楊海峰，閆翰林

哈爾濱焊接研究院有限公司 黑龍江哈爾濱 150028

1 序言

慣性摩擦焊是一種環(huán)保、節(jié)能、高效的新型焊接技術(shù)。慣性摩擦焊是利用設(shè)備主軸前端的飛輪儲存能量，在很短時間內(nèi)釋放極大摩擦熱量的焊接方法[1]。焊接工件時，主軸帶動飛輪首先被加速到系統(tǒng)設(shè)定的轉(zhuǎn)速，以動能的形式儲存所需的能量，隨后電動機(jī)通過離合器與主軸脫離，移動的焊件在軸向液壓缸推力作用下向主軸端旋轉(zhuǎn)件靠近，直到接觸壓緊，儲存在飛輪中的動能通過摩擦轉(zhuǎn)化為熱能，而飛輪的轉(zhuǎn)速則不斷降低，直至停止運(yùn)動，最后在頂鍛壓力的作用下飛輪停止轉(zhuǎn)動，保壓一段時間后，焊接結(jié)束。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速降低到1m/s時，會出現(xiàn)一個比連續(xù)驅(qū)動摩擦焊大得多的后峰值轉(zhuǎn)矩，該轉(zhuǎn)矩與軸向壓力一起，使軸向縮短量急劇增大，從而起到頂鍛作用。慣性摩擦焊不僅可以焊接各種金屬材料，還能焊接傳統(tǒng)熔焊難以焊接的材料[2-4]。

慣性摩擦焊與連續(xù)驅(qū)動摩擦焊相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：異種材料焊接只需要控制壓力和轉(zhuǎn)速，方便實(shí)現(xiàn)自動控制；焊接參數(shù)穩(wěn)定性好，接頭質(zhì)量穩(wěn)定；能在較短時間內(nèi)釋放較大慣性能量，適用于焊接大截面機(jī)構(gòu)材料；焊接周期短，熱影響區(qū)窄，熱影響區(qū)內(nèi)組織無明顯的粗化現(xiàn)象；不需要制動裝置，焊機(jī)結(jié)構(gòu)簡單[5-7]。

近幾年來，國內(nèi)研制生產(chǎn)的慣性摩擦焊機(jī)最大頂鍛力達(dá)600t。但在小噸位的慣性摩擦焊機(jī)領(lǐng)域，主軸轉(zhuǎn)速最高僅2000r/min，由于轉(zhuǎn)速的限制，一些鈦合金和高溫合金等金屬焊接效果不理想，焊接后，工件接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)不到技術(shù)要求。為此，本文將介紹我公司研發(fā)設(shè)計的30t高速慣性摩擦焊機(jī)，轉(zhuǎn)速最高可達(dá)3000r/min，最大焊接面積2800mm2，能夠?qū)崿F(xiàn)鈦合金、高溫合金、鉬合金等異種材料的焊接[8，9]。

2 30t高速慣性摩擦焊機(jī)的組成及功能

高速慣性摩擦焊機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、焊接精度高，由主機(jī)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)與控制系統(tǒng)等3部分組成，如圖1所示。

圖1 慣性摩擦焊機(jī)的組成

2.1 主機(jī)系統(tǒng)

主機(jī)系統(tǒng)如圖2所示，由主軸系統(tǒng)、移動滑臺、頂鍛系統(tǒng)和主機(jī)床身組成。

圖2 慣性摩擦焊機(jī)主機(jī)系統(tǒng)組成

（1）主軸系統(tǒng) 該系統(tǒng)是慣性摩擦焊機(jī)的最關(guān)鍵部件，主要控制待焊工件的轉(zhuǎn)速和飛輪轉(zhuǎn)動慣量的選擇。由于該設(shè)備轉(zhuǎn)速變化區(qū)間較大，所以綜合各方面技術(shù)條件選擇直流電動機(jī)作為動力源，其啟動和調(diào)速性能好、轉(zhuǎn)矩大、過載能力強(qiáng)，且受電磁干擾影響小。主軸系統(tǒng)包括直流電動機(jī)、超越離合器、電動機(jī)輸出軸、傳動齒輪、旋轉(zhuǎn)主軸、工件夾緊液壓缸、軸承、飛輪、錐套及工件夾緊彈簧套等組件。工作時，將待焊工件裝入夾緊彈簧套內(nèi)，工件夾緊液壓缸后退，將工件夾緊在彈簧套內(nèi)，旋轉(zhuǎn)時夾緊液壓缸和主軸一起旋轉(zhuǎn)。直流電動機(jī)啟動，通過超越離合器與電動機(jī)輸出軸相連，電動機(jī)輸出軸和旋轉(zhuǎn)主軸通過兩個傳動齒輪傳遞升速，旋轉(zhuǎn)主軸兩端由高速角接觸球軸承支撐，錐套通過螺紋與旋轉(zhuǎn)主軸右端相連，飛輪固定在錐套上，工件夾緊彈簧套的外錐面和錐套的內(nèi)錐面配合，保證夾緊液壓缸后退，通過彈簧套的錐面變形來夾緊工件。由于飛輪固定在錐套上，所以整個飛輪隨著主軸系統(tǒng)一起運(yùn)轉(zhuǎn)和停車，飛輪在頂鍛系統(tǒng)的最大頂鍛力作用下，會自然停車。該設(shè)備根據(jù)焊接材料和直徑的不同要求，配備3種尺寸規(guī)格的飛輪或飛輪組合使用，以提供不同的轉(zhuǎn)動慣量，材料選用Q235A碳素結(jié)構(gòu)鋼。

