CN106181017A - 一种铜镍合金的搅拌摩擦焊接方法 - Google Patents
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Abstract
一种铜镍合金的搅拌摩擦焊接方法，包括铜镍合金构件的固定步骤和搅拌摩擦焊接参数的调整以及焊接步骤，在搅拌头对铜镍合金构件的焊接过程中，设置在搅拌头固定件上的冷却水雾化喷射机构向焊缝喷射水雾对其进行同步冷却；冷却水雾化喷射机构的喷射方向在与焊缝垂直的平面内与搅拌头主轴的空间夹角呈30‑60°，冷却水雾化喷射机构的喷射口中心到搅拌头中心线的距离为100‑400mm；喷射口中心到焊缝所在水平面的距离为100‑200mm；在形成水雾的过程中，水压和气压的大小分别为1‑5MPa；焊接结束后，待两个铜镍合金构件冷却至室温后，松开固定装置。采用本发明，可对铜镍合金构件实现高效焊接，而且焊接质量高。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料的焊接技术，尤其是涉及一种铜镍合金的搅拌摩擦焊接方法。
背景技术
目前，铜镍合金结构件的制造主要采用手工钨极氩弧焊的方法来实现彼此之间的连接。众所周知，单道钨极氩弧焊熔深只有2-3mm，3mm以上厚度的铜镍合金构件只能采取开坡口方法进行的多层多道焊接，这种焊接方法焊接效率较低，且由于焊接接头反复受热，焊接总热输入量较大，造成接头综合性能较差。 也有采用等离子焊打底+TIG填充盖面的方法进行焊接，这种焊接方法焊接效率较低，也存在总热输入大的问题，接头质量与性能不稳定。
因为熔化焊本身材料需要经过熔化和再凝固过程，由于铜合金的导热率高，因此焊缝中极易出现气孔、冷热裂纹和夹杂等缺陷，严重影响了铜镍合金焊接件的连接质量。
搅拌摩擦焊接是一种新型的固相连接技术，它具有焊接接头强度高、热输入少、应力小、不易产生焊接气孔和有害相等优点。但是目前，搅拌摩擦焊接主要应用于铝合金等低熔点材料的焊接，很少用于铜镍合金等高熔点材料的焊接。这是由于铜镍合金的熔点一般在1083℃以上，而且具有较高的硬度，搅拌摩擦焊不仅容易导致搅拌针磨损甚至断裂而使焊接失败，而且较高的熔点造成焊接形成的焊缝在冷却过程中出现出现气孔、冷热裂纹和夹杂等缺陷，因而造成搅拌摩擦焊接方法无法在铜镍合金焊接上使用和推广。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种铜镍合金的搅拌摩擦焊接方法。
本发明为了解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种铜镍合金的搅拌摩擦焊接方法，包括如下步骤：
1）、采用固定装置将待焊接的两个铜镍合金构件固定在焊接平台上，并使两个铜镍合金构件的焊接部位相接触；
2）、使搅拌头的搅拌针对准两个铜镍合金构件的焊接部位，调整搅拌摩擦焊接参数：使搅拌头与其前进方向的反方向呈0-3°的倾角，使搅拌头的轴肩从接触到两个铜镍合金构件的焊接部位开始向下压入0.1-0.3mm；然后使搅拌头沿着两个铜镍合金构件的焊接部位延伸的方向前进对两个铜镍合金构件进行焊接，其间，搅拌头的旋转速度为200-1200rpm，搅拌头的前进速度为50-500mm/min；
在搅拌头对两个铜镍合金构件的焊接部位进行焊接的过程中，设置在搅拌头固定件上的冷却水雾化喷射机构向两个铜镍合金构件之间焊接形成的焊缝喷射水雾对其进行同步冷却；冷却水雾化喷射机构的喷射方向在与焊缝垂直的平面内与搅拌头主轴的空间夹角呈30-60°，冷却水雾化喷射机构的喷射口中心到搅拌头中心线的距离为100-400mm ；喷射口中心到焊缝所在水平面的距离为100-200mm；在形成水雾的过程中，水压和气压的大小分别为1-5MPa；
3）、焊接结束后，待两个铜镍合金构件冷却至室温后，松开固定装置，得到两个铜镍合金构件的焊接件。
进一步地，步骤2）中所述的冷却水雾化喷射机构，包括一个喷射管，喷射口位于喷射管一端的端口部，在喷射管的另一端连接有气管和水管，气管入口位于该端的端口部，水管入口位于喷射管的侧壁上靠近气管入口的位置。
进一步地，步骤2）中，搅拌头与其前进方向的反方向呈1.5°的倾角；搅拌头的轴肩从接触到两个铜镍合金构件的焊接部位开始向下压入0.2mm；搅拌头的旋转速度为700rpm，搅拌头的前进速度为300mm/min。
