（材料加工工程專業(yè)論文）電解鋁導桿鋼鋁連接工藝及設備研究.pdf

電解鋁導桿鋼一鋁連接工藝及設備研究 摘要 傳統(tǒng)的鋁電解槽陽極導電裝置是由鋁導桿 鋁 鋼爆炸焊片和鋼爪通 過焊接而成的 在實際生產過程中 由于工況條件惡劣 經常會出現開 裂問題 影響生產 另外 傳統(tǒng)導電裝置受導電面積的影響 能耗高 針對以上問題 我們提出對傳統(tǒng)導電裝置進行改進 取消爆炸焊片 采 用摩擦焊接技術實現鋁導桿與鋼爪的連接 并在此基礎上設計開發(fā)專用 摩擦焊機 在電解鋁行業(yè)進行推廣 本文對m 1o o m m 的純鋁與 1o o m m 的鑄鋼進行摩擦焊接試驗 對接 頭進行了力學性能分析 包括室溫拉伸試驗 高溫拉伸試驗和沖擊試驗 顯微分析 包括金相組織觀察 電子探針分析 掃描電鏡分析 接頭硬 度分析和x 射線分析 和接頭電阻率測定 結果表明 在選定工藝參數 條件下 接頭成形良好 力學性能高于鋁母材 焊縫結合面凹凸不平 近縫區(qū)的晶粒組織扭轉變形 界面元素相互擴散 形成過渡層 通過對 模擬試樣電阻率測定 與爆炸焊相比 節(jié)能效果明顯 根據摩擦焊機的設計要求 結合前期焊接試驗的情況 擬定出了鋁 導桿與鋼爪摩擦焊專機的設計參數 摩擦焊機分為主機系統(tǒng) 液壓系統(tǒng) 和控制系統(tǒng)三部分 本文首先對主機結構中的一些主要參數進行了計算 給出了移動夾具和旋轉夾具的結構簡圖 并且介紹了定相位機構的工作 原理 然后在液壓系統(tǒng)中 選定了電液比例閥 給出了液壓系統(tǒng)的原理 圖 在控制系統(tǒng)中 采用工業(yè)控制計算機 i p c 與可編程控制器 p l c 相結合的控制模式 共同完成對系統(tǒng)的閉環(huán)控制過程 詳細介紹了控制 系統(tǒng)的工藝流程以及p l c 的外部接線圖 最后應用d e f o r m 軟件對鋁導桿與鋼爪的焊接過程進行了溫度場的 模擬 為后期的生產提供了一定的指導 關鍵詞 電解鋁 鋼 鋁 摩擦焊 性能分析 摩擦焊機 溫度場 碩士學位論文 a b s t r a c t t r a d i t i o n a la l u m i n u me l e c t r o l y t i c a l u m i n u mg u i d eb a r a l u m i n u m s t e e l c e l la n o d ec o n d u c t i v ed e v i c em a k eu p e x p l o s i o nw e l d e dp i e c ea n ds t e e lt a l o n b yw e l d e d i nt h e a c t u a lp r o d u c t i o np r o c e s s t h ea n o d ec o n d u c t i v ed e v i c e c r a c k e dd u et op o o rw o r k i n gc o n d i t i o n s i na d d i t i o n t r a d i t i o n a lc o n d u c t i v e d e v i c eh a v e h i g h e n e r g yc o n s u m p t i o nb yi m p a c t o f c o n d u c t i v ea r e a a c c o r d i n gt ot h e a b o v ep r o b l e m s w ep r o p o s et h a t i m p r o v et r a d i t i o n a l c o n d u c t i v ed e v i c e c a n c e l e de x p l o s i o nw e l d e dp i e c e c o n n e c t e da l u m i n u m g u i d eb a ra n ds t e e lt a l o nb yf r i c t i o nw e l d o nt h i sb a s i s d e s i g ns p e c i a l f r i c t i o nw e l d i n gm a c h i n e i nt h ea l u m i n u mi n d u s t r yt op r o m o t e f r i c t i o n w e l d i n go 10 0 m ms t e e la n d 西1o o m mp u r ea l u m i n u mw a s i n v e s t i g a t e da n dt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s i n c l u d i n gt h er o o mt e m p e r a t u r e t e n s i l et e s t h i g ht e m p e r a t u r et e n s i l et e s ta n di m p a c tt e s t m i c r o s c o p i c a n a l y s i s i n c l u d i n g t h em i c r o s t r u c t u r e e l e c t r o nm i c r o p r o b e s c a n n i n g e l e c t r o nm i c