐘一件 滑臺(tái)行程4 0 0 m m 最大頂鍛力4 0 0 0 k n 可焊工件材質(zhì)q 3 4 5 4 5 4 0 c r 2 7 s i m n 35 c r m o 等低碳鋼 低合金鋼之 間同種材質(zhì)或異種材質(zhì)之間的焊接 2 摩擦焊接的陽(yáng)極鋁導(dǎo)桿組及摩擦焊機(jī) 2 6 1 由西安科技大學(xué)韋力等研制的摩擦焊接的陽(yáng)極鋁導(dǎo)桿組及摩擦焊 機(jī) 所述陽(yáng)極鋁導(dǎo)桿組的特點(diǎn)是在陽(yáng)極鋼爪與鋁導(dǎo)桿之間設(shè)有一個(gè)摩擦 焊接頭 該接頭具有一個(gè)扁平狀鋼制基盤(pán) 在該鋼制基盤(pán)上的兩個(gè)摩擦 端面上各設(shè)有一個(gè)錐形凸臺(tái) 使摩擦過(guò)程既有徑向摩擦又有軸向摩擦 從而達(dá)到了陽(yáng)極鋼爪與鋁導(dǎo)桿的焊接端面全部實(shí)焊 最大限度地增大了 陽(yáng)極鋁導(dǎo)桿組的導(dǎo)流面積 減少了電解槽的槽壓降 降低了生產(chǎn)能耗 最終達(dá)到節(jié)能增效的目的 1 6 研究?jī)?nèi)容 本課題主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究 1 采用連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊技術(shù)對(duì)0 10 0 r a m 的鑄態(tài)純鋁與鑄鋼異種金屬 進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn) 通過(guò)對(duì)大量不同工藝參數(shù)下對(duì)焊接接頭力學(xué)性能及 顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析 尋求最佳的工藝參數(shù) 根據(jù)結(jié)果指導(dǎo)摩擦焊專(zhuān)機(jī)的 設(shè)計(jì) 2 設(shè)計(jì)摩擦焊專(zhuān)機(jī) 包括主機(jī)機(jī)械系統(tǒng) 液壓和潤(rùn)滑系統(tǒng) 電控操 作系統(tǒng) 冷卻系統(tǒng)及閉環(huán)控制系統(tǒng)等 3 在設(shè)計(jì)的摩擦焊接專(zhuān)機(jī)上進(jìn)行鋁導(dǎo)桿與鋼爪的焊接 觀察摩擦界 面溫度分布情況 1 7 研究難點(diǎn)及創(chuàng)新點(diǎn) 1 7 1 研究難點(diǎn) 1 鋁 鋼之間的固溶度較低 熱物理性能差異較大 焊縫及其近縫 區(qū)會(huì)產(chǎn)生較大熱應(yīng)力 鋁在高溫時(shí)易氧化 不利于界面冶金結(jié)合 鋼與 鋁在高溫下易形成f e 3 a l 等脆性化合物 惡化界面結(jié)合質(zhì)量 鋁 鋼之間 的焊接一直是焊接領(lǐng)域的難點(diǎn)和熱點(diǎn)問(wèn)題 因此 選擇合適的焊接方法 電解鋁導(dǎo)桿鋼一鋁連接工藝及設(shè)備研究 是獲得滿意的鋁與鋼異種金屬焊接接頭的關(guān)鍵 2 目前我國(guó)摩擦焊技術(shù)可焊接 3 o m m 12 0 r a m 的工件及8 0 0 0 m m 2 的大截面管件 本課題研究的是18 0 m i n x18 0 r a m 的方桿大面積焊接 選 擇合理的工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)可靠連接是今后研究重點(diǎn)之一 3 由于焊件結(jié)構(gòu)的特殊性 要求我們?cè)O(shè)計(jì)與之相適應(yīng)的摩擦焊專(zhuān)機(jī) 4 相位控制一直是相位摩擦焊的難點(diǎn) 現(xiàn)在通常采用兩種定位方式 電子機(jī)械強(qiáng)制定位和電子直流制動(dòng)定位 為了準(zhǔn)確地進(jìn)行相位控制 必 須解決的關(guān)鍵技術(shù)是 a 在焊接過(guò)程中及制動(dòng)階段隨時(shí)檢測(cè)出兩焊件 的相對(duì)位置及轉(zhuǎn)速 b 確定最佳的定相位時(shí)機(jī) 瞬時(shí)轉(zhuǎn)速 c 確定 快速定相位的機(jī)構(gòu) 