电磁场对异种金属摩擦焊接头组织及性能的影响 - 图文-

1、 第二章实验材料及研究方法大轴向压力为200KN,主轴转速可调,最高转速为3000rpm。该焊接配备有自行研制的计算机闭环控制及数据采集系统,可以对摩擦焊接过程中的焊接压力、轴向缩短量及轴向燮形速度进行实时闭环控制,同时可以检测圭轴转速、轴向压力、轴向缩短量及摩擦扭矩等参数的交化。所用的计算机系统为研华586工业控制计算机,并配备了PCL.812PG多功能数据采集卡,PCLD.880工业接线端子板和PCL.789D放大调理板。焊接压力控制用DBE型先导式电液比例溢流阀,压力控制精度可达4-5%;转速测量采用匿本3402型光电转速传感器,误差小于O.2%;鼹力测量采用西安中星测控公司眼界中心研制

2、的csPT型愿力传感器,其输出电压05V,误差小于Ot3%;位移测量采用阜新传感嚣厂生产瓣F×81/士60型差动变压器式位移传感器,精度为0.5;扭矩的测量是通过采集主机电流来捡测摩擦扭矩。本试验采用SP.15A型高频感应加热电源作为感应电磁场施加设备,如图2.1 j薅示。该电源是采用国际上先进的电力器件葶日独特豹变流控制技术,其最大功率为15KW,输入电压为单相220V(5060Hz,输出振荡频率为30looKHZ,加热电流在200600A闫可调,负载持续攀为80%。使用过穗中冷却水的水愿不小于0.2MPa,流量为2.-z5M懈n。在摩擦焊接过程中,将感应加热线圈置于摩擦雾瑟处戳施

3、加感应电磁场。焊接过程中焊接工彳孛与加热线疆应保持网心,弗 图2-1高频感应电源Fig.21Induction power supply with high frequency23蹰北工业大学硕士学位论文使焊缝处于感应线圈轴向中心位置,以保证电磁场均匀施加在焊件上,感应电磁场的施加装置原理如图2.2所示,图2.3为本研究所采用的实验设备实物图。图2-2电磁场下的摩擦焊接装置示意圈the electromagnetic field Fig.2-2Schematic diagram ofexperimental arrangement with 图2-3摩擦焊机及电磁场施加装置的实物图fricti

4、on welding process under external electromagnetic field Fig.2-3The picture ofthe real 谖北工业大学硕士学位论文 图2-5感应线圈赛物强Fig.2-5The picture ofthe actual induction loop2.6感应摩擦焊接过程计算枕控制系统的设计本实验采愿了自抒磋发豹摩擦焊接过程诗算机控制系统2005。该系绫可以通过键盘直接录入焊接参数(如:焊接压力、焊接时间等,选择焊接过程的控 图2-6摩擦焊机控制系统焊接参数输入画面offriction welding machine Fig.26I

5、nput operation menu ofthe control system第二章实验材料及研究方法制方式,并在焊后直接输出所采集的焊接过程参数。感应摩擦焊接过程中焊接参数的控制及检测结果画面分别如图2-6和图27所示。 图2.7摩擦焊机控制系统检测结果输出画黼Fig.27Output menu ofthe detecting results ofthe friction welding process为了探讨外加电磁场对异种金属摩擦焊接过程热力学参数、焊接接头组织及性能豹影嫡规律,本研究堑新调整了摩擦焊接过程豹控制程侉,分澍在摩擦霸热阶段和顶锻保压阶段施加电磁场作用,并保证摩擦焊接过程中

6、电磁场施加时间的准确控翩。电磁场作馐下的摩擦焊接过程计算祝控制系统工作原理框鬻如图2-8所示。感应摩擦焊机工作过程如下:首先启动焊机,系统初始化完毕厨,输入焊接规范,滑台开始快进,到了工进彼后滑台开始工进,摩擦副相互接触后开始摩擦,压力达到摩擦压力后开始计时,此时判断在摩擦加热阶段是否施加电磁场,如果需要旖加电磁场刚启动感应电磁场设备;当摩擦加热阶段结束后歼始进行顶锻,并判断在顶锻保压阶段是否施加电磁场,如果需要旌加电磁场则继续运行感应电磁场设备,不需要施加时列关闭感应电磁场设备。到顶刹时差结束时刻开始刹车,顶锻时间绐束后关闭感应电磁场设备,松开旋转夹具,而后滑台后退,到达原位君,松开移动夹其

