攪拌摩擦焊焊接工裝設計 (帶CAD圖紙)

攪拌摩擦焊焊接工裝設計 (帶CAD圖紙),攪拌摩擦焊焊接工裝設計,(帶CAD圖紙),攪拌,摩擦,磨擦,焊接工,裝設,cad,圖紙 摘 要 攪拌摩擦焊技術是90年代發(fā)展起來的、自發(fā)明到工業(yè)應用時間跨度最短和發(fā)展最快的一項新型固相連接新技術，公認為是最有前途和最適合航空材料以及結構件制造的工藝方法之一。由于攪拌摩擦焊焊縫組織均勻、接頭力學性能優(yōu)異，生產(chǎn)過程中安全、無飛濺、無煙塵煙氣、無輻射，污染小、成本低等技術優(yōu)勢，因而在許多工業(yè)領域獲得了廣泛應用。在航天工業(yè)中，攪拌摩擦焊工藝在飛行器鋁合金結構制造中的推廣應用，在國外已顯示出強勁的技術創(chuàng)新活力，給傳統(tǒng)制造工藝帶來了革命性的改造。 隨著人們對攪拌摩擦焊技術認識的提高，預計在不遠的將來，鋁合金、鎂合金、鋅合金、鈦合金等輕金屬材料的連接將主要由攪拌摩擦焊來完成，尤其在運載火箭、高速鋁合金列車、鋁合金高速快艇、全鋁合金汽車等項目中攪拌摩擦焊技術將會占主導地位。 本文設計出的攪拌摩擦焊焊機，總功率約3千瓦，適合于普通厚度的鋁及其合金的工藝試驗試件的焊接，攪拌摩擦頭轉速約6000r/min，焊接速度100—600mm/min，最大加工焊縫厚度20mm，焊縫長度600mm。文中介紹了攪拌摩擦焊焊接技術的基本原理和特點，概要地介紹了攪拌摩擦焊的技術優(yōu)勢、研究現(xiàn)狀、工業(yè)應用和發(fā)展前景。針對工藝試驗試件攪拌摩擦焊機，主要設計、計算和校核了設備各主要部分，均能夠滿足試驗用焊機的要求。 該設備結構緊湊，簡單，操作方便，與市場價格相比，成本很低。 關鍵詞：攪拌摩擦焊；固相焊接；鋁合金焊接；應用前景；焊機設計 Abstract Friction stir welding (FSW) was firstly used in the 1990s, which is swiftest in development and is shortest in time from inventment to applyment, it is also treated as one of the technology of the most pertencial and the most suitable for aviation and struction manufaction. The joints welded by friction stir welding are homogeneous in microstructure and predominant in mechanical capacity. Because of the virtue, such as the security, no splash, no radiation and no pollution during friction stir welding, and so on, so this technique is widely utilized in industry. In aviation industry, aircrafts made by aluminium alloy are usually welded by friction stir welding. Abroad market is explored of FSW in other countries, and also making a reformation in the manufacture of watercraft. With the further acknowledgement to FSW, the joint of aluminium alloy, magnesium alloy, zinc alloy and titanium alloy will be welded by FSW. Especially, the carrier rocket, high velocity aluminium alloy train, high velocity alminium alloy speed boat and aluminium alloy vehicle will be possibly welded by the FSW. This task is to sign a machine used in laboratory. Its power is about three kilowatt, rotation rate approximately is 6000r/min, and welding speed is from 100 to 600mm/min. It can be apply to welding the aluminium and aluminium alloy. In addition, the welding thickness can’t exceed 20mm and length 600mm. In this paper, the basal principle and features of FSW is introduced, and the priority, prospect and application are also expounded. Importantly, main parts of the FSW machine was designed and calculated, the calculation results shows that the FSW machine designed in the paper can accord with the demand of the testing in laboratory. The device is simple and compact in structure. Comparing with the marketable price, its cost is very lower. Key words：Friction stir welding，Solid phase welding，Aluminium alloy welding，Application prospect，Welding machine design 目 錄 第一章 緒論 ……………………………………………………… 1 1．