搅拌摩擦焊 研究现状

第一篇：搅拌摩擦焊 研究现状

搅拌摩擦焊技术在国内外的发展状况

搅拌摩擦焊的技术特点是焊接金属不熔化，焊缝为锻造的细晶组织，并且作业环境不受限，适合于大型结构的焊接，同时工艺参数少、参数裕度大，焊接质量稳定，是一项高效、低成本、环保的固相焊接新技术。

正是由于搅拌摩擦焊所具有的这些技术特色和优点，这项技术被称之为焊接技术的一场革命，也使得这项技术从发明至今的短短十几年内，得到了其它焊接方法从未有过的快速发展，尤其是在国外，搅拌摩擦焊技术发展和工业应用的速度之快令人瞠目结舌。首先表现在搅拌摩擦焊应用的材料上，除了各种铝合金、镁合金和铜合金以外、钛、钢甚至高温合金等高熔点高热强金属材料的搅拌摩擦焊技术研究甚至工业应用也已经开始。当前，搅拌摩擦焊单道一次焊透铝板的能力为最厚100mm、最薄0.5mm，焊接铜板最厚达50mm，焊钛合金最厚达25mm。从焊接方法的发展来看，搅拌摩擦焊已从最初的一体式搅拌头焊接方法发展衍生出了分体搅拌头（可回抽搅拌头，固定轴肩搅拌头）式搅拌摩擦焊、双焊接头（同面共主轴反向旋转，双面双主轴）搅拌摩擦焊、双轴肩搅拌摩擦焊、高转速搅拌摩擦焊以及搅拌摩擦点焊等。由于搅拌摩擦焊是通过搅拌工具施加的运动和作用力使被焊材料形成焊缝的，焊接过程中的作用力很大，因此焊接设备本身刚性一般都很大、很笨重。但国外搅拌摩擦焊设备已从最初的类铣床结构发展出了动龙门动横梁多轴联动搅拌摩擦焊设备、机器人搅拌摩擦焊设备、移动式搅拌摩擦焊设备甚至便携式搅拌摩擦焊设备。焊接设备的发展，也使搅拌摩擦焊的适用对象从简单规则形状焊缝发展到了空间曲线焊缝的焊接和外场的维修补焊。最后，从工业应用来看，搅拌摩擦焊已在先进国家的航空、航天、兵器、电力电子、石油化工、船舶、轨道交通、汽车等制造领域得到了大量应用，应用部位已从非承力、次承力结构发展到关键承力结构上，搅拌摩擦焊在国外铝、镁等轻合金结构制造上正在成为主导甚至必选的制造技术手段。

（相对于国外先进工业国家的工业基础和技术实力，虽然搅拌摩擦焊这项专利技术是英国焊接研究所1991年发明的，但我国早在1996年就已开始这项焊接技术的研究，并且在近十年来取得了飞速的发展和技术进步。）至今我国已有近40家科研院所、高校和生产企业从事搅拌摩擦焊技术研究和工程化应用，取得了显著的技术突破和成果。典型实例包括搅拌摩擦焊制造的东风系列导弹、航天运载火箭、铝合金高速船舶等已成功发射或试航，北京赛福斯特技术有限公司等单位已经采用搅拌摩擦焊批量生产电力电子行业的散热器、船用大型铝合金带筋壁板、铝合金云爆弹等。当前，针对大型飞机、新型军用飞机、大型运载火箭、高速列车的搅拌摩擦焊技术应用研究也已经开始。随着搅拌摩擦焊技术研究和工程应用在我国如火如荼地展开，相信在不远的将来，这项革命性的焊接技术一定会在我国工业制造领域绽放异彩、建造奇勋。

