毕业论文开题报告题 目 同种材质摩擦焊接头焊缝的组织及性能研究 学生姓名 周 杨 学号 所在院(系) 材料科学与工程学院 所在班级 材控086 指导教师 张 会 2012 年 3 月 8 日题 目同种材质摩擦焊接头焊缝的组织及性能研究 一、选题的目的及研究意义目前我国摩擦焊技术的应用比较广泛，可焊接直径3.0120mm的工件以及大截面管件，同时还开发了相位焊和径向摩擦焊技术，以及搅拌摩擦焊技术。不仅可焊接钢、铝、铜，而且还成功焊接了高温强度级相差很大的异种钢和异种金属，以及形成低熔点共晶和脆性化合物的异种金属。如高速钢碳钢、耐热钢低合金钢、高温和金合金钢、不锈钢低碳钢、不锈钢电磁铁以及铝-铜、铝-钢。【1】摩擦焊的特点与传统的焊接方法相比，摩擦焊具有以下优点：焊件准备容易，自动化程度高，成本低；焊机使用标准三相电源，功率小，省电；焊接过程清洁，无烟雾、焊渣，无消耗件材料如焊剂、气体、填充金属；能产生锻制质量的焊接接头，在其接触区域对接接头的产生率达；无固化缺陷及焊缝内在的非连续性缺陷。2摩擦焊作为一种优质、高效、低耗、清洁的先进固态焊接连接工艺，在高新技术产业和传统产业部门具有巨大的技术潜力和广阔的市场应用前景。在航天工业中，军用航空航天发动机转子部件（盘+盘、盘+轴），飞机锻件起落架与拉杆之间双金属飞机铆钉，飞机钩头螺栓等，在汽车工业，汽车及工程机械上风扇轴支座组件、空心后轴、前悬架、自动变速器输出轴、起动机小齿轮组件、速度选择轴、变扭器盖哦、转向节、涡轮传动轴、连轴齿轮、安全气囊等，在石油工业，地质取钻芯具，抽油杆、油井钻杆等，在军工企业中，引信内衬，炮弹前壳体组件，弹体薄壁导带等的焊接均采用了摩擦焊工艺。如何针对材料的特点选择合理的摩擦焊接工艺路线，寻找最佳的工艺参数，并最终选择一种可靠的检测方法，对摩擦焊焊接技术在先进材料连接上的推广，并对先进材料在各个领域的被广泛应用具有重要的实用意义。3本课题主要通过研究在摩擦焊下同种材质的焊接接头焊缝的组织及性能，分析焊接接头与母材的组织和显微硬度；并得出结论。二、综述与本课题相关领域的研究现状、发展趋势、研究方法及应用领域等 1研究现状最初的摩擦焊机是由普通的车床改而成，其功能单一，转速较低，焊接过程由人工手动控制，那时的摩擦焊机实用意义不大。自1963年第一台用于焊接钢缆的摩擦焊机问世及1964年福特汽车公司将摩擦焊运用于汽车尾轴的焊接以后，摩擦焊接便得到了广泛的研究和应用。70年代初，美国GE公司在军用发动机转子部，件的制造中率先采用了惯性摩擦焊接技术，并取得了成功，这有力地带动了德国MTU公司、美国P&W公司和英国RR公司焊接技术的改造和更新。在美国惯性摩擦焊接被广泛应用于飞机制造和航天工业。80年代中期，挪威的S.B.Dunkerton等人在轴向摩擦焊机上实现了天然气、石油管道的径向摩擦焊。国外已研制出用于焊接外径150mm管道的径向摩擦焊机，正准备研制250mm管道的径向摩擦焊机。美国张伯伦公司研究了M482A(155mm)炮弹带径向摩擦焊工艺。径向摩擦焊外，为焊接方形、圆形、多边形截面有相位要求的工作，国外发展了相位摩擦焊，并生产了相应的焊接设备。英国剑桥焊接研究所研制了线性摩擦焊机；为了解决平板的对接国外研究了搅拌摩擦焊，并成功地用于铝合金板的对接。我国是最早实现了从事摩擦焊接技术研究的国家之一。自1957年利用封闭加压原理成功实现了铝-铜摩擦焊后，摩擦焊技术已被广泛应用于刀具、锅炉蛇形管、轴瓦及石油钻工艺的焊接。由于国内生产的摩擦焊机只有轴向摩擦焊机，大多都是连续摩擦焊机，因此，国内摩擦焊工艺研究和应用仅仅局限于轴向摩擦焊，并且主要用连续摩擦焊工艺。