1 攪拌摩擦焊簡介 …………………………………………… 1 1．2 攪拌摩擦焊的技術優(yōu)勢 …………………………………… 4 1．3 攪拌摩擦焊的研究現(xiàn)狀 …………………………………… 5 1．4 攪拌摩擦焊的工業(yè)應用 …………………………………… 9 1．5 攪拌摩擦焊的發(fā)展前景 …………………………………… 11 1．6 本論文的目的和意義 ……………………………………… 12 第二章 攪拌摩擦焊焊機設計 …………………………………… 13 2．1 總體設計規(guī)劃 ……………………………………………… 13 2．2 攪拌摩擦系統(tǒng)設計 ………………………………………… 13 2．2．1 攪拌頭及夾具設計………………………………… 13 2．2．2 攪拌系統(tǒng)功率計算………………………………… 15 2．2．3 攪拌系統(tǒng)V帶設計………………………………… 16 2．2．4 攪拌軸的設計……………………………………… 25 2．3 伺服系統(tǒng)設計 ……………………………………………… 31 2．3．1 伺服系統(tǒng)功率計算………………………………… 31 2．3．2 伺服系統(tǒng)V帶設計………………………………… 32 2．3．3 伺服系統(tǒng)齒輪傳動設計…………………………… 35 2．3．4 伺服系統(tǒng)傳動絲杠設計…………………………… 44 2．3．5 伺服系統(tǒng)液壓傳動器件選擇……………………… 46 2．4 電氣控制設計 ……………………………………………… 46 2．4．1 電氣控制設計原則………………………………… 46 2．4．2 電氣控制系統(tǒng)原理圖……………………………… 47 結論 ……………………………………………………………… 50 致謝 ……………………………………………………………… 51 參考文獻 ………………………………………………………… 52 年 月 日 摘 要 攪拌摩擦焊技術是90年代發(fā)展起來的、自發(fā)明到工業(yè)應用時間跨度最短和發(fā)展最快的一項新型固相連接新技術，公認為是最有前途和最適合航空材料以及結構件制造的工藝方法之一。由于攪拌摩擦焊焊縫組織均勻、接頭力學性能優(yōu)異，生產(chǎn)過程中安全、無飛濺、無煙塵煙氣、無輻射，污染小、成本低等技術優(yōu)勢，因而在許多工業(yè)領域獲得了廣泛應用。在航天工業(yè)中，攪拌摩擦焊工藝在飛行器鋁合金結構制造中的推廣應用，在國外已顯示出強勁的技術創(chuàng)新活力，給傳統(tǒng)制造工藝帶來了革命性的改造。 隨著人們對攪拌摩擦焊技術認識的提高，預計在不遠的將來，鋁合金、鎂合金、鋅合金、鈦合金等輕金屬材料的連接將主要由攪拌摩擦焊來完成，尤其在運載火箭、高速鋁合金列車、鋁合金高速快艇、全鋁合金汽車等項目中攪拌摩擦焊技術將會占主導地位。 本文設計出的攪拌摩擦焊焊機，總功率約3千瓦，適合于普通厚度的鋁及其合金的工藝試驗試件的焊接，攪拌摩擦頭轉速約6000r/min，焊接速度100—600mm/min，最大加工焊縫厚度20mm，焊縫長度600mm。文中介紹了攪拌摩擦焊焊接技術的基本原理和特點，概要地介紹了攪拌摩擦焊的技術優(yōu)勢、研究現(xiàn)狀、工業(yè)應用和發(fā)展前景。針對工藝試驗試件攪拌摩擦焊機，主要設計、計算和校核了設備各主要部分，均能夠滿足試驗用焊機的要求。 該設備結構緊湊，簡單，操作方便，與市場價格相比，成本很低。 關鍵詞：攪拌摩擦焊；固相焊接；鋁合金焊接；應用前景；焊機設計 Abstract Friction stir welding (FSW) was firstly used in the 1990s, which is swiftest in development and is shortest in time from inventment to applyment, it is also treated as one of the technology of the most pertencial and the most suitable for aviation and struction manufaction. The joints welded by friction stir welding are homogeneous in microstructure and predominant in mechanical capacity. Because of the virtue, such as the security, no splash, no radiation and no pollution during friction stir welding, and so on, so this technique is widely utilized in industry. In aviation industry, aircrafts made by aluminium alloy are usually welded by friction stir welding. Abroad market is explored of FSW in other countries, and also making a reformation in the manufacture of watercraft. With the