砖块打包机焊接摩擦副材料及其摩擦行为演化规律

白若云; 邓海顺; 王震宇; 张景亮; 郑浩; 衡鹤

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2507510

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (21) :8893-8901 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2507510

第二十八届中国科协年会学术论文

砖块打包机焊接摩擦副材料及其摩擦行为演化规律

白若云 ¹^,² ,
邓海顺 ¹^,²^,^* ,
王震宇 ¹^,² ,
张景亮 ¹ ,
郑浩 ¹^,² ,
衡鹤 ¹^,²

作者信息 +

Brick Packaging Machine Welding Friction Pair Material and Its Friction Behavior Evolution Law

BAI Ruo-yun ¹^,² ,
DENG Hai-shun ¹^,²^,^* ,
WANG Zhen-yu ¹^,² ,
ZHANG Jing-liang ¹ ,
ZHENG Hao ¹^,² ,
HENG He ¹^,²

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摘要

为提高砖块打包机焊接机构的工作性能,对常规工程材料在新工况下的摩擦学行为演化规律进行研究,并评估其磨损性能在实际应用中的适配性。通过运动学分析确定试验参数,采用有限元分析方法,通过对比5种材料的接触力学特性完成初步筛选,进而对材料进行热力耦合分析,对不同载荷约束下焊接臂材料进行摩擦学试验,分析不同材料的摩擦系数、磨损量及表面形貌变化规律及特征,综合考量材料的耐磨性和经济性等因素,确定打包机焊接臂材料。结果表明:由计算结果可得Q235在接触压力、穿透量及热力耦合应力等方面均优于其他材料。试验表明,Q235因显著的加工硬化效应,其磨损率随载荷增加的增速显著放缓,磨损机制以塑性流变控制的磨粒磨损为主。综合计算与试验结果,确定Q235为焊接臂最优材料,并为同类工业装备的性能导向型选材提供了理论模型与试验依据。

Abstract

In order to improve the working performance of the welding mechanism of a brick packer, the evolution law of tribological behavior of conventional engineering materials under new working conditions was studied, and the adaptability of their wear performance in practical application was evaluated. The test parameters were determined by kinematics analysis. The finite element analysis method was used to complete the preliminary screening by comparing the contact mechanical properties of the five materials, and then the thermal-mechanical coupling analysis of the material was carried out. The tribological test of the welding arm material under different load constraints was carried out. The friction coefficient, wear amount and surface morphology change rules and characteristics of different materials were analyzed. Considering the wear resistance and economy of the material, the welding arm material of the packer was determined. The results show that Q235 is superior to other materials in contact pressure, penetration and thermal coupling stress. The test shows that the wear rate of Q235 decreases significantly with the increase of load due to the significant work hardening effect, and the wear mechanism is dominated by abrasive wear controlled by plastic flow. Based on the comprehensive calculation and test results, Q235 is determined to be the optimal material for the welding arm, and provides a theoretical model and experimental basis for the performance-oriented material selection of similar industrial equipment.

Graphical abstract

关键词

砖块打包机 / 摩擦磨损 / 磨损试验机 / 摩擦系数 / 焊接材料

Key words

brick packing machine / friction and wear / wear testing machine / friction coefficient / welding materials

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白若云, 邓海顺, 王震宇, 张景亮, 郑浩, 衡鹤. 砖块打包机焊接摩擦副材料及其摩擦行为演化规律[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(21): 8893-8901 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2507510

BAI Ruo-yun, DENG Hai-shun, WANG Zhen-yu, ZHANG Jing-liang, ZHENG Hao, HENG He. Brick Packaging Machine Welding Friction Pair Material and Its Friction Behavior Evolution Law[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(21): 8893-8901 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2507510

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砖块打包机是砖瓦制品自动化包装生产线中的关键装备,其焊接机构^[1]通过熔融打包带以实现黏结,其性能直接决定了砖垛的整体强度与可靠性。随着中国新型城镇化建设与基础设施投资的持续推进,建材行业对自动化、高效化包装设备的需求显著增加^[2],砖块打包机作为关键物流装备已获得广泛应用。但该行业在打包机核心摩擦部件的耐用性与长期运行稳定性方面仍存在瓶颈,材料磨损导致的失效与频繁维护,限制了生产效率和设备使用率的提升。在制造业向智能化、高可靠与低成本运营转型的背景下,开发具有优异耐磨性和长寿命的核心摩擦部件已成为产业发展的需求。因此,从焊接机理出发,进一步研究其高频摩擦工况下的磨损行为与失效特征具有重要意义。

