线性摩擦焊设备的振动测量和分析

中航工业北京航空制造工程研究所航空焊接与连接技术航空科技重点实验室 李 辉 张田仓 江乐天

线性摩擦焊是近些年发展起来的新型固相焊接方法，优点包括：固相焊接，能够获得致密的锻造组织；接头综合力学性能好；焊接过程无需气体保护、无需真空条件；可焊接大尺寸、大截面以及异种金属材料的钛合金等有色金属构件[1]。

为了满足高性能发动机对整体叶盘的需求，美国MTI、德国MTU、英国Thompson、法国ACB等公司陆续开发了线性摩擦焊设备用于整体叶盘的焊接。北京航空制造工程研究所于2006年研制成功国内第一台线性摩擦焊设备，见图1。

该设备采用电液伺服控制系统，垂直方向的激振力为147kN，水平方向的顶锻力为196kN，可实现最大2000mm2钛合金的焊接。在此设备上完成了大量试件及整体叶盘模拟件的焊接，极大促进了国内线性摩擦焊技术的发展和应用。

焊接精度是设备的关键指标，一般采用焊后试件3个方向的误差来表征，见图2，振动方向误差±a、横向误差±b、顶锻方向误差±c。

图1 国内第一台线性摩擦焊设备Fig.1 The first domestic linear friction welding equipment

图2 焊后试件3个方向的误差Fig.2 Error in three orientations of welded Sample

经检测，焊后试件的振动方向误差为±0.35mm，横向误差为±0.1mm，顶锻方向误差为±0.35mm，与国外设备3个方向误差为±0.1mm的指标相比，振动方向误差和顶锻方向误差还有较大差距。另外，在整体叶盘焊接中发现，因为振动方向误差对焊接质量影响最大，所以应首先研究振动方向误差。导致振动方向误差的众多因素中，首先是设备振动，因此本文研究设备的振动情况并提出改进方案。

1 试验方法和试验过程

1.1 试验方法

在图1中的线性摩擦焊设备上进行焊接试验。测量设备不同部位的振动加速度，将测量的加速度数据转换为振幅后分析结果。

1.2 试验过程

（1）配置美国NI公司的参数记录系统和加速度传感器，如图3所示。

（2）加工试件和焊接夹具如图4所示，试件材料为碳钢Q235A，尺寸为20mm×40mm×105mm。

（3）确定工艺参数，见表1。

图3 参数记录系统Fig.3 Reference record system

图4 试件和焊接夹具Fig.4 Sample and welding fixture

表1 线性摩擦焊接工艺参数

（4）确定设备上的5个振动测量点：A点位于振动滑台下方的床身上，B点位于远离振动滑台的床身顶锻滑台导轨后端，C点位于顶锻夹具顶部，D点位于顶锻滑台前端，E点位于顶锻滑台后端，见图5。

图5 设备的A、B、C、D、E振动测量点Fig.5 Vibration measurem ent points A、B、C、D、E of equipm ent

图6 线性摩擦焊接后试件Fig.6 Linear friction welded samples

（5）焊接试件见图6。编号1、2、3试件用于测量床身上A、B点的振动加速度；编号4、5、6试件用于测量顶锻夹具和顶锻滑台上C、D、E点的振动加速度。

（6）分析数据。将测量的加速度数据转换为振幅汇总分析对比。

（7）提出减小振动的解决方案。

2 结果与讨论

2.1 振动数据图

（1）A、B点的空振和焊接时振动加速度测量数据见图7、图8（以试件1的数据为例）。图中的A、B代表测量点位置，数字0代表空振状态，数字1代表焊接状态。

（2）C、D、E点空振时振动加速度测量数据见图 9，焊接时振动加速度测量数据见图10（以试件6的数据为例）。图中的C、D、E代表测量点位置，数字0代表空振状态，数字1代表焊接状态。

