CN102284783B - 一种惯性摩擦焊接物理模拟实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种惯性摩擦焊接物理模拟实验装置，其特征在于：轴通过轴承安装在基座的底座上，皮带盘通过销钉固定在轴的上端，皮带盘通过皮带连接驱动电机；托架通过螺钉固定在皮带盘上，加热体安装在托架上；在加热体的上端设有固定块，固定块的一侧设有T型槽；固定块通过L形支架固定在基座顶端；在固定块的T型槽内设有透红外材料、胶木槽和调节板，在胶木槽的正上方设有能够向下施压的压头，压头的尺寸与试件腔相吻合。本发明可用于模拟惯性摩擦焊接头金属塑性流动行为以及焊缝温度场分布的监测，而且结构简单、操作方便。

Description

一种惯性摩擦焊接物理模拟实验装置

技术领域

本发明涉及一种摩擦焊接物理模拟试验装置，尤其是用于模拟惯性摩擦焊接头的塑性金属流动行为及对接头温度场监测的惯性摩擦焊接物理模拟装置。

背景技术

惯性摩擦焊接技术是1962年由美国履带车辆公司发明的一种固相连接技术。惯性摩擦焊接是摩擦焊接的一种，其中焊接所需的能源主要由焊接机上储存的旋转动能提供。在惯性焊接中，其中的一个工件连接到飞轮上，而另一个工件不旋转。将飞轮加速到预定转速以储存所需的能量，然后把驱动马达脱开并用顶锻力把工件压下互相摩擦。随着飞轮速度的降低，旋转飞轮所储存的动能转变为焊接面摩擦热能，利用金属表面摩擦产生的热量加热工件，在顶锻压力作用下实现工件之间的永久连接。

该焊接技术为焊接性能较差的沉淀高温合金、高强钛合金、超高强度钢等金属材料的连接提供了一种可靠的连接技术，并且由于其具有接头质量好、适用范围广、焊件尺寸精度高、生产效率高和经济性好的优点被广泛的应用于航空、航天、列车、船舶和汽车制造等工业领域。已经有大量报道涉及典型材料(镍基沉淀强化高温合金、粉末高温合金、钛合金等)的惯性摩擦焊接工艺研究及接头组织、性能表征，还有少量关于焊缝温度场分布、塑性金属流动行为的研究。但是上述惯性摩擦焊接是在强烈热-力耦合作用下，温度场形成发展、应力应变场演变和塑性金属形成、流动等方面相互作用的复杂过程。这就使得采用传统的试验方法和数值模拟研究很难揭示上述惯性摩擦焊接接头的塑性金属流动行为以及焊缝温度场分布，研究误差较大，对于惯性摩擦焊接过程中塑性金属流动行为和温度场分布仍不能得到满意的结果。目前报道的有关研究惯性摩擦焊接头金属流动形态的试验方法较少，主要是采用标记示踪法或焊后金相观察的方法观测金属的流动，通过分析不同时刻的组织形貌特征来演绎流动特征。采用标记示踪法及金相观察法可以观察焊后的接头金属流动特征，但是无法观察到焊接进行中的接头金属流动形态。而目前监测惯性摩擦焊接焊缝温度场分布的方法主要有：一是在焊缝固定端埋入热电偶，通过数据记录仪进行实时温度数据的采集和存储；二是采用红外测温仪测量焊缝的温度。前者由于热电偶反应滞后因而不能实时反应焊缝区的温度；后者由于焊接过程的飞边、飞溅等阻碍了红外测温仪对焊缝表面温度的实时监测，并且无法对焊缝内部温度场的变化进行观察。根据对相关文献的检索，尚没有报道涉及惯性摩擦焊接物理模拟试验装置，因此，寻找一种工艺简单、操作方便的研究惯性摩擦焊接头塑性金属流动行为以及焊缝温度场分布的物理模拟试验装置成为本领域急需解决的问题。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种惯性摩擦焊接物理模拟实验装置，可用于模拟惯性摩擦焊接头金属塑性流动行为以及焊缝温度场分布的监测，而且结构简单、操作方便。

技术方案

一种惯性摩擦焊接物理模拟实验装置，其特征在于包括基座1、轴2、皮带盘3、托架4、加热体5、固定块6、压头7、皮带8、透红外材料10、胶木槽11、调节板12、调节螺母13、驱动电机14和L型支架15；轴2通过轴承安装在基座1的底座上，皮带盘3通过销钉固定在轴2的上端，皮带盘3通过皮带8连接驱动电机14；托架4通过螺钉固定在皮带盘3上，加热体5安装在托架4上；在加热体5的上端设有固定块6，固定块6的一侧设有T型槽；固定块6通过L形支架15固定在基座顶端；在固定块6的T型槽内设有透红外材料10、胶木槽11和调节板12，透红外材料10设置在T型槽的槽口，与槽口相对的一侧为通过调节螺母13连接的调节板12；胶木槽11为凹形结构，凹形面与透红外材料10相对形成试件腔；在胶木槽11的正上方设有能够向下施压的压头7，压头7的尺寸与试件腔相吻合。

