（材料加工工程专业论文）电解铝导杆钢铝连接工艺及设备研究.pdf

电解铝导杆钢一铝连接工艺及设备研究 摘要 传统的铝电解槽阳极导电装置是由铝导杆 铝 钢爆炸焊片和钢爪通 过焊接而成的 在实际生产过程中 由于工况条件恶劣 经常会出现开 裂问题 影响生产 另外 传统导电装置受导电面积的影响 能耗高 针对以上问题 我们提出对传统导电装置进行改进 取消爆炸焊片 采 用摩擦焊接技术实现铝导杆与钢爪的连接 并在此基础上设计开发专用 摩擦焊机 在电解铝行业进行推广 本文对m 1o o m m 的纯铝与 1o o m m 的铸钢进行摩擦焊接试验 对接 头进行了力学性能分析 包括室温拉伸试验 高温拉伸试验和冲击试验 显微分析 包括金相组织观察 电子探针分析 扫描电镜分析 接头硬 度分析和x 射线分析 和接头电阻率测定 结果表明 在选定工艺参数 条件下 接头成形良好 力学性能高于铝母材 焊缝结合面凹凸不平 近缝区的晶粒组织扭转变形 界面元素相互扩散 形成过渡层 通过对 模拟试样电阻率测定 与爆炸焊相比 节能效果明显 根据摩擦焊机的设计要求 结合前期焊接试验的情况 拟定出了铝 导杆与钢爪摩擦焊专机的设计参数 摩擦焊机分为主机系统 液压系统 和控制系统三部分 本文首先对主机结构中的一些主要参数进行了计算 给出了移动夹具和旋转夹具的结构简图 并且介绍了定相位机构的工作 原理 然后在液压系统中 选定了电液比例阀 给出了液压系统的原理 图 在控制系统中 采用工业控制计算机 i p c 与可编程控制器 p l c 相结合的控制模式 共同完成对系统的闭环控制过程 详细介绍了控制 系统的工艺流程以及p l c 的外部接线图 最后应用d e f o r m 软件对铝导杆与钢爪的焊接过程进行了温度场的 模拟 为后期的生产提供了一定的指导 关键词 电解铝 钢 铝 摩擦焊 性能分析 摩擦焊机 温度场 硕士学位论文 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 电解铝导杆钢一铝连接工艺及设备研究 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 硕士学位论文 1 1 课题提出背景 第1 章绪论 铝及铝合金已成为世界上应用最为广泛的金属材料之一 在所有金 属中 产量和消费量仅次于钢铁材料而居于第二位 1 2 铝工业是关系到 国民经济发展的重要产业 为经济发展和工业生产提供了重要的基础原 料 现在世界上所有的铝都是用电解法生产出来的 我国电解铝工业 自2 0 世纪5 0 年代开始 经过近5 0 年的发展 从6 0 k a 自焙槽逐渐发展 到边部加料预焙槽和现代中间下料的大型预焙槽 自从上世纪7 0 年代末 引进16 0 k a 中间下料预焙槽技术之后 以消化国外技术开始 揭开了中 国现代铝电解技术发展的序幕 以铝电解槽热电磁力特性及磁流体数学 模型研究为核心 在工艺 材料 过程控制及配套技术等方面展开了广 泛深入的研究工作 9 0 年代以来 在基础理论 大型电解铝槽开发以及 工程应用方面取得了一系列的成果 开发成功了2 8 0 k a 3 2 0 k a 以上的 特大型电解槽技术 使铝工业的进步令人瞩目 3 5 目前 我国有电解铝厂14 0 多家 铝产量已居世界第一位 消费已 占全球的1 4 我国电解铝产量虽然是一个名符其实的电解铝生产大国 但还称不上是电解铝生产强国 其重要原因之一 就是生产铝的单位电 耗较高 与世界先进水平仍有差距 6 电解铝生产是高能耗产业 世界 原铝生产成本组成中 电能占2 4 而我国原铝生产电能消耗占成本的 3 0 左右 7 1 现在通用的铝电解槽预焙阳极导电装置是由铝导杆 铝 钢爆炸焊接 复合片和铸钢爪通过焊接组合而成的 主要起传导电流和承载阳极碳块 重量的作用 以导电为主1 5 装置示意图1 1 所示 这种结构在使用过程中存在如下问题 6 7 1 铝 钢爆炸焊片在高温环境下容易开裂 铝 钢复合爆炸焊片最高使用温度为3 5 0 铝 钢结合面如果达到或 超过35 0 就容易开裂 在电解工况条件下 有时由于电流分布不均或新 启动电解槽时爆炸焊片就容易达到这个温度 