CN106735969A - 异种材料复合焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种异种材料复合焊接方法，包括以下步骤：(一)获取焊接装置；(二)获取由异种材料分别制得且整体均呈柱型的待焊件a和待焊件c，其特征在于：上述步骤(一)中的所述焊接装置还包括加热器；(三)获取中间过渡层和顶压棒；(四)中间过渡层与待焊件a之间的扩散焊接；(五)摩擦焊前装夹；(六)摩擦焊前预热；(七)带中间过渡层材料的惯性摩擦焊连接；(八)焊后处理。本发明的异种材料复合焊接方法具有焊接效率更高，焊接质量更好的优点。

Description

异种材料复合焊接方法

技术领域

本发明属于焊接方法领域，具体涉及性能差异较大的异种材料之间的焊接方法，适用于熔点、硬度、导热率、线膨胀系数、化学成分等物理化学性能差异较大的材料间(例如：铝/钢、铝/不锈钢、TiAl基合金/钢、钨合金/钢、钛合金/钢、钛合金/不锈钢等)的焊接。

背景技术

近年来，由异种材料焊接制得的复合材料因其良好的性能在各行业都有广泛的应用需求。其中对一些性能差异较大的异种材料，如铝/钢、铝/不锈钢，TiAl基合金/钢、钨合金/钢、钛合金/钢、钛合金/不锈钢等，由于材料间的熔点、硬度、热传导率、膨胀系数、化学成分等方面的差异较大，使得互溶度低、接头残余应力大、易生成有害的脆性相，造成接头强度低等问题，成为限制这些复合材料的推广应用的技术瓶颈。因此选用合理的制备工艺方法，获得优良的焊接接头是这些复合材料研究的当务之急。

目前，对异种材料的焊接方法主要有：激光焊、电子束焊、钎焊、扩散焊、摩擦焊等。激光焊和电子束焊属于熔焊，虽然生产效率高，但接头易出现气孔、裂纹、偏析和脆性相。钎焊的钎料需要专门研制，接头强度受钎料影响，强度偏低，且不能应用于高温环境。固相扩散焊焊接时间长，生产效率低，脆性相的生成受焊接温度和时间影响很大。加中间过渡层的瞬间液相扩散焊，虽能提高生产效率，但获得良好接头所需的中间过渡层大部分需要专门配制，工艺复杂。

摩擦焊生产效率高，因界面不熔化，接头不易生成脆性相，在异种材料焊接方面有较大的优势。由于所焊的两种材料性能方面的差异，采用摩擦焊时，焊接面温度通常介于两种材料熔点之间，这就使得焊接面上熔点低的材料一端界面温度过热，生成的热塑性金属多，而熔点高的材料一端温度不够，生成的塑性变形层薄。

众所周知，摩擦焊的实质是通过界面金属塑性变形、再结晶和元素扩散来形成良好的接头。当焊接面温度不足以形成足够的热变形金属层时，再结晶和元素扩散都难以进行，高强接头就无法获得。如果提高界面热输入来获得足够的变形金属层，焊接界面又会因材料间的互溶度较差，温度升高而导致脆性相生成，降低接头强度。此外再加上界面热应力大，采用直接摩擦焊方式来焊接这些熔点差异较大的材料，获得质量良好的接头比较困难。

基于此，申请人考虑设计一种焊接效率更高，焊接质量更好的异种材料复合焊接方法。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种焊接效率更高，焊接质量更好的异种材料复合焊接方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

异种材料复合焊接方法，包括以下步骤：

(一)获取焊接装置，所述焊接装置包括惯性摩擦焊机，所述惯性摩擦焊机具有正对且间隔设置的旋转夹具和移动夹具；

(二)获取由异种材料分别制得且整体均呈柱型的待焊件a和待焊件c，并将待焊件a夹紧安装到惯性摩擦焊机的旋转夹具，将待焊件c夹紧安装到惯性摩擦焊机的移动夹具；

其特征在于：

上述步骤(一)中的所述焊接装置还包括加热器，所述加热器包括壳体，所述壳体的内部具有加热腔，所述加热腔通过设置的加热元件进行加热；所述壳体的顶部具有通过锁扣连接的顶盖；所述壳体整体安装在旋转夹具和移动夹具之间，且旋转夹具的夹持端与移动夹具的夹持端从所述壳体的两个侧面贯穿并伸入至所述加热腔内部；壳体内的加热元件通过电路与壳体外表面安装的控制温度变化的控制元件连接，加热器内部的温度通过温度传感器进行测量；

还包括以下步骤：

(三)获取中间过渡层和顶压棒；

所述中间过渡层为由性能与两种母材接近，有较好互溶性的金属或合金制成的待焊件b；所述中间过渡层为由熔点介于待焊件a和待焊件c之间的材料制得的待焊件b，待焊件b通过支承座安放在加热器内部且整体处在待焊件a和待焊件c之间，且待焊件b的两个端面分别与待焊件a和待焊件c的焊接面正对；

