CN105195890A - 一种以高硬度金属摩擦堆焊低硬度金属的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种以高硬度金属摩擦堆焊低硬度金属的装置及方法，该装置包括动力装置，其能够使高硬度金属发生转动并给予压力；一摩擦轮加热装置设置在高硬度金属的焊接端且固连在动力装置上；以及一覆有铜层的冷却装置，在所述的铜层上放置低硬度金属；本发明通过高硬度金属预热，低硬度金属降温的双重措施，实现高硬度金属与低硬度金属摩擦堆焊过程中的金属刚度和软化状态控制；该装置在焊接过程中连续性和可控性好，工作效率高，使用寿命长。

Description

一种以高硬度金属摩擦堆焊低硬度金属的装置及方法
技术领域：
本发明属于固相焊接领域，特别是一种以高硬度金属摩擦堆焊低硬度金属的装置及方法。
背景技术
摩擦堆焊是一种利用摩擦热使金属连接局部区处于热塑性状态实现焊接/焊敷的先进金属加工技术,摩擦堆焊具有低能耗、无污染高效率、加工质量好等优点表面耐磨、抗腐蚀的金属都可以用摩擦焊敷技术来获得无稀释、结合完整性极高的焊敷层,摩擦堆焊技术在耐磨件的制造与修复方面应用前景广阔,摩擦堆焊技术不限于焊接技术领域,还可广泛拓宽其应用范围,在摩擦轧制零件快速制造、复合金属制备和金属再利用加工等方面有巨大的开发潜力。
目前高硬度金属堆焊低硬度金属的方法还鲜有研究，有国外学者M.CHANDRASEKARAN在低碳钢摩擦堆焊铝合金实验中，采用的是在钢与铝摩擦堆焊之前，先让低碳钢与低碳钢摩擦使低碳钢软化，然后再让低碳钢与铝摩擦从而实现低碳钢与铝的摩擦堆焊。这种方法能够实现对高硬度金属首次预热，可以预先使高硬度金属软化，实现不同硬度金属之间的焊接，但是这种方法的高温持续时间较短，后续不能继续通过摩擦加热，而无法实现连续的堆焊，而且在预先摩擦软化不够，容易使钢变成铣刀把铝铣出一条沟槽，这种方法无法实现温度的精确控制而且浪费金属，效率低。
M.J.R.Stegmueller学者在钢摩擦堆焊铝实验中采用了感应加热线圈加热钢棒使钢软化再进行摩擦堆焊，这种方法可以实现铝钢的焊接，但是它无法精确控制钢棒的温度，而且也没有冷却铝板的温度装置，从而其采用厚铝板来防止钢棒把铝板铣掉。
哈尔滨工业大学张洪涛采用CMT熔-钎焊方法对硬度相差较大的铝-钢进行了研究，铝/镀锌钢板CMT熔-钎焊搭接接头的界面组织分析表明，接头界面主要由两类不同化合物相组成，分别是靠近钢侧厚度均匀的Fe2Al5相和靠近铝侧针片状的FeAl3相，说明这种传统的熔焊方法无法阻止铝钢金属间化合物的产生而会形成脆性相。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高硬度金属摩擦堆焊低硬度金属的装置及方法。
本发明为提供一种高硬度金属摩擦堆焊低硬度金属的装置提供的技术方案是：
一种高硬度金属摩擦堆焊低硬度金属的装置包括：
动力装置，其能够使高硬度金属发生转动并给予压力；
一摩擦轮加热装置被高硬度金属穿过，且设置在距高硬度金属的焊接端15mm-25mm处，且固连在动力装置上；动力装置在高速旋转时感应加热线圈不随动力装置旋转；
以及一覆有铜层的冷却装置，在的铜层上放置低硬度金属；
其中，在预备阶段，高硬度金属与低硬度金属无接触且无水平方向位移；在摩擦加热阶段，动力装置使得高硬度金属与低硬度金属接触但无水平方向位移；在摩擦堆焊阶段，动力装置使得高硬度金属与低硬度金属接触且在水平方向发生线性运动。
高硬度金属可为棒材，长度为75～200mm，直径为15mm～30mm，低硬度金属可为板材，其上覆盖的铜层厚度为5mm。
该动力装置可以提供最大压力为30MPa，提供的最大焊接速为200mm/min，最大的转速为1500r/min。
优选的，该摩擦焊接装置能够设置在工作台上，且动力装置上设有控制器。
在摩擦轮分体加热装置上设有温度传感器。摩擦轮分体加热装置上设有温度传感器，摩擦轮提供的力最大为20KN，可以根据不同高硬度金属的塑性温度值在外部加热和摩擦加热双重加热条件下调节温度，防止金属过热和温度不够。