造成爆炸焊片开裂 2 铝 钢爆炸焊片增加了阳极压降 提高了制作及检修成本 铝 钢爆炸焊片的主要功能是为了解决铝导杆和钢爪横梁两种不同材 质的连接问题而采用特殊工艺制成的一种过渡连接部件 在阳极导电装 置中 复合爆炸焊片的上部铝平面部分与铝导杆的下端平面采用铝 铝环 形焊缝连接 下部钢平面部分与钢爪的上平面采用钢 钢环形焊缝连接 电解铝导杆钢一铝连接工艺及设备研究 这两种环形焊缝的断面尺寸都小于铝导杆基本断面和钢爪横梁基本截面 积 增加了压降 另外 电解工况条件恶劣 爆炸焊片更换频繁 提高 了制作及检修成本 3 钢爪横粱导电性能差 铸钢的导电率只有铝的l 3 4 铝导杆与铝 钢爆炸片的铝端的连接 目前采用熔化焊 使用工况环 境恶劣 高温 腐蚀环境 反复使用 更换周转频繁 工人劳动强度大 工作条件恶劣 工艺装配环节多 由于钢 铝复合爆炸焊片在电解铝生产过程中处于高温环境 同时由 于电流震荡冲击等作用的影响 钢 铝结合界面和铝 铝焊接界面焊口容易 开裂 脱极事故时有发生 另外 现有阳极导电装置电耗较高 近年来 电力供应持续紧张 电解铝的产能持续扩张 电解铝工业作为高能耗的 产业 节能问题引起越来越多业内人士的关注 1 2 课题的提出 图1 1 阳极导电装置示意图 电解铝工业对环境影响较大 是高能耗 高污染行业 为响应国家 节能减排的要求 我们提出对阳极导电装置进行改进 阳极导电装置是 铝电解槽重要的导电部件 研究节能型钢 铝复合结构的连接工艺 将为 电解铝生产的节能降耗开创出一条新途径 根据该厂节能技改的要求 我们进行了大量的调研工作 结合实际生产情况 提出取消爆炸焊片 采用摩擦焊接技术将铝导杆与钢爪横梁直接连接起来 这样增大了焊缝 尺寸 降低了接头电阻 有效提高了其导电性能 达到节能降耗的目的 2 硕士学位论文 并在此基础上设计研发铝导杆 钢爪摩擦焊接专用摩擦焊机 在电解铝行 业进行推广 力争让中国的电解铝行业走上一条节能 经济 环保和高 效的发展之路 1 3 摩擦焊 1 3 1 摩擦焊原理 摩擦焊是一种压焊方法 它是在外力作用下 利用焊件接触面之间 的相对摩擦运动和塑性流动所产生的热量 使接触面及其近缝区金属达 到粘塑性状态并产生适当的宏观塑性变形 通过两侧材料间的相互扩散 和动态再结晶而完成焊接的 摩擦焊接过程一般分为以下几个基本过程 图1 2 8 j a b c 2 0 0 0 r a m 由哈尔滨龙飞焊接设备有限公司生产的m c 2 0 0 型摩擦焊机是为焊 接石油钻杆专门研制的 可焊接石油钻杆直径为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 长度为2 5 0 0 m m i 至12 5 0 0 r a m 等规格的钻杆 可焊接棒料直径为 9 0 矗m o13 4 m m 也可 用于其它行业零件的焊接 m c 2 0 0 型摩擦焊机基本参数为 整机重量3 2 吨 主轴功率2 4 0 k w 最大顶锻力为2 0 0 0 k n 主轴转速为5 4 0 r r a i n 旋转夹具夹料长度为 15 0 m m 5 0 0 r a m 移动夹具夹料长度为 2 0 0 0 r a m 9 0 0 0 m m 滑台最大行程为6 0 0 m m 焊件直径0 9 0m m 13 4 m m 焊接面积 普通钢 14 0 0 0 r a m 2 生产效率3o 6 0 件 小时 m c 2 0 0 型摩擦焊机采取自动对中方式 对中方便 定心精度高 各 部件具有足够的刚度 采用滚动直线导轨 工作平稳 焊接质量可靠 电解铝导杆钢一铝连接工艺及设备研究 控制系统采用微机质量监控系统和焊接循环过程变形量控制自动化系 统 即利用工控机和p l c 控制器及相应的传感器 继电器结合实现焊接 循环自动化 对影响焊接质量的主要参数如压力 变形量 转速进行监 控 并随机在线 以数据和曲线形式 显示 焊接参数超差报警 有效 地防止在焊机发生故障或焊接参数变化而操作者未发现期间焊出大量废 品 大大提高了焊接质量的稳定性 实现焊接过程自动化 除自动程序 外 还具有上料 对中 焊接 内冲飞边 机上淬火 下料等各动作的 单独调试功能 