„„„„„„„„„„„„搅拌头及夹具设计„„„„„„„„„„„„„搅拌系统功率计算„„„„„„„„„„„„„搅拌系统带设计„„„„„„„„„„„„„搅拌轴的设计„„„„„„„„„„„„„„„伺服系统设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„伺服系统功率计算„„„„„„„„„„„„„伺服系统带设计„„„„„„„„„„„„„伺服系统齿轮传动设计„„„„„„„„„„„伺服系统传动丝杠设计„„„„„„„„„„„伺服系统液压传动器件选择„„„„„„„„„电气控制设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„电气控制设计原则„„„„„„„„„„„„„电气控制系统原理图„„„„„„„„„„„„结论„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„致谢„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„参考文献„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„第章绪论搅拌摩擦焊是由英国焊接研究所，简称于年提出的种固态连接方法,并于年和年在世界范围内的发达和发展中国家申请了知识产权保护。此技术原理简单，且控制参数少易于实现自动化，可将焊接过程中的人为因素降到最低。搅拌摩擦焊技术与传统的熔焊相比，拥有很多优点，因而使得它具有广泛的工业应用前景和发展潜力。有关搅拌摩擦焊接头的组织力学性能包括断裂疲劳腐蚀性能无损检测以及工艺参数对焊缝质量的影响等的研究是推广应用搅拌摩擦焊的基础，有关这些方面的研究是这个领域的研究热点。搅拌摩擦焊技术是年代发展起来的自发明到工业应用时间跨度最短和发展最快的项神奇的固相连接新技术。截止年月日，世界范围内得到英国焊接研究所搅拌摩擦焊专利技术许可的用户己经有家，与搅拌摩擦焊技术相关的专利技术有项。著名的等公司购买了此项技术，并已大量的在航天航空车辆造船等行业得到成功地应用。搅拌摩擦焊简介搅拌摩擦焊原理及工艺图搅拌摩擦焊原理图搅拌摩擦焊的焊接原理如图所示。置于垫板上的对接工件通过夹具夹紧，以防止对接接头在焊接过程中松开。个带有特型搅拌指头的搅拌头旋转并缓慢的将搅拌指头插入两块对接板材之间的焊缝处。般来讲，搅拌指头的长度接近焊缝的深度。当旋转的搅拌指头接触工件表面时，与工件表面的快速摩擦产生的摩擦热使接触点材料的温度升高，强度降低。搅拌指头在外力作用下不断顶锻和挤压接缝两边的材料，直至轴肩紧密接触工件表面为止。这时，由旋转轴肩和搅拌指头产生的摩擦热在轴肩下面和搅拌指头周围形成大量的塑化层。当工件相对搅拌指头移动或搅拌指头相对工件移动时，在搅拌指头侧面和旋转方向上产生的机械搅拌和顶锻作用下，搅拌指头的前表面把塑化的材料移送到搅拌指头后表面。在搅拌指头沿着接缝前进时，搅拌焊头前头的对接接头表面被摩擦加热至超塑性状态。搅拌指头和轴肩摩擦接缝，破碎氧化膜，搅拌和重组搅拌指头后方的摩碎材料。搅拌指头后方的材料冷却后就形成焊缝，可见此焊缝是在热机联合作用下形成的固态焊缝。这种方法可以看作是种自锁孔连接技术，在焊接过程中，搅拌指头所在处形成小孔，小孔在随后的焊接过程中又被填满,应该指出，搅拌摩擦焊缝结束时在终端留下个匙孔。通常这个匙孔可以切除掉，也可以用其它焊接方法封焊住。