冷却装置在水平方向设有能够通过冷却介质的通孔。通入的冷却介质温度在-5℃～10℃，速度在1m/min～3m/min之间可调。通过流动的冷却介质从而冷却低硬度金属使其保持刚度且形成温度梯度。
优选的，通过设置压紧块限制低硬度金属发生位移。
基于上述装置，本发明提供一种高硬度金属摩擦堆焊低硬度金属方法，包括具体步骤如下：
步骤(1)，启动摩擦轮分体加热装置对高硬度金属末段加热，将高硬度金属(5)的塑性温度加热到预热温度T，将高硬度金属的塑性温度加热到预热温度T，所述预热温度T的温度区间为T1<预热温度T<T2；所述的T1为90％低硬度金属塑性温度区间上限，T2为高硬度金属的塑性温度区间上限,通过改变施加在摩擦轮分体加热装置的两片摩擦轮上的力改变摩擦温度的大小，在加热到预定的温度时，加热电源会自动切断电源；
步骤(2)，冷却装置通入温度在-5℃～10℃的冷却介质，通入速度在1m/min～3m/min之间；
步骤(3)，将高硬度金属与低硬度金属接触，在转速为400r/min～1400r/min，压力为1MPa～10MPa的条件下驱动高硬度金属与低硬度金属相对静止摩擦；
步骤(4)，当高硬度金属末段达到塑性温度时，同时在10mm/min～200mm/min的水平焊接速度下，驱动高硬度金属与低硬度金属相对运动，使高硬度金属末端的塑性金属堆焊在低硬度金属上并形成连续的堆焊层。
所述的高硬度金属与低硬度金属的硬度差HV>30。
本发明相对于现有技术具有以下显著的优点：
1、本发明通过高硬度金属预热，低硬度金属降温的双重措施，实现高硬度金属与低硬度金属摩擦堆焊过程中的金属刚度和软化状态控制；2、通过控制不同的加热温度从而扩大高硬度金属与低硬度金属之间的选择范围；3、极限稀释率及其范围可控，可降低不同金属固相焊接的金属间化合物；4、焊接过程连续可控性好，采用摩擦轮加热是一种节能且环保的加热方式，焊接过程中通过控制施加的力来控制温度的高低。
图1是本发明的高硬度金属摩擦堆焊低硬度金属装置的结构示意图；
图2为实施例2中的A3钢摩擦堆焊T2纯铜的摩擦堆焊效果图；
图3为实施例2中的A3钢摩擦堆焊T2纯铜的结合面扫面电镜图；
图4为实施例2中的A3钢摩擦堆焊T2纯铜的SEM线扫描元素相对含量图；
图5为实施例3中的A3钢摩擦堆焊T2纯铜的摩擦堆焊的效果图。
其中，1：工作台；2：水冷装置；3：铜板；4：低硬度金属；5：压紧块；6：高硬度金属；7：摩擦轮分体加热装置；8：动力装置。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细描述。
如图1，一种高硬度金属摩擦堆焊低硬度金属的装置，包括：动力装置8，其能够使高硬度金属6发生转动并给予压力；
高硬度金属6设置在摩擦轮分体加热装置7内，摩擦轮分体加热装置7固连在动力装置8上；对高硬度金属采用了特殊外部感应加热装置，可以实现金属的局部加热，只加热金属的端部，在保证金属局部产生软化的同时可以保证金属上部分的刚度从而保证摩擦堆焊过程中的压力；
以及一覆有铜层的冷却装置2，在的铜层上放置低硬度金属4；
其中，在预备阶段，高硬度金属6与低硬度金属4无接触且无水平方向位移；在摩擦加热阶段，动力装置8使得高硬度金属6与低硬度金属4接触但无水平方向位移；在摩擦堆焊阶段，动力装置8使得高硬度金属6与低硬度金属4接触且在水平方向发生线性运动。
该摩擦焊接装置设置在工作台1上，且动力装置8上设有控制器。
在摩擦轮加热装置7上设有温度传感器。所述的摩擦轮采用分体式设计，摩擦轮通过两个轮片从两边施加压力使其与高硬度金属摩擦产热，可以提供的最大压力为2KN，可以根据不同高硬度金属6的塑性温度值在外部加热和摩擦加热双重加热条件下调节温度，防止金属过热和温度不够。对焊接过程中的温度进行测量和控制，针对不同的金属加热装置可以控制不同的加热温度从而扩大高硬度金属与低硬度金属之间的选择范围。
冷却装置2在水平方向设有能够通过冷却介质的通孔。通过设置压紧块5限制低硬度金属4发生位移。
实施例1
本实施例采用上述装置进行制备，用A3钢摩擦堆焊LY12铝合金金属，A3钢的硬度为HV165，LY12铝合金的硬度为HV120，摩擦轮分体加热装置7加热并控制A3钢的温度在500℃-800℃，LY12铝合金固定在水冷装置2上，水冷装置2固定在工作台1上，试验中A3钢棒的尺寸为φ20mm,LY12铝板的尺寸为300mm*150mm*6mm，焊接过程具体步骤如下:
