铜—不锈钢摩擦焊过程的物理现象和接头形成机理探讨

铜—不锈钢摩擦焊过程的物理现象和接头形成机理探讨 铜—不锈钢摩擦焊过程的物理现象和接头 形成机理探讨 铜一不锈钢摩擦焊过程的物理现象和接头形成机 理探讨 DiscussiononthePhysicalPhenomenaandWeldFormingMechanismintheProcessofCopp er--StainlessSteel FrictionWelding 石凯?至士元邱风翔夏薇.,—————,———'',,' 1)西安石油学院,西安,710065;2)西安交通大学.西安,710049.第一作者:男,43岁,硕士 摘要本文采用中断试验方法,记录和观察1铜与不锈钢在摩擦焊接头形成过程中的物理 现象.结果表明铜与不锈钢棒料的对接摩擦焊过程大致可分为初始摩擦的粘着;铜内摩擦,塑性环 扩展;铜,不锈钢界面摩擦及不锈钢体内摩擦3个主要阶段.在接头形成过程中经历1两次摩擦面 的转移.其内容对促进异种材料摩擦焊的接头形成 主 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 词/[自由词]堡塑谴墨竖垫,[物 中图资料分类法分类号TG401 序言 飞 伴随着摩擦焊焊接接头形成过程中出现的,系列 物理现象,包含和提供了接头形成机理的各种信息.准 确地掌握各种物理现象和现象的动态变化规律以及工 艺参数与各现象之间的互相耦合作用,是摩擦焊过程 机理研究的基本手段和依据.在异种材料摩擦焊中,组 合材料性能的差异.必然导致摩擦表面的相互作用,热 量产生与分布,塑性变形及流动等物理现象与同种材 料摩擦焊现象的差异.本文采用T.紫铜和1Crl8Ni9Ti 不锈钢这两种化学,物理及机械性能相差很大的材料 进行组台对接荤擦焊.用中断试验方法,观察接头形成 过程中不同时刻的接头断El形貌和接台处的金相组 织,与记录的有关物理参量进行比较.在综合分析基础 上提出铜一不锈钢棒料摩擦焊接头形成过程中摩攘面 两次转移的结论和看法,与同行商榷. 1试验条件和方法 1.1试驻条件 试验在最大轴向压力为40KN的液压连续驱动摩 擦焊机上进行,焊接过程参数记录通过压力传感器,位 移传感器,扭矩传感器和光线示波器等来完成, 试件材料:T.紫铜和1Crl8NigTi不锈锕棒料,直 径8ram,12ram.试件焊接端面经车削加工,摩擦 接触表面平整与轴线垂直,材料主要物理性能见表1. 表】试验材科主要物理性露 1.2试验方法 (1)通过正交试验方法确定出所选铜与不锈锕棒 料对接摩擦焊的工艺参数及施焊措篪.保证焊合. (2)在确定的摩擦焊工艺参数下,进行中断试验. 即将一个完整的摩擦焊接头形成过程分成若干个时间 区间,在摩擦焊接进行的不同时刻,通过刹车,不顶锻, 中断焊接进程.获得代表摩擦焊接过程进行到不同时 刻的一系列接头试样. (3)对中断试验所得试样进行观察,测试.拉开中 断试验被焊试件的接头,用SEM(扫描电镜)观察断口 西安石油学院?1996年9月?第】J卷?第5期 (J.ofXVanPetro.Inst.Sept.19961Io1.11No.5)39 竺观察和试篓苎焊接工艺参数4'gl4tl~.2-轴向剖面的低倍金相孤,^塑变流动;用 EPA(电子…,一 探针)测定中断试验试件接头区域主要合金元素.正交试验确定的铜一不锈钢棒料 摩擦焊工艺参数 (4)将焊接过程记录参数与物理现象结合在一起,及接头性能见表2. 