所述顶压棒由耐高温材料制得且采用可拆式套接件套在所述待焊件c的前端；

焊接前，操作移动夹具前进并施加顶紧预压力，使得待焊件a焊接面和待焊件b的前端面正对接触，顶压棒的前端面与待焊件b的后端面正对接触；

(四)中间过渡层与待焊件a之间的扩散焊接：

向加热器内部通入保护气体，启动焊接，预压力通过待焊件c、顶压棒传递到待焊件a与待焊件b界面，使待焊件a与待焊件b紧密接触；然后按设定的加热温度和焊接压力进行待焊件a和待焊件b的非真空、常压下的扩散焊接；

(五)摩擦焊前装夹：待完成待焊件a和待焊件b连接后，打开加热器，移动夹具松开并后退，取出顶压棒，然后将待焊件c焊接面推出移动夹具端，并夹紧，再使移动夹具向前移动到至已与待焊件a连接在一起的待焊件b后端面，并保持一定距离；

(六)摩擦焊前预热：若待焊件的材质需进行焊前预热，则盖上加热器的顶盖，选择对应位置的加热元件对待焊件进行预热，预热温度在70-300℃之间；

(七)带中间过渡层材料的惯性摩擦焊连接：将已焊接相连的待焊件b与待焊件a的焊接件与待焊件c之间采用惯性摩擦焊工艺焊接相连；

(八)焊后处理：缓冷保温或消除残余应力。

本发明的异种材料复合焊接方法，采用性能与两种母材接近，有较好互溶性的金属或合金做中间过渡层的方式，来改善接头质量。且通过一台设备既完成了扩散连接和摩擦焊两种固相焊接方法，又快速实现了通过设置中间过渡层的方式来获得焊接质量更好的异种材料复合焊件，提高了异种材料复合焊件的生产效率和产品质量。

本发明的异种材料复合焊接方法中顶压棒能够防止待焊件的焊接面之间在高温环境下的相互扩散渗透，与加热器配合构成能够获得理想扩散焊接和摩擦焊加工效果的条件，确保制得的焊接头的质量。

作为优选，待焊件a与待焊件b均为同轴向设置的圆柱形结构；待焊件a的外圆直径比待焊件b大至少10mm；且待焊件a的焊接面外凸形成有两个同心的凸台，其中一个凸台在心部呈圆柱形，另一个凸台呈圆筒形且位于在该焊接面边缘；待焊件b上正对待焊件a的焊接面外凸形成有用于套接在对应的两个凸台的两个套筒。

实施上述优选方案后，能够减少界面热量散失，增大焊接面积，保障焊接时待焊件a与待焊件b的转角处热塑性金属能向外流动，而不会在转角产生应力集中，出现裂纹缺陷，提升待焊件a与待焊件b的焊接质量。

作为优选，待焊件c与待焊件b为同轴向设置的圆柱形结构；待焊件c的焊接面内凹形成套筒状结构，待焊件b与待焊件c正对的焊接面外凸形成有两个同心的凸台，其中一个凸台为设置在心部且用于填充插接在待焊件c的套筒状结构内部，另一个凸台为位于在该焊接面边缘的圆筒形且用于套接在待焊件c的套筒状结构外部。

本领域人员知晓：惯性摩擦焊的旋转端由于高速旋转形成空气对流带走大量热量，使旋转端温度值小于滑移端5％-10％，使焊接面的温度不均匀。

实施上述优选方案后，待焊件c与待焊件b的焊接面采用嵌套配合结构，利能有效避免热量的损失，使产生的热金属在类似于半封闭的空间里产生挤压变形，能很好的维持并提高界面温度，这样通过工件之间的热传递，相应的提高了熔点高金属焊接面的温度，有利于获得性能良好的接头。