在焊接过程中主要的产热体是搅拌指头和轴肩。在焊接薄板时，轴肩和工件的摩擦是主要的热量来源。搅拌摩擦焊焊接工艺参数主要有搅拌指头的焊接速度搅拌指头的旋转速度以及压紧力。这些参数决定了焊接过程中搅拌指头周围产生的热量，并且直接影响到焊缝的组织和性能。搅拌头搅拌头是搅拌摩擦焊机上中最重要的构件之。它般由耐高温抗摩损材料制成，主要包括特形指头和轴肩两部分。在焊接过程中轴肩与被焊材料的表面紧密接触，防止塑化金属材料的挤出和氧化，同时搅拌轴肩还可以提供部分焊接所需要的搅拌摩擦热。搅拌指头的形状比较特殊，焊接过程中搅拌指头要旋转着压入被焊材料的结合界面处，并且沿着待焊界面向前移动。搅拌头的材料般用合金工具钢，现有科学研究人员对搅拌头进行表面处理的实验研究，涂层具有优于等涂层的机械物理性能，并可与其它涂层配合组成多元多层复合涂层。在制造业中的切削试验及加工实践表明，采用涂层处理的刀具钻头的表面化学稳定性好，抗氧化磨损能力强，高速焊接铝合金材料时，其工作寿命可比普通合金工具钢搅拌头提高倍，降低搅拌摩擦焊的加工成本，提高经济效益。随着搅拌摩擦焊技术的发展，英国焊接研究所研制的艺术阶段的和系列搅拌头可以在毫米厚的铝合金挤压型材上连续焊接上千米长的焊缝而不用更换，并且可以得到性能优良的焊缝。利用搅拌摩擦焊技术焊接薄板零件时，搅拌头的肩部与工件表面摩擦产生的热量是金属热塑化所需能量的来源。对于厚板的搅拌摩擦焊来说，要得到优良的焊接接头，随着板厚的增加，搅拌头与工件之间需要提供更多的热来保证搅拌头附近区域金属的热塑化，同时，搅拌头还需要确保焊接区域金属材料的搅拌激活以及控制塑化金属的流变转移来形成合格的固相焊缝经系统地用光学显微镜扫描电镜透射电镜能量分光镜射线衍射，以及微观硬度计来研究过了。搅拌摩擦焊成功地焊接了镁合金，同时也表现出微观组织结构发生了很大的变化，这些变化包括动态的再结晶区和母材的晶粒细化区，与最初材料的硬度相比，母材的硬度有了稍微的变化，但不是很明显。关键词搅拌摩擦焊，镁合金，焊接母材，机械热影响区，微观组织结构导论近些年，镁合金的工业生产量以每年的速度增长，其发速度比任何金属都快。镁合金比相同密度的工程材料更硬，回收率更高。同等体积的镁合金制造产品的重量大约为钢的，随着重量的下降，重量每减少，燃料就可减少，然而用传统的熔化焊来焊接镁合金则更容易产生气孔和裂纹。搅拌摩擦焊技术是种连接镁合金的新技术，这种技术是英国焊接研究所年研制成功的。与其它焊接方法相比，这种焊接方法具有低变形率高连接强度的特点，并且还可以连接大多的钛合金。搅拌摩擦焊焊接是通过焊接工具高速旋转与材料的摩擦热来使母材塑性软化来实现固相连接的，其结果导致了镁合金微观组织结构的变化。搅拌摩擦焊焊接过程中微观组织结构的改变度成为研究的对象，这种改变说明在搅拌摩擦过程中摩擦热引起了明显的微观组织结构改变，这种改变导致了焊接接头机械性能的变化。所以，微观组织结构与机械性能的关系是非常重要的，但是这种关系的详情到目前还不知晓。到目前为止，大多研究都集中于铝合金的搅拌摩擦焊，很少集中于镁合金。此次研究的目的就是证明搅拌摩擦焊连接镁合金的可能性，用光学显微镜扫描电镜透射电镜能量分光镜射线衍射以及微观硬度计来观测组织结构的形成和分布。实验此次研究所使用的基体金属为锻造镁合金名义上含有铝，锌，在重量百分比中与镁相等，厚，宽，长。两块材料是由用的焊速和的转速进行搅拌摩擦焊连接起来的。有助于结构试验的焊缝冶金学检验也被采用。