砖垛打包普遍采用高频往复摩擦焊接技术,利用机械摩擦产生的瞬时高温实现打包带端部热塑性材料的熔合固定^[3]。由于焊接机构在高速摩擦过程中持续承受机械磨损,其磨损状态直接决定焊接质量及设备使用寿命,因此往复摩擦过程中的磨损行为分析是研究的重点^[4]。Yangui等^[5]针对摩擦问题,采用往复滑动摩擦计模拟实际工业生产条件,研究了滑动方向与涂层对摩擦磨损行为的影响。胡月等^[6]基于摩擦试验台构建了环块仿真模型,通过有限元法求解,结合试验与仿真数据,系统揭示了材料的力学与热学行为演变规律。Miloradović等^[7]在干滑动摩擦条件下,利用摩擦磨损试验机研究试样的耐磨性能,并对试样表面的微观形貌进行分析。魏兵辉等^[8]通过建立摩擦副有限元模型探究摩擦副在运行过程中的动态变化规律,得到了摩擦系数与载荷、速度之间的数学关系模型。Pradhan等^[9]系统研究了复合材料的干滑动磨损性能,通过摩擦磨损试验对试样的磨损率进行分析,并探讨了其主要磨损机制。巩友飞等^[10]则通过滑动摩擦磨损试验,深入探究了不同金相组织、滑动速度及接触应力对材料磨损性能的影响机制。通过系统的往复摩擦试验,Li等^[11]验证了AP25N涂层刀具在多变工况下的摩擦学性能具有显著优势,其耐磨性和综合性能均优于其他材料。吕景儒等^[12]利用试验探究了干摩擦下载荷与速度对两种金属材料摩擦学特性的影响,分析了主要磨损机理,得到了风力机制动闸片材料的可行性。为明确钢在高温下的磨损机理,林犀灵等^[13]系统研究了环境温度与加载应力对其往复摩擦磨损性能的影响。

上述研究为往复干摩擦副材料磨损研究提供了参考,但针对砖块打包机高频往复摩擦这一特定工况,对常规工程材料摩擦学性能的对比与机理甄别尚不充分,因此现以砖块打包机焊接机构为基础,确定摩擦磨损试验机的行程,选取摩擦焊接臂材料进行仿真分析,并筛选出3种代表性材料,考察其摩擦磨损性能,评估其适用性,以期为砖块打包机焊接臂材料选型、焊接机构结构优化及关键部件可靠性设计提供理论依据,并为相关装备的工程应用与性能提升提供技术支撑。

1 摩擦磨损试验行程确定

为确保焊接机构正常运行,必须使焊接零件无干涉、无避让。为避免摩擦臂在摩擦焊接中撞击到焊接机构安装座上,应使摩擦臂振动摩擦幅度在40 mm以内^[14]。依据焊接机构的工作原理,进一步推导得出其有效行程,确保机构顺利运行。

1.1 焊接机构工作原理

砖块打包机焊接机构如图1(a)所示,砖块打包机送带机构送带到位后,打包带重叠部分被固定于焊接臂底部。马达驱动焊接臂上端产生位移,使其在支点轴约束下,下端做高频振动,利用由此产生的摩擦热使打包带接触面熔融^[15],完成焊接^[16]。

1.2 焊接机构行程确定

在振动摩擦过程中,若振幅过大,焊接机构可能撞击其安装底座,导致零件损坏。因此,需将摩擦焊接臂的振动幅度控制在40 mm以内。为优化焊接臂运动行程,对焊接机构进行运动学分析。该运动机构可简化为曲柄滑块机构^[17-18],如图1(b)所示。其中存在偏距e,使滑块做往复运动,曲柄与连杆长度分别为a与b,L为焊接机构行程,O为曲柄的固定回转中心,P为曲柄与连杆的铰接点,Q为滑块当前位置。

由机械结构关系可得

(1)