作为优选，待焊件b正对待焊件c的焊接面上设置在心部的凸台为圆锥台。

作为优选，所述待焊件c的套筒状结构的内侧面加工有螺纹，且所述螺纹上沿套筒状结构的轴向开设有纵向槽。

实施上述优选方案后，所述待焊件c与待焊件b配合处凹孔内有螺纹，以保障塑形金属在连接面上的流动，增大焊接面积，产生镶嵌连接形貌，提高连接强度。

在螺纹上开设的纵向槽，以保障塑形金属在连接面上的流动，增大焊接面积，提高连接面界面温度，最终施加顶锻力后能通过热金属塑形变形、动态再结晶和元素扩散形成良好接头。

作为优选，所述顶压棒的表面喷涂有高温阻焊剂。

实施上述优选方案后，可有效防止顶压棒与其相接触元件在高温环境下焊接相连。

作为优选，所述待焊件a与待焊件b之间的焊接面粗糙度小于Ra3.2。

实施上述优选方案后，更好地满足扩散焊接的工艺要求。

作为优选，所述顶压棒为石墨棒、钼棒或耐高温不锈钢棒中任意一种。

采用上述几种材质的顶压棒具有耐高温，热稳定性高，硬度大的优点，在高温环境下更为稳定，能够确保扩散焊接过程中施加锻压力的准确度，更好地控制扩散焊接的质量。

作为优选，所述待焊件a小于所述待焊件b的熔点。

因为，焊接过程中惯性摩擦焊的旋转端由于高速旋转形成空气对流带走大量热量，使旋转端温度值小于滑移端5％-10％。故在旋转端夹紧熔点更小的待焊件a，能够更好的保证异种材料复合焊接质量。

异种材料焊接，两种材料的熔点和硬度差别较大，在高温摩擦焊时往往达到低熔点材料的熔点，而另一种高熔点材料界面温度还很低，这种状况既无法形成一定的塑形变形热金属，又不利于元素扩散，难以获得好的接头强度。倘若调换待焊件a1与待焊件c3位置，将使本来界面温度就低的高熔点待待焊件c热损失增加，界面温度可能会更低，不利于焊接。

同现有技术相比较，本发明的异种材料复合焊接方法的有益技术效果在于：

1、利用惯性摩擦焊机自身夹持和推压系统，并增设并结合加热器使用后，即可在一台惯性摩擦焊机上完成了扩散焊接和摩擦焊接两种固相焊接方法，既实现了中间过渡层的制备，又实现了焊件的最终可靠连接，大幅节约了设备投资。

2、在焊接过程中设置加热装置对熔点较高的待焊件进行预热，能够减少异种材料焊接界面温度差，有利于熔点高硬度高焊件在短时间内达到塑性变形温度，还能提高设备的焊接能力，即在同样的焊接参数下，能进行更大面积的工件的焊接。同时还能在一台设备上对接头进行焊后热处理，提高异种材料的焊接加工的效率和质量。

3、需焊接的两个待焊件的焊接面之间采用嵌套配合结构，有利于减少界面热量流失，提高焊接面温度；再加设置中间过渡层，有利于抑制接头界面脆性相的生成，减小界面参与应力，提高焊接质量。

附图说明

图1是本发明异种材料复合焊接方法所采用的焊接装置的结构示意图。

图2是本发明异种材料复合焊接方法焊接接头的结构示意图。

图3是图1中焊接装置的中间支撑架结构的主视图。

图4是图1中焊接装置的中间支撑架结构的侧视图。

图中标记为：

1-待焊件a，2-待焊件b，3-待焊件c，4-旋转夹具，5-移动夹具，6-卡圈a，7-石墨棒，8-卡圈b，9-卡圈c；

10-中间支撑架：101-连接座，102-底座，103-调整垫片，104-Z形定位块；

11-加热器，12-气管，13-旋转端顶杆；14-移动端顶杆，15-控制元件，16-热电偶，17-导轨。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。其中，针对描述采用诸如上、下、左、右等说明性术语，目的在于帮助读者理解，而不旨在进行限制。

异种材料复合焊接方法，包括以下步骤：

(一)获取焊接装置，所述焊接装置包括惯性摩擦焊机，所述惯性摩擦焊机具有正对且间隔设置的旋转夹具4和移动夹具5；

(二)获取由异种材料分别制得且整体均呈柱型的待焊件a和待焊件c，并将待焊件a夹紧安装到惯性摩擦焊机的旋转夹具4，将待焊件c夹紧安装到惯性摩擦焊机的移动夹具5；

还包括以下步骤：

上述步骤(一)中的所述焊接装置还包括加热器，所述加热器包括壳体，所述壳体的内部具有加热腔，所述加热腔通过设置的加热元件进行加热；所述壳体的顶部具有通过锁扣连接的顶盖；所述壳体整体安装在旋转夹具和移动夹具之间，且旋转夹具的夹持端与移动夹具的夹持端从所述壳体的两个侧面贯穿并伸入至所述加热腔内部；壳体内的加热元件通过电路与壳体外表面安装的控制温度变化的控制器连接，加热器内部的温度通过温度传感器进行测量；

(三)获取中间过渡层和顶压棒；

所述中间过渡层为由性能与两种母材接近，有较好互溶性的金属或合金制成的待焊件b；所述中间过渡层为由熔点介于待焊件a和待焊件c之间的材料制得的待焊件b，待焊件b通过支承座安放在加热器11内部且整体处在待焊件a和待焊件c之间，且待焊件b的两个端面分别与待焊件a和待焊件c的焊接面正对；