r o s c o p y h a r d n e s sa n a l y s i sa n dx r a ya n a l y s i s a n dw e l d e d jo i n t o fe l e c t r i c a lr e s i s t a n c e t h er e s u l t ss h o w e dt h a t o nc o n d i t i o no ft h es e l e c t e d p r o c e s sp a r a m e t e r s t h ejo i n tw a sg o o da n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e st h a nt h e a l u m i n u mb a s em a t e r i a l c o m b i n e ds u r f a c eo fw e l d i n gs e a mi su n e v e n t h e g r a i ns t r u c t u r eo fn e a rt h ew e l dz o n eo c c u rr e v e r s i o na n dd e f o r m a t i o n i n t e r f a c ee l e m e n t si n t e r d i f f u s i o n f o r m e dt h et r a n s i t i o nl a y e r t h es i m u l a t e d s a m p l ec o m p a r e dw i t hl o w e rt h ee x p l o s i o nw e l d i n gi ne l e c t r i c a lr e s i s t a n c e a c c o r d i n gt ot h ed e s i g nr e q u i r e m e n t so ft h ef r i c t i o nw e l d i n gm a c h i n e a n dc o m b i n a t i o no fp r e w e l d i n gt e s t w o r ko u tt h ed e s i g np a r a m e t e r so f a l u m i n u mg u i d eb a ra n ds t e e lt a l o nf r i c t i o n w e l d i n gm a c h i n e f r i c t i o n w e l d i n gm a c h i n ew a sd i v i d e dt h r e ep a r t s h o s ts y s t e m h y d r a u l i cs y s t e ma n d c o n t r o l s y s t e m f i r s t l y s o m eo ft h em a j o rp a r a m e t e r so fh o s ts t r u c t u r e c a l c u l a t e d g i v e nt h es t r u c t u r ed i a g r a mo ft h em o b i l ef i x t u r ea n dr o t a t i n g f i x t u r e a n di n t r o d u c et h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fp h a s ea g e n c y a n dt h e ni nt h e h y d r a u l i cs y s t e m c h o o s e de l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lv a l u ea n dg i v e n t h eh y d r a u l i cs y s t e ms c h e m a t i c s u s e di n d u s t r i a lc o n t r o lc o m p u t e r i p c a n dp r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r p l c c o m b i n i n gw i t hc o n t r o lm o d ei nc o n t r o l s y s t e m c o m p l e t e ds y s t e mc l o s e d l o o p c o n t r o lp r o c e s s i n t r o d u c e dt h e p r o c e s so ft h ec o n t r o ls y s t e ma n dp l ce x t e r n a lw i r i n gd i a g r a m f i n a l l y a p p l y i n go fd e f o r ms o f t w a r es i m u l a t e dt h ew e l d i n gp r o c e s s v 電解鋁導桿鋼一鋁連接工藝及設備研究 t e m p e r a t u r ef i e l do fa l u m i n u mg u i d eb a ra n ds t e e