旋转摩擦焊过程金属流动行为的分析
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毕业设计(论文)开题报告
题目旋转摩擦焊过程金属流动行为的分析专业名称焊接技术与工程
班级学号-
学生姓名-
指导教师-
填表日期2010 年 3 月29 日
一、选题依据及意义
惯性摩擦焊基本上是在恒定的焊接压力作用下,通过焊接表面摩擦,把预先贮存在飞轮中的动能转化为热能,使焊件加热,并在飞轮和焊接压力的联合作用下把两个焊件牢固地焊接在一起,同时使飞轮一主轴停止转动。惯性摩擦焊接过程实际上是一个热加工过程,其特点不仅表现为加热温度高(高达1200 ℃以上) 、加热速度快(1300 ℃/ s)、焊接时间短(整个焊接过程在3s之内完成)[1]。这种焊接工艺主要具有以下优点:焊接质量高、稳定、可靠;焊件尺寸精度高;具有广泛的可焊性;耗能低,节能效果显著,节约原材料;焊接过程环保;生产效率高[2]。
虽然惯性摩擦焊有上述的优势,但是焊缝接头和热影响区(HAZ)冲击韧性却远远低于母材。对于现如今要求焊缝有很好的综合性能是满足不了的,为了研究这方面的不足,现在主要从控制母材的合金过度和优化惯性摩擦焊的工艺参数入手。这两个方面都与金属在惯性摩擦焊过程中的塑性流动有关,因此研究焊接过程中金属的塑性流动对提高焊接接头的综合力学性能有很大的指导作用。
在焊接过程中,焊接接头金属虽然没有达到熔点,但是接头处金属已经达到塑性状态,在这个过程中金属会发生再结晶过程。在本文中主要通过在45#中插入标记材料如(纯铁丝),分别应用不同的焊接参数进行惯性摩擦焊。焊后将焊接接头制作成切片,分析出金属的流动过程。通过了解这个流动过程,对不同物理化学性能焊接材料制定焊接工艺具有指导意义,同时可以填补摩擦焊焊接接头金属流动分析的空白。
二、国内外研究现状概况及发展趋势
摩擦焊是一种现代金属固相热压焊方法,即把两种焊件的结合面作相对高速运
动。其实质是将机械运动转化为分子运动,机械能转化为热能,并遵守能量守恒定擦热使接触部分达到塑性状态,再经加压而连接成一体的一种工艺方法,它是一个包含着热、力、冶金、传质极其相互作用的复杂过。
2.1惯性摩擦焊在生产和科研中的发展状况
随着材料科学和工程技术的发展,现代结构材料对焊接质量的要求越来越高。摩擦焊机的前身是由普通的车床改装而成,其转速低、功能简单、焊接过程必须由工人手工控制。自1963年第一台用于焊接钢缆的摩擦焊机问世及1964年福特汽车公司将摩擦焊运用于汽车尾轴的焊接以后,摩擦焊接便得到了广泛的研究和应用。六十年代初,美国GE公司对Incoel718、Rene´77、Udimet700等高温合金进行了惯性摩擦焊研究[3],惯性摩擦焊的技术可靠性得到了充分肯定和验证。六十年代末,P&W公司针对发动机涡轮盘用的waspalyo镍基沉淀强化高温合金作了惯性摩擦焊和电子束焊全面对比试验研究。他们的研究结果表明,惯性摩擦焊接头的各项性能均优于电子束焊,且达到或接近母材水平。七十年代,MTU公司对高温合金惯性摩擦焊作了更深入的研究[4],他们认为惯性摩擦焊最后顶锻阶段的扭矩是影响接头的主要参数。日本住友金属工业中央技术研究所[5]通过对Ti-6Al-4V进行大量拉伸、弯曲、冲击试验,评估了焊接的最佳工艺参数。发现轴向压力对位伸、弯曲、冲击性能有较大的影响,并且存在一临界值,大于此临界值时,接头的性能可与母材等同。九十年代初GE公司[6]将惯性摩擦焊用于高性能气体涡轮机的快速凝固含稀土钦合金,发现惯性摩擦适合于快速凝固钦合金的焊接。