$\left\{\begin{array}{l}a+e-b\le 0\\ {(a+b)}^{2}-{e}^{2}-{L}^{2}\ge 0\\ L=\sqrt{{(a+b)}^{2}-{e}^{2}}-\sqrt{{(b-a)}^{2}-{e}^{2}}\end{array}\right.$

为降低焊接臂的摩擦速率波动对机构的影响,应使焊接端实际速度尽可能趋近于平均速度,设曲柄转动角度离散点为ψ_i(i=1,2,…,N)^[19]。焊接臂瞬时运动速度为v₀(x,ψ_i),其周期内的平均速度v₀定义为

(2)$v_{0}=\frac{1}{N} \sum_{i=1}^{N}\left[v_{i}\left(x, \psi_{i}\right)\right]$

目标函数f(x)定义为各点速度与平均速度之差的均方根误差,即

(3)f(x)=$\sqrt{\frac{1}{N}\stackrel{N}{\sum _{i=1}}\left[{v}_{i}\right(x,{\psi }_{i})-{v}_{0}(x,{\psi }_{i}{\left)\right]}^{2}}$

式(3)定量表征了速度波动幅度,越小表明运动越平稳。

焊接机构行程L可表示为曲柄转角ψ及几何参数(曲柄长a、连杆长b、偏心距e)的函数,即

(4)L(ψ)=$\sqrt{{(a+b)}^{2}-{e}^{2}}$+acosψ-$\sqrt{{b}^{2}-{(a\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\psi +e)}^{2}}$

得到焊接臂末端瞬时速度v为

(5)v=$\frac{\mathrm{d}L}{\mathrm{d}t}$=$\frac{\mathrm{d}L}{\mathrm{d}\psi }\frac{\mathrm{d}\psi }{\mathrm{d}t}$=aω

$\left[\frac{\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\psi (a\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\psi +e)}{\sqrt{{b}^{2}-{(a\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\psi +e)}^{2}}}-\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\psi \right]$

式(5)中:ω为去曲柄恒定角速度。式(5)建立了机构尺寸参数与运动输出之间的显式关系。

将待优化的几何参数定义为设计变量,表达式为

(6)x=$[{x}_{1},{x}_{2},{x}_{3}{]}^{\mathrm{T}}$=[a,b,e]^T

即

(7)v=x₁ω

$\left[\frac{\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\psi (a\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\psi +e)}{\sqrt{{b}^{2}-{(a\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\psi +e)}^{2}}}-\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\psi \right]$

取L=30 mm,由图1中结构关系可列约束方程为

(8)

$\left\{\begin{array}{l}{g}_{1}\left(x\right)={x}_{1}+{x}_{3}-{x}_{2}\le 0\\ {g}_{2}\left(x\right)=30-\sqrt{({x}_{1}+{x}_{2}{)}^{2}-({x}_{1}+{x}_{3}{)}^{2}}\le 0\\ {h}_{1}\left(x\right)=\sqrt{({x}_{1}+{x}_{2}{)}^{2}-({x}_{1}+{x}_{3}{)}^{2}}-\\ 　　　　\sqrt{({x}_{2}-{x}_{1}{)}^{2}-({x}_{1}+{x}_{3}{)}^{2}}-30=0\end{array}\right.$

经过迭代,得出一组较优参数组合:偏心距e为30 mm,曲柄长a为15 mm,连杆b为100 mm。经验证,该机构可实现约30 mm的行程,满足打包工艺要求。后续摩擦磨损试验即基于此优化后的行程设置展开,即行程设置为30 mm。

1.3 焊接机构行程验证

为准确描述焊接机构的运动,采用多体系统动力学方法,定义每个刚体的广义坐标q_i=

${{[x,y,z,\psi,\theta,\varphi ]}^{\mathrm{T}}}_{i}$

。系统动力学方程基于拉格朗日方程建立,其统一形式为

(9)$\frac{d}{\mathrm{d}t}{\left(\frac{\partial T}{\partial \stackrel{·}{q}}\right)}^{\mathrm{T}}$-${\left(\frac{\partial T}{\partial q}\right)}^{\mathrm{T}}$+f^T_qρ+${{g}^{\mathrm{T}}}_{\stackrel{·}{q}}$μ=Q