7、,系统清零,取下工件。 西北工渡大学硕士学位论文一阶段,两个金属表面在载荷作用下发生接触时,表阿上(微凸尖端某些接触点发生粘着剪切,即干摩擦,此时摩擦系数较大,故扭矩(即电枢电流迅速达到峰值(鼹3-1中(a点,此时是初始摩擦阶段;第二阶段,即开始过渡到摩擦加热阶段,在这一阶段中热嫩沿着轴向传导。随着时间的增长,摩擦表面被一层高温塑性金属所覆盖,摩擦扭矩隧之降到一个较稳定的数值;第三阶段,为刹车顶锻阶段,由于采用了先顶后刹方式,产生了后扭矩峰值,主机电枢电流达到了厢峰值(巨3。l中(b杰,然氟慢慢降低到零。3.2.2TC4钛合金与L5纯铝摩擦焊接头组织本研究所使用的TC4钛合金组织为叶p型双相钛

8、合金,a-Ti与p-Ti问的转变温度在850"C发右。钛与铝在1460"C时可以形成锯含量为36%的瓤越型金属间化合物;在1340。C1对能形成铝含量为60%-64%的Ti3AI型金属间化合物【曰。 图3-2TC4与L5摩擦焊接头钛剿的徽鼹组织图3-3TC4钛台金母静敷蕊组缎Fig.3-2MicrosWuctures of Titanium side in the Fig3。3Micmstru咖es ofTC4alloyfriction weldedjoint ofTC4and L5alloy聪合金,缝Al摩擦焊接头一般垂焊缝区WZ(Weld zone、热力影响区HFZ(H

9、eat and force affected zone和母材区BM(Base metal组成。在摩擦焊接过程孛,潞合区溘发最高、变形程度矮大,是主要豹产热源。在焊接熬与力的作用34第三章TC4钛合金与L5纯铝的摩擦焊接下,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,是一曲面,如图3-2所示。由于在Ti合金/A1的摩擦焊接转速低(400rpm,摩擦焊接界面的温度较低,焊合区及焊接热力影响区钛合金侧仍保留了母材的叶B双相组织(如图3-3所示,不生成化合物相。

10、 图3_4TC4与L5摩擦焊接头铝侧的微观组织(箭头所指为焊缝所在方向(a动态再结晶区(b部分动态再结晶区(c母材Fig.3-4Microstructures ofAluminum in the friction weldedjoint ofTC4and L5alloy(aDynamic recrystallization zone(DRZ(bPartial dynamic recrystallization zone(cBase metal(the welding line is marked by an arrow 龋北工业大学硕士学位论文洼;0点左测为TC4镶合金,0点右侧为”纯铝图3撕

11、TC4钛合金与L5纯铝摩擦焊接头的维氏硬度沿轴向的分布曲线Fig。3缶MicrohardnessdistributionoffrictionweldedjointbetweenTC4alloyandL5Aluminum 出,经过焊厢热处理的焊接接头硬度使均高于焊态下的硬度值,尤其是在钛会金侧。由于焊后去应力回火热嬷理过程中,焊合区TC4钛合金侧介稳13相逐步分解为弥散的q十B相,从而进一步加强了摩擦焊合区钛会金侧的时效强化效果,致使焊合区TC4钛含金侧的硬度值大幅度提高。摩擦焊接接头拉伸试验结果表明:在本 研究所设定的摩擦焊接规范和热处理规范下,TC4钛合金/L5纯Al摩擦焊接头的拉伸试验均断

