攪拌摩擦焊焊接工裝設(shè)計(jì) (帶CAD圖紙)

攪拌摩擦焊焊接工裝設(shè)計(jì) (帶CAD圖紙),攪拌摩擦焊焊接工裝設(shè)計(jì),(帶CAD圖紙),攪拌,摩擦,磨擦,焊接工,裝設(shè),cad,圖紙 摘 要 攪拌摩擦焊技術(shù)是90年代發(fā)展起來的、自發(fā)明到工業(yè)應(yīng)用時(shí)間跨度最短和發(fā)展最快的一項(xiàng)新型固相連接新技術(shù)，公認(rèn)為是最有前途和最適合航空材料以及結(jié)構(gòu)件制造的工藝方法之一。由于攪拌摩擦焊焊縫組織均勻、接頭力學(xué)性能優(yōu)異，生產(chǎn)過程中安全、無飛濺、無煙塵煙氣、無輻射，污染小、成本低等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，因而在許多工業(yè)領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。在航天工業(yè)中，攪拌摩擦焊工藝在飛行器鋁合金結(jié)構(gòu)制造中的推廣應(yīng)用，在國(guó)外已顯示出強(qiáng)勁的技術(shù)創(chuàng)新活力，給傳統(tǒng)制造工藝帶來了革命性的改造。 隨著人們對(duì)攪拌摩擦焊技術(shù)認(rèn)識(shí)的提高，預(yù)計(jì)在不遠(yuǎn)的將來，鋁合金、鎂合金、鋅合金、鈦合金等輕金屬材料的連接將主要由攪拌摩擦焊來完成，尤其在運(yùn)載火箭、高速鋁合金列車、鋁合金高速快艇、全鋁合金汽車等項(xiàng)目中攪拌摩擦焊技術(shù)將會(huì)占主導(dǎo)地位。 本文設(shè)計(jì)出的攪拌摩擦焊焊機(jī)，總功率約3千瓦，適合于普通厚度的鋁及其合金的工藝試驗(yàn)試件的焊接，攪拌摩擦頭轉(zhuǎn)速約6000r/min，焊接速度100—600mm/min，最大加工焊縫厚度20mm，焊縫長(zhǎng)度600mm。文中介紹了攪拌摩擦焊焊接技術(shù)的基本原理和特點(diǎn)，概要地介紹了攪拌摩擦焊的技術(shù)優(yōu)勢(shì)、研究現(xiàn)狀、工業(yè)應(yīng)用和發(fā)展前景。針對(duì)工藝試驗(yàn)試件攪拌摩擦焊機(jī)，主要設(shè)計(jì)、計(jì)算和校核了設(shè)備各主要部分，均能夠滿足試驗(yàn)用焊機(jī)的要求。 該設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，簡(jiǎn)單，操作方便，與市場(chǎng)價(jià)格相比，成本很低。 關(guān)鍵詞：攪拌摩擦焊；固相焊接；鋁合金焊接；應(yīng)用前景；焊機(jī)設(shè)計(jì) Abstract Friction stir welding (FSW) was firstly used in the 1990s, which is swiftest in development and is shortest in time from inventment to applyment, it is also treated as one of the technology of the most pertencial and the most suitable for aviation and struction manufaction. The joints welded by friction stir welding are homogeneous in microstructure and predominant in mechanical capacity. Because of the virtue, such as the security, no splash, no radiation and no pollution during friction stir welding, and so on, so this technique is widely utilized in industry. In aviation industry, aircrafts made by aluminium alloy are usually welded by friction stir welding. Abroad market is explored of FSW in other countries, and also making a reformation in the manufacture of watercraft. With the further acknowledgement to FSW, the joint of aluminium alloy, magnesium alloy, zinc alloy and titanium alloy will be welded by FSW. Especially, the carrier rocket, high velocity aluminium alloy train, high velocity alminium alloy speed boat and aluminium alloy vehicle will be possibly welded by the FSW. This task is to sign a machine used in laboratory. Its power is about three kilowatt, rotation rate approximately is 6000r/min, and welding speed is from 100 to 600mm/min. It can be apply to welding the aluminium and aluminium alloy. In addition, the welding thickness can’t exceed 20mm and length 600mm. In this paper, the basal principle and features of FSW is introduced, and the priority, prospect and application are also expounded. Importantly, main parts of the FSW machine was designed and calculated, the calculation results shows that the FSW machine designed in the paper can accord with the demand of the testing in laboratory. The device is simple and compact in structure. Comparing with the marketable price, its cost is very lower. Key words：Friction stir welding，Solid phase welding，Aluminium alloy welding，Application prospect，Welding machine design 目 錄 第一章 緒論 ……………………………………………………… 1 1．1 攪拌摩擦焊簡(jiǎn)介 …………………………………………… 1 1．2 攪拌摩擦焊的技術(shù)優(yōu)勢(shì) …………………………………… 4 1．