SX110型汽車半軸摩擦焊接工藝及焊態(tài)冶金質(zhì)量控制

1、.SX110型汽車半軸摩擦焊接工藝及焊態(tài)冶金質(zhì)量控制,7第l趁/第1996年7術(shù)Vo).15No4Ju1Yl996SXJl()型汽車半軸摩擦焊接工藝及焊態(tài)冶金質(zhì)量控制蘭三,程功善時;胃清(弭七工業(yè)大學西安710072九摘要研究丁SXI】0汽車羋軸的摩擦焊接-I”藝.優(yōu)化了焊接規(guī)范參數(shù)致矮柑蓋牲術(shù)環(huán)節(jié)的匹配組臺;x,ta忠睛金質(zhì)鞋控制中的某些焊接晌金現(xiàn)象的形成機制及行為進行了分析探討關(guān)鍵詞汽f半軸摩擦焊接焊志-;11距量制中圖號而?一引言%一隨著汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展,國外在汽車零配件的生產(chǎn)中,摩擦焊接技術(shù)的應(yīng)用已占有較重要的地位,一些著名汽車公司采用摩擦焊接生產(chǎn)的汽車零配件已達數(shù)十種之多,其中包括

2、汽車半軸之類的承力構(gòu)件或保安件.但在我國,汽車零配件的生產(chǎn)工藝依然比較落后一汽車半軸的生產(chǎn)仍采用整體鍛造工藝制坯這種工藝.通常需配置大型鍛造設(shè)備.硬件投資大,材料利用率低,能源消耗較高,生產(chǎn)率較低,使產(chǎn)品成本難以進一步降低為此,近年艇,我們針對SX110型汽車半軸采用摩擦焊接所必須解決的一些關(guān)鍵技術(shù)問題,諸如摩擦焊接工藝優(yōu)化,主控焊接參數(shù)的計算機控制,焊接接頭強韌化控制,焊接質(zhì)量無損檢測等,進行r系統(tǒng)深入的研究開發(fā)本文在此基礎(chǔ)上,研究了摩擦焊接工藝及焊態(tài)冶金質(zhì)量控制問題,探討了焊接接頭的一些焊接冶金現(xiàn)象的形成機制及行為.獲得了1oo焊合,無過熱脆化和馬氏體脆化,顯微組織良好的摩擦焊接頭,為焊后

3、熱處理提供了良好的原始組織狀態(tài).1Sx110型汽車半軸摩擦焊接工藝方案的設(shè)計1,1工藝方案設(shè)計的依據(jù)SX110型汽車半軸是汽車傳動系統(tǒng)的重要構(gòu)件之一.服役時承受扭矩和彎矩聯(lián)合作用,故要求其具有較高的強韌性能和安全可靠性要獲得高質(zhì)量,高可靠性的摩擦焊接半軸.焊接工藝設(shè)計必須滿足以下要求:(1)焊臺區(qū)不得有裂紋,灰斑等焊接缺陷,要1o.焊合;(2)焊接接頭不產(chǎn)生過熱的淬火馬氏體等焊接脆化現(xiàn)象,焊態(tài)顯徽組織良好;(3)焊接熱影啊區(qū)較均勻過:(4)焊件尺寸精度可滿足F一道工序的要求1,2鍛造一摩擦焊接SXI1O型半軸的接頭設(shè)計整體鍛造sx110型半軸毛坯結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示采用摩擦焊接時一根據(jù)半軸的工作

4、條件和載荷譜,以及對半軸斷裂失效的境計分析結(jié)果,從原則上說,其焊臺面的選擇惠盡可能避收犒訂j9611,.,一刪月,文一一小劉?594?機械科學與技術(shù)第1s卷開盤,軸過渡區(qū),并應(yīng)盡可能靠近法蘭盤一側(cè),以簡化鍛坯工藝,確保摩擦焊接半軸使用性能.參考國外鍛造一摩擦焊接汽車半軸焊臺面的選擇,本研究確定焊合面及法蘭盤鍛坯,軸桿部棒對毛坯尺寸如圖2所示.【3半軸材料40Cr鉗摩擦焊接性及焊接規(guī)范參數(shù)的匹配40Cr錒是機械工業(yè)中使用廣泛的中碳合金結(jié)構(gòu)鋼之一,其化學成分()為C0.370.;Mn:0.5O0.80;Si;0.170.37;S:0.030;P:0.030;Cr0.801.1O;N【:0.25凋質(zhì)

5、處理后,可獲得高的強度,良好的塑性和韌性.焊接規(guī)范的匹配組合是保證摩擦焊接頭質(zhì)量的關(guān)鍵,通常有兩種組合方式:一是較強規(guī)范,即轉(zhuǎn)速較低,摩擦壓力較大,摩擦時間較短;二是較弱規(guī)范,即轉(zhuǎn)速較高,摩擦壓力小.孽攥時間長.為了保證接頭1cj(I焊合,抑制焊接熱影響區(qū)形成淬火馬氏體組織,同時防止產(chǎn)生夾雜,”灰斑”等缺陷,確保焊態(tài)冶金質(zhì)量,本文選用較弱的焊接規(guī)范.即較大的摩擦變形程度.使焊接接頭溫度分布較寬,焊合情況良好,焊后冷卻較緩慢.2摩擦焊接參數(shù)的優(yōu)化組合及其計算機閉環(huán)控制摩擦焊參數(shù)的優(yōu)化選擇和精確控制,對焊接質(zhì)量的影響至關(guān)重要.摩擦焊接過程可以分為三個階段,即初始摩擦階段,摩擦加熱階段和頂鍛固態(tài)連接