第二篇：7N01铝合金搅拌摩擦焊接头组织与性能分析

7N01铝合金搅拌摩擦焊接头组织与性能分析

7N01铝合金搅拌摩擦焊接头组织与性能分析 王振苏1, 黄凌骄1, 柴 鹏1, 孟立春2(1.北京航空制造工程研究所 检测中心，北京 100024;2.中车青岛四方机车车辆股份有限公司,青岛 266111)摘 要： 通过7N01铝合金板材上下板等厚全平面三层搭接搅拌摩擦焊焊接，试验不同长度的搅拌头对接头的影响.结果表明,搅拌头的形状与长度直接影响力学性能的稳定性，结构为“锥形”右旋螺旋槽、搅拌头长度为16 mm时焊接接头的力学性能性对比较稳定而且较优.通过对接头断面形貌及硬度进行分析，得出焊核和热力影响区的分界线在前进侧和后退侧明显不同，焊核区是受到热循环和机械作用影响最严重的区域，组织变化程度最大，是合金元素过度饱和区域，晶粒得以细化，材料力学性能得到进一步提高，形成“峰值”硬度.关键词： 7N01铝合金;搅拌摩擦焊接;搅拌头;剪切性能;断面形貌 0 序 言 搅拌摩擦焊作为一种经济、高效、高质量的“绿色焊接工艺”受到全世界的广泛关注，与传统的焊接工艺相比具有无可比拟的优势，其生产成本低，接头性能好，安全性好[1]，已广泛应用于宇航制造工业、船舶制造工业、汽车、高速列车等制造业领域.目前应用搅拌摩擦焊成功连接的材料有铝合金、镁合金、不锈钢、低碳钢等同种或异种材料[2].由此可知，随着焊接设备的发展, 搅拌摩擦焊将应用于更多材料的连接.FSW焊接不需要焊前处理,可以焊接厚度1.2～50 mm,铝合金常用对接最优厚度达1.6～10 mm，特殊搭接厚度为1.2～6.4 mm，如果厚度达100 mm，则可以进行双面焊接[3].针对搅拌摩擦焊技术，众多研究者主要对有关铝合金搅拌摩擦焊的工艺、组织及力学性能进行了研究.研究表明, 除焊接速度、搅拌头旋转速度和搅拌头轴肩压力影响搅拌摩擦焊焊缝质量外,搅拌头形状对于搅拌摩擦焊焊缝的形成起着非常重要的作用，搅拌针形状影响焊缝塑化金属流动的行为, 导致焊缝截面形貌发生变化[4]，而且搅拌针的长度对Al-Li合金搭接接头力学性能存在明显影响，当搅拌针长度从2.8 mm变为2.5 mm时，所有接头强度和塑性都有了大幅度提高[5].Mahoney通过拉伸试验、断口分析及微观组织分析7075-T651搅拌摩擦焊接接头的性能, 纵向和横向拉伸表明, 接头最脆弱的区域是离焊缝7～8 mm的HAZ，屈服强度降低45%,抗拉强度降低25%.焊缝区的塑性和强度都会降低, 焊后热处理对铝合金不适用, 虽然可能提高强度，但会大大降低塑性, 这种现象与微观组织结构变化有关.细小硬相夹杂物的减少和焊缝区的位错均可以导致低的接头强度[6].在轨道交通行业，随着列车速度的越来越高，对接头的强度要求会更高，文中针对《动车组枕梁中心板搅拌摩擦焊搭接形式工艺技术研究》项目，用几种不同长度搅拌针的搅拌头, 对7N01铝合金进行了搅拌摩擦焊试验, 通过研究、分析试验结果, 确定动车组枕梁中心板搅拌摩擦焊搭接工艺, 旨在通过焊接接头的力学性能的稳定性选择合适的搅拌头长度，并且对接头的微观组织和显微硬度进行分析，研究其变化机理.1 试验方法 试验材料为7N01铝合金，7N01铝合金属Al-Zn-Mg系列中等强度铝合金，具有优良的挤压性、焊接性、耐蚀性.主要用于轨道列车车体的端面梁、车端缓冲器、底座、门槛、侧面构件骨架、车架枕梁等重要部分.采用的板材规格为400 mm×150 mm×15 mm，热处理状态为固溶处理后自然时效.母材的力学性能参数为抗拉强度400 MPa,规定塑性延伸强度RP0.2为260 MPa，表1为7N01铝合金主要合金元素的成分.表1 7N01铝合金组成元素的化学成分(质量分数,%)Table 1 Chemical compositions of alloy 7N01ZnMgFeCuMnCrSiTiZrAl3.6400.9100.1500.1200.4000.1500.0480.0300.110余量 所用设备分别为二维定梁龙门式搅拌摩擦焊接设备(型号：FSW-LM2-1020)、MG226型恒电位X射线探伤机、71型显微硬度计，OLYMPUSBX41金相显微镜、WDW3100电子式万能材料试验机.剪切试验部分参考国家标准GB/T2651-2008《焊接接头拉伸试验方法》和GB/T 228-2010《金属材料室温拉伸试验方法》.2 试验结果 2.1 焊接接头剪切试验结果 焊接接头为15 mm与15 mm铝合金搭接接头，预选搅拌针长度分别为16，17，18 mm的外凸(偏角2.5°)“锥型”(锥角18°)螺旋槽+三平面搅拌头，采用上下板等厚全平面三层搭接焊接，搅拌头转速600,450 r/min，焊接速度分别为120,60 mm/min，焊接过程中压入量恒定为0.5 mm.焊缝在铝板上分布如图1所示，试样加工尺寸如图2所示.图1 焊缝位置分布及尺寸(mm)Fig.1 Position and size of weld zone 图2 剪切试样示意图(mm)Fig.2 Diagram of shear specimens 由于接头在实际状态下承受剪切应力，确定加工六组剪切试样检测剪切应力，第1,3,5组试样对应工艺参数为焊接速度120 r/min，搅拌头转速60 mm/min，第2,4,6组试样对应工艺参数为焊接速度60 r/min，搅拌头转速为450 mm/min，剪切试验结果如表2所示.表2 剪切应力对比