3 攪拌摩擦焊的研究現(xiàn)狀 …………………………………… 5 1．4 攪拌摩擦焊的工業(yè)應(yīng)用 …………………………………… 9 1．5 攪拌摩擦焊的發(fā)展前景 …………………………………… 11 1．6 本論文的目的和意義 ……………………………………… 12 第二章 攪拌摩擦焊焊機(jī)設(shè)計(jì) …………………………………… 13 2．1 總體設(shè)計(jì)規(guī)劃 ……………………………………………… 13 2．2 攪拌摩擦系統(tǒng)設(shè)計(jì) ………………………………………… 13 2．2．1 攪拌頭及夾具設(shè)計(jì)………………………………… 13 2．2．2 攪拌系統(tǒng)功率計(jì)算………………………………… 15 2．2．3 攪拌系統(tǒng)V帶設(shè)計(jì)………………………………… 16 2．2．4 攪拌軸的設(shè)計(jì)……………………………………… 25 2．3 伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) ……………………………………………… 31 2．3．1 伺服系統(tǒng)功率計(jì)算………………………………… 31 2．3．2 伺服系統(tǒng)V帶設(shè)計(jì)………………………………… 32 2．3．3 伺服系統(tǒng)齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)…………………………… 35 2．3．4 伺服系統(tǒng)傳動(dòng)絲杠設(shè)計(jì)…………………………… 44 2．3．5 伺服系統(tǒng)液壓傳動(dòng)器件選擇……………………… 46 2．4 電氣控制設(shè)計(jì) ……………………………………………… 46 2．4．1 電氣控制設(shè)計(jì)原則………………………………… 46 2．4．2 電氣控制系統(tǒng)原理圖……………………………… 47 結(jié)論 ……………………………………………………………… 50 致謝 ……………………………………………………………… 51 參考文獻(xiàn) ………………………………………………………… 52 年 月 日 摘 要 攪拌摩擦焊技術(shù)是90年代發(fā)展起來的、自發(fā)明到工業(yè)應(yīng)用時(shí)間跨度最短和發(fā)展最快的一項(xiàng)新型固相連接新技術(shù)，公認(rèn)為是最有前途和最適合航空材料以及結(jié)構(gòu)件制造的工藝方法之一。由于攪拌摩擦焊焊縫組織均勻、接頭力學(xué)性能優(yōu)異，生產(chǎn)過程中安全、無飛濺、無煙塵煙氣、無輻射，污染小、成本低等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，因而在許多工業(yè)領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。在航天工業(yè)中，攪拌摩擦焊工藝在飛行器鋁合金結(jié)構(gòu)制造中的推廣應(yīng)用，在國(guó)外已顯示出強(qiáng)勁的技術(shù)創(chuàng)新活力，給傳統(tǒng)制造工藝帶來了革命性的改造。 隨著人們對(duì)攪拌摩擦焊技術(shù)認(rèn)識(shí)的提高，預(yù)計(jì)在不遠(yuǎn)的將來，鋁合金、鎂合金、鋅合金、鈦合金等輕金屬材料的連接將主要由攪拌摩擦焊來完成，尤其在運(yùn)載火箭、高速鋁合金列車、鋁合金高速快艇、全鋁合金汽車等項(xiàng)目中攪拌摩擦焊技術(shù)將會(huì)占主導(dǎo)地位。 本文設(shè)計(jì)出的攪拌摩擦焊焊機(jī)，總功率約3千瓦，適合于普通厚度的鋁及其合金的工藝試驗(yàn)試件的焊接，攪拌摩擦頭轉(zhuǎn)速約6000r/min，焊接速度100—600mm/min，最大加工焊縫厚度20mm，焊縫長(zhǎng)度600mm。文中介紹了攪拌摩擦焊焊接技術(shù)的基本原理和特點(diǎn)，概要地介紹了攪拌摩擦焊的技術(shù)優(yōu)勢(shì)、研究現(xiàn)狀、工業(yè)應(yīng)用和發(fā)展前景。針對(duì)工藝試驗(yàn)試件攪拌摩擦焊機(jī)，主要設(shè)計(jì)、計(jì)算和校核了設(shè)備各主要部分，均能夠滿足試驗(yàn)用焊機(jī)的要求。 該設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，簡(jiǎn)單，操作方便，與市場(chǎng)價(jià)格相比，成本很低。 關(guān)鍵詞：攪拌摩擦焊；固相焊接；鋁合金焊接；應(yīng)用前景；焊機(jī)設(shè)計(jì) Abstract Friction stir welding (FSW) was firstly used in the 1990s, which is swiftest in development and is shortest in time from inventment to applyment, it is also treated as one of the technology of the most pertencial and the most suitable for aviation and struction manufaction. The joints welded by friction stir welding are homogeneous in microstructure and predominant in mechanical capacity. Because of the virtue, such as the security, no splash, no radiation and no pollution during friction stir welding, and so on, so this technique is widely utilized in industry. In aviation industry, aircrafts made by aluminium alloy are usually welded by friction stir welding. Abroad market is explored of FSW in other countries, and also making a reformation in the manufacture of watercraft. With the further acknowledgement to FSW, the joint of aluminium alloy, magnesium alloy, zinc alloy and titanium alloy will be welded by FSW. Especially, the carrier rocket, high velocity aluminium alloy train, high velocity alminium alloy speed boat and aluminium alloy vehicle will be possibly welded by the FSW. This task is to sign a machine used in laboratory. Its power is about