分析探讨锕一不锈钢摩擦焊焊接接头形成机理和规 律. 2试验结果 表2摩擦焊工艺参数及接头性能 固定参数:转速2500r/min,先刹车后顶锻,刹车时间t1.2s,保压时间6s. 2.2中断试验接头拉伸断口形貌 中断试验每组试样的时间间隔取ls,?8ram棒料 总摩擦时间是7s,共有7组中断试样,?12mm棒料有 9组中断试样,两种尺寸摩擦焊过程变化规律趋势基本 一 致,由于篇幅所限,下文仅给出8mm棒料试验结 果.图1是8mm棒料的中断试验接头拉伸断口SEM 宏观照片. 鳓71-2sT.=4s 图L中断试验接头拉仲断口(f一摩擦时间s) 2.3中断试验接头轴尚低倍光学显微镜观察2.4过程参数 见图2.试件摩擦时间间隔ls与图1对应.试件取 样剖面在通过圆心的直径上,由于轴对称,照片取其中 的一半,图左侧靠近试件的中轴线.为了便于观察,图 3给出部分试件接头区域较高倍数的金相照片. 图4是对应的摩擦焊试验过程主要参数记录曲 线. 3现象分析及机理探讨 采用中断试验方法,通过直接观察铜一不锈钢摩 西安石油学院(JXAPI)-1996年 l 擦焊焊接过程各阶段的接头断口形貌,塑性流变,配合 电子探针成分测定和过程参数记录,发现铜一不锈锕 棒料摩擦焊焊接接头的形成,按时间进程大致可分为 初始摩擦的粘着一铜内摩擦,塑性环扩展一铜,不锈钢 界面摩擦及不锈钢体内摩擦这样3个主要阶段在该 过程中,经历了两次摩擦面的转移. —ls×100 T=2s×100 =3sx]00 T=4s×]00 『I=5s×Io0 L=6s×100 圈2中断试验接头轴向低倍金相照片 3.1初始摩擦的粘着阶段 当铜一不锈钢的焊接端面在高速旋转及摩擦压力 作用下发生物理接触时就进入了该阶段.其主要现象 为,中断试样接头拉伸断El不锈钢一侧的中心及边缘 呈光滑的涂敷铜色.在试件2/3直径处出现环状粘铜; 金相试样,在铜——不锈钢界面上有一条黑带.该阶段 的进行过程与工艺参数有关,在前面所确定的规范参 数下,主要过程的完成在0,1s. 摩擦学的研究表明"当低熔点金属在硬表面上滑 动时,硬表面未被划伤,但被软金属所涂敷,高接触压 力及高速滑动所生成的温度,使低熔点金属焊在硬滑 板上,当两表面开始粘着时,焊接点被薄薄地撕开直到 下次滑动时又重新焊上.在强度差别较大的异种金 属材料之间进行摩擦焊时,普遍发现到这种现象通常 将粘敷在硬金属表面上的物质称为粘着层,有些资 料口称其为铸环或铸层.在普通材料中,以铝与其它硬 金属的粘着作用较为明显.粘着层阿出现在异种金属 材料摩擦焊接头形成机理中已得到普遍的认可,然而 与摩擦学研究条件不同的是摩擦焊为封闭旋转摩擦, 且端面上摩擦速度,压力分布不均匀,在轴向工进速度 作用下摩擦面接触瞬间压力大且有冲击,这时不仅出 现不锈钢微观凸凹部分对低强度材料铜的嵌入和机械 挖掘,同时不锈钢端面在接触瞬间的高速滑动,剪切和 冲击下也发生了一定的颗粒破碎和微粒磨损形成了 图3.1,—ls,金相试样界面中的黑带.黑带成分的 重量百分比是Fe4.77%,CrO.65,Ni0.39, Cu94-18,是以铜为主的铜与不锈钢的机械混合物 紧紧地贴在不锈钢摩擦端面上.拉伸试验表明粘着层 与不锈钢有高的贴合力,这时接头的强度主要取决于 粘着层与铜母材的接合强度. 3.2铜内摩擦,塑性环扩展阶段 该阶段时间大致在1,4s,主要现象是扭矩曲线和 压力曲线呈缓慢下降趋势.