Table 2 Contrast of shearing stress编号最大剪切应力τ/MPa平均剪切应力τ/MPa搅拌头长度L/mm1-1253.151-2241.35265.14161-3300.002-1255.902-2303.62293.25162-3320.243-1334.173-2358.38334.31173-3310.384-1150.124-2151.43153.91174-3160.195-1124.815-2118.06125.02185-3132.196-1309.906-2367.96335.39186-3328.31 由表2可以看出，搅拌头长度为17和18 mm时，针对两种工艺参数，相同搅拌头长度所获得的焊缝抗剪切性能有较大差异，长度为17 mm时，焊接速度120 r/min，搅拌头转速60 mm/min条件下焊接接头获得较高的剪切应力，而另一种工艺下得出的接头剪切应力较差，长度为18 mm时情况刚好相反；两种搅拌头的对应最高和最低平均值都相近，该两种尺寸搅拌头在给出的工艺参数组条件下进行焊接所获得焊缝性能不稳定，后续试验中相对较难寻找其最优工艺窗口；相对而言，搅拌头长度为16 mm时，两组工艺参数下的焊缝抗剪切应力相近，且明显优于另外两种搅拌头的最差数据组，说明在同样条件下，针对15 mm厚7N01铝合金搭接接头，16 mm长度搅拌头表现较为稳定，焊缝抗剪切性能相对较优.2.2 焊接接头微观金相 对第2组试样的焊接接头微观组织进行研究，得到图3焊接接头微观金相图,从图中可以明显地看到，焊核和热力影响区的分界线在前进侧和后退侧是明显不同.如图3b,c所示,在前进侧，焊核和热力影响区有明显分界线，并且热力影响区中的塑性流动痕迹也很清晰；而后退侧两个区域的分界线要模糊一些，有一个较宽的过渡区域.出现这种情况的原因是在焊接过程中,随着搅拌头的不断前进，后退侧附近的材料会不断地随着搅拌头的外表面逆时针地流向搅拌头的后方；前进侧由于存在明显的楔形挤压和空腔作用，使得焊缝材料塑性流动方向与母材金属塑性流动方向相同或者相反,并且后退侧的材料与前进侧的材料在温度上也有差异，从而在前进侧热力影响区与焊核区之间存在很大的相对变形差和组织上的差异，进而在焊缝的前进侧热影响区与焊核区之间形成明显的分界面；而在后退侧，焊缝材料塑性变形方向与母材金属塑性变形流动方向一致，母材金属平滑地与焊缝材料一起变形，并且此时的温度梯度变化小而平滑，从而后退侧热力影响区与焊核区的分界面并不是很明显，存在一个模糊的过渡区域.图3 搅拌摩擦焊接头微观组织Fig.3 Structure morphology of FSW joint 焊核区是受到热循环和机械作用影响最严重的区域，组织变化程度最大，是合金元素过度饱和区域，该区域变形晶粒发生沉淀和回复交互作用，晶粒尺寸一般在10 μm左右.在图3a中可以看到该区出现高密度分布的细晶沉淀相，从而抑制晶粒发生长大而发生再结晶反应；在理想的动态再结晶过程中，局部积累能的变化导致应变诱发晶界的迁移，这种迁移和塑性流动的不同将导致在初始晶粒的沉淀相周围开始形成链状的新晶粒，这样在焊接过程中不断形成新晶粒层，并从晶粒边界向内部发展一直到每一个初始晶粒均发生再结晶，从图3a可以看到该区的再结晶组织形貌基本一致，表现出一种无序、无方向性的特征.同时，焊核区的塑性流动是非对称的，这一点从有关前进侧与后退侧表现出明显不同特征可以得到验证.热力影响区在搅拌头的剧烈搅拌作用引起的塑性态铝的黏附作用下，在接近焊核区的小部分区域发生了局部破碎和黏附长大现象，而其它部分的组织发生了较大程度的弯曲变形，如图3b,c所示；另外，如图3b所示，该区域的晶粒尺寸比焊核区的要大，这主要是由于在焊接热循环作用下发生回复和动态再结晶造成.2.3 焊接接头显微硬度 硬度检测区域为图4横向划线部位，硬度分布呈“W”形.由图3可以看出：由于母材为T4状态，即经过固溶处理，自然时效，基体中有大量细小、弥散强化相，如θ相和T相析出，故母材的硬度最高；而在焊核区，距离焊核中心3 mm的区域硬度值最小，经与图3的对比参照可知，最小硬度值出现在热力影响区.由图5还可以看到，前进侧与后退侧的显微硬度分布存在一定的差异，后退侧比前进侧的平均硬度值要大，这也说明FSW与其它焊接方法因焊接成形原理不同造成微观特征的不同.可能是在后退侧材料“塞积”现象较严重，组织致密，晶粒变形大，畸变能增加.此外，强化相在后退侧的大量聚集可能也是造成其硬度值相对较大的一个因素.在热影响区内，硬度值明显低于母材.晶粒粗化和强化相的溶解导致硬度显著降低，热影响区受力和热的影响，容易出现大尺寸和不规则晶粒，导致硬度值降低.而在焊核区，硬度相对邻近区域有所提高，并在中心出现一个“峰值”，这与焊核区的形成机理有关，该区经历了搅拌针强烈的机械搅拌作用，晶粒得以细化，材料力学性能得到进一步提高，这是形成“峰值”硬度的主要原因.图4 显微硬度检测区域Fig.4 Micro-hardness testing area 图5 接头显微硬度分布Fig.5 Micro-hardness of joint 3 结 论(1)针对15 mm厚7N01铝合金搭接接头，在工艺参数分别为(焊接速度120 r/min，搅拌头转速60 r/min)以及(焊接速度60 r/min，搅拌头转速450 mm/min)时，“锥形”三平面+螺旋槽型搅拌头长度为16 mm能获得剪切性能较稳定的焊接接头.(2)从微观金相得出焊核和热力影响区的分界线在前进侧和后退侧明显不同，焊核区是受到热循环和机械作用影响最严重的区域，组织变化程度最大.(3)焊核区是合金元素过度饱和区域，晶粒得以细化，材料力学性能得到进一步提高，焊接接头显微硬度呈“W”形分布，在核焊区形成“峰值”硬度.参考文献： [1] 张 华，林三宝，吴 林, 等.搅拌摩擦焊研究进展及前景展望[J].焊接学报，2003，24(3): 91-96.Zhang Hua，Lin Sanbao，Wu Lin，et al.Current progress and prospect of friction stir welding[J].Transactions of the China Welding Institution，2003，24(3): 91-96.[2] 王希靖，申志康，张忠科.铝和镀锌钢板的搅拌摩擦焊搭接分析[J].焊接学报，2011, 32(12): 97-100.Wang Xijing, Shen Zhikang, Zhang Zhongke, Study of friction-stir-welded lap joint of aluminum and zinccoated stell[J].Transtions of the China Welding Institution, 2011, 32(12): 97-100.[3] Sanderson A, Punshon C S.Advanced welding processes for fusion reactor fabircation[J].Fusion Engineering and Design，2000, 49: 77-87.[4] 柯黎明，潘际銮，邢 丽, 等.搅拌针形状对搅拌摩擦焊焊缝截面形貌的影响[J].焊接学报，2007，28(5): 33-37.Ke Liming, Pan Jiluan, Xing Li , et al.Mechanical Influence of pin shape on weld transverse morphology in friction stir welding[J].Transactions of the China Welding Institution，2007，28(5): 33-37.[5] 张丹丹，曲文卿，尹 娜, 等.工艺参数对铝锂合金搅拌摩擦焊搭接接头力学性能的影响[J].焊接学报，2013，34(2): 84-88.Zhang Dandan，Qu Wenqing，Yin Na，et al.Effect of process parameters on mechanical properties of friction stir welded Al-Li alloy lap joints[J].Transactions of the China Welding Institution，2013，34(2): 84-88.[6] Mahoney M W，Rhodes C G，Flintoff J G，et al.Properties of frictionstir-welded 7075 T651 aluminum[J].Metallurgical and Materials Transactions A: Physical Metallurgy and Materials Science, 1998, 29(7): 1955-1964.收稿日期： 2015-11-04 中图分类号： TG 453 文献标识码： A doi：10.12073/j.hjxb.20151104001 作者简介： 王振苏，女，1966年出生，硕士，高级工程师.主要从事力学性能检测工作.Email: ***@126.com