优选地，冷却水雾化喷射机构的喷射方向在与焊缝垂直的平面内与搅拌头主轴的空间夹角呈45°，冷却水雾化喷射机构的喷射口中心到搅拌头中心线的距离为250mm ；喷射口中心到焊缝所在水平面的距离为150mm；在形成水雾的过程中，水压和气压的大小分别为3Mpa。
优选地，步骤2）中所用搅拌头的各参数选择为：轴肩直径为待焊接铜镍合金构件厚度的2-4倍，搅拌头搅拌针长度为待焊接铜镍合金构件厚度减去0.1mm-0.3mm，搅拌针端部直径不小于2mm 且不大于10mm；搅拌针根部直径不小于6mm 且不大于25mm。
优选地，所述的搅拌头采用钨钌合金制作而成，所述的钨钌合金是由钨和钌组成的二元合金，其中钌的质量百分比为5%－25%；或者是由钨做基体，添加钌和其余合金元素制成的合金，其中钌的质量百分比为5%－25%。
有益效果：
（1）根据本发明，采用合理的焊接参数并与水雾冷却的方法相结合，保证了铜镍合金焊缝组织的纯净性，和合理的冷却速度，可避免铜镍合金精粒长大，使得焊缝晶粒保持再结晶时的细小形貌，相比于采用传统的焊接方法，采用本发明对铜镍合金构件进行焊接，大大提高了铜镍合金构件焊接的效率和焊缝的质量，可使焊缝的强度不低于母材强度的90%。
(2) 采用本发明由于焊接过程中焊接参数合理并与水雾冷却相结合不会产生过热区，也不存在气孔、夹杂、裂纹等熔焊中常见的缺陷；
(3) 可焊接范围广，对于不同厚度的铜镍合金材料均能保证形成质量良好的焊缝；
(4) 焊后应力小，受应力作用而引起接头早期断裂的可能性小；
(5) 操作简单、自动化高、污染少、无烟尘、工作环境好，有利于推广应用。
附图说明
图1为本发明一种铜镍合金的搅拌摩擦焊接方法立体示意图（该图中省略了水雾冷却部分）。
图2为本发明一种铜镍合金的搅拌摩擦焊接方法具体实施方式的主视示意图（在该图中显示出了冷却水雾化喷射机构）。
图中，1、铜镍合金板Ⅰ，2、铜镍合金板Ⅱ，3、搅拌头，301、搅拌针，302、轴肩，4、搅拌头主轴中心线，5、喷射口中心，6、喷射管，7、水管，8、气管，9、气包，10、水箱，11、焊缝。
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具体详细的说明。
实施方式以两块铜镍合金板（铜镍合金板Ⅰ1和铜镍合金板Ⅱ2）之间的焊接为例对本发明进行说明。
实施例1：
本实施例中，铜镍合金板Ⅰ1和铜镍合金板Ⅱ2分别为5mm厚的B10 板，焊接步骤如下：
1）、采用固定装置将待焊接的两块B10铜镍合金板固定在焊接平台上，并使两块B10铜镍合金板的焊接部位相接触；
2）、使搅拌头3的搅拌针301对准两个铜镍合金构件的焊接部位，调整搅拌摩擦焊接参数：使搅拌头与其前进方向（如图1中箭头所示）的反方向呈1.5°的倾角，使搅拌头的轴肩302从接触到两个铜镍合金构件的焊接部位开始向下压入0.1mm；然后使搅拌头3沿着两个铜镍合金构件的焊接部位延伸的方向（即图中箭头所示方向）前进对两个铜镍合金构件进行焊接，其间，搅拌头的旋转速度为1200rpm，搅拌头的前进速度为500mm/min；
在搅拌头对两个铜镍合金构件的焊接部位进行焊接的过程中，设置在搅拌头固定件上的冷却水雾化喷射机构向两个铜镍合金构件之间焊接形成的焊缝11喷射水雾对其进行同步冷却；冷却水雾化喷射机构的喷射方向在与焊缝垂直的平面内与搅拌头主轴中心线4（搅拌头主轴没有示意出，搅拌头主轴中心线与搅拌头的中心线重合）的空间夹角呈30°，冷却水雾化喷射机构的喷射口中心5到搅拌头主轴中心线4的距离为250mm ；喷射口中心5到焊缝11所在水平面的距离为100mm；在形成水雾的过程中，水压和气压的大小分别为1MPa；
3）、焊接结束后，待两个铜镍合金构件冷却至室温后，松开固定装置，以防止焊接后变形。
上述实施例中，采用的搅拌头，轴肩直径为10mm，搅拌针端部直径为2mm，根部直径为6mm，长度为4.9mm；采用平端面锥形搅拌针。
焊后板材表面成性良好，未见明显的表面焊接缺陷，内部检测未见气孔、夹杂等缺陷，接头强度达到母材的98%。
实施例2：
本实施例中，铜镍合金板Ⅰ1和铜镍合金板Ⅱ2分别为10mm厚的B30铜镍合金板板，具体焊接步骤如下：
1）、采用固定装置将待焊接的两块B30铜镍合金板固定在焊接平台上，并使两块B30铜镍合金板的焊接部位相接触；