国内从事摩擦焊工艺研究的单位有北京航空材料研究所(621所)、西北工业大学和西安交通大学。北京航空材料研究所的设备为推力20吨的连续、惯性两用摩擦焊机,主要从事航空发动机转子的焊接工艺研究。
2.2惯性摩擦焊对不同材料的焊接及焊缝金属塑性变形的研究
目前对于高温合金和钛合金的连接主要采用摩擦焊,特别是对回转形状材料的焊接多采用惯性摩擦焊。近来对惯性摩擦焊的研究主要是从工业中实际应用材料的惯性摩擦焊工艺过程入手。
北京航空材料研究所的梁海和刘效方[7]通过改变惯性摩擦焊焊接GH4169高温合金不同的焊接参数来研究组织和强化机制。研究发现,GH4169高温合金惯性摩擦焊的最优参数是是低转速、高压力和大惯量,焊缝中存在细化晶粒并在晶粒内部形成了稠密的位错结构。焊缝中心区δ相大部分回溶,γ,,和γ,相全部回溶;在HAZ,δ相、γ,,
和γ,相仍然存在。得出接头的强化机制包括细晶强化、固溶强化和位错强化,还可以通过形变热处理的方法加以强化的结论。
西安交通大学的宋西平[8]做的硕士毕业论文对钛合金惯性摩擦焊组织性能和强韧化机理作了深入研究。通过改变焊接参数焊接TC4钛合金,观察试样的断口形貌和显微组织,发现转速(ω)对焊接接头性能的影响最大,高转速、小压力试样的综合性能优于其他试样。同时对不同焊接参数下的焊缝进行磨金相,通过扫描电镜,透
组织,半径l/2处射电镜分析发现焊缝组织沿径向存在较大差异,焊口为针状α′+β
残留
和分布在其间的初生等轴α晶粒,焊心则为初生等轴α和分布在为少量针状,α′+β
残留
其间的再结晶α及β组织。通过分析发现焊接接头的强化是由焊缝的细晶强化、亚结构强化及焊缝周围热影响区的冷形变强化共同造成的,并且延伸率的改善同热影响区冷形变强化程度的减弱及焊缝强度、内应力水平与母材趋于一致有关,焊缝断裂韧性较差则同焊缝的组织形态、强度水平、气体含量也有关。
陈建忠、宋振琦、史耀武等[9]用Q235钢惯性摩擦焊接头进行了超声检测,观察了有缺陷和无缺陷接头的微观组织,并做了拉伸试验和冲击试验。研究发现焊接接头的静载强度很高,就算有未焊合的缺陷也不会影响静载强度,但是未焊合缺陷严重影响接头的冲击韧性。通过观察焊缝组织发现从母材到接合面有明显的细晶区和粗晶区区分,而且接合面处晶粒细小,越靠近圆周处,母材越易被挤入飞边,接合面靠近圆周处(包括外圆周和内圆周) 宽,远离圆周的中心部位窄。
西北工业大学杜随更、段立宇和吴诗俘等人[10]采用在摩擦焊接过程不同时刻停车并迅速冷却的方法来研究GH2132材料摩擦焊接过程中的动态及静态过程,通过分析发现进入准稳定摩擦阶段时,动态再结晶程度已经相当完善,并且在顶端过程中焊接区金属产生非常剧烈的径向塑性变形。
西北工业大学段立宇、吴诗俘和唐才荣等人[11]对摩擦焊接过程中焊合区金属发生动态再结晶的过程与条件进行了实验分析。分析表明,焊合区全属动态再结晶与前峰值扭矩在时问上相互对应,摩擦焊过程中前峰值扭矩的形成过程与焊合区金属的动态再结晶过程密切相关。
西北工业大学王锴、郭德伦和刘金和等人[12]通过模拟GH4169 高温合金惯性摩擦焊建立二维热力耦合模型,利用Ansys有限元分析软件得到摩擦界面附近的温度场和应力应变场。通过改变摩擦初始阶段轴向压力使之逐渐增大,发现界面温度迅速上升,摩擦机制转变,温度出现小幅波动。摩擦最高温度在1300℃左右,低于GH4169 的熔点。t=3.5s 顶锻时,摩擦界面温度在900℃到1150℃之间已基本稳定,满足锻造温