长春焊机厂为国内摩擦焊机的定点生产厂，他们生产的摩擦焊机有十余个品种，轴向推力从50-1200KN，其中仅有一种轴向推力为60KN的惯性摩擦焊机。目前与德国KUKA公司合资，已生产出40T的连续驱动轴向摩擦焊机其他从事摩擦焊机研制的有：哈尔滨焊接研究所和上海机电研究院。国内已从MTI公司引进了数台惯性摩擦焊机。航空工业总公司已从MTI公司引进一台推力为3780KN的惯性摩擦焊机，用于航空发动机转子焊接，并计划引进一台。国内从事摩擦焊工艺研究的单位有北京航空材料研究所（621所）、西北工业大学和交通大学。北京航空材料研究所得设备为推力20吨的连续、惯性两用的摩擦焊机，主要从事航空发动机转子的焊接工艺研究。西北工业大学的设备为长春焊机厂生产的C25（推力25吨）连续驱动摩擦焊机，有一个较为齐备的摩擦焊实验室，从事摩擦焊机理、参数检测及石油钻杆摩擦焊工艺研究。西安交通大学仅有一台长春焊机厂得C4（推力4吨）连续驱动摩擦焊机，开展摩擦焊机理研究。1993年兵器工业第五九研究所和北京航空材料研究院在轴向摩擦焊机上实现了径向摩擦焊工艺，填补了国内的该项的空白。总之，经过世界各国科技人员的研究的深入研究，摩擦焊接技术已经取得了长足的发展，目前的摩擦焊接已经由当初的连续轴向摩擦焊发展成为连续驱动摩擦焊、惯性摩擦焊、储能摩擦焊、摩擦堆焊、超塑性摩擦、连接非截面的线性摩擦焊、连接板件的压力摩擦焊、搅拌摩擦焊、径向摩擦焊以及三体摩擦焊等等。【3】 摩擦焊是在外力的作用下，利用焊接接触面之间的相对摩擦运动和塑性流动所产生的热量，使接触面金属间相互扩散，流动和动态再结晶而完成的固态连接方法。焊接过程不需要填充金属、焊剂或保护气体。摩擦焊方法以优质、高效、节能、无污染的技术特点受到制造的重视，特别是近年来开发的搅拌摩擦焊、超塑性摩擦焊等新技术，使其在航天航空、能源、海洋开发等技术领域及石油化工、机械和汽车制造业等产业部门得到了广泛的应用。4国内研究者将目光转向了电气行业。高压电触头是中高压开关设备中的核心部件，对于电触头灭弧端和导电端的复合连接，国内外普遍采用真空钎焊、电子束焊、液相烧结等工艺，这些加工方法成本高、效率低，或以粗放式用材为代价，或以昂贵的设备为基础，因此在高压电气中，电触头是最为昂贵的元件之一。故有必要对电触头制造工艺进行系统分析，通过多种技术的应用，实现低成本高性能复合，促进电触头制造技术向高效、节铜、环保的方向发展。文献5指出：在此课题背景下，段沛林采用了粉末冶金及连续驱动摩擦焊技术的应用，制造了铜钨合金电触头，并按照相关国家标准要求，在国家权威检测部门进了物理、化学、机械性能试验，及在高压产品上进行了型式试验，试验结果全部合格；并分析了摩擦焊工艺带来的社会效益，节能效果显著。摩擦焊接工艺在异种材料的焊接性方面表现出很大的优势。异种材料的焊接性往往容易出现脆性的金属间化合物，有发生裂纹的危险。而采用摩擦焊工艺，在压力作用下将金属表面的氧化物或其他污染物破碎并排除，且两材料的结合面不发生熔化，不产生与熔化和凝固相关的焊接缺陷，接头附近无热影响区接头内部不会产生脆性金属间化合物。无需考虑熔焊时材料熔点相差大、易氧化、易产生裂纹和气孔等问题。因此相对来讲，摩擦焊容易获得质量高的焊接接头。对直径20mm的纯钛和纯铜棒采用摩擦焊并把摩擦压力提高到60 2575MPa，在短时间内加压就可以抑制金属间化合物的产生，并得到性能良好的接头。