陳 彪，廖 昱

(1.湖北第二師范學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430205；2.武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430070)/

0 引 言

非晶合金是一種新型金屬材料，由熔化狀態(tài)的合金快速冷卻形成，因此其內(nèi)部原子排列為短程有序長(zhǎng)程無(wú)序的三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，沒(méi)有晶粒和晶界存在[1].和傳統(tǒng)金屬相比，非晶合金具有許多優(yōu)異的性能，如高強(qiáng)度、高硬度、超高的耐磨性和耐蝕性等.這些性能使非晶合金在MEMS系統(tǒng)、體育器材、輸電材料等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景[2].然而非晶合金制備過(guò)程中需要急冷，否則會(huì)結(jié)晶，這大大限制了非晶合金的尺寸，大部分非晶合金材料在毫米尺度，這導(dǎo)致非晶合金在工程應(yīng)用上受到很大限制，很難完全發(fā)揮實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值.為了增大非晶合金的尺寸，除改進(jìn)制備工藝外，目前常用焊接的方法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題.主要焊接方式有：摩擦焊[3]、電子束焊[4]、擴(kuò)散焊[5]、激光焊[6]等.對(duì)于非晶棒料主要采用摩擦焊接來(lái)增長(zhǎng)尺寸.2003年Kawamura等人采用摩擦焊技術(shù)成功焊接了Zr41Ti14Cu12Ni10Be23棒料以及Zr41Ti14Cu12Ni10Be23和純鋯[3].2012年Wang等人采用摩擦焊工藝將Ti40Zr25Ni3Cu12Be20非晶合金成功連接在一起[7].

非晶合金摩擦焊接過(guò)程中，產(chǎn)生的熱效應(yīng)會(huì)使非晶合金發(fā)生晶化，因此對(duì)焊接參數(shù)的控制非常重要.此外小尺寸的非晶合金棒料焊接時(shí)同軸度也會(huì)影響焊接質(zhì)量及其應(yīng)用.傳統(tǒng)摩擦焊裝置體積較大，夾持微小尺寸非晶棒料時(shí)同軸度調(diào)整較困難.而且頂鍛力大，容易導(dǎo)致接頭膨脹嚴(yán)重,不適合小尺寸非晶合金棒料的焊接.

針對(duì)非晶合金的摩擦焊接裝置未見(jiàn)專門(mén)報(bào)道，本文設(shè)計(jì)了一種新型的摩擦焊裝置，專門(mén)用于連接小尺寸的非晶合金棒料.該裝置主要由主軸旋軸單元、直線驅(qū)動(dòng)單元以及參數(shù)控制單元三部分組成.經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，新型摩擦焊裝置成功地實(shí)現(xiàn)了Zr55Cu30Al10Ni5棒料的連接，達(dá)到了增加材料長(zhǎng)度的目的.

1 非晶合金摩擦焊裝置設(shè)計(jì)

非晶合金摩擦焊原理及參數(shù)變化如圖1所示.左、右非晶棒料分別作直線運(yùn)動(dòng)(速度ν)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(角速度ω)，當(dāng)它們接觸后，摩擦正壓力快速增大到p0并保持一段時(shí)間t0，摩擦產(chǎn)生的熱量使棒料接觸面的溫度升高并到達(dá)非晶的過(guò)冷液相區(qū)，在p0的作用下接觸面發(fā)生超塑性變形，面上的氧化層被擠出形成飛邊，同時(shí)附近高溫區(qū)的材料對(duì)擠出空間進(jìn)行填充，最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡.原子通過(guò)新鮮界面實(shí)現(xiàn)相互擴(kuò)散，在頂鍛壓力p1的作用下保持一段時(shí)間t1，最后形成牢固接頭.

常用的摩擦焊裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示，這種裝置的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、適用范圍廣，但體積較大，不適合小尺寸非晶棒料的連接.且液壓裝置相對(duì)復(fù)雜，成本較高.

圖1 非晶合金摩擦焊原理Fig.1 Schematic of friction welding for bulk metallie glass

圖2 傳統(tǒng)摩擦焊裝置結(jié)構(gòu)原理圖Fig.2 Structure schematic of conventional friction welding set-up

針對(duì)上述問(wèn)題并結(jié)合非晶合金尺寸小的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種新型摩擦焊裝置.該裝置主要由主軸旋轉(zhuǎn)單元、直線驅(qū)動(dòng)單元及參數(shù)控制單元三部分組成，其結(jié)構(gòu)原理如圖3所示.