three kilowatt, rotation rate approximately is 6000r/min, and welding speed is from 100 to 600mm/min. It can be apply to welding the aluminium and aluminium alloy. In addition, the welding thickness can’t exceed 20mm and length 600mm. In this paper, the basal principle and features of FSW is introduced, and the priority, prospect and application are also expounded. Importantly, main parts of the FSW machine was designed and calculated, the calculation results shows that the FSW machine designed in the paper can accord with the demand of the testing in laboratory. The device is simple and compact in structure. Comparing with the marketable price, its cost is very lower. Key words：Friction stir welding，Solid phase welding，Aluminium alloy welding，Application prospect，Welding machine design 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 目 錄 第一章 緒論 ……………………………………………………… 1 1．1 攪拌摩擦焊簡(jiǎn)介 …………………………………………… 1 1．2 攪拌摩擦焊的技術(shù)優(yōu)勢(shì) …………………………………… 4 1．3 攪拌摩擦焊的研究現(xiàn)狀 …………………………………… 5 1．4 攪拌摩擦焊的工業(yè)應(yīng)用 …………………………………… 9 1．5 攪拌摩擦焊的發(fā)展前景 …………………………………… 11 1．6 本論文的目的和意義 ……………………………………… 12 第二章 攪拌摩擦焊焊機(jī)設(shè)計(jì) …………………………………… 13 2．1 總體設(shè)計(jì)規(guī)劃 ……………………………………………… 13 2．2 攪拌摩擦系統(tǒng)設(shè)計(jì) ………………………………………… 13 2．2．1 攪拌頭及夾具設(shè)計(jì)………………………………… 13 2．2．2 攪拌系統(tǒng)功率計(jì)算………………………………… 15 2．2．3 攪拌系統(tǒng)V帶設(shè)計(jì)………………………………… 16 2．2．4 攪拌軸的設(shè)計(jì)……………………………………… 25 2．3 伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) ……………………………………………… 31 2．3．1 伺服系統(tǒng)功率計(jì)算………………………………… 31 2．3．2 伺服系統(tǒng)V帶設(shè)計(jì)………………………………… 32 2．3．3 伺服系統(tǒng)齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)…………………………… 35 2．3．4 伺服系統(tǒng)傳動(dòng)絲杠設(shè)計(jì)…………………………… 44 2．3．5 伺服系統(tǒng)液壓傳動(dòng)器件選擇……………………… 46 2．4 電氣控制設(shè)計(jì) ……………………………………………… 46 2．4．1 電氣控制設(shè)計(jì)原則………………………………… 46 2．4．2 電氣控制系統(tǒng)原理圖……………………………… 47 結(jié)論 ……………………………………………………………… 50 致謝 ……………………………………………………………… 51 參考文獻(xiàn) ………………………………………………………… 52 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 第 55 頁 第一章　緒 論 攪拌摩擦焊是由英國(guó)焊接研究所(The Welding Institute，簡(jiǎn)稱TWI)于1991年提出的一種固態(tài)連接方法[1-5],并于1993年和1995年在世界范圍內(nèi)的發(fā)達(dá)和發(fā)展中國(guó)家申請(qǐng)了知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)。此技術(shù)原理簡(jiǎn)單，且控制參數(shù)少、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，可將焊接過程中的人為因素降到最低。攪拌摩擦焊技術(shù)與傳統(tǒng)的熔焊相比，擁有很多優(yōu)點(diǎn)，因而使得它具有廣泛的工業(yè)應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿?。有關(guān)攪拌摩擦焊接頭的組織、力學(xué)性能(包括斷裂、疲勞、腐蝕性能)、無損檢測(cè)以及工藝參數(shù)對(duì)焊縫質(zhì)量的影響等的研究是推廣應(yīng)用攪拌摩擦焊的基礎(chǔ)，有關(guān)這些方面的研究是這個(gè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。 攪拌摩擦焊技術(shù)是90年代發(fā)展起來的、自發(fā)明到工業(yè)應(yīng)用時(shí)間跨度最短和發(fā)展最快的一項(xiàng)神奇的固相連接新技術(shù)。截止2002年9月15日，世界范圍內(nèi)得到英國(guó)焊接研究所(TWI)攪拌摩擦焊專利技術(shù)許可的用戶己經(jīng)有78家，與攪拌摩擦焊技術(shù)相關(guān)的專利技術(shù)有551項(xiàng)[6-8]。著名的B o e i n g、NASA、 BAE、 HONDA、 GE、HITACHI、MARTIN等公司購(gòu)買了此項(xiàng)技術(shù)，并已大量的在航天、航空、車輛、造船等行業(yè)得到成功地應(yīng)用。 1．1 攪拌摩擦焊簡(jiǎn)介 1．1．1 攪拌摩擦焊原理及工藝 圖1-1 攪拌摩擦焊原理圖[9-11] 攪拌摩擦焊的焊接原理如圖l-1所示。置于墊板上的對(duì)接工件通過夾具夾緊，以防止對(duì)接接頭在焊接過程中松開。一個(gè)帶有特型攪拌指頭的攪拌頭旋轉(zhuǎn)并緩慢的將攪拌指頭插入兩塊對(duì)接板材之間的焊縫處。一般來講，攪拌指頭的長(zhǎng)度接近焊縫的深度。當(dāng)旋轉(zhuǎn)的攪拌指頭接觸工件表面時(shí)，與工件表面的快速摩擦產(chǎn)生的摩擦熱使接觸點(diǎn)材料的溫度升高，強(qiáng)度降低。攪拌指頭在外力作用下不斷頂鍛和擠壓接縫兩邊的材料，直至軸肩緊密接觸工件表面為止。