式(9)中:T为系统动能;Q为广义力阵列;ρ与μ分别为完整约束与非完整约束的拉格朗日乘子列阵^[20];f(q,t)=0与g(q,

$\stackrel{·}{q}$

,t)=0分别为完整约束与非完整约束方程。

为便于数值求解,引入广义速度u=

$\stackrel{·}{q}$

,将二阶微分方程降阶,得到以下方程组。

(10)

$\left\{\begin{array}{l}F(q,u,u,\lambda,t)=0\\ G(u,\stackrel{·}{q})=u-\stackrel{·}{q}=0\\ \Phi (q,t)=0\end{array}\right.$

式(10)中:λ为约束反力及作用力矩阵;F为系统动力学方程;G和Φ分别为广义速度代数方程与位置约束方程列阵。

将焊接机构三维模型导入ADAMS进行仿真分析。利用预估-校正多步算法^[21]进行变步长积分。在每个时间步t_n₊₁,通过求解以下线性化矩阵方程迭代获得系统状态的修正量Δq,Δu,Δλ,表达式为

(11)$\left[\begin{array}{lll}\frac{\partial F}{\partial q}& \left(\frac{\partial F}{\partial u}-\frac{1}{\mathrm{h}{\mathrm{\beta }}_{0}}\frac{\partial F}{\partial \stackrel{·}{u}}\right)& {\left(\frac{\partial \Phi }{\partial q}\right)}^{\mathrm{T}}\\ \left(\frac{1}{\mathrm{h}{\mathrm{\beta }}_{0}}\right)I& I& 0\\ \frac{\partial \Phi }{\partial q}& 0& 0\end{array}\right]\left\{\begin{array}{l}\mathrm{\Delta }q\\ \mathrm{\Delta }u\\ \mathrm{\Delta }\lambda \end{array}\right\}$=$\left\{\begin{array}{l}-F\\ -G\\ -\Phi \end{array}\right\}$

式(11)中:h为积分步长;β₀为积分系数;I为单位矩阵。迭代至收敛后,即可获得高精度的系统动力学响应,进而得到焊接末端摩擦头的运动轨迹。

通过上述动力学仿真,获得了焊接末端摩擦头的运动轨迹,如图2所示。摩擦头在X方向(主要工作方向)的位移-时间曲线呈周期性变化,其单程行程约为30 mm,完全满足小于40 mm的设计约束,有效避免了其与安装座的干涉。

2 摩擦磨损仿真分析

为从常用材料中筛选出适用于砖块打包机焊接臂的材料,选取黄铜、TA2、铝合金、Q235和不锈钢这五种常见焊接金属材料,通过有限元分析其在模拟焊接过程中的接触力学行为。仿真采用简化假设与准静态模型,旨在快速评估各材料在接触稳定性、抗磨损潜力与结构刚度等方面的相对趋势。评价指标包括摩擦间隙、接触压力与穿透量。摩擦间隙增大会引入附加动载荷,加剧振动噪声;接触压力升高将加速磨损;较小的穿透量则反映较高的接触刚度与较小的受力变形。

2.1 摩擦性能仿真分析

为提高计算效率,实现快速筛选,对建立的接触力学仿真模型进行了必要的简化,主要如下。

(1)模型未建立热-力耦合边界条件,假定材料性能不随摩擦温升发生变化。

(2)未模拟循环载荷下由位错增殖与重排导致的加工硬化现象,以及可能发生的相变等微观组织演变。

(3)将磨损机制简化为理想的二体磨损,未考虑磨屑的产生、输运、再黏附及其作为第三体对接触界面的动态影响。

设置摩擦时间为2 s,5种材料焊接端面的摩擦间隙、接触压力与穿透量的大小及变化规律如图3所示。

如图3(a)所示,Q235和不锈钢的摩擦间隙显著小于TA2、铝合金和黄铜,且在整个过程中保持稳定。这表明由这两种材料构成的摩擦副在高速往复运动中具有更优的动态稳定性,有助于降低振动与噪声。如图3(b)所示,Q235和不锈钢的接触压力始终维持在较低水平,远低于黄铜和铝合金。根据Archard磨损定律^[22-23],较低的接触压力预示着更慢的磨损速率和更长的使用寿命。TA2材料接触压力中的中期波动则提示其可能存在不稳定的磨损状态。如图3(c)所示,Q235和不锈钢的穿透量最小,表明其抵抗接触变形的能力最强,即接触刚度最高。相比之下,铝合金的穿透量约为Q235和不锈钢的3倍,其较大的变形量可能影响焊接精度。