新型摩擦焊裝置在保留傳統(tǒng)摩擦焊裝備優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速、位移、壓力等參數(shù)的可控輸入及主要參數(shù)的監(jiān)控采集.此外，還設(shè)計(jì)了溫度及噪聲控制單元，并預(yù)留了數(shù)據(jù)I/O接口，在條件允許的情況下，可以配備紅外熱像儀及噪聲傳感器裝置，測(cè)量焊接區(qū)域外表面的溫度及摩擦噪聲分貝，進(jìn)一步對(duì)焊接過(guò)程進(jìn)行精確控制.

圖3 新型摩擦焊裝置原理圖Fig.3 Schematic of the new friction welding set-up

使用Labview軟件搭建了如圖4所示的操作界面，從界面輸入壓力和時(shí)間，可觀測(cè)相關(guān)參數(shù)的波形圖，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控.

非晶合金摩擦焊裝置主軸旋轉(zhuǎn)部分包括變頻控制器、三相異步電機(jī)、電磁離合制動(dòng)器等主要元件.變頻器調(diào)節(jié)交流電頻率，從而調(diào)整三相異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，同時(shí)配合適當(dāng)?shù)哪Σ翂毫?，能得到合適的焊接功率.當(dāng)摩擦壓力達(dá)到p1，頂鍛過(guò)程開(kāi)始，電磁離合制動(dòng)器實(shí)現(xiàn)快速制動(dòng)，主軸停轉(zhuǎn).直線驅(qū)動(dòng)部分包括步進(jìn)電機(jī)、滾珠絲杠、壓力傳感器、光柵尺等.步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，讓非晶棒料朝右邊作直線運(yùn)動(dòng)，直至兩棒料端面接觸并產(chǎn)生軸向正壓力.由于棒料間的相互接觸和相對(duì)運(yùn)動(dòng)，摩擦生熱使棒料接觸面溫度升高，并發(fā)出很大的金屬摩擦噪聲.隨著摩擦的進(jìn)行，接觸面溫度升高，非晶變形抗力降低，熱塑性提高，摩擦噪聲逐漸減小，發(fā)出類似于塑料摩擦的聲音.每種非晶合金材料都有固定的玻璃轉(zhuǎn)變溫度(Tg)和晶化開(kāi)始溫度(Tx)，一旦接觸面溫度達(dá)到Tg，非晶合金摩擦面即進(jìn)入過(guò)冷液相區(qū)，在軸向壓力作用下發(fā)生超塑性變形，界面的氧化膜破碎并被擠出，形成飛邊.界面高溫部分材料流動(dòng)并填充擠出空間.原子經(jīng)過(guò)新鮮表面互相擴(kuò)散，最終實(shí)現(xiàn)連接.

圖4 摩擦焊裝置操作界面Fig.4 Operation interface of the new friction welding set-up

非晶合金摩擦焊接溫度不能超過(guò)Tx，否則接頭將發(fā)生晶化，從而失去非晶化的優(yōu)異特性.為了準(zhǔn)確控制非晶合金進(jìn)入過(guò)冷液相區(qū)的時(shí)間并進(jìn)行停機(jī)頂鍛，結(jié)合非晶合金在摩擦焊接過(guò)程中噪聲的變化，設(shè)計(jì)了參數(shù)控制單元.即采用光柵尺測(cè)量摩擦焊接起止階段作直線運(yùn)動(dòng)棒料的行程；使用壓力傳感器控制摩擦壓力和頂鍛壓力；采用變頻器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速.此外，預(yù)留了溫度及噪聲檢測(cè)單元I/O接口.由于成本原因，設(shè)計(jì)的新型非晶合金摩擦焊裝置中沒(méi)有配備紅外熱像儀及溫度傳感器裝置.根據(jù)控制單元采集的數(shù)據(jù)，得到頂鍛時(shí)的溫度、壓力和位移三個(gè)特征參數(shù)，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，可分析并確定合適的摩擦焊接參數(shù).根據(jù)圖3中的設(shè)計(jì)方案，得到如圖5所示的摩擦焊裝置實(shí)物.