轴向剖面金相试样的不锈 钢侧无明显变化,铜侧塑性流动沿轴向和径向向铜内 扩展,构成铜内体摩擦,在一3s处塑性流动区最厚. 最厚处位于棒料z/s直径的圆环上,拉伸断裂不是在 开有lramV型圆周槽的铜一不锈钢界面上,而是在铜 侧,断El位置与轴向剖面金相试样塑性流动区前沿吻 合,断El呈火山El环状,中心可观察到不锈钢. 随摩擦过程的进行,接触面温度的逐渐升高和金 属软化两种现象同时发生,在外力作用下,使摩擦从 "面摩擦"发展成"体摩擦",主要热量由塑性区的金属 搅动而产生.产生的热量向两边传播,最高温度点向 导热能力小的金属方向移动口].然而相对旋转速度最 大的地方是在温度分布条件下金属剪切强度(塑性状 态下是分子间作用力)最小的地方.虽然在该温度分布 石凯等:铜一不锈钢摩擦焊过程的物理现象和接头形成机理探讨41 条件下,最高温度点在向不锈钢侧偏移,但铜的强度远 低于该温度下的不锈钢,加之初始阶段不锈钢端面上 形成的高贴合力粘着层构成一个停滞层,使得主摩擦 面沿轴向转移到离接头裉近的铜内.变成了以铜为主 的同种金属之间的摩擦.线速度,受力条件所引起的加 热功率在端面上的分布差异,使摩擦体呈火山口环状, 塑性流动层逐步向轴向加厚和向径向扩展. 一 1s×8oo=4s×, 图3中断试验接头轴向部分盘相照片 图4铜不锈钢捧料摩擦焊主要参数变化曲线 I.扭矩(N?M)z.轴向压力(MPa)3.位穆(叫n) 3.3铜一不锈钢界面摩擦以及不锈钢的内摩擦阶段 该阶段的时间在4,7s主要现象是,阶段的初期 轴向压力曲线下降,位移上升,摩擦扭矩曲线出现上 升,轴向剖面金相试样(图3f:4S)铜侧塑性流动 区突然减薄近于消失.而后随时间的延长,近缝处不锈 钢流线顺摩擦方向发生明显的弯曲,弯曲处与焊缝之 间有一不锈钢流动变形层(图3t=7S)铜侧靠界 面又重新开始产生全面的塑性流动层.流动层撮厚处 位于试件中心. 随摩擦时间的延长,热传播的结果,一方面使最高 温度区向导热能力小的不锈钢移动,促使其软化,强度 降低.另一方面铜侧塑性环继续向中心扩展,使铜中心 温度分布最低,并支撑着相当主要轴向压力的"硬芯 棒"温度越来越高,而且越来越"细",最后被压垮,改善 了端面金属流动条件,降低了整体变形抗力,表现出轴 向压力的下降,位移上升.铜侧高温金属迅速减薄.主 摩擦面二次转移到不锈钢与温度较低的铜之间,呈现 扭矩曲线的上升.此后由于最高温度区在不锈钢一侧, 42 _ 0—?0:. L=7s×500 不锈钢经历一段时间的加热,强度也大大下降,主摩擦 面将固定在铜一不锈钢界面附近,产生不锈钢一侧内 部高温软化区的体内摩擦及与界面铜的摩擦(此后的 变化与工艺规范参数有关,试验发现,此时如果限制铜 在保压腔内的流动,可产生完全的不锈钢体内摩擦). 这点从图3不锈钢侧的流线和变形层得到证明.而后, 随摩擦时l可的延长,界面两侧深塑区逐渐加大变厚,到 t7S时进行顶锻完成焊接过程. 3.4捧料中心死点的焊合 对于一"软一"硬"的材料,中心"死点"是棒料焊 合的关键.在铜一不锈钢或铜一钢棒料摩擦焊中,以前 的资料曾对此采用过改变端面形状,预热等措施[_']. 本文是通过选用合适的规范参数来消除棒料摩擦焊中 心死点的.先是在一定的摩擦加热时间内(0~4S)使不 锈钢中心区域基本上具备焊合所需的粘度和塑性变形 条件,在此基础上通过摩擦面的二次转移,重新出现铜 一 不锈钢之间的接触和摩擦,促使中心死点焊台.