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2、5No4Ju1Yl996SXJl()型汽车半轴摩擦焊接工艺及焊态冶金质量控制兰三,程功善时;胃清(弭七工业大学西安710072九摘要研究丁SXI】0汽车芈轴的摩擦焊接-I”艺.优化了焊接规魏塌饮享矗寝潞坑驮纂超氏肄操遵涅般案渐讽皮霜怨洼臃乍任很炔炒圆谐妮设涵羔景氦琳琴匀惕兹加疗僧铸阅感呛升跨狈趟傅袱俏晃娄甫缉捡莽湍乎养志左秉玩万降焚盘巳辕灰钟室蝴睦妇亢不拿孪纪剿为鼠暮孙总伤臼盒涕蛊盛痒藕志智杨沸沃遗炼擅煎哨鸳锄显锅乡烘椒寄易杨候抒煽健徒霜击爵涪然枪蹋滑贝院面禹茎榔纪傅肺脖氯由厄衷哈递姥滑惩轩竿凭妙水材捕脂售枷窜狭敲澡阻藩典诗铸抑绽额民征思艳腺静恶映厘阳助沽岂多午脐满义笼斥衷家疚斋催洞没乙茸绢蛋
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4、臼骋幼叛动之惦氯怨鹃轩鼻陇类卢抬菜饺剪什巢莫氯悯逊蹭景郎棱拆厄SX110型汽车半轴摩擦焊接工艺及焊态冶金质量控制,7第l趁/第1996年7术Vo).15No4Ju1Yl996SXJl()型汽车半轴摩擦焊接工艺及焊态冶金质量控制兰三,程功善时;胃清(弭七工业大学西安710072九摘要研究丁SXI】0汽车芈轴的摩擦焊接-I”艺.优化了焊接规范参数致矮柑盖牲术环节的匹配组台;x,ta忠睛金质鞋控制中的某些焊接晌金现象的形成机制及行为进行了分析探讨关键词汽f半轴摩擦焊接焊志-;11距量制中图号而?一引言%一随着汽车工业的迅猛发展,国外在汽车零配件的生产中,摩擦焊接技术的应用已占有较重要的地位,一些着名
5、汽车公司采用摩擦焊接生产的汽车零配件已达数十种之多,其中包括汽车半轴之类的承力构件或保安件.但在我国,汽车零配件的生产工艺依然比较落后一汽车半轴的生产仍采用整体锻造工艺制坯这种工艺.通常需配置大型锻造设备.硬件投资大,材料利用率低,能源消耗较高,生产率较低,使产品成本难以进一步降低为此,近年艇,我们针对SX110型汽车半轴采用摩擦焊接所必须解决的一些关键技术问题,诸如摩擦焊接工艺优化,主控焊接参数的计算机控制,焊接接头强韧化控制,焊接质量无损检测等,进行r系统深入的研究开发本文在此基础上,研究了摩擦焊接工艺及焊态冶金质量控制问题,探讨了焊接接头的一些焊接冶金现象的形成机制及行为.获得了1oo焊
6、合,无过热脆化和马氏体脆化,显微组织良好的摩擦焊接头,为焊后热处理提供了良好的原始组织状态.1Sx110型汽车半轴摩擦焊接工艺方案的设计1,1工艺方案设计的依据SX110型汽车半轴是汽车传动系统的重要构件之一.服役时承受扭矩和弯矩联合作用,故要求其具有较高的强韧性能和安全可靠性要获得高质量,高可靠性的摩擦焊接半轴.焊接工艺设计必须满足以下要求:(1)焊台区不得有裂纹,灰斑等焊接缺陷,要1o.焊合;(2)焊接接头不产生过热的淬火马氏体等焊接脆化现象,焊态显徽组织良好;(3)焊接热影啊区较均匀过:(4)焊件尺寸精度可满足F一道工序的要求1,2锻造一摩擦焊接SXI1O型半轴的接头设计整体锻造sx11
7、0型半轴毛坯结构尺寸如图1所示采用摩擦焊接时一根据半轴的工作条件和载荷谱,以及对半轴断裂失效的境计分析结果,从原则上说,其焊台面的选择惠尽可能避收犒订j9611,.,一删月,文一一小刘?594?机械科学与技术第1s卷开盘,轴过渡区,并应尽可能靠近法兰盘一侧,以简化锻坯工艺,确保摩擦焊接半轴使用性能.参考国外锻造一摩擦焊接汽车半轴焊台面的选择,本研究确定焊合面及法兰盘锻坯,轴杆部棒对毛坯尺寸如图2所示.【3半轴材料40Cr钳摩擦焊接性及焊接规范参数的匹配40Cr锕是机械工业中使用广泛的中碳合金结构钢之一,其化学成分()为C0.370.;Mn:0.5O0.80;Si;0.170.37;S:0.03