有益效果

本发明提出的一种惯性摩擦焊接物理模拟实验装置，由顶块、绝热模腔、可视化红外玻璃构建的绝热封闭实验腔保证了惯性摩擦焊接过程中热传导的方向性，压头的下压及加热体的旋转模拟了惯性摩擦焊接的顶锻焊接过程，而利用红外热成像仪、高速摄像等相关设备经由透红外材料即可以实时观测焊接过程中塑性金属流动及该过程中的温度分布。采用本物理模拟实验装置可以实现模拟惯性摩擦焊接条件下对塑性金属流动行为以及焊缝温度场检测，对于基础研究非常有用。

附图说明

图1：为本发明的物理模拟装置结构示意图；

图2：为物理模拟装置结构的俯视图；

图3：图2中A区域的放大图；

基座1、轴2、皮带盘3、托架4、加热体5、压头6、皮带7、试件8、透红外材料9、绝热模腔10、调节板11、调节螺母12、驱动电机13。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

参照附图1，惯性摩擦焊接物理模拟实验装置包括基座1、轴2、皮带盘3、托架4、加热体5、固定块6，压头7、皮带8、试件9、透红外材料10、胶木槽11、调节板12、调节螺母13、驱动电机14、L型支架15。轴2通过轴承安装在基座1的下部，皮带盘3通过销钉固定在轴2的顶端，托架4通过螺钉固定在皮带盘3上，加热体5安装在托架4上，而加热体5的上端紧挨着固定块6的下端；固定块6的一侧设有T型槽，固定块6由L形支架15固定在基座顶端；透红外材料10、胶木槽11与调节板12通过调节螺母13装卡在固定块6的T型槽中；透红外材料10处于固定块6的T型槽的槽口，充当观察窗口；；胶木槽11为凹形结构，凹形面与透红外材料10相对形成试件腔；在胶木槽11的正上方设有能够向下施压的压头7，压头7的尺寸与试件腔相吻合。试件9放置在胶木槽11中，而胶木槽11紧挨在透红外材料10之后；调节板12处于胶木槽11之后，可以通过安装在固定块6后端的调节螺母13来控制调节板12顶紧固定块6中的胶木槽11及透红外材料10；驱动电机14倒置安装在基座1的后端，通过皮带8带动皮带盘3及固定在绝热托架4上的加热体5转动；压头7处于胶木槽11的正上方，由外载提供压力，对胶木槽11中的试件9进行压缩；试件9被压头7压缩后与加热体5上端面接触，并在接触处发生塑性变形。实验过程中，试件9在压头7的作用下与加热体5紧密接触，同时加热体5被加热并由皮带盘3带动旋转，试样9在力及热的作用下发生塑性变形流动，从透红外材料10处即可观测和记录焊接过程中试件9在与加热体5接触面处金属流动行为或利用红外测温仪可检测试样塑性金属流动条件下的温度场分布情况。

固定在基座后端的驱动电机，通过安装在基座中下部的皮带轮带动上端的加热体旋转；在基座顶端形成的实验腔为一个绝热实验腔；压头由外载提供向下压力，对实验腔中的试件进行加压；试样装卡在试件腔内，通过压头对试件加压，使试件在与实验腔下端的加热体端面接触处发生塑性流动。试样材料可以根据电机功率进行调整，采用较低功率时可以选用铅、锡、铅锡合金等软金属，采用较高功率时可以选用锌、铝等相对较硬金属。

Claims (1)

1.一种惯性摩擦焊接物理模拟实验装置，其特征在于包括基座(1)、轴(2)、皮带盘(3)、托架(4)、加热体(5)、固定块(6)、压头(7)、皮带(8)、透红外材料(10)、胶木槽(11)、调节板(12)、调节螺母(13)、驱动电机(14)和L型支架(15)；轴(2)通过轴承安装在基座(1)的底座上，皮带盘(3)通过销钉固定在轴(2)的上端，皮带盘(3)通过皮带(8)连接驱动电机(14)；托架(4)通过螺钉固定在皮带盘(3)上，加热体(5)安装在托架(4)上；在加热体(5)的上端设有固定块(6)，固定块(6)的一侧设有T型槽；固定块(6)通过L形支架(15)固定在基座顶端；在固定块(6)的T型槽内设有透红外材料(10)、胶木槽(11)和调节板(12)，透红外材料(10)设置在T型槽的槽口，与槽口相对的一侧为通过调节螺母(13))连接的调节板(12)；胶木槽(11)为凹形结构，凹形面与透红外材料(10)相对形成试件腔；在胶木槽(11)的正上方设有能够向下施压的压头(7)，压头(7)的尺寸与试件腔相吻合。

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