1 7 2 課題創(chuàng)新點(diǎn) 1 設(shè)計(jì)新型摩擦焊專(zhuān)機(jī) 用于鋁導(dǎo)桿一鋼爪的超大端面連接 實(shí)現(xiàn) 焊接過(guò)程的自動(dòng)化 在國(guó)內(nèi)還無(wú)相關(guān)設(shè)備 2 采用鋁導(dǎo)桿和鋼爪直接連接的焊接結(jié)構(gòu) 取消爆炸復(fù)合焊片 提 高了結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電性能 降低電阻率 節(jié)約生產(chǎn)成本 節(jié)能減排的要求 3 超大端面鋁一鋼接頭的摩擦焊工藝研究將填補(bǔ)國(guó)內(nèi)在此領(lǐng)域的空 白 1 6 碩士學(xué)位論文 第2 章鑄鋁 鑄鋼摩擦焊實(shí)驗(yàn)及接頭性能分析 2 1 實(shí)驗(yàn)方案 由于異種材料和同種材料的焊接性不同 通過(guò)對(duì)異種材料摩擦焊焊 接性的分析 結(jié)合鑄鋁與鑄鋼的焊接特點(diǎn) 擬采用連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊方法 對(duì)o1o o m m x 6 0 0 m m 鑄鋁棒和西1o o m m x3 0 0 m m 鑄鋼棒進(jìn)行焊接 通過(guò)對(duì) 焊接接頭進(jìn)行力學(xué)性能和顯微分析 找到最佳的工藝參數(shù)及變化規(guī)律 進(jìn)而指導(dǎo)摩擦焊專(zhuān)機(jī)的設(shè)計(jì) 2 2 實(shí)驗(yàn)方法 2 2 1 實(shí)驗(yàn)材料 本實(shí)驗(yàn)所用的材料為鑄態(tài)純鋁和鑄鋼z g 2 3 0 4 5 0 為保證接頭質(zhì)量 焊接端面要進(jìn)行機(jī)械加工 母材化學(xué)成分及力學(xué)性能如表2 1 表2 2 所 示 表2 1 鑄態(tài)純鋁化學(xué)成分 及力學(xué)性能 表2 2z g 2 3 0 4 5 0 化學(xué)成分 及力學(xué)性能 2 2 2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備 1 連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊機(jī) 實(shí)驗(yàn)?zāi)Σ梁笝C(jī)配有計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng) 可實(shí)時(shí)檢測(cè)摩擦焊接扭矩 軸向壓力 主軸轉(zhuǎn)速和軸向縮短量等焊接參數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律 并具 有軸向縮短量恒值控制 摩擦壓力和頂鍛壓力恒壓控制測(cè)控功能 1 7 電解鋁導(dǎo)桿鋼一鋁連接工藝及設(shè)備研究 2 島津萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī) 將焊接接頭分別按照g b 2 2 8 8 7 g b 4 3 38 2 0 0 6 制成室溫拉伸試樣和 高溫拉伸試樣 在島津萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上對(duì)焊接接頭進(jìn)行室溫和高溫力學(xué)性 能測(cè)試 3 擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī) 按照g b t 18 6 5 8 2 0 0 2 加工出沖擊試樣 5 5 m m x10 r a m 10 m m 采用 夏比型缺口進(jìn)行沖擊試驗(yàn) 分析焊接接頭的沖擊韌性 4 m e f 3 金相顯微鏡 將所要觀察分析的樣品沿軸向用線切割加工出焊縫剖面 用不同粒 度的砂紙依次打磨后拋光 將拋光后的試樣用4 的硝酸酒精進(jìn)行腐蝕 待腐蝕均勻后用水和酒精沖洗 吹干后在m e f 3 大型金顯微鏡下觀察 對(duì)于低倍組織的拍攝 可以選擇用2 0 硝酸酒精溶液擦拭 然后可觀察 出明顯的組織分界 5 e p m a 16 0 0 電子探針 