所述顶压棒由耐高温材料制得且采用可拆式套接件套在所述待焊件c的前端；

焊接前，操作移动夹具5前进并施加顶紧预压力，使得待焊件a焊接面和待焊件b的前端面正对接触，顶压棒的前端面与待焊件b的后端面正对接触；

(四)中间过渡层与待焊件a之间的扩散焊接：

设置预压力、压力和加热参数，向加热器内部通入保护气体，启动焊接，预压力通过待焊件c、顶压棒传递到待焊件a与待焊件b界面，进行待焊件a和待焊件b的非真空、常压下的扩散连接，焊接时间随焊件大小而定，以焊透为准；

(五)摩擦焊前装夹：待完成待焊件a和待焊件b连接后，打开加热器11，移动夹具5松开并后退取出顶压棒，然后将待焊件c焊接面推出移动夹具5端，并夹紧；再向前推动移动夹具5直至待焊件b的后端面，并保持一定距离；

(六)摩擦焊前预热：根据待焊件的材质选择是否需要进行焊前预热，如需要则盖上加热器11的顶盖，选择对应位置的加热元件对待焊件进行预热，预热温度在70-300℃之间；

(七)带中间过渡层材料的惯性摩擦焊连接：设置惯性摩擦焊参数；按惯性摩擦焊工艺顺序完成带中间过渡层的焊件的连接；摩擦焊参数根据焊接材料和焊接面积定；

(八)焊后处理：对试样进行焊后缓冷保温，或者进行焊后热处理；焊后缓冷保温温度200℃--300℃，保温时间根据工件厚度确定；焊后热处理消除残余应力，温度600-880℃之间，根据材料确定，保温时间按试样厚度计算，但不低于30min，以性能较低材料为准。

焊接前，用金相砂纸打磨、超声清洗待焊件a焊接面、待焊件b焊接面和待焊件c待焊面。

其中，待焊件a与待焊件b均为同轴向设置的圆柱形结构；待焊件a的外圆直径比待焊件b大至少10mm；且待焊件a的焊接面外凸形成有两个同心的凸台，其中一个凸台在心部呈圆柱形，另一个凸台呈圆筒形且位于在该焊接面边缘；待焊件b上正对待焊件a的焊接面外凸形成有用于套接在对应的两个凸台的两个套筒。

实施时，两个凸台之间是圆形凹槽；圆形凹槽与凸台连接处为圆弧过渡，过渡圆弧半径在2-5mm之间；凸台的高度为5-15mm，凸台边缘倒棱角或圆弧，后端面边缘处凸台的宽度不低于10mm；待焊件b实心部分厚度1.5-3mm。

其中，待焊件c与待焊件b为同轴向设置的圆柱形结构；待焊件c的焊接面内凹形成套筒状结构，待焊件b与待焊件c正对的焊接面外凸形成有两个同心的凸台，其中一个凸台为设置在心部且用于填充插接在待焊件c的套筒状结构内部，另一个凸台为位于在该焊接面边缘的圆筒形且用于套接在待焊件c的套筒状结构外部。

实施时，待焊件c外侧直径比待焊件b凹孔直径单边小0.2-0.8mm，待焊件b心部的圆柱高5-8mm，圆柱焊接面倒角，圆柱根部与待焊件c外圆以70°-78°的锥形连接，锥形与圆柱根部以不低于2mm直径的圆弧过渡。

其中，待焊件b正对待焊件c的焊接面上设置在心部的凸台为圆锥台。

实施时，圆锥台与母线夹角不大于2°，单边配合间隙在0.2-0.5mm之间，待焊件c圆锥台高度5-8mm，圆锥台焊接面倒角，圆锥台根部与待焊件c外圆以70°-78°的锥形连接，锥形与圆锥台根部间圆弧过渡。

其中，所述待焊件c的套筒状结构的内侧面加工有螺纹，且所述螺纹上沿套筒状结构的轴向开设有纵向槽。

实施时，所述待焊件b呈H形，其外圆直径小于待焊件a边缘凸台的内径，两者间单边间隙0.2-0.5mm；待焊件b上凹孔与凸台圆弧过渡半径在2-5mm之间，凸台倒棱角或圆弧；待焊件b的前后端面均为焊接面，其前端面与待焊件a配合，其中待焊件b前端面上的凹孔与凸台分别与待焊件a的心部凸台和凹槽配合，待焊件b前端面凸台高度和凹孔深度分别与待焊件a凹槽深度和凸台高度一致，单边配合间隙为0.2-0.5mm；待焊件b的后端面凹孔与待焊件c配合；其后端面上凸台高度8-15mm；待焊件b与待焊件c配合的凸台宽度不低于5mm；待焊件b中间实心部分厚度在8-10mm之间。实施上述优选方案后，以保障足够的缩短量。

