CN105215541A - 一种以高硬度金属摩擦堆焊低硬度金属的方法 - Google Patents

一种以高硬度金属摩擦堆焊低硬度金属的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种以高硬度金属摩擦堆焊低硬度金属的方法，通过外部加热高硬度金属在特定区间软化,并通过外部降温措施降低低硬度金属温度,最后动力装置提供压力和转速使高硬度金属与低硬度金属发生摩擦，产生温度梯度差而实现摩擦堆焊。本发明可实现焊接过程的连续性和可控性，并提高焊接工作效率，降低对设备的要求，提高设备的使用寿命，实现高硬度金属与低硬度金属摩擦堆焊过程中的金属之间极限稀释率及其范围控制。

Description

一种以高硬度金属摩擦堆焊低硬度金属的方法
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。具有表面耐磨、抗腐蚀要求的金属都可以使用摩擦焊敷技术来获得基本无稀释、结合完整性极高的焊敷层,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。
通常对于容易产生金属间化合物的硬度相差较大异种金属，采用熔焊时，由于大的热输入导致在焊缝区产生大量的金属间化合物而无法得到强度较高的焊缝，比如钢-铝之间会产生的Fe2Al5脆性金属间化合物。而对于难焊的异种金属例如铜-钢的焊接，由于铜与钢的物理性能相差较大，例如铜的导热系数是钢的5倍，采用熔焊时由于铜的散热较快而无法得到强度较高的焊缝。
针对这些这些金属的焊接问题，近年来已经有研究通过搅拌摩擦焊来焊接这些金属，搅拌摩擦焊是通过搅拌头和轴肩使焊缝区域的金属达到塑性状态，通过搅拌针的搅拌作用使焊缝区的金属流动并形成固相焊接接头，在公开的文献中有使用工具钢的搅拌头来焊接铝钢异种金属，但是这种焊接方法容易使搅拌头磨损破坏并且得到的接头强度不高。也有使用高强度立方氮化硼陶瓷等其他特殊金属制作的搅拌头，这种搅拌头几乎不会磨损破坏，但是其成本极高，加工困难。
针对难焊和容易产生金属间化合物的硬度相差较大异种金属，采用连续驱动摩擦焊得到的固相焊接接头，其金属间化合物少且接头强度高，但是这种方法无法得到大面积的焊接接头。
针对难焊和容易产生金属间化合物的硬度相差较大异种金属为了得到大面积且接头强度较高的焊缝，有学者已经通过摩擦堆焊来实现其焊接，例如低硬度的铝摩擦堆焊在高硬度的钢以及不锈钢摩擦堆焊在高强钢上。但是对于高硬度金属摩擦堆焊低硬度金属却鲜有研究，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。这种方法虽然可以对高硬度金属首次预热，预先使高硬度金属软化，，实现不同硬度金属之间的焊接，但是这种方法高温保持时间较短，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的话，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材料，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。
发明内容
本发明的目的提供了一种以高硬度金属摩擦堆焊低硬度金属的方法。
本发明为一种以高硬度金属摩擦堆焊低硬度金属的方法的技术方案为：
高硬度金属摩擦堆焊低硬度金属的方法，经预热处理的消耗型高硬度堆焊金属与冷处理后的低硬度被堆焊金属接触并在转动条件下进行摩擦堆焊，具体步骤如下：
步骤(1)，对高硬度金属末段加热，将其加热到预热温度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；
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500r/min～2500r/min，压力为1MPa～80MPa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。
高硬度金属为棒材，直径为15mm-30mm，低硬度金属为板材。
冷却装置是由钢制造而成，且表面覆有5mm厚的铜层。
所述的高硬度金属与低硬度金属的硬度差HV>30。
本发明联合采用区间可控外部加热、摩擦加热以及外部降温三种方式，区间可控外部加热使高硬度金属局部软化但仍保持一定的强度，保证高硬度金属与低硬度金属之间的压力；摩擦热使高硬度金属达到金属的塑性状态使金属过渡；外部降温使低硬度金属在摩擦堆焊过程中保持一定的硬度而不被铣削。
本发明相对于现有技术具有以下显著优点：
1、本发明为高硬度金属对低硬度金属的摩擦堆焊的方法，可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，保证金属局部产生软化的金属整体稳定。
2、本发明可实现高硬度金属与低硬度金属摩擦堆焊过程中的金属预热状态的控制；外部加热装置配有传感器可以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。
3、本发明可实现高硬度金属与低硬度金属摩擦堆焊过程中的金属焊接对象匹配的控制；采用了高硬度金属预热，低硬度金属降温的双重措施，可以使焊接过程合理化，可以实现焊接过程的连续性和可控性，提高工作效率，降低对设备的要求，提高设备的使用寿命。
4、本发明可实现高硬度金属与低硬度金属摩擦堆焊过程中的金属之间极限稀释率及其范围控制。
附图说明
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。
1、工作台；2、水冷装置；3、低硬度金属；4、加热装置；5、高硬度金属；6、动力装置。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步说明：
实施例1
本实施例为采用A3钢摩擦堆焊LY12铝合金金属的一种方法，A3钢的硬度为HV165，LY12铝合金的硬度为HV120，如图1所示，通过如下设备实现本方法，该设备包括动力装置6，加热装置4及其温度控制装置。A3钢与LY12铝合金由动力装置6提供压力转速及焊接速度，加热装置4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，焊接过程如下：
步骤(1)启动加热装置4对A3钢棒末段加热，设定其加热频率为20KHZ，调节电流大小设定其功率为15KW，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6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6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A3钢摩擦堆焊T2纯铜，A3钢的硬度为HV165，T2纯铜的硬度为HV68，试验设备包括动力装置6，加热装置4及其温度控制装置。A3钢与T2铜由动力装置6提供压力、转速及焊接速度，电阻加热装置4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，焊接过程如下：
步骤(1)启动加热装置4对A3钢末段加热，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(5)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6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6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，耗材摩擦焊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，将A3钢的预热温度替换为500℃。
步骤(1)启动加热装置4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6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6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。
从图5可以看出，在此预热温度下无法得到成型较好的堆焊层，钢达到塑性状态需要达到一定的温度，在焊接开始阶段由于预热温度的不足，需要通过A3钢与T2铜的摩擦产热所补充所需要的热量，且这部分热量占大部分，从而使得开始阶段T2铜被铣削形成一个孔洞，当孔洞形成后使得焊接前进阻力增大，从而无法得到较好的焊接层。
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 (5)

1.一种以高硬度金属摩擦堆焊低硬度金属的方法，高硬度金属为消耗型，其特征在于，经预热处理的高硬度金属与冷处理后的低硬度金属接触并在转动条件下进行摩擦堆焊。
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方法，其特征在于，包括具体步骤如下：
步骤(1)，对高硬度金属末段加热，将其加热到预热温度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；
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500r/min～2500r/min，压力为1MPa～80MPa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。
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方法，其特征在于，所述的高硬度金属为棒材，直径为15mm-30mm，低硬度金属为板材。
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方法，其特征在于，所述的冷却装置材质为钢，其表面覆有5mm厚的铜层。
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方法，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。
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