將不同規(guī)范下焊好的試樣制成金相試樣 拋光后輕微腐蝕出焊縫 用日本島津e p m a 16 0 0 電子探針對(duì)焊接接頭處進(jìn)行擴(kuò)散組元含量分布和 成分定量分析 對(duì)f e 和a l 等元素進(jìn)行線掃描分析 6 h x 10 0 0 t m 顯微硬度計(jì) 按g b t 4 3 4 0 2 19 9 9 標(biāo)準(zhǔn)將腐蝕好的金相試樣用h x 10 0 0 t m 顯微硬 度計(jì)測(cè)試硬度 載荷為2 5 9 由于母材區(qū)的組織與焊縫區(qū)組織有明顯的差 別 因此在進(jìn)行硬度測(cè)試時(shí) 首先從母材一側(cè)選擇測(cè)量起點(diǎn) 開(kāi)始測(cè)量 讀出測(cè)量值 在表中找到相應(yīng)的硬度值 然后選擇一個(gè)標(biāo)距 沿垂直于 焊縫的方向以此標(biāo)距為基準(zhǔn)移動(dòng)測(cè)試試樣 每隔0 5 r a m 取一次硬度值 待一組數(shù)據(jù)測(cè)完之后 沿焊縫方向移動(dòng)一段距離 重復(fù)上述操作兩次 將三次測(cè)量的結(jié)果取平均值 并以距離為變量作出硬度變化曲線圖 通 過(guò)曲線變化趨勢(shì)找出焊縫兩側(cè)不同區(qū)域硬度值的變化規(guī)律 7 d 8a d v a n c ex 射線衍射儀 用d 8a d v a n c ex 射線衍射儀分析沖擊試樣斷口物相組成 確定焊 接過(guò)程中生成化合物相及對(duì)焊接接頭性能的影響 8 j s m 6 7 0 0 f 掃描電鏡 利用j s m 6 7 0 0 f 場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡分析斷口形貌 微區(qū)成分 顯微組織形貌 9 自制電阻率測(cè)試設(shè)備 電阻率測(cè)試設(shè)備主要由電源和電阻箱組成 模擬試樣接入 組成一 個(gè)簡(jiǎn)單的回路電路 在對(duì)試樣加熱到不同溫度時(shí)測(cè)量電壓值 2 2 3 焊接工藝 焊接工藝參數(shù)如表2 3 所示 1 8 碩士學(xué)位論文 表2 3 鑄鋁一鑄鋼摩擦焊工藝參數(shù) 2 2 4 焊接接頭宏觀形貌 a 去除飛邊前b 去除飛邊后 圖2 1 焊接接頭宏觀形貌 在傳統(tǒng)的摩擦焊接過(guò)程中 由于兩側(cè)金屬高溫物理性能和力學(xué)性能 的不同 焊接時(shí)兩側(cè)的變形抗力 變形程度 變形速度以及飛邊大小等 有明顯的差異 變形抗力大的一側(cè)變形程度低 由圖2 1 可知 鑄鋼側(cè)幾 乎無(wú)飛邊 鑄鋁側(cè)的飛邊成型良好 兩種材料沿結(jié)合面擠出的飛邊均勻 平整 焊縫美觀 無(wú)明顯焊接缺陷 2 3 力學(xué)性能分析 一 虞 v 弋7 l人 7 圖2 2 取樣位置示意圖 1 9 電解鋁導(dǎo)桿鋼一鋁連接工藝及設(shè)備研究 在摩擦焊接過(guò)程中 塑性變形層厚度沿工件半徑的分布是不均勻的 摩擦表面的加熱往往是從距離圓心2 3 處的地方首先開(kāi)始 此處摩擦加熱 功率最大 溫度上升最快 在后期變形區(qū)域?qū)挾葦U(kuò)展 最后覆蓋整個(gè)摩 擦表面 摩擦壓力在焊接表面上呈雙曲線分布 中心壓力最大 邊緣壓 力最小 在壓力和速度的綜合作用下 距離圓心2 3 處發(fā)生相互嚙合 粘 接 剪切和攪拌過(guò)程 根據(jù)摩擦焊接過(guò)程的上述特點(diǎn) 試樣的取樣位置 如圖2 2 所示 2 3 1 室溫力學(xué)性能 將焊接接頭按照g b 2 2 8 8 7 制成室溫拉伸試樣 室溫拉伸試樣尺寸如 圖2 3 所示 拉伸試樣拉斷后的宏觀形貌如圖2 4 所示 得到的焊接接頭 沿徑向抗拉強(qiáng)度如圖2 5 所示 f 1 n 5 一 2 0 6 0 一i j 一 一一 1 己o 圖2 3 室溫拉伸試樣尺寸示意圖 圖2 4 室溫拉伸試樣斷裂宏觀圖圖2 5 常溫拉伸強(qiáng)度曲線 從圖2 4 中可以看出 拉伸試樣均斷于鋁母材側(cè) 并且出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象 強(qiáng)度能夠滿足使用要求 室溫拉伸強(qiáng)度曲線如圖2 5 所示 三種工藝參數(shù) 