這時(shí)，由旋轉(zhuǎn)軸肩和攪拌指頭產(chǎn)生的摩擦熱在軸肩下面和攪拌指頭周圍形成大量的塑化層。當(dāng)工件相對(duì)攪拌指頭移動(dòng)或攪拌指頭相對(duì)工件移動(dòng)時(shí)，在攪拌指頭側(cè)面和旋轉(zhuǎn)方向上產(chǎn)生的機(jī)械攪拌和頂鍛作用下，攪拌指頭的前表面把塑化的材料移送到攪拌指頭后表面。在攪拌指頭沿著接縫前進(jìn)時(shí)，攪拌焊頭前頭的對(duì)接接頭表面被摩擦加熱至超塑性狀態(tài)。攪拌指頭和軸肩摩擦接縫，破碎氧化膜，攪拌和重組攪拌指頭后方的摩碎材料。攪拌指頭后方的材料冷卻后就形成焊縫，可見此焊縫是在熱——機(jī)聯(lián)合作用下形成的固態(tài)焊縫。這種方法可以看作是一種自鎖孔連接技術(shù)，在焊接過程中，攪拌指頭所在處形成小孔，小孔在隨后的焊接過程中又被填滿,應(yīng)該指出，攪拌摩擦焊縫結(jié)束時(shí)在終端留下個(gè)匙孔。通常這個(gè)匙孔可以切除掉，也可以用其它焊接方法封焊住[11]。在焊接過程中主要的產(chǎn)熱體是攪拌指頭和軸肩。在焊接薄板時(shí)，軸肩和工件的摩擦是主要的熱量來源。 攪拌摩擦焊焊接工藝參數(shù)主要有：攪拌指頭的焊接速度、攪拌指頭的旋轉(zhuǎn)速度以及壓緊力。這些參數(shù)決定了焊接過程中攪拌指頭周圍產(chǎn)生的熱量，并且直接影響到焊縫的組織和性能。 1．1．2 攪拌頭 攪拌頭是攪拌摩擦焊機(jī)上中最重要的構(gòu)件之一。它一般由耐高溫抗摩損材料制成，主要包括特形指頭和軸肩兩部分。在焊接過程中軸肩與被焊材料的表面緊密接觸，防止塑化金屬材料的擠出和氧化，同時(shí)攪拌軸肩還可以提供部分焊接所需要的攪拌摩擦熱。攪拌指頭的形狀比較特殊，焊接過程中攪拌指頭要旋轉(zhuǎn)著壓入被焊材料的結(jié)合界面處，并且沿著待焊界面向前移動(dòng)。 攪拌頭的材料一般用合金工具鋼，現(xiàn)有科學(xué)研究人員對(duì)攪拌頭進(jìn)行表面TiAlN處理的實(shí)驗(yàn)研究，TiAlN涂層具有優(yōu)于TiC、TiN、TiCN等涂層的機(jī)械物理性能，并可與其它涂層配合組成多元多層復(fù)合涂層。在制造業(yè)中的切削試驗(yàn)及加工實(shí)踐表明，采用TiAlN涂層處理的刀具、鉆頭的表面化學(xué)穩(wěn)定性好，抗氧化磨損能力強(qiáng)，高速焊接鋁合金材料時(shí)，其工作壽命可比普通合金工具鋼攪拌頭提高3～4倍，降低攪拌摩擦焊的加工成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。 隨著攪拌摩擦焊技術(shù)的發(fā)展，英國(guó)焊接研究所研制的“藝術(shù)階段”的WhorlTM和MxT6nute TM系列攪拌頭可以在6毫米厚的鋁合金擠壓型材上連續(xù)焊接上千米長(zhǎng)的焊縫而不用更換，并且可以得到性能優(yōu)良的焊縫。利用攪拌摩擦焊技術(shù)焊接薄板零件時(shí)，攪拌頭的肩部與工件表面摩擦產(chǎn)生的熱量是金屬熱塑化所需能量的來源。對(duì)于厚板的攪拌摩擦焊來說，要得到優(yōu)良的焊接接頭，隨著板厚的增加，攪拌頭與工件之間需要提供更多的熱來保證攪拌頭附近區(qū)域金屬的熱塑化，同時(shí)，攪拌頭還需要確保焊接區(qū)域金屬材料的攪拌激活以及控制塑化金屬的流變轉(zhuǎn)移來形成合格的固相焊縫?？傊?，攪拌頭是攪拌摩擦焊技術(shù)中“心臟”[11-12]。 1．1．3 攪拌摩擦焊材料 攪拌摩擦焊的焊接溫度低于材料的熔點(diǎn)，焊接過程中始終沒有材料熔化，所以攪拌摩擦焊是一種固態(tài)連接方法。 基于攪拌摩擦焊焊接過程中不存在材料熔化的特點(diǎn)，攪拌摩擦焊幾乎可以焊接所有系列的鋁合金材料及鋁基復(fù)合材料(MMC)。對(duì)于傳統(tǒng)焊接方法較難焊接的2xxx和7xxx系列高強(qiáng)度鋁合金材料，也可實(shí)施可靠連接。另外，對(duì)于異種材料的攪拌摩擦焊也具有優(yōu)越性，如攪拌摩擦焊不僅可以實(shí)現(xiàn)2024／6061以及2024／7015等不同牌號(hào)鋁合金材料的焊接，還可以實(shí)現(xiàn)銅合金和鋁合金等不同種材料的焊接。 攪拌摩擦焊還可以焊接銅、鎂、鋅、鉛等合金材料，對(duì)于鋼合金、欽合金和鋁基復(fù)合材料的攪拌摩擦焊開發(fā)研究也很成功。 對(duì)于不同狀態(tài)的合金鋼，攪拌摩擦焊也能實(shí)現(xiàn)焊接，如鍛壓板材和擠壓形材的焊接，鍛壓板材和鑄鋁的焊接等[12]。 1．1．4 接頭性能 攪拌摩擦焊接頭主要包括四個(gè)微結(jié)構(gòu)區(qū)域：焊核區(qū)、熱／機(jī)影響區(qū)、熱影響區(qū)和母材。中間區(qū)域?yàn)榫Я７浅＜?xì)小的焊核區(qū)域，其中橢圓形的“洋蔥”環(huán)狀組織結(jié)構(gòu)是焊接接頭良好的標(biāo)志；在焊核區(qū)的外圍存在一個(gè)熱／機(jī)影響區(qū)，此部分晶粒組織發(fā)生了明顯的塑性變形和部分重結(jié)晶。 對(duì)于不可熱處理強(qiáng)化的鋁合金，采用攪拌摩擦焊可以得到?jīng)]有空洞和裂紋的優(yōu)良焊接接頭，接頭的拉伸強(qiáng)度一般大于或優(yōu)于母材，并且斷裂一般出現(xiàn)在熱影響區(qū)和遠(yuǎn)離焊縫接頭的母材上；對(duì)于可熱處理強(qiáng)化的鋁合金，攪拌摩擦焊接頭的力學(xué)性能優(yōu)于弧焊接頭。另外，通過控制攪拌摩擦焊過程中焊縫區(qū)域的熱輸入，特別是控制攪拌摩擦焊接頭中硬度和強(qiáng)度最低的熱影響區(qū)的回火和過時(shí)效影響，可以有效地提高焊接接頭的力學(xué)性能指標(biāo)。 與熔焊方法相比較，鋁合金材料的攪拌摩擦焊接頭的疲勞性能具有明顯的優(yōu)勢(shì)，這是因?yàn)閿嚢枘Σ梁傅玫降氖蔷?xì)的再結(jié)晶組織。另外，由于焊接過程材料沒有熔化，焊縫組織中不會(huì)有熔焊工藝經(jīng)常出現(xiàn)的凝固偏折、裂紋、氣孔和夾雜等缺陷[12]。 1．2 攪拌摩擦焊的技術(shù)優(yōu)勢(shì) 攪拌摩擦焊除了具有普通摩擦焊技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)外，還可以進(jìn)行多種接頭形式和不同焊接位置的連接。如圖1-2所示[13-15]。 圖1-2 幾種攪拌摩擦焊的接頭形式 采用攪拌摩擦焊技術(shù)不僅能焊接幾乎所有熔焊能夠焊接的金屬，而且能焊接許多熔化焊接性能差的金屬，例如：鋁合金、鈦合金、銅合金等。就鋁合金而言，鋁合金在高溫熔化時(shí)易吸附氫導(dǎo)致凝固后產(chǎn)生氣孔，容易產(chǎn)生熱裂紋和變形，因此焊接缺陷率高，并且隨著鋁合金中合金元素含量的增加，這些焊接缺陷率會(huì)大大增加。若是采用攪拌摩擦焊，則因?yàn)楹附舆^程中無金屬熔化而克服了上述缺點(diǎn)，因此攪拌摩擦焊可以使不適宜于熔焊的金屬得到可靠的連接。此外，攪拌摩擦焊不僅能用于同質(zhì)合金間的連接，而且還適用于異質(zhì)合金間的連接。 圖1-3 攪拌摩擦焊焊縫分區(qū)示意圖 采用攪拌摩擦焊取代傳統(tǒng)的熔焊，還能改善焊縫組織和大大提高焊接接頭的力學(xué)性能，并且排除了熔焊缺陷產(chǎn)生的可能性。