12、予铝侧母糍,其平均拉伸强度为82.17MP鑫,超过铝金属图3-7Ti合金/纯Al摩擦焊接头拉伸试样宏观形貌母材的抗拉强度(80Fig3-7Macrostruelureoffrictionweldingjointof Tialloy andpure IOOMPa。拉伸试样宏aluminu”after tenSile test观形貌如图37所示。匿、日口蕞 硒北工业大学硕士学位论文的飞边卷曲度较大,而钛侧几乎无飞边。在接头上TC4钛合金和LDl0铝合金的界面清晰可见,在铝舍金侧焊接流线隐约可见。由于焊接界面上摩擦副问相互的粘着、剪切与搅拌作用,其烊缝界面晶凹不平。 图4-1TC4钛台金和LDl0铝

13、合金摩擦焊接头宏观照片Fig.4ll Macrostructuxe offriction weldingjoim between TC4and LDl0alloy由于异转材料摩擦焊时,高速摩擦塑性变形层主要产生在高温强度较低的材料一侧,因此TC4钛合金和LDIO铝合金的摩擦焊接时钛合金一侧在焊接过程中的变形程度小,近缝区组织特征是与焊缝成垂纛的纤维状流线,几乎无动态再结晶鼎粒,其组织特征与母材相比变化不大,焊接接头焊合区的变形与动态蒋结晶主簧发生在LDl0铝合金侧。图4-2为TC4钛合金和LDl0锅台金摩擦焊接头铝合金侧姓微组织。对于LDl0铝合金来说,其扭转塑变区对瘦动态再结晶区,挤压塑交嚣

14、对斑局部动态再结晶区。LDl0铝合金母材试沿轧制流线分布的细长晶粒和少最的第二相,黑色的杂痍也沿轧裁方向分布在晶界上(图4-2e;丽在焊接接头动态再结器区豹晶粒则非常细小(图4-2a,局部动态再结晶区晶粒相对粗大一烘,且非等轴状(图4-2b。这表骧在焊接过程中,上述嚣个区的动态露结晶条伟(即变形程度、变形温度和变形速率等都有较大的纛异,动态再结晶区发生了剧烈的变形一动态蒜结鑫一变形魏孝螽巧过程。翔匿4,2掰示,爆态下TC4钛合金嗣LDl0铝舍金摩擦焊接头铝合金侧动态再结晶区的组织细化的c【相与弥散分布的杂质相。局部再结晶区的组织与动态再结磊送基本褶固,但赫粒尺寸较大且不均匀,在近母材区逐有个别

15、较粗大的变形晶粒。第四章电磁场对TC4钛合金与LDl0铝合金摩擦焊缝金属组织与性能的影响 图4-2TC4与LDl0摩擦焊接头铝台盎侧显徽缎织(8动态洱结晶送(b部分动态露结晶区(c母材Fig.4-2Micmstructures ofLDl0Aluminum ofthe friction weldedjoint between TC4and LDl0 ahoy(aDynamic recrystallization zone象z;(磅Partial dynamic rscrystallization zone;(cBase metal图4.3为有、无电磁场作用时,采用相间的摩擦焊接规范参数得到的T

16、C4每LDIO摩擦焊接头铝合金侧豹显微缝织。其牛超缨的等辜由晶粒处于焊会区位置,紧挨着是处于HFZ区内的动态再结晶区。由于摩擦焊接过程中,焊合区的变形程度与变形速度均远高于HFZ豹动态再绪磊送,瓒以在焊合区蠹豹鹣粒尺寸要43西北工业大学硕士学位论文比动态再结晶区(HFZ内的,l、。从图还可以看出,摩擦麴热阶段麓加电磁场作翊使TC4钛合金和LDl0锚合众摩擦焊接头铝合金佣焊台区金属的动态再结醅(包括焊合区的宽度交大,辍性变形区的宽度也增加,HFZ显微组织过渡更均匀。 图4.3电磁场对TC4与LDl0摩擦焊接头错台盘侧塑性变形区的影响(aI=600A,Tt-2s,Tr=0s(bI=0A,Tl=0s,T2=0sFig.43Influence ofthe electromagnetic field on the plastic deformation zone ofLDl0aluminumin friction weldingjoint ofTC4and LDl0alloy(aI=600A,Tl=2s,T2=0sI-0A,TI。