條件下 強(qiáng)度值的變化趨勢(shì)一致 其中第三組工藝參數(shù)條件下得到的強(qiáng) 度值最高 為最佳工藝參數(shù) 2 3 2 高溫力學(xué)性能分析 將焊接接頭按照g b 4 3 38 2 0 0 6 制成高溫拉伸試樣 加工尺寸示意圖 如圖2 6 所示 試驗(yàn)溫度分別為10 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 恒溫15 r a i n 后開(kāi)始拉伸 直至斷裂 試樣拉斷后的宏觀形貌如圖2 7 所示 記錄得到 2 0 碩士學(xué)位論文 焊接接頭在各溫度條件下的應(yīng)力 應(yīng)變曲線 如圖2 8 所示 廠 緲 可 廣 j 型 一 2 0 i4 c 一 9 0 一 圖2 6 高溫拉伸試樣尺寸示意圖 從宏觀形貌圖 圖2 7 中 可以看到試樣斷裂形貌有所不同 但均 斷于鋁母材側(cè) 當(dāng)拉伸溫度為10 0 和2 0 0 時(shí) 試樣斷口形貌與室溫拉 伸斷口形貌相差不大 斷口呈灰色 有金屬光澤 隨著溫度的升高 拉 伸斷口鋼側(cè)顏色明顯加深 斷口呈針尖狀 對(duì)應(yīng)力 應(yīng)變曲線 圖2 8 進(jìn)行分析 結(jié)果顯示 接頭抗拉強(qiáng)度先是先突增后下降 隨著溫度的升 高呈線性下降趨勢(shì) 延伸率隨著溫度的升高而增大 圖2 7 拉伸后試樣宏觀形貌圖 圖2 8 高溫拉伸應(yīng)力一應(yīng)變分布圖 2 3 3 沖擊性能 目霾 u 馴 圖2 9 沖擊試樣尺寸示意圖 沖擊試驗(yàn)中 試樣在受到擺錘突然沖擊時(shí)發(fā)生斷裂 其斷裂過(guò)程是 一個(gè)裂紋萌生和擴(kuò)展的過(guò)程 經(jīng)歷了底部的彈性變形 塑性變形及臨界 裂紋的形成 裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展和剪切唇形成等過(guò)程 將試樣按照?qǐng)D2 9 所示 的尺寸進(jìn)行加工 在擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn) 針對(duì)不同工藝參數(shù)條 件下的焊縫的沖擊韌性進(jìn)行分析 得到的結(jié)果如表2 4 所示 2 1 電解鋁導(dǎo)桿鋼一鋁連接工藝及設(shè)備研究 表2 4 不同工藝參數(shù)條件下沖擊韌度值 由上述數(shù)據(jù)可知 三種工藝條件下 接頭沖擊功相差不大 接頭沖 擊功主要是由晶粒大小及組織狀態(tài)所決定的 并受溫度的影響 不同的 溫度情況下 沖擊試樣斷裂的機(jī)理不同 2 4 顯微分析 2 4 1 金相顯微組織 圖2 10 厚掇焊接頭金相組織 焊接接頭的金相組織如圖2 10 所示 一般焊接接頭分為三個(gè)區(qū)域 即母材區(qū) 熱力影響區(qū)和焊縫區(qū) 在摩擦焊接過(guò)程中 在熱與力的作用 下 焊合區(qū)金屬發(fā)生了強(qiáng)烈的塑性變形與流動(dòng) 相互攪拌與混合 相互 擴(kuò)散與滲透 加熱與冷卻相變 動(dòng)態(tài)回復(fù)與再結(jié)晶等物理冶金與力學(xué)冶 金過(guò)程 兩側(cè)材料的相互機(jī)械混合與嚙合現(xiàn)象非常明顯 焊合面凸凹不 平 呈曲面分布 在焊縫的過(guò)渡區(qū)中產(chǎn)生了一層塑性變形層 這種塑性 變形層是在鋁與鋼的相互摩擦過(guò)程中 由于焊接能量和外加壓力的作用 材料產(chǎn)生大量的塑性變形 動(dòng)態(tài)再結(jié)晶 晶粒細(xì)化 觸變而形成的一層 特殊構(gòu)造層 其中在鋁與鋼的摩擦焊接接頭中 產(chǎn)生的塑性變形層主要 集中在鋁母材一側(cè) 鋼側(cè)很少 這主要是因?yàn)閮煞N材料的物化性能相差 太大 2 4 2 電子探針?lè)治?