第三篇：摩擦学的现状与前沿

摩擦学的现状与前沿

—— 机自09-8班姚安03091131

摩擦学作为一门实践性很强的技术基础科学，它的形成和发展与社会生产要求和科学技术的进步密切相关。它作为一门独立的学科受到世界各国普遍重视，摩擦学理论与应用研究进入了一个新的时期。研究现状与发展趋势

现代摩擦学研究的主要特征可以归纳为：

(1)在以往分学科研究的基础上，形成了一支掌握机械、材料和化学等相关知识的专业研究队伍，有利于对摩擦学现象进行多学科综合研究，推动了摩擦学机理研究的深入发展。

(2)由于摩擦学专业教育的发展和知识普及，以及摩擦学本身具有的实践性很强的特点，当今工业界有大量的工程科技人员结合工程实际开展研究，促使摩擦学应用研究取得巨大的经济效益。

(3)随着理论与应用的不断完善，摩擦学研究模式开始从以分析摩擦学现象为主逐步向着分析与控制相结合，甚至以控制性能为目标的研究模式发展。此外，摩擦学研究工作从以往的主要面向设备维修和改造逐步进入机械产品的创新设计领域。

（4）交叉学科的发展。摩擦学作为一门技术基础学科往往与其他学科相互交叉渗透从而形成新的研究领域，这是摩擦学发展的显著特点。主要的交叉学科如下:摩擦化学、生物摩擦学、生态摩擦学及微机械学等。

当今，相关科学技术特别是计算机科学、材料科学和纳米科技的发展对摩擦学研究起着重要的推动作用，主要表现在以下方面。

1.1 流体润滑理论

以数值解为基础的弹性流体动力润滑(简称弹流润滑)理论的建立是润滑理论的重大发展。现代计算机科学和数值分析技术的迅猛发展，对于许多复杂的摩擦学现象都可能进行精确的定量计算 目前薄膜润滑研究尚处于起步阶段，在理论和应用上都将成为今后润滑研究的新领域。

1.2 材料磨损与表面处理技术

现代材料磨损研究的领域已从以金属材料为主体扩展到非金属材料包括陶瓷、聚合物及复合材料的研究。表面处理技术或称表面改性是近20年来摩擦学研究中发展最为迅速的领域之一。它利用各种物理、化学或机械的方法使材料表面层获得特殊的成分、组织结构和性能，以适应综合性能的要求。就学科发展趋势而言，复合性材料的研究是材料科学的重点方向，而表面改性技术实质上就是研制表里具有不同材质的复合性材料，因而受到摩擦学者广泛的重视。

1.3 纳米摩擦学

纳米摩擦学提供了一种新的思维方式和研究模式，即从原子分子尺度上揭示摩擦磨损与润滑机理，从而建立材料微观结构与宏观特性之间的构性关系，这将更加符合摩擦学的研究规律.目前，纳米摩擦学的主要研究内容包括材料微观摩擦磨损机理与控制，以及表面和界面分子工程即通过材料表面微观改性和纳米涂层，或者建立有序分子膜润滑，以获得优异的减摩耐磨性能。当前的应用研究主要集中在计算机磁记录装置以及超精密和微型机械。纳米摩擦学是摩擦学研究的热点领域，迄今已有大量的研究报告发表，并出版了专著。