2研究方法 本课题主要研究在摩擦焊下同种材质的焊接接头焊缝的组织及性能，我们一般按下列步骤进行：（1）认真熟悉并了解摩擦焊机的工作原理及特点；（2）在连续驱动摩擦焊机下进行同种材质的焊接；（3）取样进行焊接接头焊缝组织及性能的分析。（4）得出结论。3发展趋势我国摩擦焊技术的发展现状还很不适应过敏经济的高速发展的需要，今后5-10年内我国的摩擦焊工作者还要在材料的焊接性、摩擦焊的焊接方法、摩擦焊设备和摩擦焊的应用领域展开更加深入的研究。1随着我国航空航天事业的发展，也加速了摩擦焊技术向这些领域的渗透，进行了航空发动机转子、起落架结构件、紧固件等以及金属与陶瓷、复合材料、粉末高温合金的摩擦焊工艺试验研究，某些电工材料的钎焊工艺也开始用摩擦焊接所取代。如电磁铁不锈钢、钨铜合金等。4应用领域（1）工具行业各种钻头、丝锥、铰刀、铣刀、等，全国已有30余家工具厂采用摩擦焊新技术。所用设备为国产C20、C25、C40等摩擦焊机或专用工具摩擦焊机（20、25、40为顶锻力吨位数，是摩擦机的主要参数）。其工艺规范，如某厂焊接45钢与摩擦焊工艺参数：转速为2000r/min、一级摩擦压力57MPa,二级摩擦压力为121.6MPa，顶锻力185.3MPa，顶锻时间3.5s。（2）轴瓦行业国内已有10余家个轴瓦厂采用了新技术，其工艺规范。例如筒体-止推环接头型式，转速n为1000-1450r/min、摩擦压力P为34-39MPa,顶锻压力P为53.9-98MPa，摩擦时间0.5-1s。所采用设备为C12轴瓦摩擦焊机。（3）阀门行业各种高、中压阀门如截止阀、节流阀、止回阀等阀体与法兰、阀体与密封面的摩擦焊接，我国有多家阀门厂采用摩擦焊技术。所采用设备为C20、C25或专用摩擦焊机。其工艺规范，例如阀体密封座主轴摩擦焊转速1500r/min、摩擦压力P为98MPa，顶锻压力P为147MPa、摩擦时间0.35-0.5。（4）汽车行业国内外在发动机双金属排气阀生产中，广泛采用摩擦焊技术，另外在汽车的自动变速器输出轴、无变形飞轮齿圈、发动机支座、启动机小齿轮组件、速度选择器、汽车液压千斤顶、万向节组件、凸轮轴、离合器鼓和毂组建、后桥壳管、连轴齿轮、传动轴、涡轮增压器、涡轮传动轴等制造过程均可利用摩擦焊工艺简化制造过程和降低生产成本。某汽车修造厂对半轴采用的摩擦焊工艺参数：转速为2560r/min,摩擦压力为P为40.2MPa，顶段压力P为160.8MPa、摩擦时间2min。 （5）石油地质勘探我国石油、地勘部门的管子站有10余家，对钻杆接头采用了摩擦焊技术。所用的设备为C120A钻杆摩擦焊机。国外如英国汤姆逊摩擦焊接公司的大型摩擦焊机已达到200t、1000t，可焊接1220mm管子。钻杆摩擦焊的工艺参数，如焊接接头尺寸141x20-127x15，其主轴摩擦转速为530r/min、摩擦压力P为49-58.8MPa，顶锻压力P为117.7-137.3MPa、摩擦时间30-50s。6三、对本课题将要解决的主要问题及解决问题的思路与方法、拟采用的研究方法（技术路线）或设计（实验）方案进行说明，论文要写出相应的写作提纲1本课题要解决的主要问题通过金相组织和性能分析观察摩擦焊接头焊缝与母材的差异，得出产生差异的原因和结论。2. 实验设备：C50、C150 连续驱动摩擦焊机 实验材料：20钢、08F钢3拟采用的实验方案 对20钢在C50，08F钢 在C150连续驱动摩擦焊机下进行焊接，取样后对焊缝区域及母材区进行组织和性能分析。4. 论文写作提纲引言1绪论2实验原理、材料及过程3实验结果4结论参考文献四、检索与本课题有关参考文献资料的简要说明1周 君. 哈尔滨焊接研究所项目