為研究鋁鋼摩擦界面的擴(kuò)散情況 對(duì)界面進(jìn)行了線掃描分析 圖c 可看到鋁鋼界面處有波峰 表明鋼鋁界面有相變發(fā)生 且圖中鋁 鋼直接 結(jié)合的界面處鋁 鐵原子的含量并非陡然垂直上升或下降的 而是有一 碩士學(xué)位論文 a 沖擊斷口元素分布圖 一 m l 隧爨i黲 1 1 一 4 d l 諺嘲盛 嘲 孵糟 雕 黧 巳r 甜 赫 一j 5 一 i 一 1 d h o j l 1 電解鋁導(dǎo)桿鋼一鋁連接工藝及設(shè)備研究 整個(gè)斷面由許多塑坑組成 表現(xiàn)出明顯的韌性斷裂特征 無(wú)氧化 能完全 焊合 而且具有良好的力學(xué)性能 圖 c 為沖擊斷口試樣形貌 斷面由 許多塑坑組成 可見(jiàn)沖擊試樣同樣表現(xiàn)出韌性斷裂的特征 2 4 4 接頭硬度分析 焊接接頭的顯微硬度曲線如圖2 13 所示 從圖中可知 焊合區(qū) 0 點(diǎn)位置 兩側(cè)硬度均略高于母材 鋁側(cè)的硬度值隨著距離焊縫位置的增 加 硬度值逐漸下降 這是因?yàn)楹负蠀^(qū)金屬發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶 引起晶 粒細(xì)化 使其硬度值高于母材 另一方面 由于f e 元素的擴(kuò)散作用 使 圖2 1 3 焊接接頭顯微硬度沿軸向分布曲線 得接頭鋁側(cè)產(chǎn)生了固溶強(qiáng)化作用 接頭的中心區(qū)域?yàn)榧?xì)小的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶 組織 在焊接結(jié)合面還有少量徑向拉長(zhǎng)組織 這些鍛造結(jié)構(gòu)組織使得接頭 區(qū)域的顯微硬度比母材略高 鋼側(cè)硬度值波動(dòng)較大 在近縫區(qū)略高于母 材 這不僅是因?yàn)樵谀Σ梁高^(guò)程中a l 元素的擴(kuò)散作用而引起的鑄鋼側(cè)產(chǎn) 生時(shí)效強(qiáng)化 而且在晶間還生成金屬間化合物或夾雜物 從而使得鋼側(cè) 局部位置的硬度提高 2 7 2 8 l 2 4 5x 射線分析 試樣沖擊斷口x r d 圖像如圖2 14 從圖中可以看出焊接界面生成金屬 間化合物f e a i 異種金屬摩擦焊接過(guò)程中 合金元素相互擴(kuò)散是形成 金屑 間化合物的一個(gè)主要原因1 2 9 3 0 摩擦開(kāi)始后 a l 原子不斷向鋼側(cè)進(jìn)行擴(kuò) 散 在界面形成f e a l 金屬間化合物 隨著距摩擦界面距離的增加 擴(kuò)散 的a l 原子就越少 同時(shí) 鋼側(cè)的f e 原子也會(huì)向鋁中進(jìn)行擴(kuò)散 在靠界面 側(cè)形成金屬間化合物 而隨著距摩擦界面距離的增加 擴(kuò)散的f e 原子越 來(lái)越少 隨著摩擦?xí)r間的增加 擴(kuò)散區(qū)內(nèi)的鋁濃度增加 由于鋁沿晶界的擴(kuò)散 系數(shù)要比晶內(nèi)的擴(kuò)散系數(shù)大 因而晶界處鋁元素的濃度要比平均濃度高 碩士學(xué)位論文 當(dāng)晶界上的鋁元素濃度達(dá)到鋁在界面上的飽和濃度時(shí) 就會(huì)形成f e a l 相 的晶核 隨著擴(kuò)散的繼續(xù)進(jìn)行 晶核長(zhǎng)大 以致于相互連接 形成連續(xù)的相 層 2 7 2 8 倉(cāng) 8 馘 霞 盔 j 鑫 2 5 電阻率測(cè)定 衍射角0 圖2 1 4 沖擊斷口不同區(qū)域的x r d 圖 根據(jù)鋁廠實(shí)際生產(chǎn)情況 一個(gè)電解槽通過(guò)的電流是2 0 0 k a 有2 8 根 鋁導(dǎo)桿 電流密度為o 3 6 4 a m m 2 在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中 我們按照電流密度恒 定 采用的是按比例縮小的模擬試樣 實(shí)驗(yàn)中有1 2 兩個(gè)試樣 通過(guò)計(jì) 算 試樣的尺寸大小如圖2 15 所示 其中1 號(hào)試樣中鋼 鋼界面的手工焊 焊縫長(zhǎng)度為4 2 r a m 沒(méi)有焊滿 手工焊焊縫 爆炸焊縫 手工焊焊縫 1 號(hào)樣 鋼鋁 50 i 100 2 號(hào)樣 圖2 15 電壓值測(cè)定試樣尺寸示意圖 丁土 電解鋁導(dǎo)桿鋼一鋁連接工藝及設(shè)備研究 兩個(gè)試樣上1 2 3 4 點(diǎn)為四個(gè)電壓測(cè)量點(diǎn) 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中 我們分 別測(cè)量了在不同溫度下1 