6、階段.與這三個階段相對應(yīng)的可控焊接參數(shù)為焊機轉(zhuǎn)速,摩擦壓力,頂端壓力,工進速度,癢擦時間和舉擦變形量.通過對這些一次自變量參數(shù)的控制,可調(diào)節(jié)加熱功率,扭矩峰值等進而控制擦焊接過程中的變形溫度,變形速度和變形程度.根據(jù)SX】O型汽車半軸的結(jié)構(gòu)及性能特點,我們對原有的C25型摩擦焊機的液壓,傳感和電氣控制系統(tǒng)進行了相應(yīng)的技術(shù)改造,然后與所研制的摩擦焊參數(shù)計算機閉環(huán)控制系統(tǒng)聯(lián)機,從而實現(xiàn)了焊接工藝過程的自動撿測,順序控制,自動調(diào)節(jié)和自動保護.為獲得高質(zhì)量,高r常性的焊接接頭提供了計算機測控技術(shù)方面的保證.經(jīng)優(yōu)陀選擇的摩擦焊接參數(shù)如表1所示表】優(yōu)化的SXI】0型汽車羋軸摩擦焊接參數(shù)1乜機轉(zhuǎn)譴摩擦上頂鍛

7、壓力頂鍛保壓時間摩搏變臣撾I瓜般利1(rITIln)(MPa)(MPa)(s)(mm)制度l47080】5051.2I第4期劉小文等:sx110型汽車半軸摩擦焊接工藝及焊惑桿金質(zhì)量控制595經(jīng)PID調(diào)節(jié)參數(shù)優(yōu)化整定后,SX110型汽車半軸摩擦焊接參數(shù),計算機閉環(huán)控制系統(tǒng)的響應(yīng)曲線如圖3所示:(xr/1ra00in3焊接接頭焊態(tài)冶金質(zhì)量的控制3.1焊合區(qū)的銅脆問題母材的冶金質(zhì)量對焊接接頭的力學性能影響甚大試驗研究發(fā)現(xiàn)若半軸40Cr鋼精鑄質(zhì)量不良,含銅量過高等.焊接接頭沖擊韌性將顯著下降沖擊斷口經(jīng)掃描電鏡和電子探針分析表明,焊臺區(qū)晶界存在銅偏折,如圖4所示為沖擊,斷口形貌及銅偏區(qū),偏析處的銅含量達

8、j7.62.焊合區(qū)多表現(xiàn)為裂紋源起源于品界處的解理狀斷口,具有脆性斷裂的形貌特征.銅偏析區(qū)的成分分析,如圖5所示.4j圖61.2焊臺區(qū)”灰斑”缺陷的抑制圖5所示為半軸焊合區(qū)存在灰斑缺陷的異常斷口的宏觀形貌.斷口表面上某些部位呈淺灰色斑狀,即為灰斑缺陷,斷裂表面十分平坦,表現(xiàn)出明顯的脆性斷裂特征.微觀上看,斷口是焊合區(qū)中破碎或未破碎的夾雜物與基體金屬的界面為空穴形成核心.在外力作用下逐漸擴展,最終聚合形成密集細小的淺韌寓.如圖6聽示.韌窩底部大都有細小顆粒狀夾雜皇匆存在,密度大,間距小.自身形成的空穴在較小的應(yīng)變條件下即可長大,直接相互聚臺,因而韌寓之間大都以單一的低而窄的撕裂棱連接.當焊縫中存

9、在大量細小密集的夾雜物時.斷裂過程中的滑移變形只產(chǎn)生在夾雜物之間的基體金屬中.此時對應(yīng)的外加應(yīng)力不足以使夾雜物附近晶粒的滑移系開動,形成象正常斷口纖維區(qū)那樣較寬的滑移變形帶.裂紋擴展吸收的塑性變形功很小顯然,這種密集型夾雜物所在平面構(gòu)成r一個低能的裂紋擴展通道,宏觀上表現(xiàn)為脆性斷裂”試驗表明.灰班缺陷的形成.與焊前接頭準備質(zhì)量和焊接參數(shù)選擇有關(guān).焊接端面清理不當,原端面污物在摩擦壓力和摩擦扭矩的共同作用下.隨摩擦粘著一剪切一體積等塑變微觀過程的進行,被引入到高溫粘塑陛金屬層中,并不斷破碎,細化,在隨后的摩擦頂鍛變形過程中,若未能很好地隨高溫粘塑性金屬的徑向流動被擠入飛邊.便夾雜物的形式分布于焊