试验 表明,通过摩擦面的二次转移来消除死点,保证焊台要 满足下面两点;一是要在铜侧的塑性层基本上完全形 成的条件下,再产生摩擦面的二次转移;二是在转移 后,要延续一段时间,使铜侧再次出现完整的一定厚度 的塑性层后,再结束摩擦过程.对所完成的接头金相组 织观察表明,不锈钢一侧存在流线和变形层,没有明显 的组织变化.铜侧靠焊缝有一塑性区搅动留下的黑白 相闻,花样多姿的条纹带.从铜一不锈钢摩擦焊接头焊 合的加热过程看,扩散和塑性变形都同时存在,很难说 哪种现象是接头形成机理的关键,但电镜能谱分析表 西安石油学院(JXAPI)?1996年 明焊合良好的接头在界面处都存在一层均匀连续,宽 度为2一m的扩散带,其主要元素重量百分比范围 是:Fe8,21,Crl-5,6-5,Nil.0,3.5, Cu69,88.并在铜删有一定宽度的塑性搅动层. 4结论 (1)在保压腔条件下完成的铜一不锈钢棒料摩擦 焊.其接头形成过程可分为粘着一铜内摩擦及塑性环 扩展一铜与不锈钢界面之间的摩擦及不锈钢体内摩擦 3个阶段,在接头形成中经历了两次主摩擦面的转移 (2)铜一不锈钢棒料中心死点的焊合可通过摩 擦面的二次转移来实现. (3)具有良好性能的铜一不锈钢摩擦焊接头在焊 缝处有一条连续均匀,宽度为2~5Fm的扩散带,并且 在焊缝铜侧有一定厚度的塑性流动区. 参考文献 1[英]J.A?D萨凯着.金属磨损原理.煤炭工业出版杜, 1980 2SadaN?BandBahraniAS.Frictionweldingofmetals- Theroleofthe~orgingstage.TheJoiningofMetals]981 3孙子健.异种金属摩擦焊接头结合的特点.焊接,]980,1 (6) 4HouldcroftPT-Weldingprocesstechnology-CambrigeU— niversityPress,1977 收稿日期]995--0]一19 编辑忠 1996年院中青年科研基金项目,在各系,部,中心的支持下,顺利完成了申报和初审工作.6月5日,由林壬 子主任委员,张绍槐,薛中天任副主任委员,18位专家组成的评审小组,在预先审查申请人的开题 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 ,听取答 辩,充分议论的基础上.按照重点资助具有创新意义的基础研究和应用基础研究项目的原则,最后批准今年资助 五项:(D微波采油大型耦合问题优化决策系统研究I?旋转冲击钻防斜打直技术研究;?异种材料与不锈钢焊接 时焊接材料的计算机选择;?转型期我国人力资源开发战略与对策研究;?小并眼井控技术研究与应用.总资助 金额10万元.评审会上,评委们还认真听取了去年列项的六个课题的研究情况汇报,对这些项目中的大多数的进 展情况表示满意.尤其对王小泉副教授负责的新型沙漠地面 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 材料——沙子砖的研制给予了较高的评价.该 课题组不仅在大量调研的基础上,研制出了标准沙砖样品,而且正在争取列入总公司"九五"项目——沙漠科技工 程的三级课题.会上还决定对其中两项适当追加经费,以便保证更多地与油田生产联系,争取更好地为石油发展 服务. 石凯等:铜一不锈钢摩擦焊过程的物理现象和接头形成机理探讨 科研处李登科供稿 43