搅拌摩擦焊焊接工装设计【全套CAD图纸和说明书】

目      录

第一章 绪论 ……………………………………………………… 1
1．1 搅拌摩擦焊简介 …………………………………………… 1
1．2 搅拌摩擦焊的技术优势  …………………………………… 4
1．3 搅拌摩擦焊的研究现状  …………………………………… 5
1．4 搅拌摩擦焊的工业应用  …………………………………… 9
1．5 搅拌摩擦焊的发展前景  …………………………………… 11
1．6 本论文的目的和意义 ……………………………………… 12
第二章 搅拌摩擦焊焊机设计 …………………………………… 13
2．1 总体设计规划 ……………………………………………… 13
2．2 搅拌摩擦系统设计 ………………………………………… 13
2．2．1 搅拌头及夹具设计………………………………… 13
2．2．2 搅拌系统功率计算………………………………… 15
2．2．3 搅拌系统V带设计………………………………… 16
2．2．4 搅拌轴的设计……………………………………… 25
2．3 伺服系统设计 ……………………………………………… 31
2．3．1 伺服系统功率计算………………………………… 31
2．3．2 伺服系统V带设计………………………………… 32
2．3．3 伺服系统齿轮传动设计…………………………… 35
2．3．4 伺服系统传动丝杠设计…………………………… 44
2．3．5 伺服系统液压传动器件选择……………………… 46
2．4 电气控制设计 ……………………………………………… 46
2．4．1 电气控制设计原则………………………………… 46
2．4．2 电气控制系统原理图……………………………… 47
结论  ……………………………………………………………… 50
致谢  ……………………………………………………………… 51
参考文献  ………………………………………………………… 52

第一章　绪  论

搅拌摩擦焊是由英国焊接研究所(The Welding Institute，简称TWI)于1991年提出的一种固态连接方法[1-5],并于1993年和1995年在世界范围内的发达和发展中国家申请了知识产权保护。此技术原理简单，且控制参数少、易于实现自动化，可将焊接过程中的人为因素降到最低。搅拌摩擦焊技术与传统的熔焊相比，拥有很多优点，因而使得它具有广泛的工业应用前景和发展潜力。有关搅拌摩擦焊接头的组织、力学性能(包括断裂、疲劳、腐蚀性能)、无损检测以及工艺参数对焊缝质量的影响等的研究是推广应用搅拌摩擦焊的基础，有关这些方面的研究是这个领域的研究热点。
搅拌摩擦焊技术是90年代发展起来的、自发明到工业应用时间跨度最短和发展最快的一项神奇的固相连接新技术。截止2002年9月15日，世界范围内得到英国焊接研究所(TWI)搅拌摩擦焊专利技术许可的用户己经有78家，与搅拌摩擦焊技术相关的专利技术有551项[6-8]。著名的B o e i n g、NASA、  BAE、  HONDA、 GE、HITACHI、MARTIN等公司购买了此项技术，并已大量的在航天、航空、车辆、造船等行业得到成功地应用。
1．1 搅拌摩擦焊简介
1．1．1 搅拌摩擦焊原理及工艺