其中，所述顶压棒的表面喷涂有高温阻焊剂。

其中，所述待焊件a与待焊件b之间的焊接面粗糙度均小于Ra3.2。

其中，所述顶压棒为石墨棒7、钼棒或耐高温不锈钢棒中任意一种。

其中，所述待焊件a小于所述待焊件b的熔点。

其中，当加热器11的加热腔为真空时，对应采用由钼或耐热不锈钢中任意一种材料制得的所述顶压棒。当加热器11的加热腔内填充保护气体时，对应采用由钼或耐热不锈钢中任意一种材料制得的所述顶压棒。

其中，本焊接方法所采用的焊接装置，还包括卡圈a、卡圈b、卡圈c、旋转端顶杆13、移动端顶杆14、中间支撑架、加热器和气管12；其中熔点值最低的待焊件a通过卡圈a夹持在旋转夹具端，熔点值最高的待焊件c通过卡圈c夹持在移动夹具端，待焊件b放置在位于中间支撑架上的加热器内；加热器内紧邻待焊件b两侧设置有独立控制的2-4组加热元件；中间支持架位于移动夹具和旋转夹具之间，并与焊机床身导轨17滑动配合；在待焊件c的前面有石墨棒，石墨棒通过卡圈b夹紧在移动夹具端，石墨棒的前端伸出移动夹具，其后端与待焊件c的焊接面接触；石墨棒的前后端面、以及与卡圈b接触的外圆面均喷有高温阻焊剂；为防止焊接时压力造成焊接面变形，卡圈b伸出移动夹具部分的长度，比石墨棒伸出移动夹具的长度短10mm，卡圈a伸出旋转夹具部分的长度，比待焊件a伸出旋转夹具部分长度短10mm；加热器为上下开启的筒体，其两端设有孔分别与卡圈a和卡圈b外径配合，卡圈a和卡圈b与孔之间有密封圈，加热器上部安装有控制元件15和测温热电偶16，加热器上部侧面设有与气管12相配合的孔，用于通入保护气体；气管12与孔之间通过密封件密封；待焊件a和待焊件c后端分别设有顶杆进行端部顶紧，顶杆另一端支撑在焊机对应内孔台阶上。

其中，所述中间支撑架10由连接座101、底座102，调整垫片103、Z形定位块1041和定位块2组成，连接座101安装在移动夹具5和旋转夹具4间，通过滑槽与床身导轨17外侧滑动连接，以保证能沿轴向调整中间支撑架10位置；底座102下部与连接座101通过滑槽移动配合，并能用定位螺钉固定，以保障移动中间支撑座能前后与轴心对中；底座102上端面部开有直通槽，直通槽与Z形定位块104滑槽配合，方便取卸；直通槽的两侧边和Z形定位块104的端面起定位作用；调整垫片103置于Z形定位块104上，用于调整高度；底座102与连接座101总高度低于旋转夹具4和移动夹具5最低位置，以保障焊接时不会产生位置干涉。

所述加热器11为上下开启的筒体，用锁扣进行锁紧，方便随时取卸；加热器11下部平面放置在Z形定位块104上，加热器11左右和后侧面靠直通槽的两侧边和Z形定位块104的端面限位，并通过调整垫片103调整高度，使卡圈a和卡圈b能正确放置在加热器11两侧的孔中；加热器11外部材料为不锈钢，内壁材料为陶瓷纤维，陶瓷纤维内置2-4组独立控制的加热元件，能根据需要选择加热组数；陶瓷纤维中间有2个高2mm的凸台，用于安装待焊件b，凸台间宽度待焊件b长度一致，凸台可以根据待焊件b尺寸进行更换。

异种材料复合焊接装置还包括中间过渡层定位结构，所述中间过渡层定位结构包括在加热腔的腔壁下侧邻近旋转夹具的夹紧件处内凸形成的一圈定位用凸台；所述定位用凸台的内直径与构成中间过渡层的焊接件的外直径匹配，且大于旋转夹具上夹紧安装的待焊件的外直径。采用上述中间过渡层定位结构后，能够对构成中间过渡层的待焊接件的端面进行定位，防止在扩散焊接时中间过渡层的焊接面出现倾斜，保证扩散焊接的质量。

所述加热元件为在所述移动夹具的移动方向上位于构成中间过渡层的焊接件两侧的至少可独立控温的两组。这样一来就能够在扩散焊接时对焊缝处进行加热，在惯性摩擦焊接时对待焊接件进行预热，获得理想的扩散焊接与惯性摩擦焊接质量，进而获得质量最佳的异种材料复合焊接工件。

上述卡圈a、卡圈b、卡圈c的设置，不仅能够对各个被套接件的外表面形成保护，还能够在扩散焊接中，避免扩散焊压力作用使焊件墩粗变形，有效确保焊接质量。

上述旋转端顶杆和移动端顶杆设置，能够确保扩散焊接与惯性摩擦焊接加工过程中焊接件之间的锻压力，从而更好的保证焊接接头的质量。

上述中间支撑架的设置，能够对加热器的位置进行准确的调整，从而可加热器内部的加热元件能够邻近并对准需要加热的焊接面，确保焊接质量的同时，降低加热能耗，提高使用效益。