攪拌摩擦焊焊縫組織分區(qū)示意如圖1-3所示，焊縫組織可分為A、B、C、D四個(gè)區(qū)域:A區(qū)為母材區(qū)(basic metal，簡(jiǎn)稱BM)；B區(qū)為熱影響區(qū)(heat affected zone，簡(jiǎn)稱HAZ)，該區(qū)域的材料因受熱循環(huán)的影響，微觀組織和力學(xué)性能均發(fā)生了變化，但沒有發(fā)生塑性變形;C區(qū)為熱變形影響區(qū)(there momechanically affected zone，簡(jiǎn)稱TMAZ)，該區(qū)域材料已經(jīng)產(chǎn)生了劇烈的塑性變形。就鋁合金而言，再結(jié)晶區(qū)域和TMAZ之間通常有明顯的界限，但在其它沒有熱致相變的材料中，如在純鈦、β鈦合金、奧氏體不銹鋼和銅中，似乎TMAZ整體已再結(jié)晶化，產(chǎn)生了無應(yīng)變?cè)俳Y(jié)晶，這可能使得HAZ/ TMAZ的邊界難以精確劃分;D區(qū)為焊核(dynamically recrystallized zone，簡(jiǎn)稱DXZ)，焊核是最接近軸肩的區(qū)域，組織結(jié)構(gòu)通常有較大的變化。在焊接接頭的熱影響區(qū)中，除了腐蝕反應(yīng)比母材快一些外，其金相組織與母材沒有多大區(qū)別；在焊接接頭的熱變形影響區(qū)，焊接過程引起長(zhǎng)晶粒的彎曲和輕微的重結(jié)晶；焊核由纖細(xì)的經(jīng)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的等軸晶構(gòu)成，其晶粒尺寸比母材的晶粒尺寸小得多。5083鋁合金的攪拌摩擦焊實(shí)驗(yàn)表明，焊縫最薄弱的環(huán)節(jié)不在焊核區(qū)，而是在熱影響區(qū)。經(jīng)過固溶處理和人工時(shí)效處理的2xxx系列、6xxx系列鋁合金的攪拌摩擦焊焊縫，經(jīng)過時(shí)效處理后，其強(qiáng)度接近于基體材料的強(qiáng)度[16]。 1．3 攪拌摩擦焊的研究現(xiàn)狀 攪拌摩擦焊工藝最初主要用于解決鋁合金等低熔點(diǎn)材料的焊接，關(guān)于攪拌摩擦焊工藝的特點(diǎn)和應(yīng)用等，TWI進(jìn)行了較多的研究，并于1993年、1995年申請(qǐng)了專利。目前，TWI主要是與航空航天、海洋、道路交通、鋁材廠、焊接設(shè)備制造廠等大公司聯(lián)合，以團(tuán)體贊助或合作的形式開發(fā)這種技術(shù)，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。他們正在進(jìn)行的由工業(yè)企業(yè)贊助的研究項(xiàng)目包括：鋼的攪拌摩擦焊、汽車輕型構(gòu)件的攪拌摩擦焊等。美國(guó)的愛迪生焊接研究所(Edison Welding Institure，簡(jiǎn)稱EWI)與TWI密切協(xié)作，也在進(jìn)行FSW工藝的研究。美國(guó)的美國(guó)洛克希德·馬丁航空航天公司、馬歇爾航天飛行中心、美國(guó)海軍研究所、Dartmouth大學(xué)、德克薩斯大學(xué)、阿肯色斯大學(xué)、南卡羅里納大學(xué)、德國(guó)的Stuttgart大學(xué)、澳大利亞的Adelaide大學(xué)、澳大利亞焊接研究所等都從不同的角度對(duì)攪拌摩擦焊進(jìn)行了專門研究。 從材料焊接角度，目前研究較多的是鋁合金的焊接。鋁合金是一種高比強(qiáng)度的材料，將其用于飛機(jī)、汽車、船舶等結(jié)構(gòu)中，可以減輕這些結(jié)構(gòu)的重量，提高它們的綜合性能。但是，由于其熔點(diǎn)、比重較低，熱傳導(dǎo)系數(shù)大，熔焊時(shí)易產(chǎn)生氣孔、裂紋、變形等缺陷。同時(shí)，由于焊接加熱使其性能降低，故鋁合金零件的連接多用鉚接或機(jī)械連接，因此，限制了鋁合金在飛機(jī)、汽車、船舶等結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。利用攪拌摩擦焊技術(shù)，可以克服熔焊時(shí)的缺陷，且焊接接頭的性能不會(huì)降低。 1．3．1 攪拌摩擦焊接材料研究 目前應(yīng)用FSW成功連接的材料有A1合金，Mg合金，鉛，鋅，銅，不銹鋼，低碳鋼等同種或異種材料。Rommevaux等人進(jìn)行了鋁合金—Ag的FSW焊接研究，Johnson R 對(duì)AM50，AM60，AZ31，AZ91鎂合金同種和異種材料之間進(jìn)行了FSW焊接試驗(yàn)，證明可以應(yīng)用FSW連接鎂合金[17]。FSW不僅對(duì)一系列鋁合金成功連接，而且也實(shí)現(xiàn)了對(duì)高熔點(diǎn)材料Ti合金的連接。TWI于1997年11月報(bào)道成功FSW焊接3mm厚的低碳鋼，EWI(Edison Welding 1nstitute)于1998年5月報(bào)道成功連接6mm軟鋼，并報(bào)道12mm厚12％Cr不銹鋼的FSW焊接。由此可知，隨著焊接工具的發(fā)展，F(xiàn)SW可以應(yīng)用于更多的材料的連接[18]。 1．3．2 攪拌摩擦焊機(jī)理研究進(jìn)展 目前FSW研究的重點(diǎn)大多集中于研制適用于不同材料的焊接工具和工藝；焊接接頭的性能及合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面，但對(duì)焊接過程的材料流動(dòng)機(jī)理的研究尚處于探索階段。Clooigan K利用FSW焊接變形過程概念模型來分析塑性材料的流動(dòng)。為了使攪拌頭周圍塑性材料運(yùn)動(dòng)可視化，采用兩種新技術(shù)。鋼球跟蹤(Steel shot tracer technique)和停止運(yùn)動(dòng)技術(shù)(Stop action technique)。試驗(yàn)所用材料為厚6．4mm 6061—T6及7075—T6板材[18]。 鋼球跟蹤技術(shù)(Steel shot tracer technique)是利用0．38mm鋼球鑲嵌在工件不同的位置，焊接沿著鑲嵌接頭并且沿著跟蹤視線停止。焊頭仍然在工件中時(shí)停止它的運(yùn)動(dòng)，鋼球?qū)⒀刂割^分布，則在焊縫中的跟蹤軌跡可以得到。 另外一種方法為“停止運(yùn)動(dòng)”技術(shù)(Stop action technique)，以使攪拌頭不能旋轉(zhuǎn)的速度快速的停止焊頭的運(yùn)動(dòng)并且將焊頭從工件中取出，保證與攪拌頭接觸的金屬材料仍然附著在孔的周圍。通過分析焊縫尾端小孔，可以分析焊頭軌跡材料的流動(dòng)情況。不過這種方法需要數(shù)控電動(dòng)裝置。 利用兩種新技術(shù)得出：并不是所有被焊頭影響的材料被真正的攪拌。許多材料的運(yùn)動(dòng)只是簡(jiǎn)單的擴(kuò)展(Extrusion)。材料從焊頭的上層部位被激活，被激活的材料沿著焊頭的邊沿向下運(yùn)動(dòng)，填充空隙。其它的材料只是沿著回撤面向上擴(kuò)展，沿著焊頭周圍升到焊縫上部[18]。 1．3．3 攪拌摩擦焊力學(xué)性能研究進(jìn)展 關(guān)于FSW焊接接頭力學(xué)性能的問題，一直是研究熱點(diǎn)。包括接頭強(qiáng)度、塑性、抗腐蝕性、動(dòng)態(tài)應(yīng)力下的疲勞強(qiáng)度及協(xié)調(diào)最優(yōu)問題。Pao P S等人研究了FSW接頭腐蝕—疲勞裂紋生長(zhǎng)情況。