第四篇：抽油杆摩擦焊的失效分析综述

1、论文名称、课题来源、选题依据

1-1论文名称：

抽油杆摩擦焊接头的组织与性能研究

1-2选题依据：

在石油制造行业，摩擦焊技术主要用于抽油杆、光杆、钻杆、高压阀体、蝶阀和地质取芯钻具的制造中。

摩擦焊是在构件加热接近熔化温度下的固相压力焊接。摩擦焊具有很多优点,如强度高、不存在熔化焊缺点、生产率高、节约能源,节约原材料及降低工人劳动强度等,因而得到广泛应用.良好的摩擦焊接头由于焊接时的锻造作用，虽然焊缝及近缝区的强度等于或高于母材。目前，保证焊缝的综合力学性能是当今摩擦焊接技术的研究热点。为了提高焊缝的韧性，近年来的研究主要集中在两个方面：一是控制母材的夹杂物含量；二是优化摩擦焊接过程的工艺参数。

摩擦焊工艺在国内外生产空心抽油杆和实心抽油杆的连接接头中已经得到了广泛应用。采用摩擦焊工艺将两端杆头焊在杆体上，摩擦焊工艺质量直接影响着接头的强韧性能和抽油杆的使用寿命。由于在生产中存在工艺稳定性差和经验不足的问题，不能很好地保证空心抽油杆摩擦焊接头的质量，以致使用中在接头处断裂事故时有发生，直接影响到抽油杆的使用寿命，造成极大的经济损失，也关系到油田生产的安全。

2、本课题国内外研究现状及发展趋势

2-1摩擦焊焊接石油钻杆主要有两种方式：

一种是接头和管体同材质，采用相同或不同的热处理工艺；另一种是接头与管体异种材质，异质摩擦焊接钻杆的接头采用低合金钢，而管体则采用普通碳素钢，或者接头采用高强度合金钢，而管体采用低合金钢。由于受力较大的螺丝接头部位采用比管体好的材料，而接头的质量仅占整根石油钻杆质量的4．5％，大大节省了材料，降低了石油钻杆的制造成本。

2-2国外抽油杆摩擦焊接

目前国外用于石油钻杆焊接的摩擦焊机主要有连续驱动和惯性两种形式，这两种类型的焊机基本实现了标准化和系列化，焊机的监控系统已广泛采用计算机监控。为强化焊接过程质量保证，除了时间控制、变形量控制、能量控制外，还发展了一些特殊过程控制技术，如摩擦扭矩和温度监控技术等。为了便于焊接生产过程的自动化，国外还研究了一系列相关技术及外围设备，如不同类型的去飞边装置或上下料装置、无损检验技术等。

专门用于石油钻杆焊接的连续驱动摩擦焊机最大顶锻力可以达3 500 kN，焊机可配备计算机控制系统，可储存不同规格石油钻杆的全套摩擦焊接工艺参数，焊接的石油钻杆经焊后热处理机械性能指标完全符合美国API(American Petroleum Institute，美国石油学会)标准。同样用于石油钻杆焊接的惯性摩擦焊机的最大顶锻力可达2 660 kN，最大可焊接尺寸为6 5／8″的S135 钢级水平的石油钻杆。与连续驱动摩擦焊机相比，惯性摩擦焊机的优点是控制参数少(只控制转动惯量和压力)，焊接热影响区狭窄。与连续驱动摩擦焊机一样，惯性摩擦焊机同样可以配备计算机控制系统，并可储存不同规格石油钻杆的全套摩擦焊接工艺参数、保存和打印工艺参数，同时可配备内焊缝冲切装置，焊接的石油钻杆经焊后热处理机械性能指标也完全符合美国API标准。

2-3国内抽油杆摩擦焊接

与国外石油钻杆生产的发展趋势一样，我国目前石油钻杆生产制造广泛采用摩擦焊技术，但最初主要是应用于石油钻杆的焊接修复和小批量试生产。所谓修复，即是将在服役中损坏失效的接头切掉，重新焊上新接头修复后重新使用[10]。1972 年，哈尔滨焊接研究所与太原重机厂共同研制了我国第一台120 t 大型石油钻杆专用摩擦焊机，并于1978 年在大港油田用于石油钻杆焊接，这项成果很快在全国各油田钻杆的修复生产中得到了普遍应用，取代了原来的闪光焊修复石油钻杆工艺。自20 世纪80 年代开始，我国的钻杆焊接虽已进入摩擦焊时代，但由于当时摩擦焊机受技术条件的限制，存在着焊接吨位低、自动化水平低以及焊接工艺经验缺乏等问题，从而造成了生产稳定性差，存在焊接裂纹、未熔合、摩擦焊灰斑、流痕断口等焊接缺陷[11－13]。随着自动化技术的发展以及液压元件性能的提高，大吨

位的摩擦焊机不断被开发出来，同时各种高强材料摩擦焊接工艺参数不断试验成功，摩擦焊工艺经验也愈加丰富，摩擦焊作为先进的固态焊接技术在石油钻杆制造中的应用逐渐推广开来。目前，哈尔滨焊接研究所开发的130 t 摩擦焊机在国内大庆油田、胜利油田、辽河油田、大港油田等各大油田石油钻杆生产企业中得到了广泛的应用，经济效益可观。