图1-1 搅拌摩擦焊原理图[9-11]
搅拌摩擦焊的焊接原理如图l-1所示。置于垫板上的对接工件通过夹具夹紧，以防止对接接头在焊接过程中松开。一个带有特型搅拌指头的搅拌头旋转并缓慢的将搅拌指头插入两块对接板材之间的焊缝处。一般来讲，搅拌指头的长度接近焊缝的深度。当旋转的搅拌指头接触工件表面时，与工件表面的快速摩擦产生的摩擦热使接触点材料的温度升高，强度降低。搅拌指头在外力作用下不断顶锻和挤压接缝两边的材料，直至轴肩紧密接触工件表面为止。这时，由旋转轴肩和搅拌指头产生的摩擦热在轴肩下面和搅拌指头周围形成大量的塑化层。当工件相对搅拌指头移动或搅拌指头相对工件移动时，在搅拌指头侧面和旋转方向上产生的机械搅拌和顶锻作用下，搅拌指头的前表面把塑化的材料移送到搅拌指头后表面。在搅拌指头沿着接缝前进时，搅拌焊头前头的对接接头表面被摩擦加热至超塑性状态。搅拌指头和轴肩摩擦接缝，破碎氧化膜，搅拌和重组搅拌指头后方的摩碎材料。搅拌指头后方的材料冷却后就形成焊缝，可见此焊缝是在热——机联合作用下形成的固态焊缝。这种方法可以看作是一种自锁孔连接技术，在焊接过程中，搅拌指头所在处形成小孔，小孔在随后的焊接过程中又被填满,应该指出，搅拌摩擦焊缝结束时在终端留下个匙孔。通常这个匙孔可以切除掉，也可以用其它焊接方法封焊住[11]。在焊接过程中主要的产热体是搅拌指头和轴肩。在焊接薄板时，轴肩和工件的摩擦是主要的热量来源。
搅拌摩擦焊焊接工艺参数主要有：搅拌指头的焊接速度、搅拌指头的旋转速度以及压紧力。这些参数决定了焊接过程中搅拌指头周围产生的热量，并且直接影响到焊缝的组织和性能。
1．1．2 搅拌头
搅拌头是搅拌摩擦焊机上中最重要的构件之一。它一般由耐高温抗摩损材料制成，主要包括特形指头和轴肩两部分。在焊接过程中轴肩与被焊材料的表面紧密接触，防止塑化金属材料的挤出和氧化，同时搅拌轴肩还可以提供部分焊接所需要的搅拌摩擦热。搅拌指头的形状比较特殊，焊接过程中搅拌指头要旋转着压入被焊材料的结合界面处，并且沿着待焊界面向前移动。
搅拌头的材料一般用合金工具钢，现有科学研究人员对搅拌头进行表面TiAlN处理的实验研究，TiAlN涂层具有优于TiC、TiN、TiCN等涂层的机械物理性能，并可与其它涂层配合组成多元多层复合涂层。在制造业中的切削试验及加工实践表明，采用TiAlN涂层处理的刀具、钻头的表面化学稳定性好，抗氧化磨损能力强，高速焊接铝合金材料时，其工作寿命可比普通合金工具钢搅拌头提高3～4倍，降低搅拌摩擦焊的加工成本，提高经济效益。
随着搅拌摩擦焊技术的发展，英国焊接研究所研制的“艺术阶段”的WhorlTM和MxT6nute TM系列搅拌头可以在6毫米厚的铝合金挤压型材上连续焊接上千米长的焊缝而不用更换，并且可以得到性能优良的焊缝。利用搅拌摩擦焊技术焊接薄板零件时，搅拌头的肩部与工件表面摩擦产生的热量是金属热塑化所需能量的来源。对于厚板的搅拌摩擦焊来说，要得到优良的焊接接头，随着板厚的增加，搅拌头与工件之间需要提供更多的热来保证搅拌头附近区域金属的热塑化，同时，搅拌头还需要确保焊接区域金属材料的搅拌激活以及控制塑化金属的流变转移来形成合格的固相焊缝。总之，搅拌头是搅拌摩擦焊技术中“心脏”[11-12]。
1．1．3 搅拌摩擦焊材料
搅拌摩擦焊的焊接温度低于材料的熔点，焊接过程中始终没有材料熔化，所以搅拌摩擦焊是一种固态连接方法。
基于搅拌摩擦焊焊接过程中不存在材料熔化的特点，搅拌摩擦焊几乎可以焊接所有系列的铝合金材料及铝基复合材料(MMC)。对于传统焊接方法较难焊接的2xxx和7xxx系列高强度铝合金材料，也可实施可靠连接。另外，对于异种材料的搅拌摩擦焊也具有优越性，如搅拌摩擦焊不仅可以实现2024／6061以及2024／7015等不同牌号铝合金材料的焊接，还可以实现铜合金和铝合金等不同种材料的焊接。
搅拌摩擦焊还可以焊接铜、镁、锌、铅等合金材料，对于钢合金、钦合金和铝基复合材料的搅拌摩擦焊开发研究也很成功。
对于不同状态的合金钢，搅拌摩擦焊也能实现焊接，如锻压板材和挤压形材的焊接，锻压板材和铸铝的焊接等[12]。
1．1．4 接头性能
搅拌摩擦焊接头主要包括四个微结构区域：焊核区、热／机影响区、热影响区和母材。中间区域为晶粒非常细小的焊核区域，其中椭圆形的“洋葱”环状组织结构是焊接接头良好的标志；在焊核区的外围存在一个热／机影响区，此部分晶粒组织发生了明显的塑性变形和部分重结晶。
对于不可热处理强化的铝合金，采用搅拌摩擦焊可以得到没有空洞和裂纹的优良焊接接头，接头的拉伸强度一般大于或优于母材，并且断裂一般出现在热影响区和远离焊缝接头的母材上；对于可热处理强化的铝合金，搅拌摩擦焊接头的力学性能优于弧焊接头。另外，通过控制搅拌摩擦焊过程中焊缝区域的热输入，特别是控制搅拌摩擦焊接头中硬度和强度最低的热影响区的回火和过时效影响，可以有效地提高焊接接头的力学性能指标。
与熔焊方法相比较，铝合金材料的搅拌摩擦焊接头的疲劳性能具有明显的优势，这是因为搅拌摩擦焊得到的是精细的再结晶组织。另外，由于焊接过程材料没有熔化，焊缝组织中不会有熔焊工艺经常出现的凝固偏折、裂纹、气孔和夹杂等缺陷[12]。
1．2 搅拌摩擦焊的技术优势
搅拌摩擦焊除了具有普通摩擦焊技术的优点外，还可以进行多种接头形式和不同焊接位置的连接。如图1-2所示[13-15]。