m c 2 0 0 型摩擦焊机实现了单机自动化 从工件上料一摩擦一焊接一 卸除工件等全部过程均按预定程序自动循环 提高了生产率 操作简单 改善了劳动条件 具备了自动线生产和修复钻杆的条件 由长二集团生产的c g 4 0 0 j 惯性驱动摩擦焊机整机重量为14 0 吨 总功率5 5o k w 最大顶锻力为4 0 0 0 k n 主轴最高转速为15 0 10 0 0 r m i n 最大转动惯量为10 6 0 0 k g m 2 旋转夹具夹料长度最大为8 0 0 m m 移动 夹具夹料长度为l7 0 0 m m 滑台最大行程为l5 0 0 r a m 焊接中碳钢材料时 最大焊接面积为2 6 6 6 0 m m 2 生产效率为2 5 件 小时 现在由哈尔滨正晨焊接切割设备制造有限公司生产的双头车桥摩擦 焊机取代电子束焊接和气保焊的双头车桥摩擦焊机 焊接时两个焊口 同时焊接 不仅焊接效率高 两个焊口小于4 m i n 焊接效率高 成本低 无辐射污染而且焊接质量好 焊缝强度不低于母材 还能够降低焊接成 本 成品活塞杆摩擦焊机是液压缸活塞杆镀铬后再进行摩擦焊接 不 仅提高生产效率 还能够降低成本 e t at e c h n o l o g y 生产的15 0 吨钻杆摩擦焊机 有两个伺服液压 缸 一个交流主轴驱动器 由拉杆形成闭环系统 线性编码器和压力传 感器组成压力闭环反馈控制系统 以p l c 触摸屏和工业p c 作为控制基 础 并且有数据采集 归档 检索和提供远程诊断的功能 m o o ga n dt h o m p s o n 公司摩擦焊机已经开发出世界上最大的线性 摩擦焊机e10 0 它的焊接面积为10 0 0 0 r a m 2 是以前的近两倍 并打破 焊接锻造负荷1o o 吨的记录 e io o 摩擦焊机主要应用在汽车和航空航天 等领域 el0 0 摩擦焊机开辟了生产汽车底板 部件和安全喷气发动机叶 片新的可能性 k u k a 公司生产的大型摩擦焊机r s 3 0 0 顶锻力为30 0 0 k n 焊接低 碳钢的最大截面为2 5 0 0 0 r a m 2 最近研发的r s10 0 0 摩擦焊机 顶锻力为 1 0 0 0 吨 焊接范围 钛合金7 0 0 0 9 0 0 0 m m 2 钢5 0 0 0 4 0 0 0 0 r a m 2 i c o n e l 镍合金2 8 0 0 2 0 0 0 0 m m 2 1 4 硕士学位论文 1 5 3 铝导杆摩擦焊专机的研究现状 1 z c c 4 0 0 摩擦焊机 哈尔滨正晨焊接切割设备制造有限公司生产的z c c 4 0 0 摩擦焊机是 目前国内最大的连续驱动摩擦焊机 应用在电力行业焊接铝钢工件 焊 接工件规格 方铝16 0 m i n x16 0 r a m 与圆钢板西2 3 0 x 5 0 m m 最大焊接面积 为314 0 0 r a m 2 焊件偏心度为s 1m m 旋转夹具为五瓣弹簧夹具 自动定 心式 床位移动夹具为水平双钳口 后顶装置卡紧范围为13 0 r a m 和16 0 r a m 两种 焊接效率 每5 分钟一件 滑台行程4 0 0 m m 最大顶锻力4 0 0 0 k n 可焊工件材质q 3 4 5 4 5 4 0 c r 2 7 s i m n 35 c r m o 等低碳钢 低合金钢之 间同种材质或异种材质之间的焊接 2 摩擦焊接的阳极铝导杆组及摩擦焊机 2 6 1 由西安科技大学韦力等研制的摩擦焊接的阳极铝导杆组及摩擦焊 机 所述阳极铝导杆组的特点是在阳极钢爪与铝导杆之间设有一个摩擦 焊接头 该接头具有一个扁平状钢制基盘 在该钢制基盘上的两个摩擦 端面上各设有一个锥形凸台 使摩擦过程既有径向摩擦又有轴向摩擦 从而达到了阳极钢爪与铝导杆的焊接端面全部实焊 最大限度地增大了 阳极铝导杆组的导流面积 减少了电解槽的槽压降 降低了生产能耗 最终达到节能增效的目的 1 6 研究内容 本课题主要从以下几个方面进行研究 1 采用连续驱动摩擦焊技术对0 10 0 r a m 的铸态纯铝与铸钢异种金属 进行焊接工艺试验 通过对大量不同工艺参数下对焊接接头力学性能及 显微结构进行分析 寻求最佳的工艺参数 