3、论文预期成果的理论意义和应用价值

论文主要通过抽油杆摩擦焊接头的失效分析，以及不同的摩擦焊焊后热处理对抽油杆组织和性能的影响,分析抽油杆摩擦焊接头产生失效的原因，得出结论，并且提出可行的建议，从而减少油田上由于抽油杆失效而带来的不必要的经济损失。

4、设计的过程

1~4周：查阅与课题相关的科技文献（文献数量要求30篇左右），并撰写文献综述和开题报告，并填写好毕业论文手册中的任务书。

5~6周：查阅大约5篇与课题相关的英文文献，并翻译5000字左右的英文文献资料。7~14周：完成毕业论文的实验工作。

15~17周：撰写毕业论文并准备答辩的PPT。

18周初（6月20号之前）：完成答辩，上交毕业论文全部材料存档。

第五篇：车辆摩擦材料的发展现状

车辆摩擦材料的发展现状

------《汽车摩擦学》结课论文

现如今，随着汽车工业的快速崛起，车辆的制造逐步向环保、高速和安全的方向发展，这对车辆的制动系统的稳定性和可靠性的要求越来越高，而车辆中使用的摩擦材料的性能直接影响着车辆行驶过程中的安全和舒适性。汽车制动的实质是把汽车的大部分的动能通过刹车片和制动件之间的摩擦转化为热能，大部分的热能又被制动器吸收引起温度升高的过程。

1.摩擦材料发展史

摩擦材料可以粗略地划分为以下几个阶段:(1)1930年前，主要以石棉长纤维添加其他线类编织浸渍方式为主。

(2)1930年，研制出一种柔性树脂粘合剂，具有很好的热稳定性，使得干法工艺有掺进更多填料的可能，并研制出鼓式制动片，在后续的30年，石棉原料仍然占据主导地位。

(3)1950年，美国SKWEllMAN公司率先研制了用铁粉、石墨和其他填料加树脂作粘合剂热压的摩擦材料，即半金属摩擦材料。1970年，半金属摩擦材料被用于盘式制动器，至今仍被广泛应用。

(4)1960年以来，由于汽车技术的不断改进，对制动器摩擦性能的要求越来越高，石棉摩擦材料已经不能满足汽车的发展要求，尤其是石棉对环境污染和对人体健康问题的提出，迫使许多发达国家汽车公司开始研究并寻求石棉材料的替代品，如复合纤维摩擦材料等。这些新型摩擦材料具有良好的摩擦磨损性能，适应时代发展的需要。1980年以来，盘式制动器和新型摩擦制动衬片得到快速发展并大规模地应用到汽车制动系统，人们更加关注汽车的舒适、环保、安全、轻量化等方面，摩擦材料行业不得不加快新型材料的开发，提高刹车材料的制动性能。另外，20世纪70年代中期研究者提出无石棉材料存在一些缺点，如半金属摩擦材料的钢纤维容易生锈，且对制动盘有一定的损伤;摩擦热引起制动密封圈软化和制动液“气阻现象”。纤维增强摩擦材料和复合纤维摩擦材料也存在一系列问题，如玻璃纤维浸润性不佳以及制造工艺复杂等。复合纤维摩擦材料成本高，应针对这一问题加以改进，完善制备工艺。随后出现的第二代和第三代半金属摩擦材料具有低导热率、低噪声等优点。

2.摩擦材料的种类和制备过程

按发展过程摩擦材料可以分为石棉摩擦材料和非石棉摩擦材料。石棉摩擦材料按使用条件可分为干式和湿式两种；非石棉摩擦材料种类多，根据基体材质的不同可以分为金属基、半金属基、非金属基三类。2.1金属基摩擦材料

金属基摩擦材料主要有熔铸金属和粉末冶金摩擦材料两种。熔铸金属主要指钢、铸铁、青铜等，但单体金属摩擦材料由于易粘结和高温高速下摩擦系数低等缺点而逐渐被淘汰。粉末冶金摩擦材料又称为烧结摩擦材料，是将铁基、铜基粉状物料混合、压型，并在高温下烧结而成。根据基体的类型一般可把粉末冶金摩擦材料分为铁基、铜基及铜铁基3种常用类型。铁基摩擦材料有较高的耐热性、高温强度、硬度及热稳定性，经济性较好;铜基摩擦材料的摩擦因数稳定且较小，导热率高，耐磨性好;铁铜基粉末冶金摩擦材料中铁和铜的含量差不多，兼有铁、铜优异的力学、导热性能和耐磨性能，在湿式和干式条件下都能应用。粉末冶金材料适用于较高温度下的制动与传动工况条件，如飞机、载重汽车、重型工程机械的制动与传动。

2.2半金属基摩擦材料 半金属基摩擦材料是以金属纤维代替石棉纤维的无石棉摩擦材料。其材质配方主要为粘结剂，石墨粉、腰果壳油等减磨剂，其余为橡胶粉铁质金属物(如还原铁粉、铁钢合金 纤维、泡沫铁粉)，半金属摩擦材料因此而得名。其主要特点是导热系数大，耐热性好，吸收功率高，能满足汽车在高速、重负荷运行时的制动工况要求，但其存在制动低频噪音、边 角脆裂等缺点。