图1-2 几种搅拌摩擦焊的接头形式
采用搅拌摩擦焊技术不仅能焊接几乎所有熔焊能够焊接的金属，而且能焊接许多熔化焊接性能差的金属，例如：铝合金、钛合金、铜合金等。就铝合金而言，铝合金在高温熔化时易吸附氢导致凝固后产生气孔，容易产生热裂纹和变形，因此焊接缺陷率高，并且随着铝合金中合金元素含量的增加，这些焊接缺陷率会大大增加。若是采用搅拌摩擦焊，则因为焊接过程中无金属熔化而克服了上述缺点，因此搅拌摩擦焊可以使不适宜于熔焊的金属得到可靠的连接。此外，搅拌摩擦焊不仅能用于同质合金间的连接，而且还适用于异质合金间的连接。

图1-3 搅拌摩擦焊焊缝分区示意图
采用搅拌摩擦焊取代传统的熔焊，还能改善焊缝组织和大大提高焊接接头的力学性能，并且排除了熔焊缺陷产生的可能性。搅拌摩擦焊焊缝组织分区示意如图1-3所示，焊缝组织可分为A、B、C、D四个区域:A区为母材区(basic metal，简称BM)；B区为热影响区(heat affected zone，简称HAZ)，该区域的材料因受热循环的影响，微观组织和力学性能均发生了变化，但没有发生塑性变形;C区为热变形影响区(there momechanically affected zone，简称TMAZ)，该区域材料已经产生了剧烈的塑性变形。就铝合金而言，再结晶区域和TMAZ之间通常有明显的界限，但在其它没有热致相变的材料中，如在纯钛、β钛合金、奥氏体不锈钢和铜中，似乎TMAZ整体已再结晶化，产生了无应变再结晶，这可能使得HAZ/ TMAZ的边界难以精确划分;D区为焊核(dynamically recrystallized zone，简称DXZ)，焊核是最接近轴肩的区域，组织结构通常有较大的变化。在焊接接头的热影响区中，除了腐蚀反应比母材快一些外，其金相组织与母材没有多大区别；在焊接接头的热变形影响区，焊接过程引起长晶粒的弯曲和轻微的重结晶；焊核由纤细的经动态再结晶的等轴晶构成，其晶粒尺寸比母材的晶粒尺寸小得多。5083铝合金的搅拌摩擦焊实验表明，焊缝最薄弱的环节不在焊核区，而是在热影响区。经过固溶处理和人工时效处理的2xxx系列、6xxx系列铝合金的搅拌摩擦焊焊缝，经过时效处理后，其强度接近于基体材料的强度[16]。
1．3 搅拌摩擦焊的研究现状
搅拌摩擦焊工艺最初主要用于解决铝合金等低熔点材料的焊接，关于搅拌摩擦焊工艺的特点和应用等，TWI进行了较多的研究，并于1993年、1995年申请了专利。目前，TWI主要是与航空航天、海洋、道路交通、铝材厂、焊接设备制造厂等大公司联合，以团体赞助或合作的形式开发这种技术，扩大其应用范围。他们正在进行的由工业企业赞助的研究项目包括：钢的搅拌摩擦焊、汽车轻型构件的搅拌摩擦焊等。美国的爱迪生焊接研究所(Edison Welding Institure，简称EWI)与TWI密切协作，也在进行FSW工艺的研究。美国的美国洛克希德·马丁航空航天公司、马歇尔航天飞行中心、美国海军研究所、Dartmouth大学、德克萨斯大学、阿肯色斯大学、南卡罗里纳大学、德国的Stuttgart大学、澳大利亚的Adelaide大学、澳大利亚焊接研究所等都从不同的角度对搅拌摩擦焊进行了专门研究。
从材料焊接角度，目前研究较多的是铝合金的焊接。铝合金是一种高比强度的材料，将其用于飞机、汽车、船舶等结构中，可以减轻这些结构的重量，提高它们的综合性能。但是，由于其熔点、比重较低，热传导系数大，熔焊时易产生气孔、裂纹、变形等缺陷。同时，由于焊接加热使其性能降低，故铝合金零件的连接多用铆接或机械连接，因此，限制了铝合金在飞机、汽车、船舶等结构中的应用。利用搅拌摩擦焊技术，可以克服熔焊时的缺陷，且焊接接头的性能不会降低。
1．3．1 搅拌摩擦焊接材料研究
目前应用FSW成功连接的材料有A1合金，Mg合金，铅，锌，铜，不锈钢，低碳钢等同种或异种材料。Rommevaux等人进行了铝合金—Ag的FSW焊接研究，Johnson R 对AM50，AM60，AZ31，AZ91镁合金同种和异种材料之间进行了FSW焊接试验，证明可以应用FSW连接镁合金[17]。FSW不仅对一系列铝合金成功连接，而且也实现了对高熔点材料Ti合金的连接。TWI于1997年11月报道成功FSW焊接3mm厚的低碳钢，EWI(Edison Welding 1nstitute)于1998年5月报道成功连接6mm软钢，并报道12mm厚12％Cr不锈钢的FSW焊接。由此可知，随着焊接工具的发展，FSW可以应用于更多的材料的连接[18]。