further acknowledgement to FSW, the joint of aluminium alloy, magnesium alloy, zinc alloy and titanium alloy will be welded by FSW. Especially, the carrier rocket, high velocity aluminium alloy train, high velocity alminium alloy speed boat and aluminium alloy vehicle will be possibly welded by the FSW. This task is to sign a machine used in laboratory. Its power is about three kilowatt, rotation rate approximately is 6000r/min, and welding speed is from 100 to 600mm/min. It can be apply to welding the aluminium and aluminium alloy. In addition, the welding thickness can’t exceed 20mm and length 600mm. In this paper, the basal principle and features of FSW is introduced, and the priority, prospect and application are also expounded. Importantly, main parts of the FSW machine was designed and calculated, the calculation results shows that the FSW machine designed in the paper can accord with the demand of the testing in laboratory. The device is simple and compact in structure. Comparing with the marketable price, its cost is very lower. Key words：Friction stir welding，Solid phase welding，Aluminium alloy welding，Application prospect，Welding machine design 西南交通大學本科畢業(yè)設計(論文) 目 錄 第一章 緒論 ……………………………………………………… 1 1．1 攪拌摩擦焊簡介 …………………………………………… 1 1．2 攪拌摩擦焊的技術優(yōu)勢 …………………………………… 4 1．3 攪拌摩擦焊的研究現(xiàn)狀 …………………………………… 5 1．4 攪拌摩擦焊的工業(yè)應用 …………………………………… 9 1．5 攪拌摩擦焊的發(fā)展前景 …………………………………… 11 1．6 本論文的目的和意義 ……………………………………… 12 第二章 攪拌摩擦焊焊機設計 …………………………………… 13 2．1 總體設計規(guī)劃 ……………………………………………… 13 2．2 攪拌摩擦系統(tǒng)設計 ………………………………………… 13 2．2．1 攪拌頭及夾具設計………………………………… 13 2．2．2 攪拌系統(tǒng)功率計算………………………………… 15 2．2．3 攪拌系統(tǒng)V帶設計………………………………… 16 2．2．4 攪拌軸的設計……………………………………… 25 2．3 伺服系統(tǒng)設計 ……………………………………………… 31 2．3．1 伺服系統(tǒng)功率計算………………………………… 31 2．3．2 伺服系統(tǒng)V帶設計………………………………… 32 2．3．3 伺服系統(tǒng)齒輪傳動設計…………………………… 35 2．3．4 伺服系統(tǒng)傳動絲杠設計…………………………… 44 2．3．5 伺服系統(tǒng)液壓傳動器件選擇……………………… 46 2．4 電氣控制設計 ……………………………………………… 46 2．4．1 電氣控制設計原則………………………………… 46 2．4．2 電氣控制系統(tǒng)原理圖……………………………… 47 結論 ……………………………………………………………… 50 致謝 ……………………………………………………………… 51 參考文獻 ………………………………………………………… 52 西南交通大學本科畢業(yè)設計(論文) 第 55 頁 第一章　緒 論 攪拌摩擦焊是由英國焊接研究所(The Welding Institute，簡稱TWI)于1991年提出的一種固態(tài)連接方法[1-5],并于1993年和1995年在世界范圍內(nèi)的發(fā)達和發(fā)展中國家申請了知識產(chǎn)權保護。此技術原理簡單，且控制參數(shù)少、易于實現(xiàn)自動化，可將焊接過程中的人為因素降到最低。攪拌摩擦焊技術與傳統(tǒng)的熔焊相比，擁有很多優(yōu)點，因而使得它具有廣泛的工業(yè)應用前景和發(fā)展?jié)摿?。有關攪拌摩擦焊接頭的組織、力學性能(包括斷裂、疲勞、腐蝕性能)、無損檢測以及工藝參數(shù)對焊縫質(zhì)量的影響等的研究是推廣應用攪拌摩擦焊的基礎，有關這些方面的研究是這個領域的研究熱點。 攪拌摩擦焊技術是90年代發(fā)展起來的、自發(fā)明到工業(yè)應用時間跨度最短和發(fā)展最快的一項神奇的固相連接新技術。