一種慣性摩擦焊接物理模擬實驗裝置的製作方法

2023-05-19 02:46:41

專利名稱：一種慣性摩擦焊接物理模擬實驗裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種摩擦焊接物理模擬試驗裝置，尤其是用於模擬慣性摩擦焊接頭的塑性金屬流動行為及對接頭溫度場監測的慣性摩擦焊接物理模擬裝置。
背景技術：
慣性摩擦焊接技術是1962年由美國履帶車輛公司發明的一種固相連接技術。慣性摩擦焊接是摩擦焊接的一種，其中焊接所需的能源主要由焊接機上儲存的旋轉動能提供。在慣性焊接中，其中的一個工件連接到飛輪上，而另一個工件不旋轉。將飛輪加速到預定轉速以儲存所需的能量，然後把驅動馬達脫開並用頂鍛力把工件壓下互相摩擦。隨著飛輪速度的降低，旋轉飛輪所儲存的動能轉變為焊接面摩擦熱能，利用金屬表面摩擦產生的熱量加熱工件，在頂鍛壓力作用下實現工件之間的永久連接。該焊接技術為焊接性能較差的沉澱高溫合金、高強鈦合金、超高強度鋼等金屬材料的連接提供了一種可靠的連接技術，並且由於其具有接頭質量好、適用範圍廣、焊件尺寸精度高、生產效率高和經濟性好的優點被廣泛的應用於航空、航天、列車、船舶和汽車製造等工業領域。已經有大量報導涉及典型材料(鎳基沉澱強化高溫合金、粉末高溫合金、鈦合金等)的慣性摩擦焊接工藝研究及接頭組織、性能表徵，還有少量關於焊縫溫度場分布、塑性金屬流動行為的研究。但是上述慣性摩擦焊接是在強烈熱-力耦合作用下，溫度場形成發展、應力應變場演變和塑性金屬形成、流動等方面相互作用的複雜過程。這就使得採用傳統的試驗方法和數值模擬研究很難揭示上述慣性摩擦焊接接頭的塑性金屬流動行為以及焊縫溫度場分布，研究誤差較大，對於慣性摩擦焊接過程中塑性金屬流動行為和溫度場分布仍不能得到滿意的結果。目前報導的有關研究慣性摩擦焊接頭金屬流動形態的試驗方法較少，主要是採用標記示蹤法或焊後金相觀察的方法觀測金屬的流動，通過分析不同時刻的組織形貌特徵來演繹流動特徵。採用標記示蹤法及金相觀察法可以觀察焊後的接頭金屬流動特徵，但是無法觀察到焊接進行中的接頭金屬流動形態。而目前監測慣性摩擦焊接焊縫溫度場分布的方法主要有一是在焊縫固定端埋入熱電偶，通過數據記錄儀進行實時溫度數據的採集和存儲；二是採用紅外測溫儀測量焊縫的溫度。前者由於熱電偶反應滯後因而不能實時反應焊縫區的溫度；後者由於焊接過程的飛邊、飛濺等阻礙了紅外測溫儀對焊縫表面溫度的實時監測，並且無法對焊縫內部溫度場的變化進行觀察。根據對相關文獻的檢索，尚沒有報導涉及慣性摩擦焊接物理模擬試驗裝置，因此，尋找一種工藝簡單、操作方便的研究慣性摩擦焊接頭塑性金屬流動行為以及焊縫溫度場分布的物理模擬試驗裝置成為本領域急需解決的問題。
發明內容要解決的技術問題為了避免現有技術的不足之處，本發明提出一種慣性摩擦焊接物理模擬實驗裝置，可用於模擬慣性摩擦焊接頭金屬塑性流動行為以及焊縫溫度場分布的監測，而且結構簡單、操作方便。技術方案—種慣性摩擦焊接物理模擬實驗裝置，其特徵在於包括基座、軸、皮帶盤、託架、加熱體、固定塊、壓頭、皮帶、透紅外材料、膠木槽、調節板、調節螺母、驅動電機和L型支架；軸通過軸承安裝在基座的底座上，皮帶盤通過銷釘固定在軸的上端，皮帶盤通過皮帶連接驅動電機；託架通過螺釘固定在皮帶盤上，加熱體安裝在託架上；在加熱體的上端設有固定塊，固定塊的一側設有T型槽；固定塊通過L形支架固定在基座頂端；在固定塊的T型槽內設有透紅外材料、膠木槽和調節板，透紅外材料設置在T型槽的槽口，與槽口相對的一側為通過調節螺母連接的調節板；膠木槽為凹形結構，凹形面與透紅外材料相對形成試件腔； 在膠木槽的正上方設有能夠向下施壓的壓頭，壓頭的尺寸與試件腔相吻合。有益效果本發明提出的一種慣性摩擦焊接物理模擬實驗裝置，由頂塊、絕熱模腔、可視化紅外玻璃構建的絕熱封閉實驗腔保證了慣性摩擦焊接過程中熱傳導的方向性，壓頭的下壓及加熱體的旋轉模擬了慣性摩擦焊接的頂鍛焊接過程，而利用紅外熱成像儀、高速攝像等相關設備經由透紅外材料即可以實時觀測焊接過程中塑性金屬流動及該過程中的溫度分布。 採用本物理模擬實驗裝置可以實現模擬慣性摩擦焊接條件下對塑性金屬流動行為以及焊縫溫度場檢測，對於基礎研究非常有用。