步骤(1)，启动摩擦轮分体加热装置7对A3钢棒末段加热，调节两轮片之间的压力为800N，且将动力装置转速调为800r/min，将A3钢棒的温度加热到预热温度500℃。对A3钢棒末段预热在起到预热钢棒温度的同时还能保持钢棒上段的刚度从而保证两种金属之间的压力，避免钢整体软化屈服而无法提供压力。
步骤(2)，冷却装置2通过底部通孔通入流动的冷却水，水温温度为0℃，速度为1m/min。冷却水冷却LY12铝板使其保持刚度且形成温度梯度；LY12铝板保持刚度可以避免其被A3钢棒铣削，形成温度梯度是摩擦堆焊实现的一个重要条件。
步骤(3)，将A3钢棒与LY12铝板接触，动力装置提供转速为800r/min，压力为2MPa驱动A3钢棒与LY12铝板相对静止摩擦，使钢棒末段达到塑性温度区间并产生塑性层。
步骤(4)，动力装置8提供50mm/min的水平焊接速度，使A3钢棒与LY12铝板产生相对运动，A3钢棒末端的塑性金属堆焊在LY12铝板上并形成连续的堆焊层。
实施例2
本实施例采用上述装置进行制备，用A3钢摩擦堆焊T2纯铜，A3钢的硬度为HV165，T2纯铜的硬度为HV68，摩擦轮分体加热装置7加热并控制A3钢的温度在800℃-1000℃，T2铜固定在水冷装置2上，水冷装置2固定在工作台1上，试验中A3钢棒的尺寸为φ20mm,T2铜板的尺寸为300*150*6mm，焊接过程具体步骤如下：
步骤(1)，启动摩擦轮分体加热装置7对A3钢末段加热，调节两轮片之间的压力为1500N，且将动力装置转速调为1200r/min，将A3钢的温度加热到预热温度800℃.对A3钢末段预热在起到预热钢温度的同时还能保持A3钢上段的刚度从而保证两种金属之间的压力，避免高硬度金属整体软化屈服而无法提供压力。
步骤(2)，冷却装置2通过底部通孔通入流动的冷却水，水温温度为-5℃，速度为2m/min。冷却水冷却T2铜使其保持刚度且形成温度梯度；T2铜保持刚度可以避免其被A3钢铣削，形成温度梯度是摩擦堆焊实现的一个重要条件。
步骤(3)，将A3钢棒与T2铜板接触，动力装置8提供转速为1200r/min，压力为3.5MPa驱动A3钢棒与T2铜板相对静止并摩擦，使钢棒末段达到塑性温度区间并产生塑性层；
步骤(4)，动力装置8提供50mm/min的水平焊接速度，使A3钢棒与T2铜板产生相对运动，A3钢棒末端的塑性金属堆焊在T2铜板上并形成连续的堆焊层。
如图2所示，本实施例中的焊接参数预热温度800℃，冷却水通入温度为-5℃，预先通入时间为20min，焊接时的焊接参数为转速1200r/min，压力3.5Mpa，焊接速度为80mm/min，在此焊接参数下，A3钢棒和T2铜板的温度匹配可以得到很好的匹配，硬度较高的A3钢棒在感应加热以及摩擦加热联合加热下达到塑性状态，此时硬度较低的T2铜板在水冷装置的冷却下温度降低没有达到完全软化而被A3钢棒铣削的状态，而此时的钢棒随着摩擦及感应加热温度升高不断软化并达到塑性状态，并且随着A3钢棒与T2铜板的相对运动及A3钢棒与T2铜板的温度梯度差而过渡到T2铜板上，从而形成堆焊层。
如图3、4所示，通过对结合界面的SEM线扫描分析，从FeK线可以看出，在结合面处，Fe元素向钢侧几乎没有扩散，同样从CuK线可以看出，Cu元素扩散到钢侧的含量也很少。
从此线扫描可以看出，本实施例的耗材摩擦焊实现稀释率的焊接可以实现稀释率的焊接。
实施例3
本实施例中采用实施例2相同的装置及工艺，把A3钢的温度加热到预热温度替换为500℃。焊接过程具体步骤如下：
步骤(1)，摩擦轮分体加热装置7对A3钢末段加热，将A3钢的温度加热到预热温度500℃，对钢末段预热在起到预热钢温度的同时还能保持钢上段的刚度从而保证两种金属之间的压力，避免高硬度金属整体软化屈服而无法提供压力。
步骤(2)，冷却装置2通过底部通孔通入流动的冷却水，水温温度为-5℃，速度为2m/min。冷却水冷却T2铜使其保持刚度且形成温度梯度；T2铜保持刚度可以避免其被A3钢铣削，形成温度梯度是摩擦堆焊实现的一个重要条件。