lt a l o n p r o d u c t i o no ft h e l a t e k e y w o r d e l e c t r o l y s i sa l u m i n u m s t e e l a l u m i n u m f r i c t i o nw e l d i n g p r o p e r t ya n a l y s i a f r i c t i o nw e l d i n gm a c h i n e t e m p e r a t u r ef i e l d 碩士學位論文 1 1 課題提出背景 第1 章緒論 鋁及鋁合金已成為世界上應用最為廣泛的金屬材料之一 在所有金 屬中 產量和消費量僅次于鋼鐵材料而居于第二位 1 2 鋁工業(yè)是關系到 國民經濟發(fā)展的重要產業(yè) 為經濟發(fā)展和工業(yè)生產提供了重要的基礎原 料 現在世界上所有的鋁都是用電解法生產出來的 我國電解鋁工業(yè) 自2 0 世紀5 0 年代開始 經過近5 0 年的發(fā)展 從6 0 k a 自焙槽逐漸發(fā)展 到邊部加料預焙槽和現代中間下料的大型預焙槽 自從上世紀7 0 年代末 引進16 0 k a 中間下料預焙槽技術之后 以消化國外技術開始 揭開了中 國現代鋁電解技術發(fā)展的序幕 以鋁電解槽熱電磁力特性及磁流體數學 模型研究為核心 在工藝 材料 過程控制及配套技術等方面展開了廣 泛深入的研究工作 9 0 年代以來 在基礎理論 大型電解鋁槽開發(fā)以及 工程應用方面取得了一系列的成果 開發(fā)成功了2 8 0 k a 3 2 0 k a 以上的 特大型電解槽技術 使鋁工業(yè)的進步令人矚目 3 5 目前 我國有電解鋁廠14 0 多家 鋁產量已居世界第一位 消費已 占全球的1 4 我國電解鋁產量雖然是一個名符其實的電解鋁生產大國 但還稱不上是電解鋁生產強國 其重要原因之一 就是生產鋁的單位電 耗較高 與世界先進水平仍有差距 6 電解鋁生產是高能耗產業(yè) 世界 原鋁生產成本組成中 電能占2 4 而我國原鋁生產電能消耗占成本的 3 0 左右 7 1 現在通用的鋁電解槽預焙陽極導電裝置是由鋁導桿 鋁 鋼爆炸焊接 復合片和鑄鋼爪通過焊接組合而成的 主要起傳導電流和承載陽極碳塊 重量的作用 以導電為主1 5 裝置示意圖1 1 所示 這種結構在使用過程中存在如下問題 6 7 1 鋁 鋼爆炸焊片在高溫環(huán)境下容易開裂 鋁 鋼復合爆炸焊片最高使用溫度為3 5 0 鋁 鋼結合面如果達到或 超過35 0 就容易開裂 在電解工況條件下 有時由于電流分布不均或新 啟動電解槽時爆炸焊片就容易達到這個溫度 造成爆炸焊片開裂 2 鋁 鋼爆炸焊片增加了陽極壓降 提高了制作及檢修成本 鋁 鋼爆炸焊片的主要功能是為了解決鋁導桿和鋼爪橫梁兩種不同材 質的連接問題而采用特殊工藝制成的一種過渡連接部件 在陽極導電裝 置中 復合爆炸焊片的上部鋁平面部分與鋁導桿的下端平面采用鋁 鋁環(huán) 形焊縫連接 下部鋼平面部分與鋼爪的上平面采用鋼 鋼環(huán)形焊縫連接 電解鋁導桿鋼一鋁連接工藝及設備研究 這兩種環(huán)形焊縫的斷面尺寸都小于鋁導桿基本斷面和鋼爪橫梁基本截面 積 增加了壓降 另外 電解工況條件惡劣 爆炸焊片更換頻繁 提高 了制作及檢修成本 3 鋼爪橫粱導電性能差 鑄鋼的導電率只有鋁的l 3 4 鋁導桿與鋁 鋼爆炸片的鋁端的連接 目前采用熔化焊 使用工況環(huán) 境惡劣 高溫 腐蝕環(huán)境 反復使用 更換周轉頻繁 工人勞動強度大 工作條件惡劣 工藝裝配環(huán)節(jié)多 由于鋼 鋁復合爆炸焊片在電解鋁生產過程中處于高溫環(huán)境 同時由 于電流震蕩沖擊等作用的影響 鋼 鋁結合界面和鋁 鋁焊接界面焊口容易 開裂 脫極事故時有發(fā)生 另外 現有陽極導電裝置電耗較高 近年來 電力供應持續(xù)緊張 電解鋁的產能持續(xù)擴張 電解鋁工業(yè)作為高能耗的 產業(yè) 節(jié)能問題引起越來越多業(yè)內人士的關注 1 2 課題的提出 圖1 1 陽極導電裝置示意圖 電解鋁工業(yè)對環(huán)境影響較大 是高能耗 高污染行業(yè) 為響應國家 節(jié)能減排的要求 我們提出對陽極導電裝置進行改進 陽極導電裝置是 鋁電解槽重要的導電部件 研究節(jié)能型鋼 鋁復合結構的連接工藝 將為 電解鋁生產的節(jié)能降耗開創(chuàng)出一條新途徑 根據該廠節(jié)能技改的要求 我們進行了大量的調研工作 結合實際生產情況 提出取消爆炸焊片 采用摩擦焊接技術將鋁導桿與鋼爪橫梁直接連接起來 這樣增大了焊縫 尺寸 降低了接頭電阻 有效提高了其導電性能 達到節(jié)能降耗的目的 2 碩士學位論文 并在此基礎上設計研發(fā)鋁導桿 鋼爪摩擦焊接專用摩擦焊機 在電解鋁行 業(yè)進行推廣 力爭讓中國的電解鋁行業(yè)走上一條節(jié)能 經濟 環(huán)保和高 效的發(fā)展之路 1 3 摩擦焊 1 3 1 摩擦焊原理 摩擦焊是一種壓焊方法 它是在外力作用下 利用焊件接觸面之間 的相對摩擦運動和塑性流動所產生的熱量 使接觸面及其近縫區(qū)金屬達 到粘塑性狀態(tài)并產生適當的宏觀塑性變形 通過兩側材料間的相互擴散 和動態(tài)再結晶而完成焊接的 摩擦焊接過程一般分為以下幾個基本過程 圖1 2 8 j a b c 2 0 0 0 r a m 由哈爾濱龍飛焊接設備有限公司生產的m c 2 0 0 型摩擦焊機是為焊 接石油鉆桿專門研制的 可焊接石油鉆桿直徑為0 7 3 m m 