2.3非金属基摩擦材料

采用改性的高温树脂及橡胶作勤结剂，将纤维质增强材料与增磨剂、减磨剂配料及混合后，通过压制成形或热压及固化而成。其增强材料已经改为非石棉纤维，现应用较为普遍的有有机纤维(芳族聚酞胺纤维及其浆粕、碳纤维等)、金属纤维(钢纤维、铜纤维等)和无机矿物材料(玻璃纤维、硅灰石纤维等矿物)。在高温条件下具有质量轻、耐高温能力强、使用寿命长等特点，使其在交通运输中得到广泛应用，以飞机刹车为例:在波音747飞机上采用碳/碳复合刹车材料后，相比金属刹车，质量下降816.5kg，而热库是金属刹车的3~5倍，在2000℃下材料强度不发生任何变化，3000℃以下模量反而增加，可在2200℃下安全工作，该条件下材料没发现黏结变形。

2.4摩擦材料制备工艺

摩擦材料的制备过程主要分为配方筛选和批量生产，选用适当的配方，经测试满足需求后，投入批量生产。

主要的生产环节包括以下几步:(1)检验材料。对采用的原材料进行检验，根据其物理化学指标特性，对在配方中的比例进行必要的调整。

(2)配料。按照配方确定的比例进行计量。目前有人工计量和计算机自动配料系统自动计量两种，后者先进可靠。

(3)混料。将配好的原料进行混合。分为湿法混料和半干法混料。常用混料机有三轴螺旋式、二轴式、犁耙式(较常用)。

(4)压制成形。分为顶模一步成形法和板式模二步成形法。一步成形法就是将料装进模具，直接热压成形;二步法则是先将原料预压成毛坯，再装入热压模热压成形。

(5)热处理。将热压成形的摩擦材料放进能够编程控温的热处理箱中进行热处理，使摩擦材料中的树脂等有机组分的化学反应完全充分。

(6)外形加工。对产品进行必要的修整加工，如磨表面、倒角、喷漆等。

一般地，经上述加工制成的摩擦材料，其摩擦磨损性能已经确定，后续加工只能改变其外观而不能改变其力学性能，但是“表面烧蚀处理”工序有助于摩擦材料工作初期的能稳定。所谓烧蚀处理就是摩擦材料在出厂前经过600~700℃高温处理，使表面有机物迅速分解气化，防止制动初期气垫和热衰退的产生。

3.影响材料摩擦磨损性能的因素

摩擦材料通常由粘结剂、增强纤维、摩擦性能调节剂、工艺性能调节剂组成。这4种原料在配方中并非单一地起作用，好的配方在于恰到好处地发挥各种材料的互相作用能，确保摩擦材料在使用温度范围内有合适并相对稳定的摩擦性能和较长的磨损寿命。

粘结剂一般选用热固性树脂和橡胶，作用是将配方中的组分粘结在一起，形成具有足够强度、适当硬度、耐高温和耐磨的固体。树脂种类与含量对摩擦材料力学性能和磨损性能有重要影响，如腰果壳油改性酚醛树脂为基体的摩擦材料的摩擦磨损性能优于纯酚醛树脂基摩擦材料的性能，树脂粘结剂含量增加时，摩擦材料的力学性能提高。当树脂粘结剂的含量为9%~12%时，摩擦材料具有优异的摩擦磨损性能;树脂粘结剂的含量小于6%时，摩擦系数较低且不稳定;树脂粘结剂的含量大于15%时，材料发生热衰退现象。增强纤维必须有足够的强度和好的耐热性和耐磨性，而且不能刮伤对偶。玻璃纤维、矿物纤维、芳纶纤维和片状硅石等组成的多维复合增强体系具有“微米和纳米”尺度，“一维(纤维)和二维(片状)”形态，“无机和有机”材质等特点，经过优化配方制成的优化多维

2-73复合增强汽车摩擦材料的冲击强度为0.54J/cm，总磨损率为1.35X10cm/(N·m).摩擦系数的变异系数为5.86%，满足了汽车摩擦材料在力学、摩擦磨损等各方面性能的要求。

摩擦性能调节剂可以提高和稳定摩擦系数，如非金属矿物BaSO4、铁及铁墨、Al2O3、陶土，它们的主要作用是使刹车具有足够的摩擦系数，不仅在常温段，而且在400~500℃的高温区段都能产生满足需要的制动力。对于石墨、云母、滑石等，其硬度很低，起润滑摩擦表面、稳定摩擦系数的作用。

工艺性能调节剂有脱模剂和特殊填加剂。脱模剂使产品在生产过程中顺利脱模;特殊填加剂改善粘合剂性能，提高材料性能。

4.摩擦材料性能的评价与测试方法

摩擦材料性能分为理化性能和摩擦磨损性能。

在理化性能中，摩擦材料可压缩性越来越引起人们的重视。随着研究与使用的深入，人们发现制动器衬片的可压缩性不但影响汽车制动踏板行程、制动液需液量、制动滞后特性，也影响制动的平顺性和舒适性，对ABS系统将影响其工作特性，更重要的是可压缩性与密度密切相关，从而影响制动器的固有频率，容易产生摩擦振动和噪声。通过可压缩性的测试，可间接获得有关制动噪声的信息。因此，摩擦材料可压缩性的评价和测试将成为一个重要课题。