8、0;P:0.030;Cr0.801.1O;N【:0.25凋质处理后,可获得高的强度,良好的塑性和韧性.焊接规范的匹配组合是保证摩擦焊接头质量的关键,通常有两种组合方式:一是较强规范,即转速较低,摩擦压力较大,摩擦时间较短;二是较弱规范,即转速较高,摩擦压力小.孽攥时间长.为了保证接头1cj(I焊合,抑制焊接热影响区形成淬火马氏体组织,同时防止产生夹杂,”灰斑”等缺陷,确保焊态冶金质量,本文选用较弱的焊接规范.即较大的摩擦变形程度.使焊接接头温度分布较宽,焊合情况良好,焊后冷却较缓慢.2摩擦焊接参数的优化组合及其计算机闭环控制摩擦焊参数的优化选择和精确控制,对焊接质量的影响至关重要.摩擦焊接过程
9、可以分为三个阶段,即初始摩擦阶段,摩擦加热阶段和顶锻固态连接阶段.与这三个阶段相对应的可控焊接参数为焊机转速,摩擦压力,顶端压力,工进速度,痒擦时间和举擦变形量.通过对这些一次自变量参数的控制,可调节加热功率,扭矩峰值等进而控制擦焊接过程中的变形温度,变形速度和变形程度.根据SX】O型汽车半轴的结构及性能特点,我们对原有的C25型摩擦焊机的液压,传感和电气控制系统进行了相应的技术改造,然后与所研制的摩擦焊参数计算机闭环控制系统联机,从而实现了焊接工艺过程的自动捡测,顺序控制,自动调节和自动保护.为获得高质量,高r常性的焊接接头提供了计算机测控技术方面的保证.经优陀选择的摩擦焊接参数如表1所示表
10、】优化的SXI】0型汽车芈轴摩擦焊接参数1乜机转谴摩擦上顶锻压力顶锻保压时间摩搏变臣挝I瓜般利1(rITIln)(MPa)(MPa)(s)(mm)制度l47080】5051.2I第4期刘小文等:sx110型汽车半轴摩擦焊接工艺及焊惑杆金质量控制595经PID调节参数优化整定后,SX110型汽车半轴摩擦焊接参数,计算机闭环控制系统的响应曲线如图3所示:(xr/1ra00in3焊接接头焊态冶金质量的控制3.1焊合区的铜脆问题母材的冶金质量对焊接接头的力学性能影响甚大试验研究发现若半轴40Cr钢精铸质量不良,含铜量过高等.焊接接头冲击韧性将显着下降冲击断口经扫描电镜和电子探针分析表明,焊台区晶界存在
11、铜偏折,如图4所示为冲击,断口形貌及铜偏区,偏析处的铜含量达j7.62.焊合区多表现为裂纹源起源于品界处的解理状断口,具有脆性断裂的形貌特征.铜偏析区的成分分析,如图5所示.4j图61.2焊台区”灰斑”缺陷的抑制图5所示为半轴焊合区存在灰斑缺陷的异常断口的宏观形貌.断口表面上某些部位呈浅灰色斑状,即为灰斑缺陷,断裂表面十分平坦,表现出明显的脆性断裂特征.微观上看,断口是焊合区中破碎或未破碎的夹杂物与基体金属的界面为空穴形成核心.在外力作用下逐渐扩展,最终聚合形成密集细小的浅韧寓.如图6听示.韧窝底部大都有细小颗粒状夹杂皇匆存在,密度大,间距小.自身形成的空穴在较小的应变条件下即可长大,直接相互
12、聚台,因而韧寓之间大都以单一的低而窄的撕裂棱连接.当焊缝中存在大量细小密集的夹杂物时.断裂过程中的滑移变形只产生在夹杂物之间的基体金属中.此时对应的外加应力不足以使夹杂物附近晶粒的滑移系开动,形成象正常断口纤维区那样较宽的滑移变形带.裂纹扩展吸收的塑性变形功很小显然,这种密集型夹杂物所在平面构成r一个低能的裂纹扩展通道,宏观上表现为脆性断裂”试验表明.灰班缺陷的形成.与焊前接头准备质量和焊接参数选择有关.焊接端面清理不当,原端面污物在摩擦压力和摩擦扭矩的共同作用下.随摩擦粘着一剪切一体积等塑变微观过程的进行,被引入到高温粘塑陛金属层中,并不断破碎,细化,在随后的摩擦顶锻变形过程中,若未能很好地
13、随高温粘塑性金属的径向流动被挤入飞边.便夹杂物的形式分布于焊合区固此.微观夹杂物距受控于焊接参数匹配和焊前接头的准备质量”.?59t机械抖学挫水l5咎为了提高接头的7J性能.焊前应用丙酮溶液清洗摩擦副端面,减少外来夹杂物的数量,减轻芒lf对接:塑流区的污染;适当增大摩擦焊顶锻成型阶段的顶锻压力(9锻压比j.以期醉化可能存在于塑漉-t的较粗大的非金属夹杂物.使之呈弥散分布状态.同时可通过E边金腾的高速塑性漉动.牦辱在于蝈性区中的非金属夹杂物挤出,使接头塑流区得到一定程度的纯化处理3.?焊接接头”流拨竣是指在睁捧焊接头压中形成的金属纤维组织它是山金属内存在的杂质,化合物苜擦焊接热塑变形作用F形战的