以下组合的待焊件a、待焊件b和待焊件c均可适用于本发明的异种材料复合焊接方法：

组合一：所述待焊件b是一种材料，还能是2种及以上材料组合，当待焊件b为2种以上材料组合时，需要考虑预留摩擦焊金属缩短量，同时避免焊后中间过渡层过厚影响焊接质量，需要控制组件尺寸，与待焊件a进行扩散连接的材料厚不超过0.05mm，中间材料厚度不超过0.03mm，与待焊件c焊接材料结构尺寸与待焊件c焊接面配合，其实心部分厚度2.5mm。

组合二：所述待焊件a为以下材料的一种：铝、铝合金，待焊件c为以下材料一种：钢、不锈钢，其中钢或者不锈钢焊接面镀有Zn，厚度在100-150μm；待焊件b为纯铝，纯铝与钢的焊接面经浸锌后镀镍，镍层厚度10-30μm；

组合三：所述待焊件a为钢，待焊件c为下列材料的一种：TiAl基合金、钨及钨合金，待焊件b为下列材料的一种或组合：纯铜、镍、镍合金、钒。

组合三：所述待焊件a、待焊件b和待焊件c焊接面还能设有镀层，镀层材料为下列材料的一种或者几种组合:镍、铜、锌。

下面结合实施例来对本发明进行说明：

实施例一：在本实施例中：待焊件a由钢制得，待焊件c由TiAl基合金制得，中间过渡层：待焊件b由镍基合金制得；顶压棒为石墨棒。

本实施例的异种材料复合焊接方法，包括以下步骤：

(一)焊前清洗：用金相砂纸打磨、超声清洗待焊件a1焊接面、待焊件b2焊接面和待焊件c3待焊面；

(二)旋转端夹紧：将旋转端顶杆13放入旋转夹紧端，调整旋转端顶杆13长度使其顶紧旋转端主轴内孔台阶，然后让待焊件a1非焊接面靠紧旋转端顶杆13，并夹紧待焊件a1；

(三)移动端夹紧：将移动端顶杆14放入移动夹紧端，调正移动端顶杆14长度使其顶紧移动端内孔台阶，将套有卡圈c9的待焊件c3与石墨棒7一起装在8卡圈b内，调整8卡圈b前端与石墨棒7前端距离为10mm，然后调整移动端顶杆14将待焊件c3和石墨棒7顶紧，随后夹紧8卡圈b；

(三)调整加热器位置：将102底座和104Z形定位块安装到位，然后安装11加热器，调整101连接座、102底座和103调整垫片，使11加热器两侧孔与7卡圈a和8卡圈b对中放置；

(四)中间过渡层的安装与预压加紧：将待焊件b2紧靠11加热器内凸台一侧放置，轴向滑动10中间支撑架，使1待焊件a焊接面和待焊件b2前端面接触，然后移动焊机滑台，施加顶紧预压力1.5MPa，使石墨棒7与待焊件b2接触，并推动待焊件b2与待焊件a1轻微接触，合拢11加热器，扣上锁扣；

(四)中间过渡层的扩散连接：设置预压力7MPa、焊接压力60MPa，加热温度1050℃，从0℃加热到700℃的升温速率控制在10℃/mim，从700℃上升到1050℃的升温速率控制在5℃/mim，保温80min，随炉冷却；焊接时间随焊件大小而定，以焊透为准；通入保护气体氩气，启动焊接，压力通过待焊件c3、石墨棒7传递到待焊件a1与待焊件b2界面；

(五)摩擦焊前夹紧及参数设置：待完成待焊件a1和待焊件b2连接后，打开加热器，松开5移动夹具取出石墨棒7，将待焊件c3伸出5移动夹具端，并夹紧，然后向前移动移动夹具5与待焊件b焊接面保持10mm距离，设置惯性摩擦焊参数，转动惯量1.56Kg.m²摩擦转速4800rpm，顶锻转速2400rpm，摩擦压力3.5MPa，顶锻压力7MPa；

(六)摩擦焊前预热：合拢加热器，选择第二组11加热元件对待焊件c3进行预热，预热温度280℃；

(七)带中间过渡层的复合材料的惯性摩擦焊连接：按惯性摩擦焊工艺设定顺序完成带中间过渡层的焊件的连接；

(八)焊后处理：焊后260℃保温，时间60min。

经测试，焊后镍基合金中间120μm，Ni、Mo、C、Fe元素扩散，钢/镍界面扩散区厚约12μm，其中Ni阻碍了Fe向TiAl侧的扩散，TiAl侧未形成金属间化合物，钢侧组织为马氏体+贝氏体，镍基合金中间为细小的等轴晶，无强化相γ′，TiAl侧焊缝为细小的等轴α+α₂+少量的γ相。接头拉伸强度406MPa，断裂在钢热影响区，韧性断裂。

