CN117754169A - 一种闪光线性摩擦复合能场焊接工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种闪光线性摩擦复合能场焊接工艺，包括以下步骤，两个待焊工件的对接面在通电闪光的加热下形成熔化金属，同时，待焊工件在动力驱动下产生相对运动摩擦挤出对接面上的熔化金属、氧化物及夹杂物，并在顶锻力的作用下实现两个工件的固相连接，获得完全的固相焊接接头。通过同步加载闪光焊脉冲加热以及线性摩擦焊的振动摩擦过程，使待焊工件迅速达到塑化温度，降低摩擦过程中的阻力，减少对焊接扭矩的需求，降低设备开发难度；通过闪光复合的形式，通过调整顶锻时间，摩擦振动频率等参数实现对热输入和材料流动的调控，通过摩擦挤压方式产生自清洁效应，排出氧化夹杂物，改善接头组织，实现大截面结构的高效焊接，提升接头力学性能。
Description
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，具体为一种闪光线性摩擦复合能场焊接工艺。
背景技术
轨道交通作为城市化建设推进的纽带，其稳定性、高效及安全性越来越受到重视。
目前，常用的钢轨焊接手段主要包括闪光焊以及线性摩擦焊，其中闪光焊的基本原理是以强电流通过钢轨接头时产生的电阻热为热源，将待焊钢轨端面加热至熔融或塑性状态，并施加一定的顶锻力，使得两个分离的金属面达到原子结合。然而，这种焊接手段焊缝形状难以控制，且极易造成夹杂、氧化物、裂纹等缺陷，并且接头热量分布不均匀，容易导致元素偏析。此外，由于焊缝中心部位热输入较高，散热较慢，会造成C元素烧损，使焊缝中心区形成片成状铁素体。上述现象将降低接头力学性能。
线性摩擦焊原理是在焊接压力作用下，其中一个焊件相对另一个焊件沿直线方向以一定的振幅和频率作直线往复运动，发生摩擦粘结与剪切并产生摩擦热，摩擦界面温度上升，当摩擦表面达到粘塑性状态时，在压力的作用下焊合区金属发生塑性流动形成飞边，当摩擦焊接区的温度和变形达到一定程度后，焊件对齐并施加顶锻压力，焊合区金属通过相互扩散与再结晶使金属焊为一体，完成整个焊接过程。然而，对于钢焊接来说，由于线性摩擦焊焊接热输入较低，因此，焊缝处形成大量马氏体组织，严重降低接头塑性。同时，较大的钢结构型材焊接对线性摩擦焊的设备要求也较高，目前最大的摩擦焊设备焊接触面积小于4000mm2,不能满足钢轨焊接需求，而且开发更大吨位摩擦焊设备技术难度大、一次性投入大，直接应用到钢轨焊接具有技术障碍和经济效益障碍。
因此，人们急需研发一种能够实现大截面结构的高效焊接工艺，并保护接头力学性能良好。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的是：提供一种闪光线性摩擦复合能场焊接工艺，能够实现大截面结构的高效焊接，提升接头力学性能。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种闪光线性摩擦复合能场焊接工艺，包括以下步骤，
两个待焊工件的对接面在通电闪光的加热下形成熔化金属，同时，待焊工件在动力驱动下产生相对运动摩擦挤出对接面上的熔化金属、氧化物及夹杂物，并在顶锻力的作用下实现两个工件的固相连接，获得完全的固相焊接接头。
进一步，所述动力驱动包括液压油缸驱动。
进一步，闪光线性摩擦复合能场焊接工艺参数包括，电压为1V-48V，动架速度为0.01mm/s-100mm/s,线性振动速度为0.01mm/s-100mm/s,焊接时间为0.01s-24h，顶锻速度为0.01mm/s-100mm/s，顶锻量为0.01mm-100mm。
进一步，通过调整顶锻时间、摩擦振动频率或者速度参数，实现对调控焊接热输入以及材料流动行为的调控，进而改善接头微观组织，提升接头力学性能。
进一步，两个待焊工件为同种材料或异种材料。
进一步，待焊工件的截面为圆形或非圆形。
进一步，焊接前，对待焊工件进行粗加工，并利用砂纸打磨待焊区。
进一步，砂纸打磨后，用酒精擦拭待焊工件待焊区，以清理油污杂质。
进一步，焊接后，对工件进行焊后焊缝探伤工作，确保焊缝符合使用标准。
总的说来，本发明具有如下优点：
(1)在焊接设备制造方面，通过同步加载闪光焊脉冲加热以及线性摩擦焊的振动摩擦过程，可以迅速使待焊工件达到塑化温度，使材料软化，降低摩擦过程中的阻力，从而减少对焊接扭矩的需求，降低设备开发难度；
(2)通过闪光复合的形式，可以通过调整顶锻时间，摩擦振动频率等参数实现对热输入和材料流动的调控，并且通过摩擦挤压方式产生自清洁效应，排出氧化夹杂物，改善接头组织，能够实现大截面结构的高效焊接，提升接头力学性能。
附图说明
图1为本发明闪光线性摩擦复合能场焊接工艺的原理示意图；
图2为闪光焊接接头焊核区低碳、低合金铁素体软化层组织；
图3为线性摩擦焊接接头焊核区马氏体组织；
图4为闪光摩擦复合能场焊接焊缝中心区金相。
具体实施方式
为了解决钢轨闪光焊焊缝中心易出现铁素体和元素偏析，钢轨线性摩擦焊焊缝中心出现大量马氏体且设备能力不足的问题，本发明提出了新型的一种闪光线性摩擦复合能场焊接工艺，焊接时同时具备闪光及线性摩擦两个过程，能够实现大截面结构的高效焊接。