根据结果指导摩擦焊专机的 设计 2 设计摩擦焊专机 包括主机机械系统 液压和润滑系统 电控操 作系统 冷却系统及闭环控制系统等 3 在设计的摩擦焊接专机上进行铝导杆与钢爪的焊接 观察摩擦界 面温度分布情况 1 7 研究难点及创新点 1 7 1 研究难点 1 铝 钢之间的固溶度较低 热物理性能差异较大 焊缝及其近缝 区会产生较大热应力 铝在高温时易氧化 不利于界面冶金结合 钢与 铝在高温下易形成f e 3 a l 等脆性化合物 恶化界面结合质量 铝 钢之间 的焊接一直是焊接领域的难点和热点问题 因此 选择合适的焊接方法 电解铝导杆钢一铝连接工艺及设备研究 是获得满意的铝与钢异种金属焊接接头的关键 2 目前我国摩擦焊技术可焊接 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 本课题研究的是18 0 m i n x18 0 r a m 的方杆大面积焊接 选 择合理的工艺参数实现可靠连接是今后研究重点之一 3 由于焊件结构的特殊性 要求我们设计与之相适应的摩擦焊专机 4 相位控制一直是相位摩擦焊的难点 现在通常采用两种定位方式 电子机械强制定位和电子直流制动定位 为了准确地进行相位控制 必 须解决的关键技术是 a 在焊接过程中及制动阶段随时检测出两焊件 的相对位置及转速 b 确定最佳的定相位时机 瞬时转速 c 确定 快速定相位的机构 1 7 2 课题创新点 1 设计新型摩擦焊专机 用于铝导杆一钢爪的超大端面连接 实现 焊接过程的自动化 在国内还无相关设备 2 采用铝导杆和钢爪直接连接的焊接结构 取消爆炸复合焊片 提 高了结构的导电性能 降低电阻率 节约生产成本 节能减排的要求 3 超大端面铝一钢接头的摩擦焊工艺研究将填补国内在此领域的空 白 1 6 硕士学位论文 第2 章铸铝 铸钢摩擦焊实验及接头性能分析 2 1 实验方案 由于异种材料和同种材料的焊接性不同 通过对异种材料摩擦焊焊 接性的分析 结合铸铝与铸钢的焊接特点 拟采用连续驱动摩擦焊方法 对o1o o m m x 6 0 0 m m 铸铝棒和西1o o m m x3 0 0 m m 铸钢棒进行焊接 通过对 焊接接头进行力学性能和显微分析 找到最佳的工艺参数及变化规律 进而指导摩擦焊专机的设计 2 2 实验方法 2 2 1 实验材料 本实验所用的材料为铸态纯铝和铸钢z g 2 3 0 4 5 0 为保证接头质量 焊接端面要进行机械加工 母材化学成分及力学性能如表2 1 表2 2 所 示 表2 1 铸态纯铝化学成分 及力学性能 表2 2z g 2 3 0 4 5 0 化学成分 及力学性能 2 2 2 实验设备 1 连续驱动摩擦焊机 实验摩擦焊机配有计算机闭环控制系统 可实时检测摩擦焊接扭矩 轴向压力 主轴转速和轴向缩短量等焊接参数随时间的变化规律 并具 有轴向缩短量恒值控制 摩擦压力和顶锻压力恒压控制测控功能 1 7 电解铝导杆钢一铝连接工艺及设备研究 2 岛津万能材料试验机 将焊接接头分别按照g b 2 2 8 8 7 g b 4 3 38 2 0 0 6 制成室温拉伸试样和 高温拉伸试样 在岛津万能试验机上对焊接接头进行室温和高温力学性 能测试 3 摆锤式冲击试验机 按照g b t 18 6 5 8 2 0 0 2 加工出冲击试样 5 5 m m x10 r a m 10 m m 采用 夏比型缺口进行冲击试验 分析焊接接头的冲击韧性 4 m e f 3 金相显微镜 将所要观察分析的样品沿轴向用线切割加工出焊缝剖面 用不同粒 度的砂纸依次打磨后抛光 将抛光后的试样用4 的硝酸酒精进行腐蚀 待腐蚀均匀后用水和酒精冲洗 吹干后在m e f 3 大型金显微镜下观察 对于低倍组织的拍摄 可以选择用2 0 硝酸酒精溶液擦拭 然后可观察 出明显的组织分界 5 e p m a 16 0 0 电子探针 将不同规范下焊好的试样制成金相试样 抛光后轻微腐蚀出焊缝 用日本岛津e p m a 16 0 0 电子探针对焊接接头处进行扩散组元含量分布和 成分定量分析 对f e 和a l 等元素进行线扫描分析 6 h x 10 0 0 t m 显微硬度计 按g b t 4 