截止2002年9月15日，世界范圍內(nèi)得到英國焊接研究所(TWI)攪拌摩擦焊專利技術許可的用戶己經(jīng)有78家，與攪拌摩擦焊技術相關的專利技術有551項[6-8]。著名的B o e i n g、NASA、 BAE、 HONDA、 GE、HITACHI、MARTIN等公司購買了此項技術，并已大量的在航天、航空、車輛、造船等行業(yè)得到成功地應用。 1．1 攪拌摩擦焊簡介 1．1．1 攪拌摩擦焊原理及工藝 圖1-1 攪拌摩擦焊原理圖[9-11] 攪拌摩擦焊的焊接原理如圖l-1所示。置于墊板上的對接工件通過夾具夾緊，以防止對接接頭在焊接過程中松開。一個帶有特型攪拌指頭的攪拌頭旋轉并緩慢的將攪拌指頭插入兩塊對接板材之間的焊縫處。一般來講，攪拌指頭的長度接近焊縫的深度。當旋轉的攪拌指頭接觸工件表面時，與工件表面的快速摩擦產(chǎn)生的摩擦熱使接觸點材料的溫度升高，強度降低。攪拌指頭在外力作用下不斷頂鍛和擠壓接縫兩邊的材料，直至軸肩緊密接觸工件表面為止。這時，由旋轉軸肩和攪拌指頭產(chǎn)生的摩擦熱在軸肩下面和攪拌指頭周圍形成大量的塑化層。當工件相對攪拌指頭移動或攪拌指頭相對工件移動時，在攪拌指頭側面和旋轉方向上產(chǎn)生的機械攪拌和頂鍛作用下，攪拌指頭的前表面把塑化的材料移送到攪拌指頭后表面。在攪拌指頭沿著接縫前進時，攪拌焊頭前頭的對接接頭表面被摩擦加熱至超塑性狀態(tài)。攪拌指頭和軸肩摩擦接縫，破碎氧化膜，攪拌和重組攪拌指頭后方的摩碎材料。攪拌指頭后方的材料冷卻后就形成焊縫，可見此焊縫是在熱——機聯(lián)合作用下形成的固態(tài)焊縫。這種方法可以看作是一種自鎖孔連接技術，在焊接過程中，攪拌指頭所在處形成小孔，小孔在隨后的焊接過程中又被填滿,應該指出，攪拌摩擦焊縫結束時在終端留下個匙孔。通常這個匙孔可以切除掉，也可以用其它焊接方法封焊住[11]。在焊接過程中主要的產(chǎn)熱體是攪拌指頭和軸肩。在焊接薄板時，軸肩和工件的摩擦是主要的熱量來源。 攪拌摩擦焊焊接工藝參數(shù)主要有：攪拌指頭的焊接速度、攪拌指頭的旋轉速度以及壓緊力。這些參數(shù)決定了焊接過程中攪拌指頭周圍產(chǎn)生的熱量，并且直接影響到焊縫的組織和性能。 1．1．2 攪拌頭 攪拌頭是攪拌摩擦焊機上中最重要的構件之一。它一般由耐高溫抗摩損材料制成，主要包括特形指頭和軸肩兩部分。在焊接過程中軸肩與被焊材料的表面緊密接觸，防止塑化金屬材料的擠出和氧化，同時攪拌軸肩還可以提供部分焊接所需要的攪拌摩擦熱。攪拌指頭的形狀比較特殊，焊接過程中攪拌指頭要旋轉著壓入被焊材料的結合界面處，并且沿著待焊界面向前移動。 攪拌頭的材料一般用合金工具鋼，現(xiàn)有科學研究人員對攪拌頭進行表面TiAlN處理的實驗研究，TiAlN涂層具有優(yōu)于TiC、TiN、TiCN等涂層的機械物理性能，并可與其它涂層配合組成多元多層復合涂層。在制造業(yè)中的切削試驗及加工實踐表明，采用TiAlN涂層處理的刀具、鉆頭的表面化學穩(wěn)定性好，抗氧化磨損能力強，高速焊接鋁合金材料時，其工作壽命可比普通合金工具鋼攪拌頭提高3～4倍，降低攪拌摩擦焊的加工成本，提高經(jīng)濟效益。 隨著攪拌摩擦焊技術的發(fā)展，英國焊接研究所研制的“藝術階段”的WhorlTM和MxT6nute TM系列攪拌頭可以在6毫米厚的鋁合金擠壓型材上連續(xù)焊接上千米長的焊縫而不用更換，并且可以得到性能優(yōu)良的焊縫。利用攪拌摩擦焊技術焊接薄板零件時，攪拌頭的肩部與工件表面摩擦產(chǎn)生的熱量是金屬熱塑化所需能量的來源。對于厚板的攪拌摩擦焊來說，要得到優(yōu)良的焊接接頭，隨著板厚的增加，攪拌頭與工件之間需要提供更多的熱來保證攪拌頭附近區(qū)域金屬的熱塑化，同時，攪拌頭還需要確保焊接區(qū)域金屬材料的攪拌激活以及控制塑化金屬的流變轉移來形成合格的固相焊縫?？傊?，攪拌頭是攪拌摩擦焊技術中“心臟”[11-12]。 1．1．3 攪拌摩擦焊材料 攪拌摩擦焊的焊接溫度低于材料的熔點，焊接過程中始終沒有材料熔化，所以攪拌摩擦焊是一種固態(tài)連接方法。 基于攪拌摩擦焊焊接過程中不存在材料熔化的特點，攪拌摩擦焊幾乎可以焊接所有系列的鋁合金材料及鋁基復合材料(MMC)。對于傳統(tǒng)焊接方法較難焊接的2xxx和7xxx系列高強度鋁合金材料，也可實施可靠連接。另外，對于異種材料的攪拌摩擦焊也具有優(yōu)越性，如攪拌摩擦焊不僅可以實現(xiàn)2024／6061以及2024／7015等不同牌號鋁合金材料的焊接，還可以實現(xiàn)銅合金和鋁合金等不同種材料的焊接。 攪拌摩擦焊還可以焊接銅、鎂、鋅、鉛等合金材料，對于鋼合金、欽合金和鋁基復合材料的攪拌摩擦焊開發(fā)研究也很成功。 對于不同狀態(tài)的合金鋼，攪拌摩擦焊也能實現(xiàn)焊接，如鍛壓板材和擠壓形材的焊接，鍛壓板材和鑄鋁的焊接等[12]。 1．1．4 接頭性能 攪拌摩擦焊接頭主要包括四個微結構區(qū)域：焊核區(qū)、熱／機影響區(qū)、熱影響區(qū)和母材。中間區(qū)域為晶粒非常細小的焊核區(qū)域，其中橢圓形的“洋蔥”環(huán)狀組織結構是焊接接頭良好的標志；在焊核區(qū)的外圍存在一個熱／機影響區(qū)，此部分晶粒組織發(fā)生了明顯的塑性變形和部分重結晶。 對于不可熱處理強化的鋁合金，采用攪拌摩擦焊可以得到?jīng)]有空洞和裂紋的優(yōu)良焊接接頭，接頭的拉伸強度一般大于或優(yōu)于母材，并且斷裂一般出現(xiàn)在熱影響區(qū)和遠離焊縫接頭的母材上；對于可熱處理強化的鋁合金，攪拌摩擦焊接頭的力學性能優(yōu)于弧焊接頭。另外，通過控制攪拌摩擦焊過程中焊縫區(qū)域的熱輸入，特別是控制攪拌摩擦焊接頭中硬度和強度最低的熱影響區(qū)的回火和過時效影響，可以有效地提高焊接接頭的力學性能指標。 與熔焊方法相比較，鋁合金材料的攪拌摩擦焊接頭的疲勞性能具有明顯的優(yōu)勢，這是因為攪拌摩擦焊得到的是精細的再結晶組織。另外，由于焊接過程材料沒有熔化，焊縫組織中不會有熔焊工藝經(jīng)常出現(xiàn)的凝固偏折、裂紋、氣孔和夾雜等缺陷[12]。 