4 1 2 3 4 之間的電壓值 實(shí)驗(yàn)電路圖如圖2 16 所示 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中電流為9 2 58 a 圖2 16 實(shí)驗(yàn)電路圖 考慮實(shí)驗(yàn)結(jié)果的直觀性 這里只列出兩個(gè)試樣在1 4 點(diǎn)之間的電壓 值 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2 5 所示 表2 5 電壓值測(cè)定結(jié)果 通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析 可以得出溫度在4 0 0 c 4 0 0 0 c 之間進(jìn)行變 化時(shí) 2 號(hào)樣在1 4 兩點(diǎn)的電壓值比l 號(hào)樣的低 在4 0 0 0 c 降低6 5l m v 具體的節(jié)能效果如下 以年產(chǎn)量2 0 萬(wàn)噸的鋁廠計(jì)算 1 按照一年工作3 6 5 天 每天2 4 小時(shí) 6 14 個(gè)電解槽計(jì)算 每年可 以節(jié)約7 0 0 萬(wàn)k w h 的用電量 每k w h 電按o 5 元計(jì)算 一年可節(jié)約35 0 萬(wàn)元 2 采用新工藝之后 取消了鋼鋁爆炸復(fù)合焊片 每片3 0 0 元 每年 碩士學(xué)位論文 可節(jié)省516 萬(wàn)元 3 每年節(jié)省焊條l6 噸 每噸l 萬(wàn)元計(jì) 可節(jié)約16 萬(wàn)元 4 節(jié)省工時(shí)費(fèi)l1 萬(wàn)元 綜合以上幾點(diǎn) 每年可節(jié)省8 9 3 萬(wàn)元 現(xiàn)在全國(guó)電解鋁的年產(chǎn)量是3 0 0 0 萬(wàn)噸 每年可為企業(yè)帶來(lái)節(jié)能效益10 億多元 2 6 本章小結(jié) 在選定的焊接工藝參數(shù)條件下 鋁鋼摩擦焊接頭成形良好 沿結(jié)合 面擠出的飛邊均勻平整 無(wú)焊接缺陷 接頭力學(xué)性能高于鋁母材 根據(jù) 對(duì)接頭組織的顯微分析 可以看出焊合區(qū)金屬發(fā)生了強(qiáng)烈的塑性變形與 流動(dòng) 兩側(cè)材料的嚙合現(xiàn)象明顯 焊合面呈曲面分布 界面元素相互擴(kuò) 散 形成過(guò)渡層 通過(guò)對(duì)模擬試樣的電阻率測(cè)定試驗(yàn) 與爆炸焊相比 節(jié)能效果明顯 電解鋁導(dǎo)桿鋼一鋁連接工藝及設(shè)備研究 第3 章摩擦焊機(jī)設(shè)計(jì)要求及主機(jī)設(shè)計(jì) 3 1 摩擦焊機(jī)設(shè)計(jì)要求 摩擦焊是一個(gè)機(jī)械化的焊接方法 其全部焊接操作過(guò)程以及提高焊 接生產(chǎn)率和保證焊接質(zhì)量都依靠焊接設(shè)備 因此必須設(shè)計(jì)與制造符合要 求的摩擦焊機(jī) 對(duì)摩擦焊機(jī)的要求有以下幾點(diǎn)1 9 1 適當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速 當(dāng)焊接產(chǎn)品的材料和直徑一定時(shí) 焊機(jī)的主軸轉(zhuǎn)速必須高于一個(gè)最 低的轉(zhuǎn)速 以保證摩擦焊接界面有足夠高的加熱溫度和加熱速度 這個(gè) 轉(zhuǎn)速叫做臨界摩擦轉(zhuǎn)速或極限摩擦轉(zhuǎn)速 如果轉(zhuǎn)速太高 不僅沒(méi)有必要 而且會(huì)給主軸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制造帶來(lái)許多困難 例如軸向止推軸承的選 擇 冷卻和潤(rùn)滑都比較困難 同時(shí)對(duì)主軸系統(tǒng)的動(dòng)平衡要求也很高 焊 接直徑16 r a m 的4 5 號(hào)鋼產(chǎn)品時(shí) 常用的轉(zhuǎn)速范圍為l5 0 0 3 0 0 0 r r a i n 2 足夠大的主軸電動(dòng)機(jī)功率 電動(dòng)機(jī)功率太大會(huì)造成浪費(fèi) 