不同腐蝕介質(zhì)，接頭的抗腐蝕性不同。得出的主要結(jié)論有：(1)由于高的裂紋閉合水平(High crack closure levels)，F(xiàn)SW HAZ的疲勞裂紋生長(zhǎng)速率非常低，而△k(應(yīng)力強(qiáng)度因子)比母材的要高出許多；(2)在空氣中，F(xiàn)SW熔核的疲勞裂紋生長(zhǎng)速率比母材的稍微的高些；(3)在高△k和中間△k區(qū)域，F(xiàn)SW熔核及HAZ區(qū)域的疲勞裂紋生長(zhǎng)速率是3．5％NaCl溶液的兩倍高；(4)由于FSW過程使晶界變得敏感，當(dāng)在3．5％NaCl溶液中時(shí)，F(xiàn)SW焊縫有晶間裂紋。Corral J等人研究了2024和2195(A1—Li合金)的FSW接頭的腐蝕性能，試驗(yàn)結(jié)果證明接頭與母材具有相同的腐蝕行為[18]。 1．3．4 攪拌摩擦焊設(shè)備 迄今，已研制成功多類攪拌摩擦焊設(shè)備，在宇航領(lǐng)域，美國(guó)制造技術(shù)系統(tǒng)公司（MIS）開發(fā)了2臺(tái)液壓驅(qū)動(dòng)攪拌摩擦焊設(shè)備，其中1臺(tái)安裝在South Carolina大學(xué)。此設(shè)備裝有可調(diào)節(jié)自適應(yīng)攪拌頭和多軸攪拌摩擦焊控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)非平面和變截面(厚度)結(jié)構(gòu)件高強(qiáng)鋁合金材料的攪拌摩擦焊開發(fā)研究。該設(shè)備的攪拌頭能自動(dòng)傾斜±15o，使用可調(diào)節(jié)攪拌頭對(duì)焊縫施加90KN的焊接壓力，如使用普通形狀的攪拌頭則可對(duì)焊縫施加130 kN的頂鍛壓力。焊接材料厚度可以達(dá)到30mm，攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度在2000r／min的條件下可輸出340N?m的扭矩。 英國(guó)Halifax的Crawford Swlft公司也在1999年為英國(guó)空中客車公司生產(chǎn)了一臺(tái)Powerstir 360型攪拌摩擦焊設(shè)備。這臺(tái)龍門式攪拌摩擦焊設(shè)備整體尺寸為11．5m×5．4m×4．7m，配有三軸數(shù)控裝置，主軸電機(jī)功率為60kW，最大向下焊接頂鍛壓力為l00kN，焊接平臺(tái)由新型伺服電機(jī)和滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)，焊接速度可達(dá)到8m/min，主要用來生產(chǎn)大型民用飛機(jī)的鋁合金機(jī)翼和機(jī)身，其中包括新型的A380大型客機(jī)。 最近，ESAB公司又制造了2臺(tái)龍門式攪拌摩擦焊設(shè)備，其中1臺(tái)安裝在TWI用于研究高電阻鎳銅合金的焊接。該設(shè)備的焊接范圍為8m×5m×1m，主要用來完成Euro Stir攪拌摩擦焊研究項(xiàng)目和其他秘密研究項(xiàng)目，該設(shè)備是迄今世界上最大的攪拌摩擦焊實(shí)驗(yàn)設(shè)備，如圖1-4所示。 圖1-4 ESAB Super Stir攪拌摩擦焊設(shè)備 在我國(guó)，北京航空制造工程研究所在2002年取得了TWI的攪拌摩擦焊專利技術(shù)許可，并合作成立了中國(guó)攪拌摩擦焊中心，生產(chǎn)和銷售商業(yè)化的攪拌摩擦焊設(shè)備。中國(guó)攪拌摩擦焊中心設(shè)計(jì)制造了國(guó)內(nèi)第1臺(tái)攪拌摩擦焊設(shè)備，該設(shè)備主要用來完成直徑等于或大于2．2m的火箭簡(jiǎn)體的攪拌摩擦焊[19]，如圖1-5所示。 圖1-5 龍門式攪拌摩擦焊機(jī) 1．4 攪拌摩擦焊的工業(yè)應(yīng)用 基于攪拌摩擦焊接這種固相連接技術(shù)的明顯優(yōu)越性，例如：可焊金屬范圍廣、優(yōu)良的接頭力學(xué)性能，不需要填充焊接材料，沒有焊接煙塵和飛濺，很少的焊前準(zhǔn)備和焊接變形等，在世界范圍內(nèi)的國(guó)際合作中開展了大量的研究和開發(fā)工作。特別是攪拌摩擦焊可以焊接各種鋁合金材料，甚至以前所謂的不可焊鋁合金材料都能焊接，如應(yīng)用于航空、航天領(lǐng)域的2000系列(Al－Cu)、5000系列(Al－Mg)、6000系列(Al－Mg－Si)、7000系列(Al－Zn)、8000系列(Al－Li)高強(qiáng)鋁合金[33, 34]，也可以利用這種先進(jìn)的焊接方法得到高質(zhì)量的連接[20]。 目前，除了在飛機(jī)制造領(lǐng)域內(nèi)，攪拌摩擦焊技術(shù)已由試驗(yàn)研究、工程開發(fā)轉(zhuǎn)入大規(guī)模的工業(yè)化應(yīng)用階段，迄今，已經(jīng)在船舶、高速列車等制造領(lǐng)域得到了非常成功的應(yīng)用，在宇航領(lǐng)域，也成功應(yīng)用到運(yùn)載火箭、航天飛機(jī)的低溫燃料筒、軍用和科學(xué)研究火箭和導(dǎo)彈以及熔焊接構(gòu)件的修理等，如圖1-6、1-7、1-8所示。 圖1-6 飛機(jī)方向舵液控件的FSW修理 圖1-7 攪拌摩擦焊鋁合金炮彈 圖1-8 攪拌摩擦焊焊接Delta火箭燃料貯箱 船舶制造和海洋工業(yè)是攪拌摩擦焊首先得到商業(yè)應(yīng)用的兩個(gè)工業(yè)領(lǐng)域，主要應(yīng)用：甲板、側(cè)板、防水壁板和地板、外殼和主體結(jié)構(gòu)件、直升機(jī)降落平臺(tái)、水上觀測(cè)站、帆船的桅桿及結(jié)構(gòu)件等，如圖1-9所示。 圖1-9 船用攪拌摩擦焊鋁合金型材甲板 對(duì)于陸路交通工業(yè)，攪拌摩擦焊在列車制造領(lǐng)域的應(yīng)用主要為：高速列車、軌道貨車、地鐵車廂和有軌電車、集裝箱體等；攪拌摩擦焊在汽車上的應(yīng)用主要為：底盤、車身支架、卡車車體、汽車起重器、裝甲車的防護(hù)甲板等，如圖1-10所示。 圖1-10 列車用攪拌摩擦焊鋁合金型材 攪拌摩擦焊在民用建筑工業(yè)的應(yīng)用主要為：鋁合金橋梁、裝飾板、門窗框架、管線、熱交換器等。電子工業(yè)對(duì)攪拌摩擦焊的興趣也在增加，其應(yīng)用主要表現(xiàn)為：發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、電器連接件、電器封裝等，如圖1-11、1-12所示。 圖1-11 FSW制造的鋁合金散熱器 圖1-12 輸變電攪拌摩擦焊熱沉器 在其它工業(yè)領(lǐng)域，攪拌摩擦焊也有較多應(yīng)用，例如冰箱冷卻板、廚房電器和設(shè)備、“白色”家用物品和工具、天然器、液化氣儲(chǔ)箱和容器、家庭裝飾等。 隨著人們對(duì)攪拌摩擦焊技術(shù)認(rèn)識(shí)的提高，預(yù)計(jì)在不遠(yuǎn)的將來，鋁合金、鎂合金、鋅合金、鈦合金等輕金屬材料的連接將主要由攪拌摩擦焊來完成，尤其在運(yùn)載火箭、高速鋁合金列車、鋁合金高速快艇、全鋁合金汽車等項(xiàng)目中攪拌摩擦焊技術(shù)將會(huì)占主導(dǎo)地位[12]。 1．5 攪拌摩擦焊的發(fā)展前景 由于攪拌摩擦焊焊縫組織好、接頭力學(xué)性能優(yōu)異，因而在許多工業(yè)領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。