1．2 攪拌摩擦焊的技術優(yōu)勢 攪拌摩擦焊除了具有普通摩擦焊技術的優(yōu)點外，還可以進行多種接頭形式和不同焊接位置的連接。如圖1-2所示[13-15]。 圖1-2 幾種攪拌摩擦焊的接頭形式 采用攪拌摩擦焊技術不僅能焊接幾乎所有熔焊能夠焊接的金屬，而且能焊接許多熔化焊接性能差的金屬，例如：鋁合金、鈦合金、銅合金等。就鋁合金而言，鋁合金在高溫熔化時易吸附氫導致凝固后產(chǎn)生氣孔，容易產(chǎn)生熱裂紋和變形，因此焊接缺陷率高，并且隨著鋁合金中合金元素含量的增加，這些焊接缺陷率會大大增加。若是采用攪拌摩擦焊，則因為焊接過程中無金屬熔化而克服了上述缺點，因此攪拌摩擦焊可以使不適宜于熔焊的金屬得到可靠的連接。此外，攪拌摩擦焊不僅能用于同質(zhì)合金間的連接，而且還適用于異質(zhì)合金間的連接。 圖1-3 攪拌摩擦焊焊縫分區(qū)示意圖 采用攪拌摩擦焊取代傳統(tǒng)的熔焊，還能改善焊縫組織和大大提高焊接接頭的力學性能，并且排除了熔焊缺陷產(chǎn)生的可能性。攪拌摩擦焊焊縫組織分區(qū)示意如圖1-3所示，焊縫組織可分為A、B、C、D四個區(qū)域:A區(qū)為母材區(qū)(basic metal，簡稱BM)；B區(qū)為熱影響區(qū)(heat affected zone，簡稱HAZ)，該區(qū)域的材料因受熱循環(huán)的影響，微觀組織和力學性能均發(fā)生了變化，但沒有發(fā)生塑性變形;C區(qū)為熱變形影響區(qū)(there momechanically affected zone，簡稱TMAZ)，該區(qū)域材料已經(jīng)產(chǎn)生了劇烈的塑性變形。就鋁合金而言，再結晶區(qū)域和TMAZ之間通常有明顯的界限，但在其它沒有熱致相變的材料中，如在純鈦、β鈦合金、奧氏體不銹鋼和銅中，似乎TMAZ整體已再結晶化，產(chǎn)生了無應變再結晶，這可能使得HAZ/ TMAZ的邊界難以精確劃分;D區(qū)為焊核(dynamically recrystallized zone，簡稱DXZ)，焊核是最接近軸肩的區(qū)域，組織結構通常有較大的變化。在焊接接頭的熱影響區(qū)中，除了腐蝕反應比母材快一些外，其金相組織與母材沒有多大區(qū)別；在焊接接頭的熱變形影響區(qū)，焊接過程引起長晶粒的彎曲和輕微的重結晶；焊核由纖細的經(jīng)動態(tài)再結晶的等軸晶構成，其晶粒尺寸比母材的晶粒尺寸小得多。5083鋁合金的攪拌摩擦焊實驗表明，焊縫最薄弱的環(huán)節(jié)不在焊核區(qū)，而是在熱影響區(qū)。經(jīng)過固溶處理和人工時效處理的2xxx系列、6xxx系列鋁合金的攪拌摩擦焊焊縫，經(jīng)過時效處理后，其強度接近于基體材料的強度[16]。 1．3 攪拌摩擦焊的研究現(xiàn)狀 攪拌摩擦焊工藝最初主要用于解決鋁合金等低熔點材料的焊接，關于攪拌摩擦焊工藝的特點和應用等，TWI進行了較多的研究，并于1993年、1995年申請了專利。目前，TWI主要是與航空航天、海洋、道路交通、鋁材廠、焊接設備制造廠等大公司聯(lián)合，以團體贊助或合作的形式開發(fā)這種技術，擴大其應用范圍。他們正在進行的由工業(yè)企業(yè)贊助的研究項目包括：鋼的攪拌摩擦焊、汽車輕型構件的攪拌摩擦焊等。美國的愛迪生焊接研究所(Edison Welding Institure，簡稱EWI)與TWI密切協(xié)作，也在進行FSW工藝的研究。美國的美國洛克希德·馬丁航空航天公司、馬歇爾航天飛行中心、美國海軍研究所、Dartmouth大學、德克薩斯大學、阿肯色斯大學、南卡羅里納大學、德國的Stuttgart大學、澳大利亞的Adelaide大學、澳大利亞焊接研究所等都從不同的角度對攪拌摩擦焊進行了專門研究。 從材料焊接角度，目前研究較多的是鋁合金的焊接。鋁合金是一種高比強度的材料，將其用于飛機、汽車、船舶等結構中，可以減輕這些結構的重量，提高它們的綜合性能。但是，由于其熔點、比重較低，熱傳導系數(shù)大，熔焊時易產(chǎn)生氣孔、裂紋、變形等缺陷。同時，由于焊接加熱使其性能降低，故鋁合金零件的連接多用鉚接或機械連接，因此，限制了鋁合金在飛機、汽車、船舶等結構中的應用。利用攪拌摩擦焊技術，可以克服熔焊時的缺陷，且焊接接頭的性能不會降低。 1．3．1 攪拌摩擦焊接材料研究 目前應用FSW成功連接的材料有A1合金，Mg合金，鉛，鋅，銅，不銹鋼，低碳鋼等同種或異種材料。Rommevaux等人進行了鋁合金—Ag的FSW焊接研究，Johnson R 對AM50，AM60，AZ31，AZ91鎂合金同種和異種材料之間進行了FSW焊接試驗，證明可以應用FSW連接鎂合金[17]。FSW不僅對一系列鋁合金成功連接，而且也實現(xiàn)了對高熔點材料Ti合金的連接。TWI于1997年11月報道成功FSW焊接3mm厚的低碳鋼，EWI(Edison Welding 1nstitute)于1998年5月報道成功連接6mm軟鋼，并報道12mm厚12％Cr不銹鋼的FSW焊接。由此可知，隨著焊接工具的發(fā)展，F(xiàn)SW可以應用于更多的材料的連接[18]。 1．3．2 攪拌摩擦焊機理研究進展 目前FSW研究的重點大多集中于研制適用于不同材料的焊接工具和工藝；焊接接頭的性能及合理的結構設計等方面，但對焊接過程的材料流動機理的研究尚處于探索階段。Clooigan K利用FSW焊接變形過程概念模型來分析塑性材料的流動。為了使攪拌頭周圍塑性材料運動可視化，采用兩種新技術。鋼球跟蹤(Steel shot tracer technique)和停止運動技術(Stop action technique)。試驗所用材料為厚6．4mm 6061—T6及7075—T6板材[18]。 鋼球跟蹤技術(Steel shot tracer technique)是利用0．38mm鋼球鑲嵌在工件不同的位置，焊接沿著鑲嵌接頭并且沿著跟蹤視線停止。