太小會(huì)使主軸悶車(chē) 破壞了焊接過(guò)程 或使電動(dòng)機(jī)因經(jīng)常過(guò)載 發(fā)熱而損壞 主軸電動(dòng)機(jī)功率的大小與產(chǎn)品的 材質(zhì) 直徑和所選用的焊接規(guī)范有關(guān) 3 足夠大的軸向壓力 軸向壓力是保證摩擦加熱和頂鍛焊接過(guò)程的重要參數(shù) 對(duì)焊機(jī)不僅 要求其有足夠大的軸向壓力 而且要求壓力從零升到最大值時(shí)能連續(xù)穩(wěn) 定地調(diào)節(jié) 這樣才能靈活的選用摩擦壓力和頂鍛壓力 對(duì)焊機(jī)還要求應(yīng) 有較高的頂鍛速度 以保證在焊接溫度下有足夠大的頂鍛變形量 4 夾頭要有足夠大的夾緊力和向心度 焊接時(shí)工件要被夾緊 對(duì)中 保證端面平行 防止摩擦?xí)r產(chǎn)生振動(dòng) 在摩擦扭矩和頂鍛壓力的作用下 要防止工件旋轉(zhuǎn)打滑或軸向滑動(dòng) 使 其焊接過(guò)程順利進(jìn)行 保證接頭質(zhì)量 夾頭的夾持直徑 長(zhǎng)度 夾緊力 的大小和移動(dòng)夾頭的行程 都由工件尺寸和焊接規(guī)范決定 5 合適的停車(chē)速度 接頭在摩擦加熱過(guò)程終了時(shí) 主軸轉(zhuǎn)速由選定值下降到零的速度要 符合焊接工藝的要求 一般的停車(chē)時(shí)間在0 1 1s 之間 6 焊機(jī)剛度要大 要防止摩擦加熱過(guò)程中工件產(chǎn)生振動(dòng) 防止頂鍛焊接時(shí)焊機(jī)夾頭變 形偏心 影響接頭質(zhì)量 7 摩擦焊機(jī)要盡可能配備可靠的規(guī)范控制裝置 提高和穩(wěn)定焊接質(zhì)量 碩士學(xué)位論文 3 2 設(shè)計(jì)參數(shù) 根據(jù)對(duì) 10 0x 西10 0 m m 的鑄鋁和鑄鋼棒的摩擦焊接接頭的分析 得 到最佳的工藝參數(shù) 結(jié)合摩擦焊機(jī)的設(shè)計(jì)要求和焊機(jī)的特殊性 我們選 擇的設(shè)計(jì)參數(shù)如下 1 工件規(guī)格 方鋁18 0 18 0 x 3 0 0 0 m m 與扁鋼橫梁4 3 0 16 5 10 0 0 m m 2 焊件偏心度 s 1 2 m m 3 夾具 旋轉(zhuǎn)夾具為自動(dòng)定心式 移動(dòng)夾具為3 組水平鉗口式 4 焊接效率 每5 10 分鐘1 件 5 主軸轉(zhuǎn)速 5 2 0 0r m i n 可連續(xù)調(diào)整 6 最大頂鍛力 5 0 0 0k n 7 可焊接工件材質(zhì) 低碳鋼 低合金鋼與純鋁之間的相互焊接 3 3 摩擦焊機(jī)組成及功能 連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊機(jī)是利用焊件被焊表面相互摩擦所產(chǎn)生的熱量 使 被焊表面達(dá)到塑性狀態(tài) 然后迅速頂鍛而完成焊接的一種熱壓焊設(shè)備 j b t s 0 8 6 19 9 9 其結(jié)構(gòu)主要包括主機(jī)系統(tǒng) 液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大 部分 摩擦焊專(zhuān)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3 1 所示 r 0 i0 f if6 i l i 刮v l m 艟叫 l l j l li 七 嚴(yán) i 書(shū)j l r 芻 一 1 j 鼯 舌5 叫r j p lui 3 3 1 主機(jī)系統(tǒng) 圖3 1 摩擦焊機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 主機(jī)系統(tǒng)是摩擦焊機(jī)的主體 主要包括主軸箱 旋轉(zhuǎn)夾具與移動(dòng)夾 具 滑動(dòng)平臺(tái) 施力油缸與床身等 其作用是通過(guò)旋轉(zhuǎn)夾具與移動(dòng)夾具 向焊件提供工藝所規(guī)定的轉(zhuǎn)速 扭矩 摩擦壓力及頂鍛壓力 保證焊件 的尺寸精度 實(shí)現(xiàn)滑臺(tái)快進(jìn) 快退 工進(jìn)等輔助運(yùn)動(dòng) 