3 4 0 2 19 9 9 标准将腐蚀好的金相试样用h x 10 0 0 t m 显微硬 度计测试硬度 载荷为2 5 9 由于母材区的组织与焊缝区组织有明显的差 别 因此在进行硬度测试时 首先从母材一侧选择测量起点 开始测量 读出测量值 在表中找到相应的硬度值 然后选择一个标距 沿垂直于 焊缝的方向以此标距为基准移动测试试样 每隔0 5 r a m 取一次硬度值 待一组数据测完之后 沿焊缝方向移动一段距离 重复上述操作两次 将三次测量的结果取平均值 并以距离为变量作出硬度变化曲线图 通 过曲线变化趋势找出焊缝两侧不同区域硬度值的变化规律 7 d 8a d v a n c ex 射线衍射仪 用d 8a d v a n c ex 射线衍射仪分析冲击试样断口物相组成 确定焊 接过程中生成化合物相及对焊接接头性能的影响 8 j s m 6 7 0 0 f 扫描电镜 利用j s m 6 7 0 0 f 场发射扫描电子显微镜分析断口形貌 微区成分 显微组织形貌 9 自制电阻率测试设备 电阻率测试设备主要由电源和电阻箱组成 模拟试样接入 组成一 个简单的回路电路 在对试样加热到不同温度时测量电压值 2 2 3 焊接工艺 焊接工艺参数如表2 3 所示 1 8 硕士学位论文 表2 3 铸铝一铸钢摩擦焊工艺参数 2 2 4 焊接接头宏观形貌 a 去除飞边前b 去除飞边后 图2 1 焊接接头宏观形貌 在传统的摩擦焊接过程中 由于两侧金属高温物理性能和力学性能 的不同 焊接时两侧的变形抗力 变形程度 变形速度以及飞边大小等 有明显的差异 变形抗力大的一侧变形程度低 由图2 1 可知 铸钢侧几 乎无飞边 铸铝侧的飞边成型良好 两种材料沿结合面挤出的飞边均匀 平整 焊缝美观 无明显焊接缺陷 2 3 力学性能分析 一 虞 v 弋7 l人 7 图2 2 取样位置示意图 1 9 电解铝导杆钢一铝连接工艺及设备研究 在摩擦焊接过程中 塑性变形层厚度沿工件半径的分布是不均匀的 摩擦表面的加热往往是从距离圆心2 3 处的地方首先开始 此处摩擦加热 功率最大 温度上升最快 在后期变形区域宽度扩展 最后覆盖整个摩 擦表面 摩擦压力在焊接表面上呈双曲线分布 中心压力最大 边缘压 力最小 在压力和速度的综合作用下 距离圆心2 3 处发生相互啮合 粘 接 剪切和搅拌过程 根据摩擦焊接过程的上述特点 试样的取样位置 如图2 2 所示 2 3 1 室温力学性能 将焊接接头按照g b 2 2 8 8 7 制成室温拉伸试样 室温拉伸试样尺寸如 图2 3 所示 拉伸试样拉断后的宏观形貌如图2 4 所示 得到的焊接接头 沿径向抗拉强度如图2 5 所示 f 1 n 5 一 2 0 6 0 一i j 一 一一 1 己o 图2 3 室温拉伸试样尺寸示意图 图2 4 室温拉伸试样断裂宏观图图2 5 常温拉伸强度曲线 从图2 4 中可以看出 拉伸试样均断于铝母材侧 并且出现颈缩现象 强度能够满足使用要求 室温拉伸强度曲线如图2 5 所示 三种工艺参数 条件下 强度值的变化趋势一致 其中第三组工艺参数条件下得到的强 度值最高 为最佳工艺参数 2 3 2 高温力学性能分析 将焊接接头按照g b 4 3 38 2 0 0 6 制成高温拉伸试样 加工尺寸示意图 如图2 6 所示 试验温度分别为10 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 恒温15 r a i n 后开始拉伸 直至断裂 试样拉断后的宏观形貌如图2 7 所示 记录得到 2 0 硕士学位论文 焊接接头在各温度条件下的应力 应变曲线 如图2 8 所示 厂 缈 可 广 j 型 一 2 0 i4 c 一 9 0 一 图2 6 高温拉伸试样尺寸示意图 从宏观形貌图 图2 7 中 可以看到试样断裂形貌有所不同 但均 断于铝母材侧 当拉伸温度为10 0 和2 0 0 时 试样断口形貌与室温拉 伸断口形貌相差不大 断口呈灰色 有金属光泽 随着温度的升高 拉 伸断口钢侧颜色明显加深 断口呈针尖状 对应力 应变曲线 图2 8 进行分析 结果显示 接头抗拉强度先是先突增后下降 随着温度的升 高呈线性下降趋势 延伸率随着温度的升高而增大 