下面来对本发明做进一步详细的说明。
实施例1
如图1所示，一种闪光线性摩擦复合能场焊接工艺，包括以下步骤，
待焊工件的接触面在通电闪光的加热下产生熔化金属，同时待焊工件在液压油缸驱动下产生相对运动摩擦挤出熔化金属、氧化物及夹杂物，在顶锻力的作用下实现两个工件的固相连接。
焊接形式为直线或圆截面或非圆截面的异构件。该发明可用于焊接圆形截面或非圆形截面的构件，也可以用于焊接不同形状的截面，构件材料可以是同种材料也可以是异种材料。
具体工艺流程如下：
步骤1:取钢轨用钢进行待焊工件粗加工，并利用砂纸打磨待焊区。
步骤2：用酒精对擦拭待焊工件待焊区，以清理油污等杂质。
步骤3：将待焊工件装卡于焊接设备处，并进行焊接参数设定。
步骤4：开启焊接设备，使待焊工件在闪光-线性摩擦同步加载下完成焊接。
步骤5：进行待焊工件焊后清理工作。
步骤6：进行焊后焊缝探伤工作，确保焊缝符合使用标准。
步骤7：按照实际工况所需的具体型号进行成型加工，最终投入使用。本实施例中，焊接的工件为钢轨用钢U71Mn,试件尺寸为：16mmX16mmX100mm,闪光线性摩擦复合能场焊接工艺参数：电压为5V，动架前进\后退速度为0.5mm/s,线性振动速度为5mm/s,焊接时间为20s，顶锻速度为10mm/s，顶锻量为8mm。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处在于：
焊接的工件为钛合金TC4,试件尺寸为：φ16mmX100mm,闪光线性摩擦复合能场焊接工艺参数：电压为3V，动架前进\后退速度为0.4mm/s,线性振动速度为3mm/s,焊接时间为15s，顶锻速度为8mm/s，顶锻量为6mm。
试验结果
如图2所示，为采用闪光焊焊接的U71Mn试样焊缝区的金相图，可以看出，在闪光焊的高热输入作用下，焊接接头的组织出现了白色片层状铁素体组织；
图3为线性摩擦焊焊接的U71Mn钢焊缝区的金相组织，几乎全部为马氏体；
图4为闪光摩擦复合能场焊接获得的焊缝区组织，可以看出该区域主要为珠光体，与母材组织保持一致，并且焊缝均匀无缺陷，表明该方法效果较好。
本发明提出的闪光线性摩擦复合能场焊接工艺具有以下优势：
(1)在焊接设备制造方面，通过同步加载闪光焊脉冲加热以及线性摩擦焊的振动摩擦过程，可以迅速使待焊工件达到塑化温度，使材料软化，降低摩擦过程中的阻力，从而减少对焊接扭矩的需求，降低设备开发难度；
(2)在焊接工艺方面，对于闪光焊来说，焊接时热输入较高，且焊缝中心不易散热，容易使焊缝中心C元素烧损，产生铁素体，同时焊缝缺乏材料流动，仅依靠顶锻过程，因此中心区氧化物及夹杂难以排出；对于线性摩擦焊来说，由于焊接时仅依靠摩擦产生，热输入较低，高温区狭窄且冷却速度较快，此时焊缝中心组织以马氏体为主，接头塑性急剧下降，不满足钢轨用焊接接头的需求。本发明通过闪光复合的形式，可以通过调整顶锻时间，摩擦振动频率等参数实现对热输入和材料流动的调控，并且通过摩擦挤压方式产生自清洁效应，排出氧化夹杂物，改善接头组织，提升接头力学性能。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种闪光线性摩擦复合能场焊接工艺，其特征在于：包括以下步骤，
两个待焊工件的对接面在通电闪光的加热下形成熔化金属，同时，待焊工件在动力驱动下产生相对运动摩擦挤出对接面上的熔化金属、氧化物及夹杂物，并在顶锻力的作用下实现两个工件的固相连接，获得完全的固相焊接接头。
2.根据权利要求1所述的一种闪光线性摩擦复合能场焊接工艺，其特征在于：所述动力驱动包括液压油缸驱动。
3.根据权利要求1所述的一种闪光线性摩擦复合能场焊接工艺，其特征在于：闪光线性摩擦复合能场焊接工艺参数包括，电压为1V-48V，动架速度为0.01mm/s-100mm/s,线性振动速度为0.01mm/s-100mm/s,焊接时间为0.01s-24h，顶锻速度为0.01mm/s-100mm/s，顶锻量为0.01mm-100mm。
4.根据权利要求3所述的一种闪光线性摩擦复合能场焊接工艺，其特征在于：通过调整顶锻时间、摩擦振动频率或者速度参数，实现对调控焊接热输入以及材料流动行为的调控，进而改善接头微观组织，提升接头力学性能。
5.根据权利要求1所述的一种闪光线性摩擦复合能场焊接工艺，其特征在于：两个待焊工件为同种材料或异种材料。
6.根据权利要求1所述的一种闪光线性摩擦复合能场焊接工艺，其特征在于：待焊工件的截面为圆形或非圆形。
7.根据权利要求1所述的一种闪光线性摩擦复合能场焊接工艺，其特征在于：焊接前，对待焊工件进行粗加工，并利用砂纸打磨待焊区。
8.根据权利要求7所述的一种闪光线性摩擦复合能场焊接工艺，其特征在于：砂纸打磨后，用酒精擦拭待焊工件待焊区，以清理油污杂质。
9.根据权利要求1所述的一种闪光线性摩擦复合能场焊接工艺，其特征在于：焊接后，对工件进行焊后焊缝探伤工作，确保焊缝符合使用标准。
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