（3）以设备上C点的焊接时振动加速度测量数据图为例，图形包括2个阶段，即空振阶段和焊接阶段。空振阶段是设备顶锻系统未动作，只有振动滑台高频振动，两端试件未接触的振动状态。焊接阶段是顶锻系统动作，两端试件紧密接触时振动滑台的振动状态。空振阶段只存在振动方向的激振力，焊接阶段除了激振力外还存在水平方向的顶锻力以及试件接触面上与振动频率一致的往复摩擦力，载荷明显增加，且往复摩擦力作用在顶锻滑台上，导致顶锻滑台特别是前端振幅较大。从图 11中可以看出，C点焊接阶段的加速度幅值增长较大，达到空振阶段加速度幅值的3倍。

图7 A点空振和焊接时振动对比Fig.7 comparison on vibration before welding and during welding for A point

图8 B点空振和焊接时振动对比Fig.8 Comparison on vibration before welding and during welding for B point

图9 空振时C、D、E点测量数据Fig.9 Measured data of C, D and E points before welding

2.2 数据分析

首先根据采集的振动加速度数据，分别计算出A、B、C、D、E点的振动加速度最大值和最小值；然后通过公式“振幅=加速度×9.8×100/4/频率2”[2]，求出振幅的最大值和最小值；为了便于分析对比，再由 “（振幅最大值-振幅最小值）/2”得到带正负号的中值。设备上A、B、C、D、E点的空振和焊接状态下的振幅见表2。

从表2看出，空振状态下，A、B点振幅基本相同，说明床身上距离振动源的远近对振幅影响不大。E点与A、B点的振幅基本相同，而C和D点振幅最大，这是因为顶锻滑台的E点相对C和D点较重且和顶锻油缸活塞杆刚性连接，减弱了振动。顶锻滑台前端的C和D点较轻，所以振幅较大。

图10 焊接时C、D、E点测量数据Fig.10 Measured data of C,D and E points during welding

图11 焊接时C点加速度图说明Fig.11 Acceleration Drawing illustration of C point during welding

从表2焊接绝对振幅均值数据得出，焊接状态下，焊接面存在高达数十kN的往复摩擦力，设备振动显著增大。因为床身和地基刚性连接，所以A、B点的振幅增幅不大。而C、D、E点振幅大增，特别是滑台前端C、D点处。在此试验条件下，顶锻夹具顶部的C点振幅是床身A点的3.6倍，顶锻滑台前端的D点振幅是A点的3倍。究其原因，顶锻滑台仅靠4个导轨滑块和床身联系，本身刚性较差，而滑台前端又是受力点，所以顶锻滑台前端是刚性薄弱环节。

表2 线性摩擦焊接设备5点的振幅

图12 设备顶锻滑台的高刚度结构设计Fig.12 High rigidity design of forging slid platform

3 改进方案

根据以上分析，基于线性摩擦焊接设备的现有结构，设计了高刚度顶锻滑台方案，为现有设备的改造或新设备的设计提供参考，见图12。

其设计要点在于：采用进口大型号高刚度MRD65滚柱导轨代替原来的小型号低刚度SNR55LR滚珠导轨，以提高刚度。

（1）增大滑块间距，由原来557mm改为770mm。

（2）增加导轨滑块数量，由原来4个改为6个，且在顶锻滑台前端每根导轨布置两个导轨滑块。

（3）两侧导轨均采用高刚度的双向定位，基准导轨滑块采用双向定位，非基准导轨滑块为便于装配无侧定位，见图13。

原来滑块的额定动载荷为133.3kN，新滑块的额定动载荷为289kN，前端4个滑块的理论承载力为以前2个滑块承载力的4.3倍，显著提高了滑台承载能力。

图13 顶锻滑台的导轨定位设计Fig.13 Guide rail position design of forging slid platform

4 结论

（1）设备床身靠近振动源的A点和远离振动源的B点空振阶段振幅基本相同；焊接阶段A、B点的振幅均有所增长，且B点振幅增长稍大。说明床身和地基的刚性连接结构具有较好的可靠性。

（2）顶锻夹具前端是刚性薄弱环节，当前试验条件下，其振幅达到床身A点振幅的3.6倍。

（3）为现有设备的改造或未来新设备的开发设计提供了可显著提高顶锻滑台前端承载力的结构方案。

[1] 张田仓,韦依,周梦慰,等. 线性摩擦焊在整体叶盘制造中的应用 . 航空制造技术，2004(11)：56-58.

[2] 徐灏. 机械设计手册.北京:机械工业出版社，1992.