图2 7 拉伸后试样宏观形貌图 图2 8 高温拉伸应力一应变分布图 2 3 3 冲击性能 目霾 u 驯 图2 9 冲击试样尺寸示意图 冲击试验中 试样在受到摆锤突然冲击时发生断裂 其断裂过程是 一个裂纹萌生和扩展的过程 经历了底部的弹性变形 塑性变形及临界 裂纹的形成 裂纹失稳扩展和剪切唇形成等过程 将试样按照图2 9 所示 的尺寸进行加工 在摆锤冲击试验机上进行试验 针对不同工艺参数条 件下的焊缝的冲击韧性进行分析 得到的结果如表2 4 所示 2 1 电解铝导杆钢一铝连接工艺及设备研究 表2 4 不同工艺参数条件下冲击韧度值 由上述数据可知 三种工艺条件下 接头冲击功相差不大 接头冲 击功主要是由晶粒大小及组织状态所决定的 并受温度的影响 不同的 温度情况下 冲击试样断裂的机理不同 2 4 显微分析 2 4 1 金相显微组织 图2 10 厚掇焊接头金相组织 焊接接头的金相组织如图2 10 所示 一般焊接接头分为三个区域 即母材区 热力影响区和焊缝区 在摩擦焊接过程中 在热与力的作用 下 焊合区金属发生了强烈的塑性变形与流动 相互搅拌与混合 相互 扩散与渗透 加热与冷却相变 动态回复与再结晶等物理冶金与力学冶 金过程 两侧材料的相互机械混合与啮合现象非常明显 焊合面凸凹不 平 呈曲面分布 在焊缝的过渡区中产生了一层塑性变形层 这种塑性 变形层是在铝与钢的相互摩擦过程中 由于焊接能量和外加压力的作用 材料产生大量的塑性变形 动态再结晶 晶粒细化 触变而形成的一层 特殊构造层 其中在铝与钢的摩擦焊接接头中 产生的塑性变形层主要 集中在铝母材一侧 钢侧很少 这主要是因为两种材料的物化性能相差 太大 2 4 2 电子探针分析 为研究铝钢摩擦界面的扩散情况 对界面进行了线扫描分析 图c 可看到铝钢界面处有波峰 表明钢铝界面有相变发生 且图中铝 钢直接 结合的界面处铝 铁原子的含量并非陡然垂直上升或下降的 而是有一 硕士学位论文 a 冲击断口元素分布图 一 m l 隧爨i黪 1 1 一 4 d l 谚嘲盛 嘲 孵糟 雕 黧 巳r 甜 赫 一j 5 一 i 一 1 d h o j l 1 电解铝导杆钢一铝连接工艺及设备研究 整个断面由许多塑坑组成 表现出明显的韧性断裂特征 无氧化 能完全 焊合 而且具有良好的力学性能 图 c 为冲击断口试样形貌 断面由 许多塑坑组成 可见冲击试样同样表现出韧性断裂的特征 2 4 4 接头硬度分析 焊接接头的显微硬度曲线如图2 13 所示 从图中可知 焊合区 0 点位置 两侧硬度均略高于母材 铝侧的硬度值随着距离焊缝位置的增 加 硬度值逐渐下降 这是因为焊合区金属发生了动态再结晶 引起晶 粒细化 使其硬度值高于母材 另一方面 由于f e 元素的扩散作用 使 图2 1 3 焊接接头显微硬度沿轴向分布曲线 得接头铝侧产生了固溶强化作用 接头的中心区域为细小的动态再结晶 组织 在焊接结合面还有少量径向拉长组织 这些锻造结构组织使得接头 区域的显微硬度比母材略高 钢侧硬度值波动较大 在近缝区略高于母 材 这不仅是因为在摩擦焊过程中a l 元素的扩散作用而引起的铸钢侧产 生时效强化 而且在晶间还生成金属间化合物或夹杂物 从而使得钢侧 局部位置的硬度提高 2 7 2 8 l 2 4 5x 射线分析 试样冲击断口x r d 图像如图2 14 从图中可以看出焊接界面生成金属 间化合物f e a i 异种金属摩擦焊接过程中 合金元素相互扩散是形成 金屑 间化合物的一个主要原因1 2 9 3 0 摩擦开始后 a l 原子不断向钢侧进行扩 散 在界面形成f e a l 金属间化合物 随着距摩擦界面距离的增加 扩散 的a l 原子就越少 同时 钢侧的f e 原子也会向铝中进行扩散 在靠界面 侧形成金属间化合物 而随着距摩擦界面距离的增加 扩散的f e 原子越 来越少 随着摩擦时间的增加 扩散区内的铝浓度增加 由于铝沿晶界的扩散 系数要比晶内的扩散系数大 因而晶界处铝元素的浓度要比平均浓度高 硕士学位论文 当晶界上的铝元素浓度达到铝在界面上的饱和浓度时 就会形成f e a l 相 的晶核 随着扩散的继续进行 晶核长大 以致于相互连接 形成连续的相 层 