它是焊機(jī)系統(tǒng)的 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 電解鋁導(dǎo)桿鋼一鋁連接工藝及設(shè)備研究 3 3 2 液壓系統(tǒng) 液壓系統(tǒng)的主要作用是提供焊機(jī)各動(dòng)作機(jī)構(gòu) 主軸離合器 制動(dòng)器 旋轉(zhuǎn)夾具 移動(dòng)夾具 和施力系統(tǒng) 施力油缸 的液壓動(dòng)力源 以及保 證主軸旋轉(zhuǎn)及滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)部件的充分潤(rùn)滑 主要包括液壓電動(dòng)機(jī) 液壓泵 油箱以及各種方向 壓力和流量控制閥所組成的液壓控制回路 3 3 3 控制系統(tǒng) 摩擦焊機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)其控制對(duì)象可分為強(qiáng)電控制系統(tǒng)和弱電控制 系統(tǒng) 強(qiáng)電控制系統(tǒng)主要通過(guò)空氣開(kāi)關(guān) 離合器 y 轉(zhuǎn)換器等器件對(duì)主 驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī) 液壓系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)等強(qiáng)電部分進(jìn)行控制 弱電控制系統(tǒng)則是 根據(jù)設(shè)定的焊接程序和焊接過(guò)程的觸發(fā)信號(hào) 通過(guò)控制液壓系統(tǒng)的電磁 閥與強(qiáng)電系統(tǒng)的離合器 來(lái)實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程中的順序控制與模擬量控制 根據(jù)控制目標(biāo)要求及控制功能的強(qiáng)弱 弱電控制系統(tǒng)分為繼電器控制系 統(tǒng) 可編程 p l c 控制系統(tǒng) 單片機(jī)控制系統(tǒng) 工業(yè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)以 及p l c 工業(yè)計(jì)算機(jī) 或單片機(jī) 雙級(jí)控制系統(tǒng)等幾種控制形式 3 4 摩擦焊機(jī)參數(shù)計(jì)算 3 4 1 電動(dòng)機(jī)的選擇 1 主軸轉(zhuǎn)速 鋁導(dǎo)桿與鋼爪的焊接面積 s l8 0 18 0 m m 3 2 4 0 0 m m 2 則用于計(jì)算扭矩及速度的等效半徑 一 厚一 降 6 8 瓏m 0 0 6 8 所 膽i v i2 j i f 了訂2 刪2 所 一般摩擦焊線速度范圍為0 6 3 m s 對(duì)于鋁 鋼摩擦焊 線速度取 0 7 m s 刀 旦 6 0 1 q z 6 0 9 8 m i n 2 7 r r 2 x 3 1 4 0 0 6 8 在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中 考慮到其他規(guī)格的鋁導(dǎo)桿 我們?nèi)∞D(zhuǎn)速n l5 0 r r a i n 2 摩擦轉(zhuǎn)矩 m u f r 3 1 其中m 一摩擦扭矩 n m f 一摩擦壓力 n r 等效半徑 m u 一摩擦系數(shù) 碩士學(xué)位論文 摩擦焊接過(guò)程中 摩擦比壓力取2 2 k g m m 2 由公式 3 1 摩擦轉(zhuǎn)矩 m 0 7 x 2 2 3 2 4 0 0 l0 0 0 6 8 3 3 9 2 9 n m 3 主軸電動(dòng)機(jī)功率 3 1 p 生墜 3 2 9 5 5 0 其中p 一電動(dòng)機(jī)功率 k w 1 1 d 一電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 r m i n t d 一電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩 n m 由公式 3 2 主軸電動(dòng)機(jī)功率 p 3 3 9 2