2）、使搅拌头3的搅拌针301对准两个B30铜镍合金板的焊接部位，调整搅拌摩擦焊接参数：使搅拌头与其前进方向（如图1中箭头所示）的反方向呈1.5°的倾角，使搅拌头的轴肩302从接触到两个B30铜镍合金板的焊接部位开始向下压入0.2mm；然后使搅拌头3沿着两个B30铜镍合金板的焊接部位延伸的方向（即图中箭头所示方向）前进对两个B30铜镍合金板进行焊接，其间，搅拌头的旋转速度为700rpm，搅拌头的前进速度为300mm/min；
在搅拌头对两个B30铜镍合金板的焊接部位进行焊接的过程中，设置在搅拌头固定件上的冷却水雾化喷射机构向两个B30铜镍合金板之间焊接形成的焊缝11喷射水雾对其进行同步冷却；冷却水雾化喷射机构的喷射方向在与焊缝垂直的平面内与搅拌头主轴中心线4的空间夹角呈45°，冷却水雾化喷射机构的喷射口中心5到搅拌头主轴中心线4的距离为250mm ；喷射口中心5到焊缝11所在水平面的距离为150mm；在形成水雾的过程中，水压和气压的大小分别为3MPa；
3）、焊接结束后，待两个铜镍合金构件冷却至室温后，松开固定装置，以防止焊接后变形。
本实施例中，搅拌头的轴肩直径为30mm，搅拌针端部直径为5mm，根部直径为15.5mm，长度为9.8mm；采用平端面锥形搅拌针。
焊后板材表面成性良好，未见明显的表面焊接缺陷，内部检测未见气孔、夹杂等缺陷，接头强度达到母材的95%。
实施例3：
本实施例中，铜镍合金板Ⅰ1和铜镍合金板Ⅱ2分别为16mm厚的B10铜镍合金板板，具体焊接步骤如下：
1）、采用固定装置将待焊接的两块B10铜镍合金板固定在焊接平台上，并使两块B10铜镍合金板的焊接部位相接触；
2）、使搅拌头3的搅拌针301对准两个B10铜镍合金板的焊接部位，调整搅拌摩擦焊接参数：使搅拌头与其前进方向（如图1中箭头所示）的反方向呈3°的倾角，使搅拌头的轴肩302从接触到两个B10铜镍合金板的焊接部位开始向下压入0.3mm；然后使搅拌头3沿着两个B10铜镍合金板的焊接部位延伸的方向（即图中箭头所示方向）前进对两个B10铜镍合金板进行焊接，其间，搅拌头的旋转速度为200rpm，搅拌头的前进速度为50mm/min；
在搅拌头对两个B10铜镍合金板的焊接部位进行焊接的过程中，设置在搅拌头固定件上的冷却水雾化喷射机构向两个B10铜镍合金板之间焊接形成的焊缝11喷射水雾对其进行同步冷却；冷却水雾化喷射机构的喷射方向在与焊缝垂直的平面内与搅拌头主轴中心线4的空间夹角呈60°，冷却水雾化喷射机构的喷射口中心5到搅拌头主轴中心线4的距离为400mm ；喷射口中心5到焊缝11所在水平面的距离为200mm；在形成水雾的过程中，水压和气压的大小分别为5MPa；
3）、焊接结束后，待两个铜镍合金构件冷却至室温后，松开固定装置，以防止焊接后变形。
本实施例中搅拌头轴肩直径为35mm，搅拌针端部直径为10mm，搅拌针根部直径为25mm，长度为15.7mm；采用平端面锥形搅拌针。
焊后板材表面成性良好，未见明显的表面焊接缺陷，内部检测未见气孔、夹杂等缺陷，接头强度达到母材的95%。
上述各实施例步骤2）中所述的冷却水雾化喷射机构，包括一个喷射管6，喷射口5位于喷射管一端的端口部，在喷射管6的另一端连接有气管8和水管7，气管入口位于该端的端口部，水管入口位于喷射管6的侧壁上靠近气管入口的位置，图2还示意出了为冷却水雾化喷射机构提高水源的水箱10和提供气源的气包9。
本方法中，所述的搅拌头优选采用钨钌合金制作而成。所述的钨钌合金是由钨和钌组成的二元合金，其中钌的质量百分比为5%－25%；或者是由钨做基体，添加钌和其余合金元素制成的合金，其中钌的质量百分比为5%－25%。
所述的搅拌头也可以采用钨铼合金或者立方碳化硼合金制成。
在搅拌头轴肩直径为板厚的2-4倍，搅拌头搅拌针长度为板厚值减去0.1mm-0.3mm，搅拌针端部直径大于2mm 且小于10mm ；搅拌针根部直径大于6mm 且小于25mm。
本文实施例是以水平板材为例进行说明的，但是本方法并不限于水平的板材，也可应用于管材或其他形式构件之间的焊接。
另外，各搅拌参数可以根据实际板厚进行选取和搭配，并不限于本实施例所用数值。
本文未详述部分为现有技术。
Claims (6)
1.一种铜镍合金的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）、采用固定装置将待焊接的两个铜镍合金构件固定在焊接平台上，并使两个铜镍合金构件的焊接部位相接触；