2 7 2 8 仓 8 馘 霞 盔 j 鑫 2 5 电阻率测定 衍射角0 图2 1 4 冲击断口不同区域的x r d 图 根据铝厂实际生产情况 一个电解槽通过的电流是2 0 0 k a 有2 8 根 铝导杆 电流密度为o 3 6 4 a m m 2 在实验过程中 我们按照电流密度恒 定 采用的是按比例缩小的模拟试样 实验中有1 2 两个试样 通过计 算 试样的尺寸大小如图2 15 所示 其中1 号试样中钢 钢界面的手工焊 焊缝长度为4 2 r a m 没有焊满 手工焊焊缝 爆炸焊缝 手工焊焊缝 1 号样 钢铝 50 i 100 2 号样 图2 15 电压值测定试样尺寸示意图 丁土 电解铝导杆钢一铝连接工艺及设备研究 两个试样上1 2 3 4 点为四个电压测量点 实验过程中 我们分 别测量了在不同温度下1 4 1 2 3 4 之间的电压值 实验电路图如图2 16 所示 实验过程中电流为9 2 58 a 图2 16 实验电路图 考虑实验结果的直观性 这里只列出两个试样在1 4 点之间的电压 值 实验结果如表2 5 所示 表2 5 电压值测定结果 通过对试验结果进行分析 可以得出温度在4 0 0 c 4 0 0 0 c 之间进行变 化时 2 号样在1 4 两点的电压值比l 号样的低 在4 0 0 0 c 降低6 5l m v 具体的节能效果如下 以年产量2 0 万吨的铝厂计算 1 按照一年工作3 6 5 天 每天2 4 小时 6 14 个电解槽计算 每年可 以节约7 0 0 万k w h 的用电量 每k w h 电按o 5 元计算 一年可节约35 0 万元 2 采用新工艺之后 取消了钢铝爆炸复合焊片 每片3 0 0 元 每年 硕士学位论文 可节省516 万元 3 每年节省焊条l6 吨 每吨l 万元计 可节约16 万元 4 节省工时费l1 万元 综合以上几点 每年可节省8 9 3 万元 现在全国电解铝的年产量是3 0 0 0 万吨 每年可为企业带来节能效益10 亿多元 2 6 本章小结 在选定的焊接工艺参数条件下 铝钢摩擦焊接头成形良好 沿结合 面挤出的飞边均匀平整 无焊接缺陷 接头力学性能高于铝母材 根据 对接头组织的显微分析 可以看出焊合区金属发生了强烈的塑性变形与 流动 两侧材料的啮合现象明显 焊合面呈曲面分布 界面元素相互扩 散 形成过渡层 通过对模拟试样的电阻率测定试验 与爆炸焊相比 节能效果明显 电解铝导杆钢一铝连接工艺及设备研究 第3 章摩擦焊机设计要求及主机设计 3 1 摩擦焊机设计要求 摩擦焊是一个机械化的焊接方法 其全部焊接操作过程以及提高焊 接生产率和保证焊接质量都依靠焊接设备 因此必须设计与制造符合要 求的摩擦焊机 对摩擦焊机的要求有以下几点1 9 1 适当主轴转速 当焊接产品的材料和直径一定时 焊机的主轴转速必须高于一个最 低的转速 以保证摩擦焊接界面有足够高的加热温度和加热速度 这个 转速叫做临界摩擦转速或极限摩擦转速 如果转速太高 不仅没有必要 而且会给主轴系统的设计和制造带来许多困难 例如轴向止推轴承的选 择 冷却和润滑都比较困难 同时对主轴系统的动平衡要求也很高 焊 接直径16 r a m 的4 5 号钢产品时 常用的转速范围为l5 0 0 3 0 0 0 r r a i n 2 足够大的主轴电动机功率 电动机功率太大会造成浪费 太小会使主轴闷车 破坏了焊接过程 或使电动机因经常过载 发热而损坏 主轴电动机功率的大小与产品的 材质 直径和所选用的焊接规范有关 3 足够大的轴向压力 轴向压力是保证摩擦加热和顶锻焊接过程的重要参数 对焊机不仅 要求其有足够大的轴向压力 而且要求压力从零升到最大值时能连续稳 定地调节 这样才能灵活的选用摩擦压力和顶锻压力 对焊机还要求应 有较高的顶锻速度 以保证在焊接温度下有足够大的顶锻变形量 4 夹头要有足够大的夹紧力和向心度 焊接时工件要被夹紧 对中 保证端面平行 防止摩擦时产生振动 在摩擦扭矩和顶锻压力的作用下 要防止工件旋转打滑或轴向滑动 使 其焊接过程顺利进行 保证接头质量 夹头的夹持直径 长度 夹紧力 的大小和移动夹头的行程 都由工件尺寸和焊接规范决定 5 合适的停车速度 接头在摩擦加热过程终了时 