焊頭仍然在工件中時停止它的運動，鋼球將沿著焊頭分布，則在焊縫中的跟蹤軌跡可以得到。 另外一種方法為“停止運動”技術(Stop action technique)，以使攪拌頭不能旋轉的速度快速的停止焊頭的運動并且將焊頭從工件中取出，保證與攪拌頭接觸的金屬材料仍然附著在孔的周圍。通過分析焊縫尾端小孔，可以分析焊頭軌跡材料的流動情況。不過這種方法需要數(shù)控電動裝置。 利用兩種新技術得出：并不是所有被焊頭影響的材料被真正的攪拌。許多材料的運動只是簡單的擴展(Extrusion)。材料從焊頭的上層部位被激活，被激活的材料沿著焊頭的邊沿向下運動，填充空隙。其它的材料只是沿著回撤面向上擴展，沿著焊頭周圍升到焊縫上部[18]。 1．3．3 攪拌摩擦焊力學性能研究進展 關于FSW焊接接頭力學性能的問題，一直是研究熱點。包括接頭強度、塑性、抗腐蝕性、動態(tài)應力下的疲勞強度及協(xié)調(diào)最優(yōu)問題。Pao P S等人研究了FSW接頭腐蝕—疲勞裂紋生長情況。不同腐蝕介質(zhì)，接頭的抗腐蝕性不同。得出的主要結論有：(1)由于高的裂紋閉合水平(High crack closure levels)，F(xiàn)SW HAZ的疲勞裂紋生長速率非常低，而△k(應力強度因子)比母材的要高出許多；(2)在空氣中，F(xiàn)SW熔核的疲勞裂紋生長速率比母材的稍微的高些；(3)在高△k和中間△k區(qū)域，F(xiàn)SW熔核及HAZ區(qū)域的疲勞裂紋生長速率是3．5％NaCl溶液的兩倍高；(4)由于FSW過程使晶界變得敏感，當在3．5％NaCl溶液中時，F(xiàn)SW焊縫有晶間裂紋。Corral J等人研究了2024和2195(A1—Li合金)的FSW接頭的腐蝕性能，試驗結果證明接頭與母材具有相同的腐蝕行為[18]。 1．3．4 攪拌摩擦焊設備 迄今，已研制成功多類攪拌摩擦焊設備，在宇航領域，美國制造技術系統(tǒng)公司（MIS）開發(fā)了2臺液壓驅動攪拌摩擦焊設備，其中1臺安裝在South Carolina大學。此設備裝有可調(diào)節(jié)自適應攪拌頭和多軸攪拌摩擦焊控制系統(tǒng)，能夠實現(xiàn)非平面和變截面(厚度)結構件高強鋁合金材料的攪拌摩擦焊開發(fā)研究。該設備的攪拌頭能自動傾斜±15o，使用可調(diào)節(jié)攪拌頭對焊縫施加90KN的焊接壓力，如使用普通形狀的攪拌頭則可對焊縫施加130 kN的頂鍛壓力。焊接材料厚度可以達到30mm，攪拌頭的旋轉速度在2000r／min的條件下可輸出340N?m的扭矩。 英國Halifax的Crawford Swlft公司也在1999年為英國空中客車公司生產(chǎn)了一臺Powerstir 360型攪拌摩擦焊設備。這臺龍門式攪拌摩擦焊設備整體尺寸為11．5m×5．4m×4．7m，配有三軸數(shù)控裝置，主軸電機功率為60kW，最大向下焊接頂鍛壓力為l00kN，焊接平臺由新型伺服電機和滾珠絲杠驅動，焊接速度可達到8m/min，主要用來生產(chǎn)大型民用飛機的鋁合金機翼和機身，其中包括新型的A380大型客機。 最近，ESAB公司又制造了2臺龍門式攪拌摩擦焊設備，其中1臺安裝在TWI用于研究高電阻鎳銅合金的焊接。該設備的焊接范圍為8m×5m×1m，主要用來完成Euro Stir攪拌摩擦焊研究項目和其他秘密研究項目，該設備是迄今世界上最大的攪拌摩擦焊實驗設備，如圖1-4所示。 圖1-4 ESAB Super Stir攪拌摩擦焊設備 在我國，北京航空制造工程研究所在2002年取得了TWI的攪拌摩擦焊專利技術許可，并合作成立了中國攪拌摩擦焊中心，生產(chǎn)和銷售商業(yè)化的攪拌摩擦焊設備。中國攪拌摩擦焊中心設計制造了國內(nèi)第1臺攪拌摩擦焊設備，該設備主要用來完成直徑等于或大于2．2m的火箭簡體的攪拌摩擦焊[19]，如圖1-5所示。 圖1-5 龍門式攪拌摩擦焊機 1．4 攪拌摩擦焊的工業(yè)應用 基于攪拌摩擦焊接這種固相連接技術的明顯優(yōu)越性，例如：可焊金屬范圍廣、優(yōu)良的接頭力學性能，不需要填充焊接材料，沒有焊接煙塵和飛濺，很少的焊前準備和焊接變形等，在世界范圍內(nèi)的國際合作中開展了大量的研究和開發(fā)工作。特別是攪拌摩擦焊可以焊接各種鋁合金材料，甚至以前所謂的不可焊鋁合金材料都能焊接，如應用于航空、航天領域的2000系列(Al－Cu)、5000系列(Al－Mg)、6000系列(Al－Mg－Si)、7000系列(Al－Zn)、8000系列(Al－Li)高強鋁合金[33, 34]，也可以利用這種先進的焊接方法得到高質(zhì)量的連接[20]。 目前，除了在飛機制造領域內(nèi)，攪拌摩擦焊技術已由試驗研究、工程開發(fā)轉入大規(guī)模的工業(yè)化應用階段，迄今，已經(jīng)在船舶、高速列車等制造領域得到了非常成功的應用，在宇航領域，也成功應用到運載火箭、航天飛機的低溫燃料筒、軍用和科學研究火箭和導彈以及熔焊接構件的修理等，如圖1-6、1-7、1-8所示。 圖1-6 飛機方向舵液控件的FSW修理 圖1-7 攪拌摩擦焊鋁合金炮彈 圖1-8 攪拌摩擦焊焊接Delta火箭燃料貯箱 船舶制造和海洋工業(yè)是攪拌摩擦焊首先得到商業(yè)應用的兩個工業(yè)領域，主要應用：甲板、側板、防水壁板和地板、外殼和主體結構件、直升機降落平臺、水上觀測站、帆船的桅桿及結構件等，如圖1-9所示。 圖1-9 船用攪拌摩擦焊鋁合金型材甲板 對于陸路交通工業(yè)，攪拌摩擦焊在列車制造領域的應用主要為：高速列車、軌道貨車、地鐵車廂和有軌電車、集裝箱體等；攪拌摩擦焊在汽車上的應用主要為：底盤、車身支架、卡車車體、汽車起重器、裝甲車的防護甲板等，如圖1-10所示。 圖1-10 列車用攪拌摩擦焊鋁合金型材 攪拌摩擦焊在民用建筑工業(yè)的應用主要為：鋁合金橋梁、裝飾板、門窗框架、管線、熱交換器等。電子工業(yè)對攪拌摩擦焊的興趣也在增加，其應用主要表現(xiàn)為：發(fā)動機殼體、電器連接件、電器封裝等，如圖1-11、1-12所示。 