2）、使搅拌头的搅拌针对准两个铜镍合金构件的焊接部位，调整搅拌摩擦焊接参数：使搅拌头与其前进方向的反方向呈0-3°的倾角，使搅拌头的轴肩从接触到两个铜镍合金构件的焊接部位开始向下压入0.1-0.3mm；然后使搅拌头沿着两个铜镍合金构件的焊接部位延伸的方向前进对两个铜镍合金构件进行焊接，其间，搅拌头的旋转速度为200-1200rpm，搅拌头的前进速度为50-500mm/min；
在搅拌头对两个铜镍合金构件的焊接部位进行焊接的过程中，设置在搅拌头固定件上的冷却水雾化喷射机构向两个铜镍合金构件之间焊接形成的焊缝喷射水雾对其进行同步冷却；冷却水雾化喷射机构的喷射方向在与焊缝垂直的平面内与搅拌头主轴的空间夹角呈30-60°，冷却水雾化喷射机构的喷射口中心到搅拌头中心线的距离为100-400mm ；喷射口中心到焊缝所在水平面的距离为100-200mm；在形成水雾的过程中，水压和气压的大小分别为1-5MPa；
3）、焊接结束后，待两个铜镍合金构件冷却至室温后，松开固定装置，得到两个铜镍合金构件的焊接件。
2.根据权利要求1所述的一种铜镍合金的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：步骤2）中所述的冷却水雾化喷射机构，包括一个喷射管，喷射口位于喷射管一端的端口部，在喷射管的另一端连接有气管和水管，气管入口位于该端的端口部，水管入口位于喷射管的侧壁上靠近气管入口的位置。
3.根据权利要求1所述的一种铜镍合金的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：步骤2）中，搅拌头与其前进方向的反方向呈1.5°的倾角；搅拌头的轴肩从接触到两个铜镍合金构件的焊接部位开始向下压入0.2mm；搅拌头的旋转速度为700rpm，搅拌头的前进速度为300mm/min。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种铜镍合金的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：冷却水雾化喷射机构的喷射方向在与焊缝垂直的平面内与搅拌头主轴的空间夹角呈45°，冷却水雾化喷射机构的喷射口中心到搅拌头中心线的距离为250mm ；喷射口中心到焊缝所在水平面的距离为150mm；在形成水雾的过程中，水压和气压的大小分别为3Mpa。
5.根据权利要求1-3任一项所述的一种铜镍合金的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：步骤2）中所用搅拌头的各参数选择为：轴肩直径为待焊接铜镍合金构件厚度的2-4倍，搅拌头搅拌针长度为待焊接铜镍合金构件厚度减去0.1mm-0.3mm，搅拌针端部直径不小于2mm 且不大于10mm；搅拌针根部直径不小于6mm 且不大于25mm。
6.根据权利要求1所述的一种铜镍合金的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：所述的搅拌头采用钨钌合金制作而成，所述的钨钌合金是由钨和钌组成的二元合金，其中钌的质量百分比为5%－25%；或者是由钨做基体，添加钌和其余合金元素制成的合金，其中钌的质量百分比为5%－25%。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Gao Fuyang Inventor after: Sun Jiangang Inventor after: Yu Yan Inventor after: Jiang Peng Inventor after: Guo Yufan Inventor after: Liu Zhiying Inventor after: Guo Huili Inventor after: Xiong Jinhui Inventor before: Gao Fuyang Inventor before: Sun Jiangang Inventor before: Yu Yan Inventor before: Jiang Peng Inventor before: Guo Yufan Inventor before: Liu Zhiying Inventor before: Xiong Jinhui |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20161207 |