非晶合金摩擦焊裝置設(shè)計

陳 彪，廖 昱

(1.湖北第二師范學(xué)院物理與機電工程學(xué)院，湖北 武漢 430205；2.武漢理工大學(xué)自動化學(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程無序的三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，沒有晶粒和晶界存在[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程中需要急冷，否則會結(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)揮實際工程應(yīng)用價值.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解決這個問題.主要焊接方式有：摩擦焊[3]、電子束焊[4]、擴散焊[5]、激光焊[6]等.對于非晶棒料主要采用摩擦焊接來增長尺寸.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程中，產(chǎn)生的熱效應(yīng)會使非晶合金發(fā)生晶化，因此對焊接參數(shù)的控制非常重要.此外小尺寸的非晶合金棒料焊接時同軸度也會影響焊接質(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.

針對非晶合金的摩擦焊接裝置未見專門報道，本文設(shè)計了一種新型的摩擦焊裝置，專門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)動單元以及參數(shù)控制單元三部分組成.經(jīng)過試驗，新型摩擦焊裝置成功地實現(xiàn)了Zr55Cu30Al10Ni5棒料的連接，達(dá)到了增加材料長度的目的.

1 非晶合金摩擦焊裝置設(shè)計

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動(速度ν)和旋轉(zhuǎn)運動(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，同時附近高溫區(qū)的材料對擠出空間進(jìn)行填充，最終達(dá)到動態(tài)平衡.原子通過新鮮界面實現(xiàn)相互擴散，在頂鍛壓力p1的作用下保持一段時間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)點在于結(jié)構(gòu)簡單、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

針對上述問題并結(jié)合非晶合金尺寸小的特點，設(shè)計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)點的基礎(chǔ)上，實現(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，測量焊接區(qū)域外表面的溫度及摩擦噪聲分貝，進(jìn)一步對焊接過程進(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間，可觀測相關(guān)參數(shù)的波形圖，實現(xiàn)對焊接過程進(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、電磁離合制動器等主要元件.變頻器調(diào)節(jié)交流電頻率，從而調(diào)整三相異步電機的轉(zhuǎn)速，同時配合適當(dāng)?shù)哪Σ翂毫Γ艿玫胶线m的焊接功率.當(dāng)摩擦壓力達(dá)到p1，頂鍛過程開始，電磁離合制動器實現(xiàn)快速制動，主軸停轉(zhuǎn).直線驅(qū)動部分包括步進(jìn)電機、滾珠絲杠、壓力傳感器、光柵尺等.步進(jìn)電機驅(qū)動滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，讓非晶棒料朝右邊作直線運動，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運動，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并填充擠出空間.原子經(jīng)過新鮮表面互相擴散，最終實現(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)入過冷液相區(qū)的時間并進(jìn)行停機頂鍛，結(jié)合非晶合金在摩擦焊接過程中噪聲的變化，設(shè)計了參數(shù)控制單元.即采用光柵尺測量摩擦焊接起止階段作直線運動棒料的行程；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轉(zhuǎn)速.此外，預(yù)留了溫度及噪聲檢測單元I/O接口.由于成本原因，設(shè)計的新型非晶合金摩擦焊裝置中沒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)，得到頂鍛時的溫度、壓力和位移三個特征參數(shù)，結(jié)合試驗結(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)計方案，得到如圖5所示的摩擦焊裝置實物.

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

2 摩擦焊試驗

試驗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 ℃.焊接過程中，主軸轉(zhuǎn)速和摩擦壓力是主要影響因素.轉(zhuǎn)速過高則慣性較大，旋轉(zhuǎn)棒料在頂鍛時難以急停；而轉(zhuǎn)速過低會造成摩擦面熱流密度不足，無法使整個接觸面溫度快速進(jìn)入過冷液相區(qū).軸向壓力過大會造成接頭膨脹嚴(yán)重；過小則導(dǎo)致摩擦功率不夠，無法形成連接.根據(jù)材料特性及相關(guān)報道[3，8]，選取焊接參數(shù)如表1所示.

試驗過程主要步驟包括：1)將長為30 mm的非晶棒料分別置入左右夾頭，調(diào)整對齊工件的軸線，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)打開三相電機，調(diào)節(jié)變頻器頻率，得到對應(yīng)的電機轉(zhuǎn)速；4)啟動操作面板開關(guān)，步進(jìn)電機開始運行，焊接開始；5)焊接結(jié)束后，松開夾頭，取下摩擦焊樣品.

表1 摩擦焊試驗參數(shù)

圖6為摩擦焊接試驗結(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，摩擦界面中心區(qū)域溫度不能快速進(jìn)入過冷液相區(qū)，頂鍛時沒有發(fā)生明顯的超塑性變形，從而導(dǎo)致樣品1連接失敗.這種情況可以通過適當(dāng)?shù)靥岣唠姍C轉(zhuǎn)速和摩擦壓力解決.而樣品2和3因為工件角速度較大，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，整個界面能夠在較短時間全部進(jìn)入過冷液相區(qū)，最終連接成功.關(guān)于焊接參數(shù)對連接質(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

a.設(shè)計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行.

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

致 謝

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

參考文獻(xiàn)：

[1] 伍復(fù)發(fā),張哲峰.非晶合金的變形與斷裂行為[J].中國基礎(chǔ)科學(xué)，2008(4)：9-10.

WU Fu-fa,ZHANG Zhe-feng.Deformation and fracture behaviors of amorphous alloys[J]. China Basic Science,2008(4)：9-10. (in Chinese)

[2] Suryanarayana C,Inoue A.Bulk metallic glasses [M]. NewYork：CRC press,2011.

[3] Kawamura Y,Shoji T, Ohno Y.Welding technologies of bulk metallic glasses[J]. Journal of Non-Crystalline Solids, 2003(317)：152-157.

[4] Shin H S,Jeong Y J, Choi H Y, et al. Joining of Zr-based bulk metallic glasses using the friction welding method [J]. Journal of alloys and compounds,2007(434-435)：102-105.

[5] Chen H Y, Cao J, Song X G. Contributions of atomic diffusion and plastic deformation to the plasma surface activation assisted diffusion bonding of zirconium-based bulk metallic glass[J]. Applied Physics Letters,2012(10)：211602-1-211602-4.

[6] Chen B, Shi T L, Li M, et al.Laser welding of Zr41Ti14Cu12Ni10Be23bulk metallic glass: experiment and temperature field simulation[J]. Advanced Engineering Materials, 2013(5)：407-413.

[7] Wang G,Huang Y G,Makhanlall D,et al.Friction joining of Ti40Zr25Ni3Cu12Be20bulk metallic glass[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2012(212)：1850-1855.

[8] 覃作祥,王小京,張海峰,等.Zr55Al10Ni5Cu30塊體金屬玻璃的摩擦焊焊接[J].金屬學(xué)報, 2009(5)：620-624.

QIN Zuo-xiang,WANG Xiao-jing,ZHANG Hai-feng,et al.Friction welding of Zr55Al10Ni5Cu30bulk metallic glasses[J]. Acta Metallurgica Sinica,2009(5)：620-624.(in Chinese)