0 8 9 m m 西1 1 4 m m 1 2 7 m m 西1 4 0 m m 1 6 0 m m 0 2 0 0 m m 以上 長度為2 5 0 0 m m i 至12 5 0 0 r a m 等規(guī)格的鉆桿 可焊接棒料直徑為 9 0 矗m o13 4 m m 也可 用于其它行業(yè)零件的焊接 m c 2 0 0 型摩擦焊機基本參數為 整機重量3 2 噸 主軸功率2 4 0 k w 最大頂鍛力為2 0 0 0 k n 主軸轉速為5 4 0 r r a i n 旋轉夾具夾料長度為 15 0 m m 5 0 0 r a m 移動夾具夾料長度為 2 0 0 0 r a m 9 0 0 0 m m 滑臺最大行程為6 0 0 m m 焊件直徑0 9 0m m 13 4 m m 焊接面積 普通鋼 14 0 0 0 r a m 2 生產效率3o 6 0 件 小時 m c 2 0 0 型摩擦焊機采取自動對中方式 對中方便 定心精度高 各 部件具有足夠的剛度 采用滾動直線導軌 工作平穩(wěn) 焊接質量可靠 電解鋁導桿鋼一鋁連接工藝及設備研究 控制系統(tǒng)采用微機質量監(jiān)控系統(tǒng)和焊接循環(huán)過程變形量控制自動化系 統(tǒng) 即利用工控機和p l c 控制器及相應的傳感器 繼電器結合實現焊接 循環(huán)自動化 對影響焊接質量的主要參數如壓力 變形量 轉速進行監(jiān) 控 并隨機在線 以數據和曲線形式 顯示 焊接參數超差報警 有效 地防止在焊機發(fā)生故障或焊接參數變化而操作者未發(fā)現期間焊出大量廢 品 大大提高了焊接質量的穩(wěn)定性 實現焊接過程自動化 除自動程序 外 還具有上料 對中 焊接 內沖飛邊 機上淬火 下料等各動作的 單獨調試功能 m c 2 0 0 型摩擦焊機實現了單機自動化 從工件上料一摩擦一焊接一 卸除工件等全部過程均按預定程序自動循環(huán) 提高了生產率 操作簡單 改善了勞動條件 具備了自動線生產和修復鉆桿的條件 由長二集團生產的c g 4 0 0 j 慣性驅動摩擦焊機整機重量為14 0 噸 總功率5 5o k w 最大頂鍛力為4 0 0 0 k n 主軸最高轉速為15 0 10 0 0 r m i n 最大轉動慣量為10 6 0 0 k g m 2 旋轉夾具夾料長度最大為8 0 0 m m 移動 夾具夾料長度為l7 0 0 m m 滑臺最大行程為l5 0 0 r a m 焊接中碳鋼材料時 最大焊接面積為2 6 6 6 0 m m 2 生產效率為2 5 件 小時 現在由哈爾濱正晨焊接切割設備制造有限公司生產的雙頭車橋摩擦 焊機取代電子束焊接和氣保焊的雙頭車橋摩擦焊機 焊接時兩個焊口 同時焊接 不僅焊接效率高 兩個焊口小于4 m i n 焊接效率高 成本低 無輻射污染而且焊接質量好 焊縫強度不低于母材 還能夠降低焊接成 本 成品活塞桿摩擦焊機是液壓缸活塞桿鍍鉻后再進行摩擦焊接 不 僅提高生產效率 還能夠降低成本 e t at e c h n o l o g y 生產的15 0 噸鉆桿摩擦焊機 有兩個伺服液壓 缸 一個交流主軸驅動器 由拉桿形成閉環(huán)系統(tǒng) 線性編碼器和壓力傳 感器組成壓力閉環(huán)反饋控制系統(tǒng) 以p l c 觸摸屏和工業(yè)p c 作為控制基 礎 并且有數據采集 歸檔 檢索和提供遠程診斷的功能 m o o ga n dt h o m p s o n 公司摩擦焊機已經開發(fā)出世界上最大的線性 摩擦焊機e10 0 它的焊接面積為10 0 0 0 r a m 2 是以前的近兩倍 并打破 焊接鍛造負荷1o o 噸的記錄 e io o 摩擦焊機主要應用在汽車和航空航天 等領域 el0 0 摩擦焊機開辟了生產汽車底板 部件和安全噴氣發(fā)動機葉 片新的可能性 k u k a 公司生產的大型摩擦焊機r s 3 0 0 頂鍛力為30 0 0 k n 焊接低 碳鋼的最大截面為2 5 0 0 0 r a m 2 最近研發(fā)的r s10 0 0 摩擦焊機 頂鍛力為 1 0 0 0 噸 焊接范圍 鈦合金7 0 0 0 9 0 0 0 m m 2 鋼5 0 0 0 4 0 0 0 0 r a m 2 i c o n e l 鎳合金2 8 0 0 2 0 0 0 0 m m 2 1 4 碩士學位論文 1 5 3 鋁導桿摩擦焊專機的研究現狀 1 z c c 4 0 0 摩擦焊機 哈爾濱正晨焊接切割設備制造有限公司生產的z c c 4 0 0 摩擦焊機是 目前國內最大的連續(xù)驅動摩擦焊機 應用在電力行業(yè)焊接鋁鋼工件 焊 接工件規(guī)格 方鋁16 0 m i n x16 0 r a m 與圓鋼板西2 3 0 x 5 0 m m 最大焊接面積 為314 0 0 r a m 2 焊件偏心度為s 1m m 旋轉夾具為五瓣彈簧夾具 自動定 心式 床位移動夾具為水平雙鉗口 后頂裝置卡緊范圍為13 0 r a m 和16 0 r a m 兩種 焊接效率 每5 分鐘一件 滑臺行程4 0 0 m m 最大頂鍛力4 0 0 0 k n 可焊工件材質q 3 4 5 4 5 4 0 c r 2 7 s i m n 35 c r m o 等低碳鋼 低合金鋼之 間同種材質或異種材質之間的焊接 2 摩擦焊接的陽極鋁導桿組及摩擦焊機 2 6 1 由西安科技大學韋力等研制的摩擦焊接的陽極鋁導桿組及摩擦焊 機 所述陽極鋁導桿組的特點是在陽極鋼爪與鋁導桿之間設有一個摩擦 焊接頭 該接頭具有一個扁平狀鋼制基盤 在該鋼制基盤上的兩個摩擦 端面上各設有一個錐形凸臺 使摩擦過程既有徑向摩擦又有軸向摩擦 