（2）移動滑臺 系統(tǒng)精度高是保證焊后兩工件同軸度要求的關(guān)鍵。該系統(tǒng)由直線導(dǎo)軌、移動夾緊液壓缸、錐套、移動夾緊彈簧套及工件定位調(diào)節(jié)螺桿等組成。工作時，直線導(dǎo)軌和滑塊連接主機(jī)床身和移動滑臺，在頂鍛系統(tǒng)液壓缸作用下，使移動滑臺可以軸向運(yùn)動。工件轉(zhuǎn)入移動夾緊錐套后，移動夾緊液壓缸后退，使彈簧套和錐套在拉力的作用下夾緊待焊工件，工件定位調(diào)節(jié)螺桿，可根據(jù)待焊工件的長短快速調(diào)節(jié)位置，操作簡單方便，節(jié)省制作位置定位裝置的成本，效果好。

（3）頂鍛系統(tǒng) 為整機(jī)移動滑臺移動和焊接時提供頂鍛力的機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)由裝在頂鍛箱體內(nèi)的液壓缸來實(shí)現(xiàn)，液壓缸的最大推力為焊接的最大頂鍛力，本機(jī)頂鍛液壓缸根據(jù)工件焊接面積可提供最大頂鍛力300kN。

（4）主機(jī)床身 慣性摩擦焊主機(jī)床身采用大厚度Q235A板材焊接結(jié)構(gòu)，焊后經(jīng)退火處理，無應(yīng)力變形，可有效防止慣性摩擦焊機(jī)在使用過程中因產(chǎn)生變形而導(dǎo)致的焊接精度下降等問題。

（5）主要創(chuàng)新點(diǎn) 該型慣性摩擦焊機(jī)使用兩級壓力分級加壓焊接模式，根據(jù)焊接材料和待焊工件直徑的不同，需要設(shè)定一級主軸最高轉(zhuǎn)速、二級加壓轉(zhuǎn)速、一級壓力和二級加壓頂鍛壓力。同時根據(jù)焊接面積的大小，更換不同規(guī)格尺寸的飛輪，以滿足轉(zhuǎn)動慣量的需要。兩級壓力焊接以設(shè)定的主軸轉(zhuǎn)速為分級點(diǎn)：焊接時當(dāng)主軸達(dá)到設(shè)定的轉(zhuǎn)速時，移動滑臺工件向主軸端旋轉(zhuǎn)工件靠近摩擦，施加第一級壓力進(jìn)行焊接；隨著焊接過程的進(jìn)行，主軸轉(zhuǎn)速下降，當(dāng)下降到設(shè)定的二級加壓轉(zhuǎn)速時，施加第二級壓力進(jìn)行頂鍛焊接，在二級頂鍛壓力作用下，主軸系統(tǒng)和飛輪停車。在停車5s后，主軸系統(tǒng)內(nèi)工件夾緊液壓缸前進(jìn)，主軸松開，焊接工件與彈簧套分離。

該型設(shè)備最高轉(zhuǎn)速可達(dá)到3000r/min，主要有以下兩方面的創(chuàng)新。

1）主軸箱內(nèi)電動機(jī)輸出軸和旋轉(zhuǎn)軸傳動方式改變，旋轉(zhuǎn)軸支撐軸承選用雙列角接觸球軸承，能夠滿足主軸高轉(zhuǎn)速的要求。國內(nèi)其他低轉(zhuǎn)速摩擦焊機(jī)多采用深溝球軸承作為旋轉(zhuǎn)軸支撐軸承。

2）電動機(jī)輸出軸上齒輪和旋轉(zhuǎn)軸上齒輪材料選用20CrMnTi鋼，采用滲碳處理，向齒輪表面滲入碳原子再采用淬火加低溫回火工藝，這樣齒輪心部有較高的韌性，齒輪接觸強(qiáng)度高、耐磨性好。

2.2 液壓系統(tǒng)

慣性摩擦焊機(jī)的工件旋轉(zhuǎn)摩擦?xí)r間和焊接時間很短，頂鍛力和移動滑臺進(jìn)給速度都要以頂鍛液壓缸的壓力和速度施加于待焊工件上，這就要求液壓系統(tǒng)要快速響應(yīng)且頂鍛力精確可控。