实施例二：在本实施例中：待焊件a由20钢制得，待焊件c由TC4钛合金制得，中间过渡层：待焊件b(实心部厚3mm)由T2紫铜制得；顶压棒为石墨棒。

(四)中间过渡层的安装与预压加紧：将待焊件b2紧靠11加热器内凸台一侧放置，轴向滑动10中间支撑架，使1待焊件a焊接面和待焊件b2前端面接触，然后移动焊机滑台，施加顶紧预压力1.5MPa，使石墨棒7与待焊件b2接触，并推动待焊件b2与待焊件a1轻微接触，合拢11加热器，扣上锁扣；

(四)中间过渡层的扩散连接：设置预压力5MPa、焊接压力45MPa，加热温度900℃，从0℃加热到480℃的升温速率控制在8℃/mim，从480℃上升到880℃的升温速率控制在5℃/mim，保温60min，随炉冷却；通入氩气，启动焊接，压力通过待焊件c3、石墨棒7传递到待焊件a1与待焊件b2界面；

(五)摩擦焊前夹紧及参数设置：待完成待焊件a1和待焊件b2连接后，打开加热器，松开5移动夹具取出石墨棒7，将待焊件c3伸出5移动夹具端，并夹紧，然后向前移动移动夹具5与待焊件b焊接面保持10mm距离，设置惯性摩擦焊参数，转动惯量1.56Kg.m²，摩擦转速4400rpm，顶锻转速2200rpm，摩擦压力2.5MPa，顶锻压力5MPa；

(七)带中间过渡层的复合材料的惯性摩擦焊连接：按惯性摩擦焊工艺设定顺序完成带中间过渡层的焊件的连接；

经测试，焊后T2中间过渡层厚24μm，钢中的C、Fe元素向中间T2扩散，钢/铜界面扩散区厚约15m，T2中的Cu元素向两侧金属扩散，中间过渡层厚度阻碍了C、F向TC4侧扩散，在TC4侧未形成Fe-Ti,Fe-C脆性相，但有少量Cu－Ti弥散分布，钢侧组织为珠光体+铁素体，T2紫铜为细小的等轴α铜，TC4侧焊缝为细小的等轴晶，接头拉伸强度395MPa，断裂在钢热影响区，韧性断裂。

实施例三：在本实施例中：待焊件a由40钢制得，待焊件c由93W钨合金制得；中间过渡层：待焊件b由纯钒和纯镍箔制得；顶压棒为石墨棒。

待焊件b，其中镍在前，钒在后，即镍与钢焊，钒与钨合金摩擦焊，镍与钒之间扩散连接。镍箔0.03mm，钒实心部分厚度1.5mm

(四)中间过渡层的扩散连接：设置预压力5MPa、焊接压力56MPa，加热温度1050℃，从0℃加热到700℃的升温速率控制在8℃/mim，从700℃上升到1050℃的升温速率控制在5℃/mim，保温80min，随炉冷却；通入氩气，启动焊接，压力通过待焊件c3、石墨棒7传递到待焊件a1与待焊件b2界面；

(五)摩擦焊前夹紧及参数设置：待完成待焊件a1和待焊件b2连接后，打开加热器，松开5移动夹具取出石墨棒7，将待焊件c3伸出5移动夹具端，并夹紧，然后向前移动移动夹具5与待焊件b焊接面保持10mm距离，设置惯性摩擦焊参数，转动惯量2.77Kg.m²，摩擦转速4800rpm，顶锻转速2600rpm，摩擦压力7MPa，顶锻压力12MPa；

(七)带中间过渡层的复合材料的惯性摩擦焊连接：按惯性摩擦焊工艺设定顺序完成带中间过渡层的焊件的连接；

(八)焊后处理：焊后消除残余应力，温度650℃之间，根据材料确定，保温时间80min。

经测试，钢/镍界面扩散区厚约13μm，形成了(Fe，Ni)固溶体，Fe元素未扩散到钒层，形成金属间化合物；但是又少量C扩散到钒层，形成了少量厚度3μm的VC碳化物，镍钒界面由于元素扩散生成了Ni-V金属间化合物。钒钨界面元素扩散形成了V(W)固溶体层。焊后接头镍层厚9μm，钒层厚200μm，钒与钨的焊缝区为细小的等轴晶。接头强度246MPa，断在焊缝近钢侧。

以上仅是本发明优选的实施方式，需指出是，对于本领域技术人员在不脱离本技术方案的前提下，还可以作出若干变形和改进，上述变形和改进的技术方案应同样视为落入本申请要求保护的范围。

Claims (9)