在航天工業(yè)中，攪拌摩擦焊工藝在飛行器鋁合金結(jié)構(gòu)制造中的推廣應(yīng)用，在國(guó)外已顯示出強(qiáng)勁的技術(shù)創(chuàng)新活力，給傳統(tǒng)制造工藝帶來了革命性的改造。1998年美國(guó)波音公司的空間和防御實(shí)驗(yàn)室引進(jìn)了攪拌摩擦焊技術(shù)，用于焊接某些火箭部件;麥道公司也把這種技術(shù)用于制造Delta運(yùn)載火箭的推進(jìn)劑貯箱[21]；NASA及格·馬公司正在評(píng)估該工藝用于連接2195A1—Li合金的可行性。在造船和車輛工業(yè)，歐洲已有數(shù)家公司將該技術(shù)用于生產(chǎn)大型預(yù)制鋁板。在設(shè)備開發(fā)和制造方面，挪威已建立了世界上第一個(gè)攪拌摩擦焊商業(yè)設(shè)備，可焊接厚3～15mm、尺寸6×16m2的Al船板; ESAB公司正在制造可供商業(yè)應(yīng)用的攪拌摩擦焊機(jī)，計(jì)劃安裝在TWI，用來焊接尺寸為8 m×5m的工件，預(yù)計(jì)可焊接的工件厚度為1.5～18 mm。從上述工業(yè)應(yīng)用和設(shè)備開發(fā)實(shí)例可以看出，攪拌摩擦焊已經(jīng)在航空、船舶、高速列車、汽車等制造領(lǐng)域的輕結(jié)構(gòu)制造中顯示出強(qiáng)勁的創(chuàng)新活力和廣闊的應(yīng)用前景，并得到了廣泛應(yīng)用。 1995年英國(guó)焊接研究所（TWI）在中國(guó)申請(qǐng)了有關(guān)攪拌摩擦焊和攪拌頭專利保護(hù)(專利號(hào):ZL95192193.2)，并且在1999年得到了中國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)局的批準(zhǔn)(批準(zhǔn)號(hào):51451)；在 2002年4月18日，北京航空制造工程研究所和英國(guó)焊接研究所在北京正式簽署攪拌摩擦焊專利許可和技術(shù)合作協(xié)議，并且在雙方合作成立了中國(guó)攪拌摩擦焊中心的基礎(chǔ)上，注冊(cè)成立了中國(guó)首家專業(yè)化的攪拌摩擦焊技術(shù)公司——北京賽福斯特技術(shù)有限公司。北京賽福斯特技術(shù)有限公司負(fù)責(zé)中國(guó)攪拌摩擦焊中心在中國(guó)地區(qū)（包括：香港、澳門和臺(tái)灣）的所有攪拌摩擦焊業(yè)務(wù)：主要從事攪拌摩擦焊技術(shù)的研究、FSW工程應(yīng)用開發(fā)、FSW設(shè)備的制造和銷售以及全權(quán)負(fù)責(zé)中國(guó)攪拌摩擦焊中心的FSW “二級(jí)許可權(quán)”的發(fā)放和管理。中國(guó)攪拌摩擦焊中心和專業(yè)化北京賽福斯特技術(shù)有限公司的成立，標(biāo)志著攪拌摩擦焊技術(shù)的開發(fā)和工程應(yīng)用研究工作在中國(guó)市場(chǎng)的正式開始，是新世紀(jì)中國(guó)焊接技術(shù)發(fā)展史上一塊矚目的里程碑。國(guó)內(nèi)某些院校和研究所也開始了這方面的研究工作，有理由相信，攪拌摩擦焊技術(shù)在中國(guó)也有著應(yīng)用前景。 1．6 本論文的目的和意義 通過對(duì)相關(guān)資料、文獻(xiàn)的查找，獲得相關(guān)資料，了解攪拌摩擦焊焊接原理及相關(guān)工藝，了解攪拌摩擦焊的應(yīng)用范圍，了解攪拌摩擦焊在焊接中的優(yōu)勢(shì)，了解攪拌摩擦焊的研究現(xiàn)狀和在工業(yè)中的應(yīng)用，以及攪拌摩擦焊的發(fā)展前景。參照攪拌摩擦焊工裝設(shè)計(jì)相關(guān)資料，設(shè)計(jì)一臺(tái)能焊接焊縫厚度為20mm，焊縫長(zhǎng)度為600mm的攪拌摩擦焊實(shí)驗(yàn)用焊機(jī)。在寫設(shè)計(jì)說明書的過程中，要求對(duì)關(guān)鍵部位的設(shè)計(jì)寫得比較詳細(xì)、具體，并校核該實(shí)驗(yàn)用焊機(jī)的各主要部分。 第二章 攪拌摩擦焊焊機(jī)設(shè)計(jì) 本章講述攪拌摩擦焊焊機(jī)各重要部分的設(shè)計(jì)計(jì)算過程，包括總體設(shè)計(jì)規(guī)劃、攪拌摩擦系統(tǒng)設(shè)計(jì)、伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電氣控制設(shè)計(jì)。 此攪拌摩擦焊焊機(jī)，攪拌摩擦頭轉(zhuǎn)速約6000r/min，焊接速度100—600mm/min，最大加工焊縫厚度20mm，焊縫長(zhǎng)度600mm，總功率約3千瓦，適合于普通厚度的鋁及其合金的攪拌摩擦焊工藝實(shí)驗(yàn)研究。 2．1 總體設(shè)計(jì)規(guī)劃 此焊機(jī)為單件生產(chǎn)，機(jī)體和機(jī)體中構(gòu)件多采用A3鋼焊接結(jié)構(gòu)，以降低產(chǎn)品成本。根據(jù)一般要求，為方便使用者的操作，此焊機(jī)的工作臺(tái)平面約離地面高1200mm，焊機(jī)總高度約1650mm，總長(zhǎng)度約1000mm，工作臺(tái)面長(zhǎng)度約700mm，寬度約410mm，工作臺(tái)上下移動(dòng)約80mm，具體尺寸見零件圖。機(jī)頭高度約為200mm，攪拌軸中心距機(jī)體約300mm。工作臺(tái)箱體總長(zhǎng)約750mm，高度約450mm，并將伺服系統(tǒng)的電機(jī)以及減速機(jī)構(gòu)放在工作臺(tái)箱體里，使得此焊機(jī)有更好的外觀。由于V帶傳遞動(dòng)力時(shí)有過載保護(hù)，所以，電機(jī)的輸出均先通過V帶傳遞，再傳遞到工作機(jī)上。液壓系統(tǒng)推動(dòng)工作臺(tái)作垂直移動(dòng)，液壓缸放置于機(jī)箱箱體內(nèi)，正前方開一個(gè)觀察窗口，便于檢測(cè)和維修。機(jī)體的后下方放置焊機(jī)的電氣控制部分。上部分安裝攪拌摩擦系統(tǒng)的動(dòng)力電機(jī)，電機(jī)放在電機(jī)座上，然后再將電機(jī)座固定在機(jī)體上，調(diào)整電機(jī)座在機(jī)體上的位置就可以調(diào)整V帶輪中心距。機(jī)體后面開上下兩個(gè)觀察窗口，分別為上方的攪拌系統(tǒng)電機(jī)和下面的電氣控制部分進(jìn)行檢測(cè)和維修時(shí)使用。焊機(jī)的操作面板，在工作臺(tái)箱體正面的左方，操作起來也很方便。左下方和右方為觀察窗口，打開觀察窗口的面板，便可以對(duì)里面的減速機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)和維修。 2．2 攪拌摩擦系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2．2．1 攪拌頭及夾具設(shè)計(jì) 攪拌頭是攪拌摩擦焊技術(shù)的關(guān)鍵，由特殊形狀的攪拌焊針和軸肩組成，軸肩直徑大于攪拌焊針直徑。攪拌焊針用具有良好耐高溫力學(xué)和物理特性的抗摩損材料制造，并進(jìn)行表面處理。 