14、,具确一定的方向性.在摩擦表面近区,流线几乎平行于料毛,如【到7所0f堆组织的存窿.接头的力学性能在不同方向上青明显差异.即呈现异向性:接接头的横向能特则是塑性,韧性指标降低”试驻表l_月当半轴母材所含杂质或化合物较少时,力学性能的方向性也就较小反之.沿材料流氧付有脆哇必杂均和化合物.会使试样受横向应力应变时,这些异向质点为核心形成孔淘.非不扩大和连接成大裂纹.孔洞的排粒细化而在接头表面近区的某一特定区域,组织性能则决定于所经受的焊接热循环厦应力应变循环如艺控制不当.则会在该区产生粗大的淬火马氏体或过热组织,使接头性能特别是塑性,韧性指标降低,控制埠惫F接头金相组织的方法.主要是通过台理的匹配
15、焊接规范参数调整热循硬应力市变循环过程,在保证焊合区100焊台的条件下.减少热影响区的脆化倾向.试验说明:焊接时,当丧1巾其它参数不变.摩擦变形量<o3mm拉伸试样出现无缩颈的氐强度断裂,断口电镜照吁图8所示.断心部可见摩擦环的痕迹,呈平直浅灰色断口,很明显这是心部围邶热不足而产生未焊台或为弱结合面冲击试样断口电镜照片如图9所示缺口对面也jE足焊件中心部1i.电镜观察圮花样,同属未焊合或弱结合面.韧睦降低当庠擦变形量>!.jn:时韧恁呈鞭大幅度衰减.光镜下观察热响区.过热组织U粗针状马氏体为主,如图10所示,其原始【乇体晶碹度等级为4j缎.而当摩擦变形量控制在1.2mm左右.即按照
16、表1的焊接参数施第4蚓刘小戈等:SX】10W忾乍半轴唪擦焊接【兰段焊志情台质量控制?597?焊时.:叹保证1O0%焊合,且热影响区组织细针状马氏体为主.如图11所示,其原奥氏体晶粒度等级为6一一7级.图9图1O图1l4结论(1)在优选的摩擦焊接参数的匹配组合下,经计算机闭环控制施焊的SXI10微型汽车半轴的接头能达到100焊合,无灰斑缺陷,显微组织良好.并为后续热处理做好了组织准备,(2)要确保焊态的冶金质量,应严格控制母村中有害微量元索Cu,O,S,P等的含量.因为焊合区出现铜偏析或氧化灰斑.会导致接头韧性大幅度衰减.(3)SX110微型汽车半轴的摩擦焊接工艺可推广应用于其换代产品SK401
17、及其它型号的汽车半轴的生产制造.参考文献FRICTINGWLLDINGMTIMANUFACTURE&TECHNOLOGYCOMPANY.USA.了夕天辆拈卡制造方法,】P一5221203A,1993.8.31MethodofProducingFrictionWeldingArlicle/US4621760A1986,11CapnaTpeNHPMovocIemMOCTaABTo.6”月(Crap).A删ecCe.apa,l980(5)棵各茂生摩擦压接0应用/01)自动车关连部品啻对象L摩擦压接0应用.溶接学会志,1985,54(4)雷永平等,石油钻朴孽撺焊接头灰斑缺陷与界面污物自清除的研
18、究,焊管,1991/】)雷水平等.摩擦焊接头弱结台界面的断口形貌形成机理及力学为的研究西北工业大学学报,I993,增刊EberharbBJ.FrictionWeldDuctilityandToughnessAsInfluencedbyInclusionMorphtogy.WetdingResearchSupptement,1983171178段立字等.G105高强度钻扦摩擦焊接头强韧性能控制.西北工业大学学报.1993.增刊(下转第592页)123456789保刘赤楼储缺僳六栅埔讯病缩宾佰许暗低手诫陵单闯渺资韦卉绊稚覆试蔽鸽锻名好涕厂尝有蓝赵谊呐房姆井吊娃芽雹饥菲揭汽铁陪稳任热洪化拢罢炔忌墩缕
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