主軸箱內(nèi)的滾珠軸承潤滑采用噴射潤滑方式，這樣能保證在軸承高速運(yùn)轉(zhuǎn)時溫度的控制，防止因軸承溫升過高而發(fā)生回火現(xiàn)象，導(dǎo)致套圈硬度降低，軸承精度降低，影響軸承的使用壽命。采用30#潤滑油，由油箱潤滑泵將潤滑油打出，通過主軸系統(tǒng)內(nèi)的各潤滑油路，使?jié)櫥蛧娚涞捷S承溝道內(nèi)。通過調(diào)節(jié)出口處節(jié)流閥，使?jié)櫥土髁烤_可控。30t慣性摩擦焊機(jī)控制流程如圖3所示。

圖3 摩擦焊機(jī)控制流程

根據(jù)以上動作順序設(shè)計液壓回路，如圖4所示。圖4中移動滑臺在原位，主軸彈簧夾頭和移動滑臺彈簧夾頭處于松開狀態(tài)。

圖4 30t高速摩擦焊機(jī)液壓系統(tǒng)原理

30t高速慣性摩擦焊機(jī)液壓系統(tǒng)選用柱塞泵，輸出壓力高。選用電磁溢流閥控制主軸夾緊液壓缸和移動滑臺夾緊液壓缸壓力。移動滑臺進(jìn)給一級壓力和二級頂鍛壓力采用德國力士樂比例減壓閥。方向控制閥采用大通徑電磁換向閥，提高液壓系統(tǒng)的快速響應(yīng)時間和減少能量損失，所有液壓控制閥均采用集成塊式安裝，減少管路連接。系統(tǒng)流量為36.5L/min，系統(tǒng)壓力為15MPa。

2.3 電控系統(tǒng)

慣性摩擦焊機(jī)電控系統(tǒng)主要包括：PLC控制系統(tǒng)、計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)的所有動作邏輯、壓力和位移的控制由PLC控制系統(tǒng)來完成，計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)參數(shù)設(shè)置、過程數(shù)據(jù)監(jiān)視，以及歷史數(shù)據(jù)采集、存儲等工作。PLC控制系統(tǒng)與計算機(jī)控制系統(tǒng)采用TCP/IP方式通信進(jìn)行快速數(shù)據(jù)交換。控制系統(tǒng)構(gòu)成如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)構(gòu)成

焊接監(jiān)控系統(tǒng)由工控機(jī)、液晶顯示器、位移傳感器、壓力傳感器及轉(zhuǎn)速傳感器等構(gòu)成，監(jiān)控系統(tǒng)是建立在WindowsXP平臺上的自主開發(fā)操作軟件，能夠?qū)附訁?shù)、輔助參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，對焊接過程進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，對焊接過程數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理和保存，建立了完善的焊接質(zhì)量管理與查詢系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)原理如圖6所示。

圖6 監(jiān)控系統(tǒng)原理

2.4 功能

1）具有手動操作模塊，可對整個系統(tǒng)所有設(shè)備進(jìn)行操作，全部操作均在觸摸計算機(jī)上完成。

2）具有工藝參數(shù)編制模塊，可對所有工藝參數(shù)進(jìn)行編制。工藝參數(shù)可進(jìn)行分組存儲，根據(jù)每次焊接工件工藝要求，選擇相應(yīng)的工藝名稱進(jìn)行調(diào)用即可，簡單方便。

3）系統(tǒng)報警模塊具有設(shè)備故障自查功能、設(shè)備故障報警功能和焊接數(shù)據(jù)超出范圍報警功能等。

4）具有歷史查詢模塊，系統(tǒng)能實(shí)時采集焊接過程中的參數(shù)，并自動保存到指定的文件夾內(nèi)，查詢時僅需輸入焊接日期，即可查詢每次焊接工件的參數(shù)。

3 實(shí)際應(yīng)用

我公司研制的30t高速慣性摩擦焊機(jī)如圖7所示，焊接線速度10m/s，最大轉(zhuǎn)動慣量4kg·m2。

圖7 30t高速慣性摩擦焊機(jī)

在該焊機(jī)上已成功進(jìn)行了45鋼、35CrMnSiA鋼、40CrMnSiA鋼、鋁、銅、高速鋼、碳素鋼、鎂合金、鈦合金及鉬合金等有色金屬材料的焊接。

4 結(jié)束語

本設(shè)計是為用戶定制的設(shè)備，設(shè)備精度高，焊后工件接頭強(qiáng)度接近母材強(qiáng)度，設(shè)備占地面積小，機(jī)構(gòu)獨(dú)特，焊后產(chǎn)品合格率達(dá)97%以上，深得用戶好評。