主轴转速由选定值下降到零的速度要 符合焊接工艺的要求 一般的停车时间在0 1 1s 之间 6 焊机刚度要大 要防止摩擦加热过程中工件产生振动 防止顶锻焊接时焊机夹头变 形偏心 影响接头质量 7 摩擦焊机要尽可能配备可靠的规范控制装置 提高和稳定焊接质量 硕士学位论文 3 2 设计参数 根据对 10 0x 西10 0 m m 的铸铝和铸钢棒的摩擦焊接接头的分析 得 到最佳的工艺参数 结合摩擦焊机的设计要求和焊机的特殊性 我们选 择的设计参数如下 1 工件规格 方铝18 0 18 0 x 3 0 0 0 m m 与扁钢横梁4 3 0 16 5 10 0 0 m m 2 焊件偏心度 s 1 2 m m 3 夹具 旋转夹具为自动定心式 移动夹具为3 组水平钳口式 4 焊接效率 每5 10 分钟1 件 5 主轴转速 5 2 0 0r m i n 可连续调整 6 最大顶锻力 5 0 0 0k n 7 可焊接工件材质 低碳钢 低合金钢与纯铝之间的相互焊接 3 3 摩擦焊机组成及功能 连续驱动摩擦焊机是利用焊件被焊表面相互摩擦所产生的热量 使 被焊表面达到塑性状态 然后迅速顶锻而完成焊接的一种热压焊设备 j b t s 0 8 6 19 9 9 其结构主要包括主机系统 液压系统和控制系统三大 部分 摩擦焊专机结构简图如图3 1 所示 r 0 i0 f if6 i l i 刮v l m 艟叫 l l j l li 七 严 i 书j l r 刍 一 1 j 鼯 舌5 叫r j p lui 3 3 1 主机系统 图3 1 摩擦焊机结构简图 主机系统是摩擦焊机的主体 主要包括主轴箱 旋转夹具与移动夹 具 滑动平台 施力油缸与床身等 其作用是通过旋转夹具与移动夹具 向焊件提供工艺所规定的转速 扭矩 摩擦压力及顶锻压力 保证焊件 的尺寸精度 实现滑台快进 快退 工进等辅助运动 它是焊机系统的 执行机构 电解铝导杆钢一铝连接工艺及设备研究 3 3 2 液压系统 液压系统的主要作用是提供焊机各动作机构 主轴离合器 制动器 旋转夹具 移动夹具 和施力系统 施力油缸 的液压动力源 以及保 证主轴旋转及滑台运动部件的充分润滑 主要包括液压电动机 液压泵 油箱以及各种方向 压力和流量控制阀所组成的液压控制回路 3 3 3 控制系统 摩擦焊机控制系统根据其控制对象可分为强电控制系统和弱电控制 系统 强电控制系统主要通过空气开关 离合器 y 转换器等器件对主 驱动电动机 液压系统电动机等强电部分进行控制 弱电控制系统则是 根据设定的焊接程序和焊接过程的触发信号 通过控制液压系统的电磁 阀与强电系统的离合器 来实现焊接过程中的顺序控制与模拟量控制 根据控制目标要求及控制功能的强弱 弱电控制系统分为继电器控制系 统 可编程 p l c 控制系统 单片机控制系统 工业计算机控制系统以 及p l c 工业计算机 或单片机 双级控制系统等几种控制形式 3 4 摩擦焊机参数计算 3 4 1 电动机的选择 1 主轴转速 铝导杆与钢爪的焊接面积 s l8 0 18 0 m m 3 2 4 0 0 m m 2 则用于计算扭矩及速度的等效半径 一 厚一 降 6 8 珑m 0 0 6 8 所 胆i v i2 j i f 了订2 删2 所 一般摩擦焊线速度范围为0 6 3 m s 对于铝 钢摩擦焊 线速度取 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 在实际生产过程中 考虑到其他规格的铝导杆 我们取转速n l5 0 r r a i n 2 摩擦转矩 m u f r 3 1 其中m 一摩擦扭矩 n m f 一摩擦压力 n r 等效半径 m u 一摩擦系数 硕士学位论文 摩擦焊接过程中 摩擦比压力取2 2 k g m m 2 由公式 3 1 摩擦转矩 m 0 7 x 2 2 3 2 4 0 0 l0 0 0 6 8 3 3 9 2 9 n m 3 主轴电动机功率 3 1 p 生坠 3 2 9 5 5 0 其中p 一电动机功率 k w 1 1 d 一电动机转速 r m i n t d 一电动机转矩 n m 由公式 3 2 主轴电动机功率 p 3 3 9 2