论文部分内容阅读
径向摩擦焊是摩擦焊技术近年发展起来的重要研究方向之一,它继承了摩擦焊接高可靠性、高效率、高焊件尺寸精度、高环保效益等诸多优点,适用于环状、不易旋转的轴对称零件的焊接,如长管道的对接、管管套接等接头形式。径向摩擦焊过程是一个高温高压的快速能量转换和冶金过程,摩擦界面及其附近材料的温度与变形对焊接质量有着重要的影响。因此,研究径向摩擦焊焊接过程中的产热及热过程焊接工艺参数的制定和优化以及控制焊接质量具有重要意义。采用HSMZ-130型惯性轴/径向摩擦焊机完成了45钢径向环与37CrMnMo钢管的惯性径向摩擦焊的工艺试验,优化了惯性径向摩擦焊工艺参数；利用分层能量估计法,求得焊接所需的能量总输入,确定完成焊接所需的飞轮初始转速为548rpm；通过空载转速测试获得多组转速随时间的变化曲线,利用惯性储能理论计算得到HSMZ-130型惯性轴/径向摩擦焊机飞轮及主轴的固有阻力矩为485N-m；采用半自然热电偶和标准K型热电偶对惯性径向摩擦焊接过程中摩擦界面上和距离摩擦界面不同距离的焊接热循环曲线,检测结果表明摩擦界面的最高温度为1115℃,摩擦界面附近的温度梯度很大,而远离摩擦界面位置的温度梯度较小。基于库伦摩擦基础理论,假设摩擦热是由摩擦界面上的一层厚度1mm的薄层产生,并考虑焊接中由于高温材料的挤出所损耗的热量,通过摩擦做功理论推导,引入与径向环平均温度有关的摩擦压力修正系数,考虑了闭合径向环的弹性反作用力对径向加压的影响,建立了径向摩擦焊接热源模型,并用于惯性径向摩擦焊热过程的计算；结果表明,摩擦界面温度和转速衰减的计算结果与试验结果吻合良好,所建热源模型可以用于惯性径向摩擦焊的产热及焊接热过程。结果表明,在本文的研究条件下,焊接过程中飞轮的总能量利用率为70.4%,且摩擦界面两侧的能量分配比接近1：1。在飞轮转速衰减过程中,在摩擦阶段和顶锻阶段分别摩擦产热功率峰值,且摩擦阶段的峰值功率约为顶锻阶段的峰值功率的3倍。摩擦界面上的温度增长率与摩擦产热功率具有相同的变化趋势,摩擦界面的最高温度为1152℃,与实验检测结果吻合良好。温度场沿径向呈同心圆分布,沿轴向呈椭圆分布；随着远离摩擦界面,温度逐渐降低。焊接结束后,径向环的总径向缩短量为1.981mm,且摩擦阶段的径向缩短量为1.449mm,顶锻阶段的径向缩短量为0.532mm。