摩擦磨损特性是摩擦材料最基本也是最重要的性能。评价摩擦磨损特性有许多方法，常用的有3种:采用标准试样形式的小样试验;采用实际制动总成件和对偶件，并模拟实际使用条件的惯性台架试验;装车后的使用试验。对于摩擦材料企业来说，更注重于小样试验和惯性台架实验。

小样试验的试验条件与摩擦衬片工作时的实际工况条件有一定差别，但简捷、快速、费用低，主要用于企业生产质量控制、配方研究及新产品开发的前期阶段。

目前，在亚洲一些国家和地区，如中国、日本、马来西亚、台湾等地，小样试验主要参照日本在20世纪40年代建立并经多次修改的JISD-411-88的试验方法和标准进行，其试验设备是定速试验机。北美国家的小样试验采用美国汽车工程师协会(SAE)制定的SAEJ661试验规范，其试验设备主要是CHASE试验机，此外还有FAST试验机和MM1000试验机。欧洲国家不进行小样试验，只采用台架试验。

台架试验相对于小样试验来说，具有优良的模拟性和数据重现性，但试验过程复杂、周期长、费用高。台架试验的目的在于选择摩擦副的合理结构，校验试验数据和在模拟实际工况条件下摩擦件的可靠性。因此，惯性台架试验机是制动器制动性能试验中最具权威性的测试设备。目前国内外的惯性台架实验几乎都采用德国的KRAUSS型试验机，该机国内己经能够生产，如吉林大学机电所的JF132、JF122等机型，其执行的标准有德国大众公司的P-V W3112、P-V W3212，配飞轮惯量系统后，可执行VW-TL110美国SAEJ212、中国QC/T582-99、QC/T564-99等。

目前，惯性台架己不局限于制动器常规测试，其功能得到不断扩展，如JF122C型惯性台架具有ABS和ASR测试功能，JF122N惯性台架具有NVH功能。

20世纪90年代以前，全世界流行的基本都是机械模拟式台架。近年来，随电子及计算机控制技术的飞速发展，电模拟机械惯量的技术也日趋成熟，电模拟式台架开始成为主流

经过试验研究发现，不同试验方法的试验数据可比性差，即使是同为小样试验的定速试验和CHASE试验也是如此，更不用说小样试验与台架试验的可比性了。其主要原因是试验方法、试验工况及测试目的不同。

通过比较小样试验与台架试验的优缺点，研究人员开始研究一种新的试验方法—采用相似理论的缩比台架试验，按比例截取摩擦衬片的一部分作为试验对象，在缩比台架试验台上，执行1:1台架的试验方法，如SAEJ2681等。按照相似理论，缩比台架试验与1:1台架将具有很好的数据可比性。缩比台架试验可大幅降低试验设备投资和试验的成本，是摩擦磨损性能测试的又一重要手段。

在与国外同行的交流中了解到，目前，欧美一些国家正在起草一个新标准IS015484(草稿)，该标准实施的目的是建立一个统一的摩擦材料摩擦磨损试验规范，以台架试验为主，限制甚至取消所有的小样试验，目前，正处于试验数据积累阶段。这说明摩擦材料性能评价方法和试验规范有统一的趋势。

5.摩擦材料的现状和发展趋势

科学技术的进步促进了汽车工业的飞速发展，摩擦材料的工作条件越来越苛刻。传统的石棉摩擦材料制品因高速制动而出现瞬时高温，使表面易产生严重的热衰退，对环境有很大污染，已经不适应时代的发展要求，新型耐高温无石棉摩擦材料，如用玻璃纤维、矿物纤维、金属纤维替代石棉的进程得到快速发展。

1990年以来，西方发达国家着手研制低密度、高耐磨性和高温稳定的炭纤维增韧陶瓷基刹车材料，德国斯图加特大学和德国航天研究所等单位的研究人员开始进行C/C-SiC复合材料应用于摩擦领域的研究，并研制出C/C-SiC刹车片应用于保时捷轿车中，美国橡树岭国家实验室与HoneywellAdvanced Composite等公司合作正在研制低成本的C/C-SiC复合材料刹车片。近年来，以Al2O3陶瓷为基体的摩擦材料在摩擦领域中得到认可。Al2O3基陶瓷摩擦材料成本低，使用寿命长，用其取代纤维/树脂基材料，可使制动系统的使用寿命延长至少半年，而且使摩擦材料在高速工作状况下的摩擦性能得到改善。Tucci则研究了滑动系统中摩擦表面的第二相和物质转移;国内陈志刚、陈晓虎等先后以Al2O3为基材添加润滑组元，研究探索陶瓷基摩擦材料的摩擦磨损特性及组分构成形态，为新型陶瓷摩阻材料的研发提供了科学依据。

少纤维或无纤维摩擦材料、纳米摩擦材料等新型材料正处在探索研究阶段，该摩擦材料具有无金属、无Kevlar等化学纤维、无石棉和天然纤维的特点，有望进入摩擦材料领域。随着人们环保意识的增强，新型无污染绿色环保摩擦材料将会成为摩擦业界研究的重点。

6.结语

目前，国外已开发研制了多种无石棉汽车摩擦材料以及许多先进的制造技术和设备，但摩擦材料的综合性能仍有待进一步全面提高为了适应我国汽车工业发展的要求和环保要求，我国的汽车摩擦材料行业应加快改革，改善管理，改进工艺，调整产品结构，提高产品质量，大力开发新型无石棉摩擦材料，积极参与国际竞争。

2016.04.12