基于上述仿真结果,Q235和不锈钢在接触稳定性、抗磨损潜力和结构刚度3个关键指标上均表现出明显优势。为系统评估不同材料的综合性能并兼顾工程应用的经济性,本研究选定以下3种具有代表性的材料开展后续摩擦磨损试验:Q235(综合性能优异、成本低)、不锈钢(性能优异、成本较高)以及铝合金(作为在接触刚度和稳定性上表现较差的对比样本),此筛选过程确保了后续试验研究的针对性和效率。

2.2 热力耦合仿真分析

为进一步验证优选材料的综合性能并探究其在实际动态工况下的行为,对不锈钢和Q235进行热-力耦合仿真分析。

2.2.1 温度场分析

在往复摩擦作用下,Q235与不锈钢摩擦副的接触区域因摩擦生热而产生显著温升,其稳态温度场分布如图4所示。由于不锈钢的导热系数较低,其热扩散能力弱,摩擦热易积聚于接触表面,其表面温升更为显著。如图4(a)所示,不锈钢侧在接触中心区域的最高温度接近290 ℃。相比之下,Q235钢因具有较高的导热系数,热量能够更迅速地由接触面向基体内部及周边扩散,因此其表面最高温度相对较低(约253 ℃),如图4(b)所示。两种材料导热性能的差异,直接导致了接触区附近截然不同的温度梯度形态:不锈钢因热量积聚,从高温接触中心向周围扩散时温度下降迅速,形成陡峭的温度梯度;而Q235侧因热扩散迅速,温度分布均匀,形成了相对平缓的温度梯度。

2.2.2 应力场分析

根据摩擦热与机械载荷耦合分析结果可知,两种材料的摩擦副均呈现显著的应力集中现象,最大等效应力出现在焊接臂摩擦副的中心接触区域。这是由于中心区域作为主要摩擦热源,温升显著,其热膨胀受到周围较冷材料的强烈约束,产生了高额的压缩热应力,并与外载荷导致的弯曲应力叠加,从而形成了应力峰值,应力场如图5所示。Q235摩擦副的最大应力114 MPa,由于Q235钢的屈服强度为235 MPa,其安全系数约为2.06;不锈钢摩擦副的最大应力为134 MPa,其安全系数约为1.53,低于Q235。

在相同摩擦工况下对比分析,不锈钢摩擦副的最大等效应力较Q235摩擦副高出约17.5%。这主要由于Q235钢具有较高的导热性能,能更有效地传递并扩散摩擦产生的热量,从而降低由局部温升引起的热应力累积,因此表现出更优的承载可靠性与结构稳定性。而不锈钢则因导热性能较差,摩擦热不易及时散失,导致接触区域温度显著升高,热应力相应增大。

综合上述分析,在长期或高载荷摩擦工况下,Q235钢在应力控制、热管理和安全系数方面均更具优势,因此更适合作为焊接臂材料。这一结果不仅从动态耦合载荷角度验证了前期材料筛选的合理性,也进一步揭示了Q235钢在抗冲击、耐磨损方面的潜在性能优势,为其在砖块打包机高频、带冲击工况下的最终选用提供了仿真依据。

3 摩擦磨损试验

3.1 摩擦磨损试验平台

采用MDW-02高速往复式摩擦磨损试验机进行摩擦磨损测试^[24],如图6所示。电气控制箱具有控制电机启停、电机转速与加载压力等功能,加载系统包括夹具、上试样与下试样等,用于模拟焊接臂与焊接底板之间的摩擦,计算机负责数据采集和处理、结果分析以及报告生成等。

3.2 试验流程

试验前,采用金相试样制备机、砂纸及抛光布对试样表面进行打磨与抛光处理,随后采用高精度电子天平(精度0.1 mg)进行称重,最后采用电子显微镜和三维形貌仪对试样表面形貌特征进行观测。

试样安装:上试样通过上夹具安装于夹头座中,该夹头座组件与压杆固定连接,并最终由直线往复机构驱动。

试验共设计3组方案,分别在保持试验时间(10 min)和摩擦力(100 N)不变的条件下,通过调整试验力研究其对材料性能的影响。具体方案为:方案1试验力为40 N,方案2为60 N,方案3为80 N。