步骤(3)，将A3钢棒与T2铜板接触，动力装置8提供转速为1200r/min，压力为3.5MPa驱动A3钢棒与T2铜板相对静止并摩擦，使A3钢棒末段达到塑性温度区间并产生塑性层；
步骤(4)，动力装置8提供50mm/min的水平焊接速度，使A3钢棒与T2铜板产生相对运动，A3钢棒末端的塑性金属堆焊在T2铜板上并形成连续的堆焊层。
在此焊接参数下，A3钢与T2铜的温度匹配存在问题，可分为两种情况：1、在感应加热和摩擦加热联合加热下，A3钢棒所达到的温度无法使A3钢棒软化并达到塑性状态，从而把低硬度的T2铜板铣削。2、A3钢棒达到了塑性状态，但与此同时T2铜板也已经达到塑性状态，且T2铜板此时的塑性状态要超过A3钢棒的塑性状态，这种情况下T2铜板依然会被A3钢棒铣削而无法完成焊接。

Claims (10)

1.一种以高硬度金属摩擦堆焊低硬度金属的装置，其特征在于，包括
动力装置(8)，其能够使高硬度金属(6)发生转动并给予压力；
一摩擦轮分体加热装置(7)被高硬度金属(6)穿过，且固连在动力装置(8)上；
以及一覆有铜层(3)的冷却装置(2)，在所述的铜层(3)上放置低硬度金属(4)；
其中，在预备阶段，所述高硬度金属(6)与所述低硬度金属(4)无接触且无水平方向位移；在摩擦加热阶段，所述的动力装置(8)使得所述高硬度金属(6)与所述低硬度金属(4)接触但无水平方向位移；在摩擦堆焊阶段，所述的动力装置(8)使得所述高硬度金属(6)与所述低硬度金属(4)接触且在水平方向发生线性运动。
2.根据权利要求1所述的以高硬度金属摩擦堆焊低硬度金属的装置，其特征在于，摩擦轮分体加热装置(7)距高硬度金属(6)的焊接端15mm-25mm处。
3.根据权利要求1所述的以高硬度金属摩擦堆焊低硬度金属的装置，其特征在于，所述的冷却装置(2)在水平方向设有能够通过冷却介质的通孔。
4.根据权利要求1所述的以高硬度金属摩擦堆焊低硬度金属的装置，其特征在于，所述的摩擦轮分体加热装置(7)上设有温度传感器，摩擦轮提供的力最大为20KN。
5.根据权利要求1所述的以高硬度金属摩擦堆焊低硬度金属的装置，其特征在于，通过设置压紧块(5)限制所述的低硬度金属(4)发生位移。
6.根据权利要求1所述的以高硬度金属摩擦堆焊低硬度金属的装置，其特征在于，该装置能够设置在工作台(1)上。
7.根据权利要求1所述的以高硬度金属摩擦堆焊低硬度金属的装置，其特征在于，所述的高硬度金属(6)为棒材，长度为75～200mm，直径为15mm～30mm，所述的低硬度金属(4)为板材，所述的铜层(3)厚度为5mm。
8.根据权利要求1所述的以高硬度金属摩擦堆焊低硬度金属的装置，其特征在于，所述的动力装置(8)上设有控制器。
9.根据权利要求1所述的以高硬度金属摩擦堆焊低硬度金属的装置，其特征在于，所述的高硬度金属与低硬度金属的硬度差HV>30。
10.一种基于权利要求1-9所述的基于以高硬度金属摩擦堆焊低硬度金属装置的方法，其特征在于，包括具体步骤如下：
步骤(1)，启动摩擦轮分体加热装置(7)对高硬度金属(5)末段加热，将高硬度金属(5)的塑性温度加热到预热温度T，将高硬度金属(6)的塑性温度加热到预热温度T，所述预热温度T的温度区间为T1<预热温度T<T2；所述的T1为90％低硬度金属(4)塑性温度区间上限，T2为高硬度金属(6)的塑性温度区间上限,通过改变施加在摩擦轮分体加热装置(7)的两片摩擦轮上的力改变摩擦温度的大小，在加热到预定的温度时，加热电源会自动切断电源；
步骤(2)，冷却装置通入温度在-5℃～10℃的冷却介质，通入速度在1m/min～3m/min之间；
步骤(3)，将高硬度金属与低硬度金属接触，在转速为400r/min～1400r/min，压力为1MPa～10MPa的条件下驱动高硬度金属与低硬度金属相对静止摩擦；
步骤(4)，当高硬度金属末段达到塑性温度时，同时在10mm/min～200mm/min的水平焊接速度下，驱动高硬度金属与低硬度金属相对运动，使高硬度金属末端的塑性金属堆焊在低硬度金属上并形成连续的堆焊层。
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