從而達到了陽極鋼爪與鋁導桿的焊接端面全部實焊 最大限度地增大了 陽極鋁導桿組的導流面積 減少了電解槽的槽壓降 降低了生產能耗 最終達到節(jié)能增效的目的 1 6 研究內容 本課題主要從以下幾個方面進行研究 1 采用連續(xù)驅動摩擦焊技術對0 10 0 r a m 的鑄態(tài)純鋁與鑄鋼異種金屬 進行焊接工藝試驗 通過對大量不同工藝參數下對焊接接頭力學性能及 顯微結構進行分析 尋求最佳的工藝參數 根據結果指導摩擦焊專機的 設計 2 設計摩擦焊專機 包括主機機械系統(tǒng) 液壓和潤滑系統(tǒng) 電控操 作系統(tǒng) 冷卻系統(tǒng)及閉環(huán)控制系統(tǒng)等 3 在設計的摩擦焊接專機上進行鋁導桿與鋼爪的焊接 觀察摩擦界 面溫度分布情況 1 7 研究難點及創(chuàng)新點 1 7 1 研究難點 1 鋁 鋼之間的固溶度較低 熱物理性能差異較大 焊縫及其近縫 區(qū)會產生較大熱應力 鋁在高溫時易氧化 不利于界面冶金結合 鋼與 鋁在高溫下易形成f e 3 a l 等脆性化合物 惡化界面結合質量 鋁 鋼之間 的焊接一直是焊接領域的難點和熱點問題 因此 選擇合適的焊接方法 電解鋁導桿鋼一鋁連接工藝及設備研究 是獲得滿意的鋁與鋼異種金屬焊接接頭的關鍵 2 目前我國摩擦焊技術可焊接 3 o m m 12 0 r a m 的工件及8 0 0 0 m m 2 的大截面管件 本課題研究的是18 0 m i n x18 0 r a m 的方桿大面積焊接 選 擇合理的工藝參數實現可靠連接是今后研究重點之一 3 由于焊件結構的特殊性 要求我們設計與之相適應的摩擦焊專機 4 相位控制一直是相位摩擦焊的難點 現在通常采用兩種定位方式 電子機械強制定位和電子直流制動定位 為了準確地進行相位控制 必 須解決的關鍵技術是 a 在焊接過程中及制動階段隨時檢測出兩焊件 的相對位置及轉速 b 確定最佳的定相位時機 瞬時轉速 c 確定 快速定相位的機構 1 7 2 課題創(chuàng)新點 1 設計新型摩擦焊專機 用于鋁導桿一鋼爪的超大端面連接 實現 焊接過程的自動化 在國內還無相關設備 2 采用鋁導桿和鋼爪直接連接的焊接結構 取消爆炸復合焊片 提 高了結構的導電性能 降低電阻率 節(jié)約生產成本 節(jié)能減排的要求 3 超大端面鋁一鋼接頭的摩擦焊工藝研究將填補國內在此領域的空 白 1 6 碩士學位論文 第2 章鑄鋁 鑄鋼摩擦焊實驗及接頭性能分析 2 1 實驗方案 由于異種材料和同種材料的焊接性不同 通過對異種材料摩擦焊焊 接性的分析 結合鑄鋁與鑄鋼的焊接特點 擬采用連續(xù)驅動摩擦焊方法 對o1o o m m x 6 0 0 m m 鑄鋁棒和西1o o m m x3 0 0 m m 鑄鋼棒進行焊接 通過對 焊接接頭進行力學性能和顯微分析 找到最佳的工藝參數及變化規(guī)律 進而指導摩擦焊專機的設計 2 2 實驗方法 2 2 1 實驗材料 本實驗所用的材料為鑄態(tài)純鋁和鑄鋼z g 2 3 0 4 5 0 為保證接頭質量 焊接端面要進行機械加工 母材化學成分及力學性能如表2 1 表2 2 所 示 表2 1 鑄態(tài)純鋁化學成分 及力學性能 表2 2z g 2 3 0 4 5 0 化學成分 及力學性能 2 2 2 實驗設備 1 連續(xù)驅動摩擦焊機 實驗摩擦焊機配有計算機閉環(huán)控制系統(tǒng) 可實時檢測摩擦焊接扭矩 軸向壓力 主軸轉速和軸向縮短量等焊接參數隨時間的變化規(guī)律 并具 有軸向縮短量恒值控制 摩擦壓力和頂鍛壓力恒壓控制測控功能 1 7 電解鋁導桿鋼一鋁連接工藝及設備研究 2 島津萬能材料試驗機 將焊接接頭分別按照g b 2 2 8 8 7 g b 4 3 38 2 0 0 6 制成室溫拉伸試樣和 高溫拉伸試樣 在島津萬能試驗機上對焊接接頭進行室溫和高溫力學性 能測試 3 擺錘式沖擊試驗機 按照g b t 18 6 5 8 2 0 0 2 加工出沖擊試樣 5 5 m m x10 r a m 10 m m 采用 夏比型缺口進行沖擊試驗 分析焊接接頭的沖擊韌性 4 m e f 3 金相顯微鏡 將所要觀察分析的樣品沿軸向用線切割加工出焊縫剖面 用不同粒 度的砂紙依次打磨后拋光 將拋光后的試樣用4 的硝酸酒精進行腐蝕 待腐蝕均勻后用水和酒精沖洗 吹干后在m e f 3 大型金顯微鏡下觀察 對于低倍組織的拍攝 可以選擇用2 0 硝酸酒精溶液擦拭 然后可觀察 出明顯的組織分界 5 e p m a 16 0 0 電子探針 將不同規(guī)范下焊好的試樣制成金相試樣 拋光后輕微腐蝕出焊縫 用日本島津e p m a 16 0 0 電子探針對焊接接頭處進行擴散組元含量分布和 成分定量分析 對f e 和a l 等元素進行線掃描分析 6 h x 10 0 0 t m 顯微硬度計 按g b t 4 3 4 0 2 19 9 9 標準將腐蝕好的金相試樣用h x 10 0 0 t m 顯微硬 度計測試硬度 載荷為2 5 9 由于母材區(qū)的組織與焊縫區(qū)組織有明顯的差 別 因此在進行硬度測試時 首先從母材一側選擇測量起點 開始測量 讀出測量值 在表中找到相應的硬度值 然后選擇一個標距 沿垂直于 焊縫的方向以此標距為基準移動測試試樣 每隔0 5 r a m 取一次硬度值 待一組數據測完之后 沿焊縫方向移動一段距離 重復上述操作兩次 將三次測量的結果取平均值 并以距離為變量作出硬度變化曲線圖 通 過曲線變化趨勢找出焊縫兩側不同區(qū)域硬度值的變化規(guī)律 7 d 8a d v a n c ex 射線衍射儀 用d 8a d v a n c