3.3 不同载荷下的摩擦磨损分析

为分析不同材料对焊接臂使用性能的影响,在40、60和80 N载荷工况下,通过MDW-02高速往复式摩擦磨损试验机对Q235、铝合金和不锈钢进行磨损试验,模拟打包机焊接臂在不同材料下的磨损性能,从磨痕微观形貌、磨损量、摩擦系数等方面分析不同材料的使用性能。

3.3.1 摩擦系数对比

MDW-02高速往复式摩擦磨损试验机可同步采集试验数据并生成试验曲线。不同试验力下摩擦系数的大小及变化趋势如图所示。在主轴频率5 Hz下,对Q235、不锈钢和铝合金试样,分别施加40、60和80 N的试验力进行摩擦试验,所得摩擦系数及变化趋势如图7所示。

图7展示了三种材料在不同试验力下的摩擦系数波动情况。如图7(a)所示,在40 N载荷下,不锈钢、Q235和铝合金的摩擦系数波动区间分别为0.36~0.41、0.36~0.42和0.32~0.39,其中Q235的摩擦系数相对较高。当试验力增至60 N[图7(b)],各材料摩擦系数区间分别变为:Q235(0.32~0.38)、不锈钢(0.35~0.40)、铝合金(0.27~0.33),此时不锈钢的摩擦系数最高。在80 N载荷下[图7(c)],Q235的摩擦系数(0.30~0.37)再度成为三者中最高者,而不锈钢和铝合金的波动区间分别为0.27~0.34和0.27~0.33。

随着试验载荷的逐步增加,3种材料的摩擦系数均呈现下降趋势。在相同载荷条件下,Q235表现出最高的摩擦系数,其次为不锈钢,铝合金的摩擦系数最低。从材料特性角度解释:Q235具有较高的表面硬度和屈服强度,在摩擦过程中能维持更稳定的表面接触状态。从工程应用角度考量,较高的摩擦系数具有双重优势:一方面可显著提升材料的抗磨损性能,延长关键部件的使用寿命;另一方面,在砖块打包机焊接机构的工作过程中,摩擦生热是实现打包带熔融焊接的关键机制,而高摩擦系数材料通常具有更稳定的摩擦热效应,其摩擦系数随温度变化的敏感性较低,有利于保持稳定的焊接质量。

3.3.2 磨损量对比分析

通过JJ精密电子天平对试验前后的下试样进行称量,试样的磨损量通过测量试验前后下试样的质量差获得,并将磨损量结果进行统计,统计结果如图8所示。

通过磨损量对比可知,在相同试验条件下,不锈钢与Q235的磨损量均显著低于铝合金,试验1的不锈钢的磨损量约为铝合金的22%,Q235的磨损量约为铝合金的43%。这一结果表明,不锈钢和Q235在抗磨性能方面具有明显优势,更适合应用于高磨损工况环境;随着试验力增大,三种材料的磨损量整体呈单调递增。低载荷阶段,不锈钢凭借高硬度及致密氧化膜表现出最佳耐磨性;当载荷继续升高,其加工硬化饱和、氧化膜破裂,耐磨优势被削弱。与此同时,Q235发生明显塑性变形与加工硬化,表面硬度提升,磨损率增速放缓,因而在高载荷工况下展现出更突出的耐磨优势。

3.3.3 试样磨损前后表面形貌分析

利用电子显微镜观察试验前后试样的摩擦表面,观测结果如图9所示。

为探究不同材料的磨损机制,对摩擦试验前后的试样进行显微观察。因各材料在不同载荷下磨损规律一致,故选取代表性工况进行分析。如图9所示,三种材料的磨损形貌存在显著差异,揭示了其各自独特的失效机制。

不锈钢试样表面磨痕最轻微,仅可见浅而均匀的犁沟,无明显材料剥落[图9(a)]。这表明其磨损机制以氧化磨损为主导。摩擦过程中表面生成的致密Cr₂O₃氧化膜具有优异的耐磨性和化学稳定性,能有效抑制微凸体穿透和塑性犁削,将材料损失控制在轻微磨粒磨损范围内。其高硬度和氧化膜的自修复能力是其表现出最佳耐磨性的根本原因。