1.异种材料复合焊接方法，包括以下步骤：

(一)获取焊接装置，所述焊接装置包括惯性摩擦焊机，所述惯性摩擦焊机具有正对且间隔设置的旋转夹具和移动夹具；

(二)获取由异种材料分别制得且整体均呈柱型的待焊件a和待焊件c，并将待焊件a夹紧安装到惯性摩擦焊机的旋转夹具，将待焊件c夹紧安装到惯性摩擦焊机的移动夹具；

其特征在于：

上述步骤(一)中的所述焊接装置还包括加热器，所述加热器包括壳体，所述壳体的内部具有加热腔，所述加热腔通过设置的加热元件进行加热；所述壳体的顶部具有通过锁扣连接的顶盖；所述壳体整体安装在旋转夹具和移动夹具之间，且旋转夹具的夹持端与移动夹具的夹持端从所述壳体的两个侧面贯穿并伸入至所述加热腔内部；壳体内的加热元件通过电路与壳体外表面安装的控制温度变化的控制元件连接，加热器内部的温度通过温度传感器进行测量；

还包括以下步骤：

(三)获取中间过渡层和顶压棒；

所述中间过渡层为由性能与两种母材接近，有较好互溶性的金属或合金制成的待焊件b；所述中间过渡层为由熔点介于待焊件a和待焊件c之间的材料制得的待焊件b，待焊件b通过支承座安放在加热器内部且整体处在待焊件a和待焊件c之间，且待焊件b的两个端面分别与待焊件a和待焊件c的焊接面正对；

所述顶压棒由耐高温材料制得且采用可拆式套接件套在所述待焊件c的前端；

焊接前，操作移动夹具前进并施加顶紧预压力，使得待焊件a焊接面和待焊件b的前端面正对接触，顶压棒的前端面与待焊件b的后端面正对接触；

(四)中间过渡层与待焊件a之间的扩散焊接：

向加热器内部通入保护气体，启动焊接，预压力通过待焊件c、顶压棒传递到待焊件a与待焊件b界面，使待焊件a与待焊件b紧密接触；然后按设定的加热温度和焊接压力进行待焊件a和待焊件b的非真空、常压下的扩散焊接；

(五)摩擦焊前装夹：待完成待焊件a和待焊件b连接后，打开加热器，移动夹具松开并后退，取出顶压棒，然后将待焊件c焊接面推出移动夹具端，并夹紧，再使移动夹具向前移动到至已与待焊件a连接在一起的待焊件b后端面，并保持一定距离；

(六)摩擦焊前预热：若待焊件的材质需进行焊前预热，则盖上加热器的顶盖，选择对应位置的加热元件对待焊件进行预热，预热温度在70-300℃之间；

(七)带中间过渡层材料的惯性摩擦焊连接：将已焊接相连的待焊件b与待焊件a的焊接件与待焊件c之间采用惯性摩擦焊工艺焊接相连；

(八)焊后处理：缓冷保温或消除残余应力。

2.根据权利要求1所述的异种材料复合焊接方法，其特征在于：待焊件a与待焊件b均为同轴向设置的圆柱形结构；待焊件a的外圆直径比待焊件b大至少10mm；且待焊件a的焊接面外凸形成有两个同心的凸台，其中一个凸台在心部呈圆柱形，另一个凸台呈圆筒形且位于在该焊接面边缘；待焊件b上正对待焊件a的焊接面外凸形成有用于套接在对应的两个凸台的两个套筒。

3.根据权利要求1所述的异种材料复合焊接方法，其特征在于：待焊件c与待焊件b为同轴向设置的圆柱形结构；待焊件c的焊接面内凹形成套筒状结构，待焊件b与待焊件c正对的焊接面外凸形成有两个同心的凸台，其中一个凸台为设置在心部且用于填充插接在待焊件c的套筒状结构内部，另一个凸台为位于在该焊接面边缘的圆筒形且用于套接在待焊件c的套筒状结构外部。

4.根据权利要求3所述的异种材料复合焊接方法，其特征在于：待焊件b正对待焊件c的焊接面上设置在心部的凸台为圆锥台。

5.根据权利要求3或4所述的异种材料复合焊接方法，其特征在于：所述待焊件c的套筒状结构的内侧面加工有螺纹，且所述螺纹上沿套筒状结构的轴向开设有纵向槽。

6.根据权利要求1所述的异种材料复合焊接方法，其特征在于：所述顶压棒的表面喷涂有高温阻焊剂。

7.根据权利要求1所述的异种材料复合焊接方法，其特征在于：所述待焊件a与待焊件b之间的焊接面粗糙度小于Ra3.2。

8.根据权利要求1所述的异种材料复合焊接方法，其特征在于：所述顶压棒为石墨棒、钼棒或耐高温不锈钢棒中任意一种。

9.根据权利要求1所述的异种材料复合焊接方法，其特征在于：所述待焊件a小于所述待焊件b的熔点。