ex 射線衍射儀分析沖擊試樣斷口物相組成 確定焊 接過程中生成化合物相及對焊接接頭性能的影響 8 j s m 6 7 0 0 f 掃描電鏡 利用j s m 6 7 0 0 f 場發(fā)射掃描電子顯微鏡分析斷口形貌 微區(qū)成分 顯微組織形貌 9 自制電阻率測試設備 電阻率測試設備主要由電源和電阻箱組成 模擬試樣接入 組成一 個簡單的回路電路 在對試樣加熱到不同溫度時測量電壓值 2 2 3 焊接工藝 焊接工藝參數如表2 3 所示 1 8 碩士學位論文 表2 3 鑄鋁一鑄鋼摩擦焊工藝參數 2 2 4 焊接接頭宏觀形貌 a 去除飛邊前b 去除飛邊后 圖2 1 焊接接頭宏觀形貌 在傳統(tǒng)的摩擦焊接過程中 由于兩側金屬高溫物理性能和力學性能 的不同 焊接時兩側的變形抗力 變形程度 變形速度以及飛邊大小等 有明顯的差異 變形抗力大的一側變形程度低 由圖2 1 可知 鑄鋼側幾 乎無飛邊 鑄鋁側的飛邊成型良好 兩種材料沿結合面擠出的飛邊均勻 平整 焊縫美觀 無明顯焊接缺陷 2 3 力學性能分析 一 虞 v 弋7 l人 7 圖2 2 取樣位置示意圖 1 9 電解鋁導桿鋼一鋁連接工藝及設備研究 在摩擦焊接過程中 塑性變形層厚度沿工件半徑的分布是不均勻的 摩擦表面的加熱往往是從距離圓心2 3 處的地方首先開始 此處摩擦加熱 功率最大 溫度上升最快 在后期變形區(qū)域寬度擴展 最后覆蓋整個摩 擦表面 摩擦壓力在焊接表面上呈雙曲線分布 中心壓力最大 邊緣壓 力最小 在壓力和速度的綜合作用下 距離圓心2 3 處發(fā)生相互嚙合 粘 接 剪切和攪拌過程 根據摩擦焊接過程的上述特點 試樣的取樣位置 如圖2 2 所示 2 3 1 室溫力學性能 將焊接接頭按照g b 2 2 8 8 7 制成室溫拉伸試樣 室溫拉伸試樣尺寸如 圖2 3 所示 拉伸試樣拉斷后的宏觀形貌如圖2 4 所示 得到的焊接接頭 沿徑向抗拉強度如圖2 5 所示 f 1 n 5 一 2 0 6 0 一i j 一 一一 1 己o 圖2 3 室溫拉伸試樣尺寸示意圖 圖2 4 室溫拉伸試樣斷裂宏觀圖圖2 5 常溫拉伸強度曲線 從圖2 4 中可以看出 拉伸試樣均斷于鋁母材側 并且出現頸縮現象 強度能夠滿足使用要求 室溫拉伸強度曲線如圖2 5 所示 三種工藝參數 條件下 強度值的變化趨勢一致 其中第三組工藝參數條件下得到的強 度值最高 為最佳工藝參數 2 3 2 高溫力學性能分析 將焊接接頭按照g b 4 3 38 2 0 0 6 制成高溫拉伸試樣 加工尺寸示意圖 如圖2 6 所示 試驗溫度分別為10 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 恒溫15 r a i n 后開始拉伸 直至斷裂 試樣拉斷后的宏觀形貌如圖2 7 所示 記錄得到 2 0 碩士學位論文 焊接接頭在各溫度條件下的應力 應變曲線 如圖2 8 所示 廠 緲 可 廣 j 型 一 2 0 i4 c 一 9 0 一 圖2 6 高溫拉伸試樣尺寸示意圖 從宏觀形貌圖 圖2 7 中 可以看到試樣斷裂形貌有所不同 但均 斷于鋁母材側 當拉伸溫度為10 0 和2 0 0 時 試樣斷口形貌與室溫拉 伸斷口形貌相差不大 斷口呈灰色 有金屬光澤 隨著溫度的升高 拉 伸斷口鋼側顏色明顯加深 斷口呈針尖狀 對應力 應變曲線 圖2 8 進行分析 結果顯示 接頭抗拉強度先是先突增后下降 隨著溫度的升 高呈線性下降趨勢 延伸率隨著溫度的升高而增大 圖2 7 拉伸后試樣宏觀形貌圖 圖2 8 高溫拉伸應力一應變分布圖 2 3 3 沖擊性能 目霾 u 馴 圖2 9 沖擊試樣尺寸示意圖 沖擊試驗中 試樣在受到擺錘突然沖擊時發(fā)生斷裂 其斷裂過程是 一個裂紋萌生和擴展的過程 經歷了底部的彈性變形 塑性變形及臨界 裂紋的形成 裂紋失穩(wěn)擴展和剪切唇形成等過程 將試樣按照圖2 9 所示 的尺寸進行加工 在擺錘沖擊試驗機上進行試驗 針對不同工藝參數條 件下的焊縫的沖擊韌性進行分析 得到的結果如表2 4 所示 2 1 電解鋁導桿鋼一鋁連接工藝及設備研究 表2 4 不同工藝參數條件下沖擊韌度值 由上述數據可知 三種工藝條件下 接頭沖擊功相差不大 接頭沖 擊功主要是由晶粒大小及組織狀態(tài)所決定的 并受溫度的影響 不同的 溫度情況下 沖擊試樣斷裂的機理不同 2 4 顯微分析 2 4 1 金相顯微組織 圖2 10 厚掇焊接頭金相組織 焊接接頭的金相組織如圖2 10 所示 一般焊接接頭分為三個區(qū)域 即母材區(qū) 熱力影響區(qū)和焊縫區(qū) 在摩擦焊接過程中 在熱與力的作用 下 焊合區(qū)金屬發(fā)生了強烈的塑性變形與流動 相互攪拌與混合 相互 擴散與滲透 加熱與冷卻相變 動態(tài)回復與再結晶等物理冶金與力學冶 金過程 兩側材料的相互機械混合與嚙合現象非常明顯 焊合面凸凹不 平 呈曲面分布 在焊縫的過渡區(qū)中產生了一層塑性變形層 這種塑性 變形層是在鋁與鋼的相互摩擦過程中 由于焊接能量和外加壓力的作用 材料產生大量的塑性變形 動態(tài)再結晶 晶粒細化 觸變而形成的一層 特殊構造層 其中在鋁與鋼的摩擦焊接接頭中 產生的塑性變形層主要 集中在鋁母材一側 鋼側很少 這主要是因為兩種材料的物化性能相差 太大 2 4 2 電子探針分析 為研究鋁鋼摩擦界面的擴散情況 對界面進行了線掃描分析 圖c 可看到鋁鋼界面處有波峰 表明鋼鋁界面有相變發(fā)生 且圖中鋁 鋼直接 結合的界面處鋁 鐵原子的含量并非陡然垂直上升或下降的 而是有一 碩士學位論文 a 沖擊斷口元素分布圖 一 m l 隧爨i黲 1 1 一 4 d l 諺嘲盛 嘲 孵糟 雕 