焊接是横向进行的，所有的部分都是平行于焊缝的。相对软的，电抗性的镁合金用氧化镁溶液锃亮。此锃亮的表面是由的草酸溶液腐蚀的。用新鲜的酒精重复地泼向表面以阻止残渣的形成。焊缝的微观组织结构可通过光学显微镜扫描电镜透射电镜能量分光镜分析系统来观察。为了用透射电镜观察，直径的薄圆板用电子控制机械从焊缝上切割下来。搅拌摩擦焊焊后。在焊缝的正交方向上用维氏硬度计测量焊缝的硬度。结果与讨论图图显示的是个用搅拌摩擦焊焊接的典型样品，同时也图解了来自焊接件粒度结构的变化。焊接方向未标出，旋转方向是逆时针的。焊接过程中不仅仅产生热影响区，在焊缝附近也产生机械热影响区。焊接母材与深入厚度方向上的指针相接触。广大的区域变形和随后的再结晶与旋转的工具轴肩是有关系的。用搅拌摩擦焊焊接厚的镁合金板可以形成个大约宽的焊透的焊缝。微观组织结构的发展图用光学显微镜来观察是为了说明如图所示的微观组织结构的特点。焊缝区域图和是由细化的再结晶的微小颗粒组成。这些区域都经受过高温很大程度的塑性变形，并且含有比基体金属更细化的颗粒。被焊接位置前面的材料首先进入旋转区域，该区域与指针起旋转前进，同时也发生了很大的变形。指针前面的金属被拖被挤，然后到指针后面的金属中。焊接位置前部的和后部的金属都由细小的颗粒构成，几乎没有什么不同。接近焊缝的是机械热影响区，在机械热影响区中的基体金属也经历了些变形。机械热影响区在搅拌摩擦焊焊接过程中经历了高温和变形，但这样的变形不足以引起再结晶。图揭示了机械热影响区的变形可以导致颗粒结构的严重弯曲。图说明了焊缝区和机械热影响区的粒度不同。图显示基体金属的颗粒是被拉长的，成薄烤饼形的，反映出变形是在旋转过程中产生的。相反，焊缝的组织结构在搅拌摩擦焊焊接过程中由于再结晶而显得更加细小和各方等大。透射电镜分析图基体金属区域机械热影响区和焊缝区的透射电镜镜像如图所示。透射电镜镜像说明机械热影响区和焊缝区有较高位错密度的颗粒群如图和。图显示搅拌摩擦焊焊接的镁合金有再结晶晶粒的焊缝，同样含有很高的位错密度。动态的再结晶过程的结晶部分以尽可能多的能量来驱动自身的移动。自从材料还如动态再结晶过程样联系比较紧密的时候，在移动方向的前方非结晶材料和移动方向的后方结晶材料中，搅拌区域中结晶颗粒被观察到含有定的位错。事实上，在移动方向后方有些位错密度减小的区域，但是这些区域相对较窄，用透射电镜不容易观察到。图显示的是基体材料得到的许多成对变形中的个样板。这些成对的变形，腐蚀过的要在显微照片上观察到是很困难的如图。图是焊缝区域和机械热影响区域的组织的能量分布图。镁和锌元素在重量百分比中各占和，而在机械热影响区中的原子比例各占和，如图所示。机械热影响区组织的成分可以被计算的和的比率为。同样地，在焊缝组织中和的比率为。铝镁组织图显示，高于的温度会引起分子的分碎，分碎为原子。在焊缝和机械热影响区中，搅拌摩擦焊焊接过程中足够的摩擦热可以引起不包含共熔结构的微观组织结构的变化，这或许可以解释为什么在焊缝和机械热影响区的组织中不含铝元素。射线衍射帕克曾明确指出，有个面的再结晶组织很另类地分布在搅拌摩擦焊的搅拌区域。镁合金是个六面体结构。射线衍射表明，在搅拌摩擦焊焊接过程中没有新组织产生，仅仅由于优先选择方向而加强了面和面的强度如图。这可以用来均匀化搅拌摩擦区域的位错积累。图硬度在材料的平均厚度位置，在与搅拌摩擦区域垂直的方向上，基体金属上沿着条线来做维氏硬度测量。上海数字硬度测试机加以的载荷。图绘出了测量结果