利用普通臺(tái)鉆床進(jìn)行攪拌摩擦焊接教學(xué)實(shí)驗(yàn)研究

史旭龍，房中華，孫正卓，蔣應(yīng)田，楊 坪，張文泉

(遼寧石油化工大學(xué)，遼寧 撫順 113001)

目前通用攪拌摩擦焊機(jī)由三部分組成[1-4]，即機(jī)械部分、動(dòng)力傳動(dòng)與控制部分以及控制界面與數(shù)據(jù)處理等。機(jī)械部分主要由能夠上下運(yùn)動(dòng)的燕尾滑塊、機(jī)架、攪拌摩擦頭、傳動(dòng)裝置、冷卻裝置、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和平臺(tái)縱向調(diào)節(jié)裝置等組成。動(dòng)力傳動(dòng)及控制部分由攪拌軸動(dòng)力電機(jī)、攪拌頭上下運(yùn)動(dòng)給進(jìn)電機(jī)及減速系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)（或者機(jī)頭運(yùn)動(dòng)）動(dòng)力電機(jī)及減速系統(tǒng)等。控制界面及數(shù)據(jù)處理部分由單片機(jī)或微型計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。從上述組成看，該機(jī)器具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)較高的自動(dòng)化焊接過(guò)程和良好的焊接參數(shù)的控制與再現(xiàn)。但是設(shè)備價(jià)格昂貴，一般都在幾十萬(wàn)元以上，需要作為大型設(shè)備來(lái)使用，在普通院校的教學(xué)中很難普及使用。

1 Z512臺(tái)鉆床實(shí)現(xiàn)攪拌摩擦焊的可行方案

Z512鉆床是金屬切削機(jī)床中常用的設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便的特點(diǎn)。其驅(qū)動(dòng)電機(jī)由一臺(tái)三相600 W異步電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，轉(zhuǎn)速可通過(guò)皮帶輪調(diào)節(jié)進(jìn) 行 480、800、1460、2440、4100 等五檔變速。根據(jù)文獻(xiàn)介紹，對(duì)于鋁及其合金，在攪拌摩擦焊時(shí)，其主軸速度一般在800～2000轉(zhuǎn)/min。對(duì)于工件的移動(dòng)及速度控制，依據(jù)鉆床平臺(tái)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了工件夾具與手推（拉）行走機(jī)構(gòu)。攪拌摩擦焊接過(guò)程中的攪拌頭下壓量，可根據(jù)需要事先設(shè)定鉆床夾頭最低到達(dá)位置來(lái)確定。

2 攪拌頭的設(shè)計(jì)

在攪拌摩擦焊接過(guò)程中，攪拌頭的軸肩和工件上表面間的摩擦熱對(duì)工件進(jìn)行預(yù)熱，軸肩也對(duì)焊縫起到加壓成型作用。攪拌針與工件間的摩擦熱作為焊接區(qū)內(nèi)部金屬加熱軟化的主要熱源，隨著被焊板厚度的增加攪拌針與工件材料的摩擦生熱在整個(gè)焊接熱輸入中所占的比例增加[5]。攪拌頭的軸肩直徑與攪拌針直徑比越大，工件的預(yù)熱和焊縫加壓效果越好，焊縫成形也越好。但是，對(duì)于攪拌功率的要求也越大，因此軸肩半徑與針半徑比要適中。文獻(xiàn)[5]介紹軸肩的直徑約是攪拌針根部直徑的3倍，實(shí)驗(yàn)用攪拌頭的軸肩半徑與針半徑比為3。為簡(jiǎn)化加工，本攪拌頭采用形狀簡(jiǎn)單的圓柱形攪拌針。在焊接過(guò)程中攪拌針還對(duì)接頭進(jìn)行切削、塑化金屬的攪動(dòng)以及破壞和彌散接頭表面的氧化膜。因此，攪拌針的運(yùn)行狀態(tài)相當(dāng)復(fù)雜，既有摩擦加熱，又有摩擦扭矩和焊接移動(dòng)阻力扭矩。在此狀態(tài)下，攪拌針的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)既要考慮可焊接厚度，也要考慮摩擦針的受力變形和磨損。鑒于本摩擦焊接過(guò)程主要針對(duì)教學(xué)需要，焊接材料厚度主要為4～8 mm，因此攪拌針長(zhǎng)度定為4 mm。考慮應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，焊接時(shí)間短，對(duì)攪拌頭磨損小和攪拌頭的加工方便性，攪拌頭材質(zhì)選用了常用的碳鋼，具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 攪拌頭設(shè)計(jì)