黧 巳r 甜 赫 一j 5 一 i 一 1 d h o j l 1 電解鋁導桿鋼一鋁連接工藝及設備研究 整個斷面由許多塑坑組成 表現出明顯的韌性斷裂特征 無氧化 能完全 焊合 而且具有良好的力學性能 圖 c 為沖擊斷口試樣形貌 斷面由 許多塑坑組成 可見沖擊試樣同樣表現出韌性斷裂的特征 2 4 4 接頭硬度分析 焊接接頭的顯微硬度曲線如圖2 13 所示 從圖中可知 焊合區(qū) 0 點位置 兩側硬度均略高于母材 鋁側的硬度值隨著距離焊縫位置的增 加 硬度值逐漸下降 這是因為焊合區(qū)金屬發(fā)生了動態(tài)再結晶 引起晶 粒細化 使其硬度值高于母材 另一方面 由于f e 元素的擴散作用 使 圖2 1 3 焊接接頭顯微硬度沿軸向分布曲線 得接頭鋁側產生了固溶強化作用 接頭的中心區(qū)域為細小的動態(tài)再結晶 組織 在焊接結合面還有少量徑向拉長組織 這些鍛造結構組織使得接頭 區(qū)域的顯微硬度比母材略高 鋼側硬度值波動較大 在近縫區(qū)略高于母 材 這不僅是因為在摩擦焊過程中a l 元素的擴散作用而引起的鑄鋼側產 生時效強化 而且在晶間還生成金屬間化合物或夾雜物 從而使得鋼側 局部位置的硬度提高 2 7 2 8 l 2 4 5x 射線分析 試樣沖擊斷口x r d 圖像如圖2 14 從圖中可以看出焊接界面生成金屬 間化合物f e a i 異種金屬摩擦焊接過程中 合金元素相互擴散是形成 金屑 間化合物的一個主要原因1 2 9 3 0 摩擦開始后 a l 原子不斷向鋼側進行擴 散 在界面形成f e a l 金屬間化合物 隨著距摩擦界面距離的增加 擴散 的a l 原子就越少 同時 鋼側的f e 原子也會向鋁中進行擴散 在靠界面 側形成金屬間化合物 而隨著距摩擦界面距離的增加 擴散的f e 原子越 來越少 隨著摩擦時間的增加 擴散區(qū)內的鋁濃度增加 由于鋁沿晶界的擴散 系數要比晶內的擴散系數大 因而晶界處鋁元素的濃度要比平均濃度高 碩士學位論文 當晶界上的鋁元素濃度達到鋁在界面上的飽和濃度時 就會形成f e a l 相 的晶核 隨著擴散的繼續(xù)進行 晶核長大 以致于相互連接 形成連續(xù)的相 層 2 7 2 8 倉 8 馘 霞 盔 j 鑫 2 5 電阻率測定 衍射角0 圖2 1 4 沖擊斷口不同區(qū)域的x r d 圖 根據鋁廠實際生產情況 一個電解槽通過的電流是2 0 0 k a 有2 8 根 鋁導桿 電流密度為o 3 6 4 a m m 2 在實驗過程中 我們按照電流密度恒 定 采用的是按比例縮小的模擬試樣 實驗中有1 2 兩個試樣 通過計 算 試樣的尺寸大小如圖2 15 所示 其中1 號試樣中鋼 鋼界面的手工焊 焊縫長度為4 2 r a m 沒有焊滿 手工焊焊縫 爆炸焊縫 手工焊焊縫 1 號樣 鋼鋁 50 i 100 2 號樣 圖2 15 電壓值測定試樣尺寸示意圖 丁土 電解鋁導桿鋼一鋁連接工藝及設備研究 兩個試樣上1 2 3 4 點為四個電壓測量點 實驗過程中 我們分 別測量了在不同溫度下1 4 1 2 3 4 之間的電壓值 實驗電路圖如圖2 16 所示 實驗過程中電流為9 2 58 a 圖2 16 實驗電路圖 考慮實驗結果的直觀性 這里只列出兩個試樣在1 4 點之間的電壓 值 實驗結果如表2 5 所示 表2 5 電壓值測定結果 通過對試驗結果進行分析 可以得出溫度在4 0 0 c 4 0 0 0 c 之間進行變 化時 2 號樣在1 4 兩點的電壓值比l 號樣的低 在4 0 0 0 c 降低6 5l m v 具體的節(jié)能效果如下 以年產量2 0 萬噸的鋁廠計算 1 按照一年工作3 6 5 天 每天2 4 小時 6 14 個電解槽計算 每年可 以節(jié)約7 0 0 萬k w h 的用電量 每k w h 電按o 5 元計算 一年可節(jié)約35 0 萬元 2 采用新工藝之后 取消了鋼鋁爆炸復合焊片 每片3 0 0 元 每年 碩士學位論文 可節(jié)省516 萬元 3 每年節(jié)省焊條l6 噸 每噸l 萬元計 可節(jié)約16 萬元 4 節(jié)省工時費l1 萬元 綜合以上幾點 每年可節(jié)省8 9 3 萬元 現在全國電解鋁的年產量是3 0 0 0 萬噸 每年可為企業(yè)帶來節(jié)能效益10 億多元 2 6 本章小結 在選定的焊接工藝參數條件下 鋁鋼摩擦焊接頭成形良好 沿結合 面擠出的飛邊均勻平整 無焊接缺陷 接頭力學性能高于鋁母材 根據 對接頭組織的顯微分析 可以看出焊合區(qū)金屬發(fā)生了強烈的塑性變形與 流動 兩側材料的嚙合現象明顯 焊合面呈曲面分布 界面元素相互擴 散 形成過渡層 通過對模擬試樣的電阻率測定試驗 與爆炸焊相比 節(jié)能效果明顯 電解鋁導桿鋼一鋁連接工藝及設備研究 第3 章摩擦焊機設計要求及主機設計 3 1 摩擦焊機設計要求 摩擦焊是一個機械化的焊接方法 其全部焊接操作過程以及提高焊 接生產率和保證焊接質量都依靠焊接設備 因此必須設計與制造符合要 求的摩擦焊機 對摩擦焊機的要求有以下幾點1 9 1 適當主軸轉速 當焊接產品的材料和直徑一定時 焊機的主軸轉速必須高于一個最 低的轉速 以保證摩擦焊接界面有足夠高的加熱溫度和加熱速度 這個 轉速叫做臨界摩擦轉速或極限摩擦轉速 如果轉速太高 不僅沒有必要 而且會給主軸系統(tǒng)的設計和制造帶來許多困難 例如軸向止推軸承的選 擇 冷卻和潤滑都比較困難 同時對主軸系統(tǒng)的動平衡要求也很高 焊 接直徑16 r a m 的4 5 號鋼產品時 常用的轉速范圍為l5 0 0 3 0 0 0 r r a i n 2 足夠大的主軸電動機功率 