搅拌摩擦焊实验教学平台设计与应用_高吉成.pdf
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1、 第 卷 第 期 年 月:搅拌摩擦焊实验教学平台设计与应用高吉成,裴启立,朱善清,焦俊科,夏鸿博(扬州大学 机械工程学院,江苏 扬州)摘 要:基于立式加工中心,搭建了用于铝合金等低熔点金属的搅拌摩擦焊实验教学平台,选用 铝合金与 铝合金开展焊接实验,分别对旋转速度为 、,焊接速度为、的焊接接头的表面成型、显微组织与力学性能进行了分析。结果表明,焊缝成型较好,焊核区硬度最高,热影响区硬度较低,在旋转速度 ,焊接速度 时接头的抗拉强度取得最大值,为 ,拉伸断口具有韧窝状特征,呈典型的韧性断裂。该实验平台可实现低熔点金属材料的有效焊接,同时可满足材料专业学生的焊接实验教学与科学研究的需求。关键词:实
2、验教学平台;搅拌摩擦焊;铝合金中图分类号:|文献标志码:文章编号:(),(,):,:;收稿日期:基金项目:国家自然科学基金项目();中国博士后科学基金面上项目();扬州大学“课程思政”教学示范课程建设项目();扬州大学教学改革研究课题()作者简介:高吉成(),男,河北衡水人,博士,副教授,主要从事搅拌摩擦焊及加工研究。:;:引 言搅拌摩擦焊(,)是由英国焊接研究所于 年发明的一种针对铝合金等低熔点金属材料的焊接技术。与传统的熔化焊相比,搅拌摩擦焊热输入少、焊接变形小、无气孔夹渣等缺陷,是一种绿色环保的先进焊接技术,近年来在交通运输、能源电子、船舶制造、航空航天等领域有着广泛的应用。第 卷近年来
3、,高校焊接实验及实践教学主要集中在常规的熔化焊(如氩弧焊、气体保护焊等),先进焊接技术及焊接平台相对较少。部分高校针对先进焊接技术需求开展了搅拌摩擦焊实验。杨钢基于 专用设备开展了搅拌摩擦焊开放实验,通过对铝合金焊接接头微观组织和拉伸性能的分析,优化了焊接工艺参数。王希靖等研究了搅拌摩擦焊机控制器,该控制器基于变频调速技术的主轴旋转速度调节来保证设备运行的稳定性。吴功柱设计了搅拌摩擦焊实验平台,该平台主要包括焊接平台及测力平台等硬件设施及三向力监测系统与支撑软件等软件设计。张俊宝等设计了刚柔协作 搅拌摩擦焊机器人,相较于原设备具有更大的顶锻力与灵活性。目前,高校搅拌摩擦焊实验平台存在一定的问题
4、,如设备偏向于商业化,尺寸过大,价格昂贵,对于高校教学科研而言一次性经费投入过大。针对上述问题,本文基于学生金工实习中立式加工中心的学习与实践,搭建了用于铝合金等低熔点金属材料的搅拌摩擦焊实验平台,并对 与 铝合金进行对接实验来验证实验平台的可行性。该平台可以完成铝合金等材料的焊接实验,满足工程教育专业认证对学生掌握先进焊接技术的教学和科研需求,提升学生的工程实践与创新能力。搅拌摩擦焊实验平台设计.搅拌摩擦焊基本原理搅拌摩擦焊原理如图 所示,焊接过程中,高速旋转的搅拌头缓慢扎入待焊工件,直至轴肩与工件上表面相接触,搅拌头与被焊材料之间摩擦产生的热量(主要热源)及材料搅拌产生的变形热将周围材料塑
5、化,当搅拌头向前移动时,搅拌头前方的材料不断从前进侧(,)向后退侧(,)迁移,搅拌头后方的材料从 向 迁移来弥补搅拌针前进时留下的瞬时空腔,同时在搅拌头的锻造作用下实现材料的连接。搅拌摩擦焊接过程中,是指焊接方向与搅拌头旋转方向一致的一侧,是指焊接方向与搅拌头旋转方向相反的一侧。搅拌摩图 搅拌摩擦焊原理图擦焊工艺参数包括旋转速度、焊接速度、下压量、倾角(搅拌头中心轴线与工件表面法线的夹角)等,对于搅拌摩擦焊对接,还包括搅拌针的偏置量(搅拌针中心与待焊工件中心的相对位移)。.搅拌摩擦焊实验平台搅拌摩擦焊实验平台由立式加工中心改装而成,如图 所示。该平台由主轴、搅拌工具、导轨、控制系统、夹具、工作
6、台等组成,焊接过程可实现、轴方向的直线及曲线焊缝的焊接,通过改变焊接过程中的旋转速度、焊接速度与下压量等工艺参数可完成铝合金、镁合金等低熔点金属材料的焊接。图 搅拌摩擦焊实验平台示意图 搅拌摩擦焊实验平台的基本控制流程如图 所示。开机后系统初始化,将待焊工件安装在焊接工作台上,然后通过控制系统确定坐标原点;通过主轴沿 轴方向的运动调整轴肩下压量;编制焊接程序实施焊接实验,完成后对焊缝进行检测,实时调整工艺参数,完成焊接试样制备。本平台采用法兰克数控系统编制焊接程序,系统主界面如图 所示。图 搅拌摩擦焊实验控制流程 焊接过程中主要调整旋转速度、焊接速度与下压量 个工艺参数,代码程序如下:;第 期
7、高吉成,等:搅拌摩擦焊实验教学平台设计与应用图 搅拌摩擦焊实验操作控制系统主界面 ;|;。搅拌摩擦焊实验.实验材料选用 厚 与 铝合金作为被焊板材,化学成分见表 所示。表 与 铝合金化学成分(质量分数)材料 铝合金|余量 铝合金|余量 选用 钢制作搅拌头,搅拌针直径为 ,搅拌针长度为|,轴肩直径为 ,搅拌针形状为圆柱形(带螺纹),如图 所示。搅拌头加工后进行“油淬 回火”工艺进行热处理以提高搅拌头的表面硬度与耐磨性。图 搅拌头实物图.实验方法搅拌摩擦焊接过程中,轴肩下压量固定为|,搅拌针偏置量为,倾角为,旋转速度分别为、与 ,焊接速度分别为、,焊接时 铝合金放置在,铝合金放置在。实验利用光学显
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