圖1-11 FSW制造的鋁合金散熱器 圖1-12 輸變電攪拌摩擦焊熱沉器 在其它工業(yè)領域，攪拌摩擦焊也有較多應用，例如冰箱冷卻板、廚房電器和設備、“白色”家用物品和工具、天然器、液化氣儲箱和容器、家庭裝飾等。 隨著人們對攪拌摩擦焊技術認識的提高，預計在不遠的將來，鋁合金、鎂合金、鋅合金、鈦合金等輕金屬材料的連接將主要由攪拌摩擦焊來完成，尤其在運載火箭、高速鋁合金列車、鋁合金高速快艇、全鋁合金汽車等項目中攪拌摩擦焊技術將會占主導地位[12]。 1．5 攪拌摩擦焊的發(fā)展前景 由于攪拌摩擦焊焊縫組織好、接頭力學性能優(yōu)異，因而在許多工業(yè)領域獲得了廣泛應用。在航天工業(yè)中，攪拌摩擦焊工藝在飛行器鋁合金結構制造中的推廣應用，在國外已顯示出強勁的技術創(chuàng)新活力，給傳統(tǒng)制造工藝帶來了革命性的改造。1998年美國波音公司的空間和防御實驗室引進了攪拌摩擦焊技術，用于焊接某些火箭部件;麥道公司也把這種技術用于制造Delta運載火箭的推進劑貯箱[21]；NASA及格·馬公司正在評估該工藝用于連接2195A1—Li合金的可行性。在造船和車輛工業(yè)，歐洲已有數(shù)家公司將該技術用于生產(chǎn)大型預制鋁板。在設備開發(fā)和制造方面，挪威已建立了世界上第一個攪拌摩擦焊商業(yè)設備，可焊接厚3～15mm、尺寸6×16m2的Al船板; ESAB公司正在制造可供商業(yè)應用的攪拌摩擦焊機，計劃安裝在TWI，用來焊接尺寸為8 m×5m的工件，預計可焊接的工件厚度為1.5～18 mm。從上述工業(yè)應用和設備開發(fā)實例可以看出，攪拌摩擦焊已經(jīng)在航空、船舶、高速列車、汽車等制造領域的輕結構制造中顯示出強勁的創(chuàng)新活力和廣闊的應用前景，并得到了廣泛應用。 1995年英國焊接研究所（TWI）在中國申請了有關攪拌摩擦焊和攪拌頭專利保護(專利號:ZL95192193.2)，并且在1999年得到了中國知識產(chǎn)權局的批準(批準號:51451)；在 2002年4月18日，北京航空制造工程研究所和英國焊接研究所在北京正式簽署攪拌摩擦焊專利許可和技術合作協(xié)議，并且在雙方合作成立了中國攪拌摩擦焊中心的基礎上，注冊成立了中國首家專業(yè)化的攪拌摩擦焊技術公司——北京賽福斯特技術有限公司。北京賽福斯特技術有限公司負責中國攪拌摩擦焊中心在中國地區(qū)（包括：香港、澳門和臺灣）的所有攪拌摩擦焊業(yè)務：主要從事攪拌摩擦焊技術的研究、FSW工程應用開發(fā)、FSW設備的制造和銷售以及全權負責中國攪拌摩擦焊中心的FSW “二級許可權”的發(fā)放和管理。中國攪拌摩擦焊中心和專業(yè)化北京賽福斯特技術有限公司的成立，標志著攪拌摩擦焊技術的開發(fā)和工程應用研究工作在中國市場的正式開始，是新世紀中國焊接技術發(fā)展史上一塊矚目的里程碑。國內(nèi)某些院校和研究所也開始了這方面的研究工作，有理由相信，攪拌摩擦焊技術在中國也有著應用前景。 1．6 本論文的目的和意義 通過對相關資料、文獻的查找，獲得相關資料，了解攪拌摩擦焊焊接原理及相關工藝，了解攪拌摩擦焊的應用范圍，了解攪拌摩擦焊在焊接中的優(yōu)勢，了解攪拌摩擦焊的研究現(xiàn)狀和在工業(yè)中的應用，以及攪拌摩擦焊的發(fā)展前景。參照攪拌摩擦焊工裝設計相關資料，設計一臺能焊接焊縫厚度為20mm，焊縫長度為600mm的攪拌摩擦焊實驗用焊機。在寫設計說明書的過程中，要求對關鍵部位的設計寫得比較詳細、具體，并校核該實驗用焊機的各主要部分。 第二章 攪拌摩擦焊焊機設計 本章講述攪拌摩擦焊焊機各重要部分的設計計算過程，包括總體設計規(guī)劃、攪拌摩擦系統(tǒng)設計、伺服系統(tǒng)設計、電氣控制設計。 此攪拌摩擦焊焊機，攪拌摩擦頭轉速約6000r/min，焊接速度100—600mm/min，最大加工焊縫厚度20mm，焊縫長度600mm，總功率約3千瓦，適合于普通厚度的鋁及其合金的攪拌摩擦焊工藝實驗研究。 2．1 總體設計規(guī)劃 此焊機為單件生產(chǎn)，機體和機體中構件多采用A3鋼焊接結構，以降低產(chǎn)品成本。根據(jù)一般要求，為方便使用者的操作，此焊機的工作臺平面約離地面高1200mm，焊機總高度約1650mm，總長度約1000mm，工作臺面長度約700mm，寬度約410mm，工作臺上下移動約80mm，具體尺寸見零件圖。機頭高度約為200mm，攪拌軸中心距機體約300mm。工作臺箱體總長約750mm，高度約450mm，并將伺服系統(tǒng)的電機以及減速機構放在工作臺箱體里，使得此焊機有更好的外觀。由于V帶傳遞動力時有過載保護，所以，電機的輸出均先通過V帶傳遞，再傳遞到工作機上。液壓系統(tǒng)推動工作臺作垂直移動，液壓缸放置于機箱箱體內(nèi)，正前方開一個觀察窗口，便于檢測和維修。機體的后下方放置焊機的電氣控制部分。上部分安裝攪拌摩擦系統(tǒng)的動力電機，電機放在電機座上，然后再將電機座固定在機體上，調(diào)整電機座在機體上的位置就可以調(diào)整V帶輪中心距。機體后面開上下兩個觀察窗口，分別為上方的攪拌系統(tǒng)電機和下面的電氣控制部分進行檢測和維修時使用。焊機的操作面板，在工作臺箱體正面的左方，操作起來也很方便。左下方和右方為觀察窗口，打開觀察窗口的面板，便可以對里面的減速機構進行檢測和維修。 2．2 攪拌摩擦系統(tǒng)設計 2．2．1 攪拌頭及夾具設計 攪拌頭是攪拌摩擦焊技術的關鍵，由特殊形狀的攪拌焊針和軸肩組成，軸肩直徑大于攪拌焊針直徑。攪拌焊針用具有良好耐高溫力學和物理特性的抗摩損材料制造，并進行表面處理。 對于不同厚度的板所用的攪拌摩擦頭不同，方便攪拌頭的更換，夾持部分采用螺紋聯(lián)接，夾持部分為M12，長度為L=15mm，焊針直徑D=3—10mm，焊針做成特殊的螺旋狀，加大了焊針與工件的接觸面積，同時也有利于被焊金屬的攪動，如圖2-1所示。