電動機功率太大會造成浪費 太小會使主軸悶車 破壞了焊接過程 或使電動機因經常過載 發(fā)熱而損壞 主軸電動機功率的大小與產品的 材質 直徑和所選用的焊接規(guī)范有關 3 足夠大的軸向壓力 軸向壓力是保證摩擦加熱和頂鍛焊接過程的重要參數 對焊機不僅 要求其有足夠大的軸向壓力 而且要求壓力從零升到最大值時能連續(xù)穩(wěn) 定地調節(jié) 這樣才能靈活的選用摩擦壓力和頂鍛壓力 對焊機還要求應 有較高的頂鍛速度 以保證在焊接溫度下有足夠大的頂鍛變形量 4 夾頭要有足夠大的夾緊力和向心度 焊接時工件要被夾緊 對中 保證端面平行 防止摩擦時產生振動 在摩擦扭矩和頂鍛壓力的作用下 要防止工件旋轉打滑或軸向滑動 使 其焊接過程順利進行 保證接頭質量 夾頭的夾持直徑 長度 夾緊力 的大小和移動夾頭的行程 都由工件尺寸和焊接規(guī)范決定 5 合適的停車速度 接頭在摩擦加熱過程終了時 主軸轉速由選定值下降到零的速度要 符合焊接工藝的要求 一般的停車時間在0 1 1s 之間 6 焊機剛度要大 要防止摩擦加熱過程中工件產生振動 防止頂鍛焊接時焊機夾頭變 形偏心 影響接頭質量 7 摩擦焊機要盡可能配備可靠的規(guī)范控制裝置 提高和穩(wěn)定焊接質量 碩士學位論文 3 2 設計參數 根據對 10 0x 西10 0 m m 的鑄鋁和鑄鋼棒的摩擦焊接接頭的分析 得 到最佳的工藝參數 結合摩擦焊機的設計要求和焊機的特殊性 我們選 擇的設計參數如下 1 工件規(guī)格 方鋁18 0 18 0 x 3 0 0 0 m m 與扁鋼橫梁4 3 0 16 5 10 0 0 m m 2 焊件偏心度 s 1 2 m m 3 夾具 旋轉夾具為自動定心式 移動夾具為3 組水平鉗口式 4 焊接效率 每5 10 分鐘1 件 5 主軸轉速 5 2 0 0r m i n 可連續(xù)調整 6 最大頂鍛力 5 0 0 0k n 7 可焊接工件材質 低碳鋼 低合金鋼與純鋁之間的相互焊接 3 3 摩擦焊機組成及功能 連續(xù)驅動摩擦焊機是利用焊件被焊表面相互摩擦所產生的熱量 使 被焊表面達到塑性狀態(tài) 然后迅速頂鍛而完成焊接的一種熱壓焊設備 j b t s 0 8 6 19 9 9 其結構主要包括主機系統(tǒng) 液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大 部分 摩擦焊專機結構簡圖如圖3 1 所示 r 0 i0 f if6 i l i 刮v l m 艟叫 l l j l li 七 嚴 i 書j l r 芻 一 1 j 鼯 舌5 叫r j p lui 3 3 1 主機系統(tǒng) 圖3 1 摩擦焊機結構簡圖 主機系統(tǒng)是摩擦焊機的主體 主要包括主軸箱 旋轉夾具與移動夾 具 滑動平臺 施力油缸與床身等 其作用是通過旋轉夾具與移動夾具 向焊件提供工藝所規(guī)定的轉速 扭矩 摩擦壓力及頂鍛壓力 保證焊件 的尺寸精度 實現滑臺快進 快退 工進等輔助運動 它是焊機系統(tǒng)的 執(zhí)行機構 電解鋁導桿鋼一鋁連接工藝及設備研究 3 3 2 液壓系統(tǒng) 液壓系統(tǒng)的主要作用是提供焊機各動作機構 主軸離合器 制動器 旋轉夾具 移動夾具 和施力系統(tǒng) 施力油缸 的液壓動力源 以及保 證主軸旋轉及滑臺運動部件的充分潤滑 主要包括液壓電動機 液壓泵 油箱以及各種方向 壓力和流量控制閥所組成的液壓控制回路 3 3 3 控制系統(tǒng) 摩擦焊機控制系統(tǒng)根據其控制對象可分為強電控制系統(tǒng)和弱電控制 系統(tǒng) 強電控制系統(tǒng)主要通過空氣開關 離合器 y 轉換器等器件對主 驅動電動機 液壓系統(tǒng)電動機等強電部分進行控制 弱電控制系統(tǒng)則是 根據設定的焊接程序和焊接過程的觸發(fā)信號 通過控制液壓系統(tǒng)的電磁 閥與強電系統(tǒng)的離合器 來實現焊接過程中的順序控制與模擬量控制 根據控制目標要求及控制功能的強弱 弱電控制系統(tǒng)分為繼電器控制系 統(tǒng) 可編程 p l c 控制系統(tǒng) 單片機控制系統(tǒng) 工業(yè)計算機控制系統(tǒng)以 及p l c 工業(yè)計算機 或單片機 雙級控制系統(tǒng)等幾種控制形式 3 4 摩擦焊機參數計算 3 4 1 電動機的選擇 1 主軸轉速 鋁導桿與鋼爪的焊接面積 s l8 0 18 0 m m 3 2 4 0 0 m m 2 則用于計算扭矩及速度的等效半徑 一 厚一 降 6 8 瓏m 0 0 6 8 所 膽i v i2 j i f 了訂2 刪2 所 一般摩擦焊線速度范圍為0 6 3 m s 對于鋁 鋼摩擦焊 線速度取 0 7 m s 刀 旦 6 0 1 q z 6 0 9 8 m i n 2 7 r r 2 x 3 1 4 0 0 6 8 在實際生產過程中 考慮到其他規(guī)格的鋁導桿 我們取轉速n l5 0 r r a i n 2 摩擦轉矩 m u f r 3 1 其中m 一摩擦扭矩 n m f 一摩擦壓力 n r 等效半徑 m u 一摩擦系數 碩士學位論文 摩擦焊接過程中 摩擦比壓力取2 2 k g m m 2 由公式 3 1 摩擦轉矩 m 0 7 x 2 2 3 2 4 0 0 l0 0 0 6 8 3 3 9 2 9 n m 3 主軸電動機功率 3 1 p 生墜 3 2 9 5 5 0 其中p 一電動機功率 k w 1 1 d 一電動機轉速 r m i n t d 一電動機轉矩 n m 由公式 3 2 主軸電動機功率 p 3 3 9 2