Q235表面呈现较深犁沟[图9(b)],这是表层材料发生剧烈塑性流变和加工硬化的典型特征。在循环载荷作用下,表层晶格产生高密度位错缠结,形成硬化层,从而显著提升抗犁削能力。其磨损机制是塑性变形控制的磨粒磨损。这种自适应硬化能力使其在高载荷下磨损率增速放缓,解释了其优异的抗冲击磨损性能,特别适用于砖块打包机的动态工况。

铝合金表面出现大量不规则凹坑、撕裂痕及材料转移[图9(c)],表现为典型的黏着磨损。由于其质地软、与对磨钢球原子互溶性高,在摩擦中易发生局部焊合与剪切撕裂,使材料严重流失。伴随的磨粒磨损进一步加剧了表面损伤。该机制与其较低的硬度和较差的耐磨性相一致,导致其磨损量远高于其他两种材料。

使用三维形貌仪对试验后的下试样磨痕表面微观形貌及磨损曲线进行了分析,如图10所示。

由图10可见,3种材料的磨痕形貌具有明显差异:不锈钢磨痕深度较浅,Q235磨痕宽度较大且底部较为均匀;铝合金磨痕深度较深,其周围可观察到明显的材料转移现象。3种材料磨痕形貌的差异与其力学性能密切相关。不锈钢凭借高硬度和均匀的组织结构表现出最优的抗划伤性能;Q235在磨损过程中发生塑性变形并伴随加工硬化,从而展现出良好的能量吸收与耗散能力;而铝合金则因较低的硬度和强度表现出最差的抗划伤性能。表面磨损曲线与仿真结果图3(c)基本吻合,进一步验证了仿真分析的可靠性。如图10所示,在磨损过程中,铝合金的磨损深度显著高于其他材料,约为Q235和不锈钢的三倍,结构钢和不锈钢的磨损深度较为接近,且在整个过程中保持较低水平,体现出更为优异的耐磨性能。综合材料的摩擦学性能测试结果、实际工况条件及成本需求,本研究最终确定Q235作为砖块打包机焊接机构的最优材料选择。该材料不仅满足摩擦焊接的工艺要求,同时具备优异的耐磨性能和长期使用稳定性。

4 结论

对焊接臂进行运动学分析,通过仿真和试验确定焊接臂材料,分析其摩擦行为,得出以下结论。

(1)Q235材料的穿透量显著低于TA2、铝合金和黄铜,表明其具有更高的接触刚度和更强的抵抗接触变形的能力。这有助于保证焊接臂在负载下的几何精度与工作可靠性。

(2)在往复摩擦工况下,Q235具备优良的导热性能和较高屈服强度,在热应力控制与结构承载方面展现出显著优势。相较于不锈钢,其摩擦接触区域的温升更缓,等效应力水平更低,安全系数更高,表现出更优的热力耦合稳定性和抗冲击能力。

(3)在40、60、80 N试验力下,Q235的摩擦系数适度下降,磨损率随载荷增加的上升趋势显著趋缓,表现出良性摩擦适应特性。这与其在循环载荷下发生的加工硬化效应密切相关,表明其在冲击性载荷下具备良好的服役潜力。

(4)通过有限元分析和摩擦磨损试验相结合,揭示了常见工程材料在新工况下的磨损机理,并筛选出最优材料。结果表明,Q235在承载能力、热力稳定性与经济性方面表现均衡,为焊接臂最优材料;不锈钢虽性能接近但成本较高,工程适用性受限;铝合金则因耐磨性不足,不适用于此类高磨损工况。本研究为砖块打包机焊接臂的工程选材提供了理论依据与试验支持,为焊接机构的抗疲劳结构优化、关键部件的可靠性设计与寿命评估建立分析基础,可进一步拓展至自动化物流装备的摩擦副设计,为其工程应用中的性能提升与维护策略优化提供方法支撑。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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[2]	Zhang Jingliang, Deng Haishun, Chen Ran. Analysis of vibration characteristics of friction welding arm of brick packer[J]. Packaging Engineering, 2024, 45(5): 205-211.

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基金资助

矿山智能技术与装备科研创新团队(2022AH010052)

国家自然科学基金(51575002)

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Received	Published	Revised
2025-10-28	2026-07-28	2026-03-25
Online Date
2026-08-14

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