軸肩半徑為焊針直徑的三倍[22]，肩部直徑為D=9—30mm，軸肩采用如圖2-2所示的圖案，有利于軸肩與塑化材料緊密地結合在一起，這樣也提高了軸肩與焊件表面的接觸面積，同時也提高了焊接時的閉合性，從而可以防止塑化的材料在攪拌頭旋轉時噴射出去。各型號攪拌摩擦頭的參數(shù)見表2-1。 圖2-1 焊針示意圖 圖2-2 軸肩示意圖 表2-1 攪拌摩擦頭參數(shù)及焊縫截面積 板厚（mm） 焊針直徑（mm） 焊針長度（mm） 軸肩直徑d(mm) 角度（度） 焊縫斷面積mm2 20 10 19 30 10 400 15 8 14 24 8 240 10 6 9 18 6 120 5 5 4．5 15 4 50 3 3 2．8 9 2 18 攪拌頭夾具用于聯(lián)接攪拌頭和攪拌軸，其具體結構如圖2-3所示。 圖2-3 攪拌頭夾具 2．2．2 攪拌系統(tǒng)功率計算 假設鋁合金在焊接時的最高溫升為600℃，對于20mm板，焊縫截面積約為400mm2,焊速約為100mm/min，由于熱傳遞和熱量損失，設能量利用率為50%，單位時間內(nèi)焊縫溫升部分體積為：400x100=40000mm3 ，能量計算公式為[23] （2-1） 式中：C——比熱容（J/kg?K） △T——溫度變化值（℃） V——體積（m3） ρ——密度（kg/m3） η——效率 E——能量（J） 查得鋁的各項參數(shù)如下[23] ρ=2700Kg/m3，C=904.3J/Kg·K 由式（2-1）單位時間內(nèi)需要能量為 則功率為： 選用2.2KW電機（Y100L1—4型，1430r/min，H=100，HD=245，伸出軸徑D=28mm，長度L=60mm，鍵槽寬8mm）[24] 攪拌摩擦焊焊機輸入工件的總功率為[22] （2-2） 式中：N——輸入工件總的熱功率（J） n——攪拌摩擦頭的轉速（r/min） μ——摩擦系數(shù) F——工件上壓力（N） r0、r1——焊頭軸肩和焊針的半徑（mm） 因為單位時間內(nèi)輸入工件的能量與總功率相等，在單位時間內(nèi)則有 （2-3） 查得鋁與鋼的摩擦系數(shù)為0.17[23] ，由式（2-2）、（2-3）得 F=101N 則攪拌頭向前移動阻力為 由此可以得出對于不同板厚的材料在焊接時的壓力和焊接速度，見表2-2。 表2-2 不同板厚在焊接時的壓力和焊速 板厚mm 焊縫截面積mm2 壓力N 焊速mm/min 20 400 101 100 15 240 101 133 10 120 101 200 5 50 90 350 3 18 90 600 2．2．3 攪拌系統(tǒng)V帶設計 圖2-4 名義功率：，轉速約為6000r/min，要求傳動比為i=4.196 1．選擇V帶型號 計算功率PC由下式確定 （2-4） 式中：KA——工作情況系數(shù) P——需要傳遞的名義功率（KW） 查表2-3得工作情況系數(shù)，由式（2-4）計算得 根據(jù)PC和n由圖2-4選用Z型V帶。 表2-3 工作情況系數(shù) 工作機 原動機 載荷性質(zhì) 機器舉例 普通鼠籠式交流電動機、同步電機、直流電動機（并激），n>600r/min的內(nèi)燃機。 交流電動機（大轉差率、雙鼠籠式、單相、滑環(huán)式）、直流電動機（復激、串激）、單缸發(fā)動機，n≤600r/min的內(nèi)燃機。 一天運轉時間（h） ≤10 10-16 >16 ≤10 10-16 >16 載荷平穩(wěn) 液體攪拌機等 1．0 1．1 1．2 1．1 1．2 1．3 載荷變動小 機床等 1．1 1．2 1．3 1．2 1．3 1．4 載荷變動較大 木工機械等 1．2 1．3 1．4 1．4 1．5 1．6 載荷變動很大 破碎機等 1．3 1．4 1．5 1．5 1．6 1．8 2．確定帶輪基準直徑dd1、dd2。 由圖2-5可得 （2-5） （2-6） （2-7） 圖2-5 V帶傳動示意圖 小帶輪直徑dd1宜選大些，可減小帶的彎曲應力，有利于延長帶的壽命；在傳遞的轉矩一定時，dd1選大一些可降低帶工作時的圓周力，從而可以減少帶的根數(shù)。通常小輪直徑dd1應大于或等于表2-4所列最小基準直徑dmin。若dd1過大，傳動的外廓也將增大。由表2-4選擇小輪直徑為dd1=63mm， 由式（2-5）得 表2-4 V帶輪最小基準直徑dmin及基準直徑系列 mm V帶輪槽型 Y Z A B C D E dmin 20 50 75 125 200 355 500 基準直 徑系列 20 22.4 25 28 31.5 35.5 40 45 50 56 63 71 75 80 8590 95 100 106 112 118 125 132 140 150 160 170 180 200 212 224 236 250 265 280 315 355 375 …… 由表2-4選擇dd2=265mm 實際傳動比 實際轉速 傳動比偏差 ，小于5%，符合條件。 3．驗算帶速V0。 帶速太高，帶的離心力很大，使帶的離心應力增大，并使帶與輪之間的壓緊力減小，摩擦力隨之減小，從而使傳動能力下降；帶速過低，傳遞相同功率時帶所傳遞的圓周力增大，需要增加帶的根數(shù)。一般應使帶速V在5—25m/s范圍內(nèi)工作，尤以V=10—20m/s為宜。帶速由下式確定 （2-8） 由式（2-8）得 帶速在5—25m/s范圍內(nèi)，符合要求。 4．確定中心距a，V帶基準長度Ld。 （1）初選中心距a0。設計時對中心距有一定的要求，即大于436mm，根據(jù)得，初選a0為500mm,符合取值范圍。 （2）計算初定的帶長Ld。。由式（2-7）得 （3）基準帶長Ld。由表2-5選用Ld=1600mm, KL=1.16 表2-5 普通Z型V帶基準長度Ld系列及長度系數(shù)KL Ld 400 450 500 560 630 710 800 KL 0.87 0.89 0.91 0.94 0.96 0.99 1.00 Ld 900 1000 1120 1250 1400 1600 1800 KL 1.03 1.06 1