3 焊接工藝過(guò)程

（1）將攪拌頭安裝在鉆床夾頭，并擰緊夾頭。

（2）調(diào)整鉆床轉(zhuǎn)速至設(shè)定值。當(dāng)板越厚時(shí)，轉(zhuǎn)速應(yīng)低一些。因?yàn)榘逶胶瘢ぜ嵩娇臁８咚倌Σ習(xí)r，軸肩摩擦熱及軸肩摩擦力矩成倍增加，軸肩下的母材軟化量大幅提高，摩擦扭矩大幅增加，特別是在鋁軟化后十分明顯。在攪拌針部位，增加的產(chǎn)熱量有限，而軸肩摩擦熱量傳遞至攪拌針部位需要一定的過(guò)程和時(shí)間。因此焊接速度并不能大幅提高，反而會(huì)導(dǎo)致鉆床動(dòng)力矩不夠，出現(xiàn)皮帶輪打滑現(xiàn)象，焊接過(guò)程無(wú)法進(jìn)行。

（3）將工件組裝到夾具上，使攪拌頭中心對(duì)準(zhǔn)工件焊縫中心。

（4）調(diào)整鉆床夾頭高度，使攪拌頭軸肩略低于工件表面下 0.5 mm。

（5）選定始焊位置，啟動(dòng)鉆床后，操作搖臂使攪拌頭與工件接觸摩擦將攪拌針沉入工件內(nèi)摩擦預(yù)熱。

（6）大約預(yù)熱15 s后（明顯感覺(jué)到鋁板軟化后）手推動(dòng)（或拉動(dòng)）工件均勻行走，即可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定焊接過(guò)程。焊接過(guò)程如圖2所示。

圖2 攪拌焊接過(guò)程

（7）對(duì)于厚度超過(guò)攪拌針長(zhǎng)度的試件，焊接需要采用兩面進(jìn)行。

4 焊接參數(shù)與焊后外觀檢驗(yàn)及性能測(cè)試

（1）焊接參數(shù)。攪拌摩擦焊的參數(shù)主要是攪拌頭速度、攪拌頭壓力、焊接速度以及攪拌預(yù)熱時(shí)間。對(duì)于攪拌頭壓力，由于采用鉆床焊接，無(wú)法進(jìn)行測(cè)試。攪拌頭轉(zhuǎn)速可根據(jù)皮帶輪大小調(diào)擋設(shè)置，在實(shí)際摩擦過(guò)程中，由于皮帶的打滑，肯定要比設(shè)置的轉(zhuǎn)速要低。具體如表1所示。

（2）焊后檢驗(yàn)及性能測(cè)試。通過(guò)對(duì)5 mm和8mm厚度工業(yè)純鋁板進(jìn)行攪拌摩擦焊接后表明，焊縫外觀總體成形良好，在焊接速度合適的情況下，焊道表面光滑，兩側(cè)邊緣有極少量的氧化膜。焊縫厚度較母材減薄量為0～0.2 mm。通過(guò)對(duì)焊縫外觀檢查、X射線內(nèi)部無(wú)損檢測(cè)以及鋸切斷口檢查顯示，接頭表面成形與焊縫內(nèi)部熔合均良好，如圖3所示。通過(guò)對(duì)接頭的強(qiáng)度拉伸測(cè)試，結(jié)果顯示，薄板雙面焊接（焊縫重疊67%）強(qiáng)度較低，只有母材強(qiáng)度的70%。厚板雙面焊接（重疊為10%）接頭強(qiáng)度可以達(dá)到母材強(qiáng)度的98%。

圖3 純鋁板攪拌摩擦焊實(shí)驗(yàn)樣品

5 教學(xué)應(yīng)用

通過(guò)對(duì)2008級(jí)材料成型與控制專業(yè)6個(gè)班12組實(shí)驗(yàn)表明，利用普通鉆床可以實(shí)現(xiàn)攪拌摩擦焊接工藝實(shí)驗(yàn)，為學(xué)校節(jié)約了大筆的設(shè)備費(fèi)用。

6 結(jié)論

（1）攪拌摩擦焊設(shè)備復(fù)雜，價(jià)格昂貴，占用教學(xué)經(jīng)費(fèi)龐大。

（2）在簡(jiǎn)單焊接夾具的配合下利用普通鉆床可以實(shí)現(xiàn)攪拌摩擦焊工藝過(guò)程，能滿足教學(xué)需要。

表1 焊接參數(shù)及接頭性能測(cè)試

（3）利用普通鉆床攪拌摩擦焊系統(tǒng)焊接的工業(yè)純鋁接頭強(qiáng)度達(dá)到了預(yù)期焊接效果，基本能滿足今后教學(xué)和科研需要。實(shí)驗(yàn)過(guò)程操作相對(duì)簡(jiǎn)單，可以對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ挠?xùn)練起到很好地鍛煉。

（4）雙面重疊攪拌摩擦焊接接頭強(qiáng)度要比非重疊強(qiáng)度要低一些。

[1]趙熹華，馮吉才.壓焊方法及設(shè)備[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[2]劉會(huì)杰.焊接冶金與焊接性[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[3]中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì)編.焊接手冊(cè)(第二版1冊(cè))——焊接方法與設(shè)備[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

[4]王希靖，陳書(shū)錦，李常鋒，等.攪拌摩擦焊機(jī)控制器的研制[J].蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2004(1)：15-18.

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