圖5 新型摩擦焊裝置實(shí)物圖Fig.5 New friction welding set-up

2 摩擦焊試驗(yàn)

試驗(yàn)工件為比亞迪汽車有限公司生產(chǎn)的Zr55Cu30Al10Ni5棒料，直徑分別為3 mm，4 mm，Tg和Tx分別為412 ℃，482 ℃.焊接過(guò)程中，主軸轉(zhuǎn)速和摩擦壓力是主要影響因素.轉(zhuǎn)速過(guò)高則慣性較大，旋轉(zhuǎn)棒料在頂鍛時(shí)難以急停；而轉(zhuǎn)速過(guò)低會(huì)造成摩擦面熱流密度不足，無(wú)法使整個(gè)接觸面溫度快速進(jìn)入過(guò)冷液相區(qū).軸向壓力過(guò)大會(huì)造成接頭膨脹嚴(yán)重；過(guò)小則導(dǎo)致摩擦功率不夠，無(wú)法形成連接.根據(jù)材料特性及相關(guān)報(bào)道[3，8]，選取焊接參數(shù)如表1所示.

試驗(yàn)過(guò)程主要步驟包括：1)將長(zhǎng)為30 mm的非晶棒料分別置入左右?jiàn)A頭，調(diào)整對(duì)齊工件的軸線，將工件固定；2)接通摩擦焊裝置電源，在操作界面上輸入相關(guān)參數(shù)；3)打開(kāi)三相電機(jī)，調(diào)節(jié)變頻器頻率，得到對(duì)應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速；4)啟動(dòng)操作面板開(kāi)關(guān)，步進(jìn)電機(jī)開(kāi)始運(yùn)行，焊接開(kāi)始；5)焊接結(jié)束后，松開(kāi)夾頭，取下摩擦焊樣品.

表1 摩擦焊試驗(yàn)參數(shù)

圖6為摩擦焊接試驗(yàn)結(jié)果.由圖6可知，樣品1連接失敗，樣品2,3連接成功,所有接頭處均形成飛邊. 根據(jù)摩擦做功，得到如下方程：

f=upA

(1)

(2)

(3)

其中：f為摩擦力；u為摩擦系數(shù)；p為摩擦壓力；A為摩擦面積；η為摩擦功率；r為工件摩擦半徑；ω為工件旋轉(zhuǎn)角速度；q為熱流密度.

圖6 摩擦焊樣品Fig.6 Friction welding samples

由方程(1)～(3)可知，熱流密度q與摩擦壓力p、工件角速度ω、工件摩擦半徑r成正比.在焊接過(guò)程中，接觸面心部摩擦半徑小，產(chǎn)生的熱流密度比界面外圍區(qū)域低，當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，摩擦界面中心區(qū)域溫度不能快速進(jìn)入過(guò)冷液相區(qū)，頂鍛時(shí)沒(méi)有發(fā)生明顯的超塑性變形，從而導(dǎo)致樣品1連接失敗.這種情況可以通過(guò)適當(dāng)?shù)靥岣唠姍C(jī)轉(zhuǎn)速和摩擦壓力解決.而樣品2和3因?yàn)楣ぜ撬俣容^大，在保證接頭不產(chǎn)生大的膨脹變形的情況下，能夠獲得合適的熱流密度，整個(gè)界面能夠在較短時(shí)間全部進(jìn)入過(guò)冷液相區(qū)，最終連接成功.關(guān)于焊接參數(shù)對(duì)連接質(zhì)量以及非晶合金原子結(jié)構(gòu)排列的影響，將在以后的研究中進(jìn)一步分析.

3 結(jié) 語(yǔ)

a.設(shè)計(jì)的這種非晶合金摩擦焊裝置，用于連接非晶合金棒料，增大非晶合金尺寸.

b.非晶合金摩擦焊裝置主要由主軸旋轉(zhuǎn)單元，直線驅(qū)動(dòng)單元以及參數(shù)控制單元三部分組成.其中參數(shù)控制單元包含轉(zhuǎn)速、壓力、位移三個(gè)部分，能夠?qū)崿F(xiàn)較大范圍的摩擦焊接參數(shù)配合.

c.采用Labview軟件搭建了操作界面，實(shí)現(xiàn)了焊接參數(shù)的輸入，監(jiān)控采集以及摩擦焊裝置的可控運(yùn)行.

d.以Zr55Cu30Al10Ni5非晶棒料為焊接對(duì)象，進(jìn)行了摩擦焊接試驗(yàn)，在合適的參數(shù)下成功連接了非晶合金.設(shè)計(jì)的非晶合金摩擦焊裝置滿足試驗(yàn)要求.

致 謝

論文的研究工作得到了湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究計(jì)劃的資助，在此表示衷心的感謝！

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