圖1 為本發明的物理模擬裝置結構示意圖；圖2 為物理模擬裝置結構的俯視圖；圖3 圖2中A區域的放大圖；基座1、軸2、皮帶盤3、託架4、加熱體5、壓頭6、皮帶7、試件8、透紅外材料9、絕熱模腔10、調節板11、調節螺母12、驅動電機13。
具體實施方式
現結合實施例、附圖對本發明作進一步描述參照附圖1，慣性摩擦焊接物理模擬實驗裝置包括基座1、軸2、皮帶盤3、託架4、加熱體5、固定塊6，壓頭7、皮帶8、試件9、透紅外材料10、膠木槽11、調節板12、調節螺母13、 驅動電機14、L型支架15。軸2通過軸承安裝在基座1的下部，皮帶盤3通過銷釘固定在軸2的頂端，託架4通過螺釘固定在皮帶盤3上，加熱體5安裝在託架4上，而加熱體5的上端緊挨著固定塊6的下端；固定塊6的一側設有T型槽，固定塊6由L形支架15固定在基座頂端；透紅外材料10、膠木槽11與調節板12通過調節螺母13裝卡在固定塊6的T型槽中；透紅外材料10處於固定塊6的T型槽的槽口，充當觀察窗口 ；；膠木槽11為凹形結構，凹形面與透紅外材料10相對形成試件腔；在膠木槽11的正上方設有能夠向下施壓的壓頭7，壓頭7的尺寸與試件腔相吻合。試件9放置在膠木槽11中，而膠木槽11緊挨在透紅外材料10之後；調節板12處於膠木槽11之後，可以通過安裝在固定塊6後端的調節螺母 13來控制調節板12頂緊固定塊6中的膠木槽11及透紅外材料10 ；驅動電機14倒置安裝在基座1的後端，通過皮帶8帶動皮帶盤3及固定在絕熱託架4上的加熱體5轉動；壓頭7
4處於膠木槽11的正上方，由外載提供壓力，對膠木槽11中的試件9進行壓縮；試件9被壓頭7壓縮後與加熱體5上端面接觸，並在接觸處發生塑性變形。實驗過程中，試件9在壓頭 7的作用下與加熱體5緊密接觸，同時加熱體5被加熱並由皮帶盤3帶動旋轉，試樣9在力及熱的作用下發生塑性變形流動，從透紅外材料10處即可觀測和記錄焊接過程中試件9在與加熱體5接觸面處金屬流動行為或利用紅外測溫儀可檢測試樣塑性金屬流動條件下的溫度場分布情況。 固定在基座後端的驅動電機，通過安裝在基座中下部的皮帶輪帶動上端的加熱體旋轉；在基座頂端形成的實驗腔為一個絕熱實驗腔；壓頭由外載提供向下壓力，對實驗腔中的試件進行加壓；試樣裝卡在試件腔內，通過壓頭對試件加壓，使試件在與實驗腔下端的加熱體端面接觸處發生塑性流動。試樣材料可以根據電機功率進行調整，採用較低功率時可以選用鉛、錫、鉛錫合金等軟金屬，採用較高功率時可以選用鋅、鋁等相對較硬金屬。
權利要求1. 一種慣性摩擦焊接物理模擬實驗裝置，其特徵在於包括基座(1)、軸O)、皮帶盤 (3)、託架(4)、加熱體(5)、固定塊(6)、壓頭(7)、皮帶(8)、透紅外材料(10)、膠木槽(11)、 調節板(12)、調節螺母(13)、驅動電機(14)和L型支架(1 ；軸( 通過軸承安裝在基座 (1)的底座上，皮帶盤C3)通過銷釘固定在軸O)的上端，皮帶盤C3)通過皮帶(8)連接驅動電機(14)；託架⑷通過螺釘固定在皮帶盤⑶上，加熱體(5)安裝在託架⑷上；在加熱體(5)的上端設有固定塊(6)，固定塊(6)的一側設有T型槽；固定塊(6)通過L形支架 (15)固定在基座頂端；在固定塊(6)的T型槽內設有透紅外材料(10)、膠木槽(11)和調節板(12)，透紅外材料(10)設置在T型槽的槽口，與槽口相對的一側為通過調節螺母(13)) 連接的調節板(1 ；膠木槽(11)為凹形結構，凹形面與透紅外材料(10)相對形成試件腔； 在膠木槽(11)的正上方設有能夠向下施壓的壓頭(7)，壓頭(7)的尺寸與試件腔相吻合。
專利摘要本實用新型涉及一種慣性摩擦焊接物理模擬實驗裝置，其特徵在於軸通過軸承安裝在基座的底座上，皮帶盤通過銷釘固定在軸的上端，皮帶盤通過皮帶連接驅動電機；託架通過螺釘固定在皮帶盤上，加熱體安裝在託架上；在加熱體的上端設有固定塊，固定塊的一側設有T型槽；固定塊通過L形支架固定在基座頂端；在固定塊的T型槽內設有透紅外材料、膠木槽和調節板，在膠木槽的正上方設有能夠向下施壓的壓頭，壓頭的尺寸與試件腔相吻合。本實用新型可用於模擬慣性摩擦焊接頭金屬塑性流動行為以及焊縫溫度場分布的監測，而且結構簡單、操作方便。
文檔編號B23K31/12GK202021430SQ20112013152
公開日2011年11月2日 申請日期2011年4月28日 優先權日2011年4月28日
發明者李京龍, 李文亞, 馬鐵軍, 高大路, 鮑宏偉 申請人:西北工業大學