10、合區(qū)固此.微觀夾雜物距受控于焊接參數(shù)匹配和焊前接頭的準備質(zhì)量”.?59t機械抖學挫水l5咎為了提高接頭的7J性能.焊前應(yīng)用丙酮溶液清洗摩擦副端面,減少外來夾雜物的數(shù)量,減輕芒lf對接:塑流區(qū)的污染;適當增大摩擦焊頂鍛成型階段的頂鍛壓力(9鍛壓比j.以期醉化可能存在于塑漉-t的較粗大的非金屬夾雜物.使之呈彌散分布狀態(tài).同時可通過E邊金騰的高速塑性漉動.牦辱在于蟈性區(qū)中的非金屬夾雜物擠出,使接頭塑流區(qū)得到一定程度的純化處理3.?焊接接頭”流撥竣是指在睜捧焊接頭壓中形成的金屬纖維組織它是山金屬內(nèi)存在的雜質(zhì),化合物苜擦焊接熱塑變形作用F形戰(zhàn)的,具確一定的方向性.在摩擦表面近區(qū),流線幾乎平行于料毛,如【

11、到7所0f堆組織的存窿.接頭的力學性能在不同方向上青明顯差異.即呈現(xiàn)異向性:接接頭的橫向能特則是塑性,韌性指標降低”試駐表l_月當半軸母材所含雜質(zhì)或化合物較少時,力學性能的方向性也就較小反之.沿材料流氧付有脆哇必雜均和化合物.會使試樣受橫向應(yīng)力應(yīng)變時,這些異向質(zhì)點為核心形成孔淘.非不擴大和連接成大裂紋.孔洞的排粒細化而在接頭表面近區(qū)的某一特定區(qū)域,組織性能則決定于所經(jīng)受的焊接熱循環(huán)廈應(yīng)力應(yīng)變循環(huán)如藝控制不當.則會在該區(qū)產(chǎn)生粗大的淬火馬氏體或過熱組織,使接頭性能特別是塑性,韌性指標降低,控制埠憊F接頭金相組織的方法.主要是通過臺理的匹配焊接規(guī)范參數(shù)調(diào)整熱循硬應(yīng)力市變循環(huán)過程,在保證焊合區(qū)100焊

12、臺的條件下.減少熱影響區(qū)的脆化傾向.試驗說明:焊接時,當喪1巾其它參數(shù)不變.摩擦變形量<o3mm拉伸試樣出現(xiàn)無縮頸的氐強度斷裂,斷口電鏡照吁圖8所示.斷心部可見摩擦環(huán)的痕跡,呈平直淺灰色斷口,很明顯這是心部圍邶熱不足而產(chǎn)生未焊臺或為弱結(jié)合面沖擊試樣斷口電鏡照片如圖9所示缺口對面也jE足焊件中心部1i.電鏡觀察圮花樣,同屬未焊合或弱結(jié)合面.韌睦降低當庠擦變形量>!.jn:時韌恁呈鞭大幅度衰減.光鏡下觀察熱響區(qū).過熱組織U粗針狀馬氏體為主,如圖10所示,其原始【乇體晶碹度等級為4j緞.而當摩擦變形量控制在1.2mm左右.即按照表1的焊接參數(shù)施第4蚓劉小戈等:SX】10W

13、愾乍半軸唪擦焊接【蘭段焊志情臺質(zhì)量控制?597?焊時.:嘆保證1O0%焊合,且熱影響區(qū)組織細針狀馬氏體為主.如圖11所示,其原奧氏體晶粒度等級為6一一7級.圖9圖1O圖1l4結(jié)論(1)在優(yōu)選的摩擦焊接參數(shù)的匹配組合下,經(jīng)計算機閉環(huán)控制施焊的SXI10微型汽車半軸的接頭能達到100焊合,無灰斑缺陷,顯微組織良好.并為后續(xù)熱處理做好了組織準備,(2)要確保焊態(tài)的冶金質(zhì)量,應(yīng)嚴格控制母村中有害微量元索Cu,O,S,P等的含量.因為焊合區(qū)出現(xiàn)銅偏析或氧化灰斑.會導致接頭韌性大幅度衰減.(3)SX110微型汽車半軸的摩擦焊接工藝可推廣應(yīng)用于其換代產(chǎn)品SK401及其它型號的汽車半軸的生產(chǎn)制造.參考文獻FRICTINGWLLDINGMTIMANUFACTURE&TECHNOLOGYCOMPANY.USA.了夕天輛拈卡制造方法,】P一5221203A,1993.8.31MethodofProducingFrictionWeldingArlicle/US4621760A1986,11CapnaTpeNHPMovocIemMOCTaABTo.6”月(Crap).A刪ecCe.apa,l980(5)棵各茂生摩擦壓接0應(yīng)用/01)自動車關(guān)連部品啻對象L摩擦壓接0應(yīng)用.溶接學會志,1985,54(4)雷永平等,石油鉆樸孽攛焊接頭灰斑缺陷與界面污物自清除的研究,焊管,1991/】)雷