對(duì)于不同厚度的板所用的攪拌摩擦頭不同，方便攪拌頭的更換，夾持部分采用螺紋聯(lián)接，夾持部分為M12，長(zhǎng)度為L(zhǎng)=15mm，焊針直徑D=3—10mm，焊針做成特殊的螺旋狀，加大了焊針與工件的接觸面積，同時(shí)也有利于被焊金屬的攪動(dòng)，如圖2-1所示。軸肩半徑為焊針直徑的三倍[22]，肩部直徑為D=9—30mm，軸肩采用如圖2-2所示的圖案，有利于軸肩與塑化材料緊密地結(jié)合在一起，這樣也提高了軸肩與焊件表面的接觸面積，同時(shí)也提高了焊接時(shí)的閉合性，從而可以防止塑化的材料在攪拌頭旋轉(zhuǎn)時(shí)噴射出去。各型號(hào)攪拌摩擦頭的參數(shù)見表2-1。 圖2-1 焊針示意圖 圖2-2 軸肩示意圖 表2-1 攪拌摩擦頭參數(shù)及焊縫截面積 板厚（mm） 焊針直徑（mm） 焊針長(zhǎng)度（mm） 軸肩直徑d(mm) 角度（度） 焊縫斷面積mm2 20 10 19 30 10 400 15 8 14 24 8 240 10 6 9 18 6 120 5 5 4．5 15 4 50 3 3 2．8 9 2 18 攪拌頭夾具用于聯(lián)接攪拌頭和攪拌軸，其具體結(jié)構(gòu)如圖2-3所示。 圖2-3 攪拌頭夾具 2．2．2 攪拌系統(tǒng)功率計(jì)算 假設(shè)鋁合金在焊接時(shí)的最高溫升為600℃，對(duì)于20mm板，焊縫截面積約為400mm2,焊速約為100mm/min，由于熱傳遞和熱量損失，設(shè)能量利用率為50%，單位時(shí)間內(nèi)焊縫溫升部分體積為：400x100=40000mm3 ，能量計(jì)算公式為[23] （2-1） 式中：C——比熱容（J/kg?K） △T——溫度變化值（℃） V——體積（m3） ρ——密度（kg/m3） η——效率 E——能量（J） 查得鋁的各項(xiàng)參數(shù)如下[23] ρ=2700Kg/m3，C=904.3J/Kg·K 由式（2-1）單位時(shí)間內(nèi)需要能量為 則功率為： 選用2.2KW電機(jī)（Y100L1—4型，1430r/min，H=100，HD=245，伸出軸徑D=28mm，長(zhǎng)度L=60mm，鍵槽寬8mm）[24] 攪拌摩擦焊焊機(jī)輸入工件的總功率為[22] （2-2） 式中：N——輸入工件總的熱功率（J） n——攪拌摩擦頭的轉(zhuǎn)速（r/min） μ——摩擦系數(shù) F——工件上壓力（N） r0、r1——焊頭軸肩和焊針的半徑（mm） 因?yàn)閱挝粫r(shí)間內(nèi)輸入工件的能量與總功率相等，在單位時(shí)間內(nèi)則有 （2-3） 查得鋁與鋼的摩擦系數(shù)為0.17[23] ，由式（2-2）、（2-3）得 F=101N 則攪拌頭向前移動(dòng)阻力為 由此可以得出對(duì)于不同板厚的材料在焊接時(shí)的壓力和焊接速度，見表2-2。 表2-2 不同板厚在焊接時(shí)的壓力和焊速 板厚mm 焊縫截面積mm2 壓力N 焊速mm/min 20 400 101 100 15 240 101 133 10 120 101 200 5 50 90 350 3 18 90 600 2．2．3 攪拌系統(tǒng)V帶設(shè)計(jì) 圖2-4 名義功率：，轉(zhuǎn)速約為6000r/min，要求傳動(dòng)比為i=4.196 1．選擇V帶型號(hào) 計(jì)算功率PC由下式確定 （2-4） 式中：KA——工作情況系數(shù) P——需要傳遞的名義功率（KW） 查表2-3得工作情況系數(shù)，由式（2-4）計(jì)算得 根據(jù)PC和n由圖2-4選用Z型V帶。 表2-3 工作情況系數(shù) 工作機(jī) 原動(dòng)機(jī) 載荷性質(zhì) 機(jī)器舉例 普通鼠籠式交流電動(dòng)機(jī)、同步電機(jī)、直流電動(dòng)機(jī)（并激），n>600r/min的內(nèi)燃機(jī)。 交流電動(dòng)機(jī)（大轉(zhuǎn)差率、雙鼠籠式、單相、滑環(huán)式）、直流電動(dòng)機(jī)（復(fù)激、串激）、單缸發(fā)動(dòng)機(jī)，n≤600r/min的內(nèi)燃機(jī)。 一天運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間（h） ≤10 10-16 >16 ≤10 10-16 >16 載荷平穩(wěn) 液體攪拌機(jī)等 1．0 1．1 1．2 1．1 1．2 1．3 載荷變動(dòng)小 機(jī)床等 1．1 1．2 1．3 1．2 1．3 1．4 載荷變動(dòng)較大 木工機(jī)械等 1．2 1．3 1．4 1．4 1．5 1．6 載荷變動(dòng)很大 破碎機(jī)等 1．3 1．4 1．5 1．5 1．6 1．8 2．確定帶輪基準(zhǔn)直徑dd1、dd2。 由圖2-5可得 （2-5） （2-6） （2-7） 圖2-5 V帶傳動(dòng)示意圖 小帶輪直徑dd1宜選大些，可減小帶的彎曲應(yīng)力，有利于延長(zhǎng)帶的壽命；在傳遞的轉(zhuǎn)矩一定時(shí)，dd1選大一些可降低帶工作時(shí)的圓周力，從而可以減少帶的根數(shù)。通常小輪直徑dd1應(yīng)大于或等于表2-4所列最小基準(zhǔn)直徑dmin。若dd1過大，傳動(dòng)的外廓也將增大。由表2-4選擇小輪直徑為dd1=63mm， 由式（2-5）得 表2-4 V帶輪最小基準(zhǔn)直徑dmin及基準(zhǔn)直徑系列 mm V帶輪槽型 Y Z A B C D E dmin 20 50 75 125 200 355 500 基準(zhǔn)直 徑系列 20 22.4 25 28 31.5 35.5 40 45 50 56 63 71 75 80 8590 95 100 106 112 118 125 132 140 150 160 170 180 200 212 224 236 250 265 280 315 355 375 …… 由表2-4選擇dd2=265mm 實(shí)際傳動(dòng)比 實(shí)際轉(zhuǎn)速 傳動(dòng)比偏差 ，小于5%，符合條件。 3．驗(yàn)算帶速V0。 帶速太高，帶的離心力很大，使帶的離心應(yīng)力增大，并使帶與輪之間的壓緊力減小，摩擦力隨之減小，從而使傳動(dòng)能力下降；帶速過低，傳遞相同功率時(shí)帶所傳遞的圓周力增大，需要增加帶的根數(shù)。一般應(yīng)使帶速V在5—25m/s范圍內(nèi)工作，尤以V=10—20m/s為宜。帶速由下式確定 （2-8） 由式（2-8）得 帶速在5—25m/s范圍內(nèi)，符合要求。 4．確定中心距a，V帶基準(zhǔn)長(zhǎng)度Ld。 （1）初選中心距a0。設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)中心距有一定的要求，即大于436mm，根據(jù)得，初選a0為500mm,符合取值范圍。 （2）計(jì)算初定的帶長(zhǎng)Ld。。由式（2-7）得 （3）基準(zhǔn)帶長(zhǎng)Ld。由表2-5選用Ld=1600mm, KL=1.16 表2-5 普通Z型V帶基準(zhǔn)長(zhǎng)度Ld系列及長(zhǎng)度系數(shù)KL Ld 400 450 500 560 630 710 800 KL 0.87 0.89 0.91 0.94 0.96 0.99 1.00 Ld 900 1000 1120 1250 1400 1600 1800 KL 1.03 1.06 1