CN108296625B - 一种基于搅拌摩擦焊的异种厚度球墨铸铁连接方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于搅拌摩擦焊的异种厚度球墨铸铁连接方法，1）截取不同厚度的两块球墨铸铁，分别为较薄球墨铸铁和较厚球墨铸铁；2）首先通过调整垫板，使球墨铸铁和球墨铸铁对接起来固定到垫板上，并保持上表面保持平整；3）将旋转的搅拌头保持倾斜一定角度插入待焊接的较薄球墨铸铁和较厚球墨铸铁的对接缝处，保持搅拌头的轴肩嵌入球墨铸铁材料表面下一定深度，然后使搅拌头按给定速度沿接缝水平进给，最终通过搅拌头的搅拌、摩擦和轴肩挤压作用，将两块不同厚度的较薄球墨铸铁和较厚球墨铸铁在接缝处焊接起来，采用搅拌摩擦焊连接异种厚度球墨铸铁，通过实验进行了焊接参数优化，由于焊接过程中未使铸铁材料融熔，消除了熔焊过程中高温作用引起的诸多缺陷。

Description

一种基于搅拌摩擦焊的异种厚度球墨铸铁连接方法
技术领域
本发明涉及一种搅拌摩擦焊接方法，具体涉及一种基于搅拌摩擦焊的异种厚度球墨铸铁连接方法。
背景技术
球墨铸铁是一种高强度铸铁材料，其综合性能非常优异，接近于钢，用于铸造受力复杂及强度、韧性、耐磨性要求较高的零件，所谓“以铁代钢”，主要指球墨铸铁。
球墨铸铁性价比较高，在大型风电件、矿机设备、发电件上得到了广泛的应用，受铸造能力等因素限制，复杂结构铸件和大型铸件难以一次铸造成形，从而对球墨铸铁的焊接提出强烈需求。球墨铸铁碳含量很高，传统熔焊使大量碳溶解进入熔池，焊后快速冷却导致莱氏体形式析出，引起焊接裂纹和孔洞产生、力学性能恶化，对于异种厚度球墨铸铁来说，两种材料厚度不同会造成冷却速度不同，容易导致开裂。
搅拌摩擦焊(FSW)是一项新的固态焊接技术，将转动的搅拌头插入被焊材料，通过对材料的搅拌、摩擦和顶锻作用使材料局部产生塑性流动，达到材料接合的目的，焊接过程中未使材料融熔。该焊接方法经济实用，已广泛应用于有色金属领域，在黑色金属焊接领域的应用也越来越受到重视，但很少见到文献中提出采用搅拌摩擦焊进行铸铁焊接。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于搅拌摩擦焊的异种厚度球墨铸铁连接方法，为了解决球墨铸铁熔焊引起的焊接裂纹和孔洞、力学性能恶化等问题，采用搅拌摩擦焊连接异种厚度球墨铸铁，通过实验进行了焊接参数优化，由于焊接过程中未使铸铁材料融熔，消除了熔焊过程中高温作用引起的诸多缺陷。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于搅拌摩擦焊的异种厚度球墨铸铁连接方法，包括以下步骤：
1）截取不同厚度的两块球墨铸铁，分别为较薄球墨铸铁和较厚球墨铸铁；
2）首先通过调整垫板，使球墨铸铁和球墨铸铁对接起来固定到垫板上，并保持上表面保持平整；
3）将旋转的搅拌头保持倾斜一定角度插入待焊接的较薄球墨铸铁和较厚球墨铸铁的对接缝处，保持搅拌头的轴肩嵌入球墨铸铁材料表面下一定深度，然后使搅拌头按给定速度沿接缝水平进给，最终通过搅拌头的搅拌、摩擦和轴肩挤压作用，将两块不同厚度的较薄球墨铸铁和较厚球墨铸铁在接缝处焊接起来。
所述的搅拌头旋转速度：800rpm-1200rpm；搅拌头进给速度：50 mm/min -90mm/min；搅拌头倾斜角度：1º-3º；搅拌头压入被焊铸铁的深度：0.1 mm -0.4 mm；搅拌头类型：平面圆锥型搅拌头；搅拌头材料：高温硬度大于碳化钨合金的材料；搅拌针长度；比较薄铸铁厚度小0.4mm；搅拌针直径：等于搅拌针长度；搅拌头的轴肩直径：搅拌针直径的3倍；两块被焊接的球墨铸铁厚度差：0-100mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1) 焊接球墨铸铁过程中未使铸铁材料融熔，焊接温度低，不会引起大量碳聚集现象，防止焊后快速冷却导致莱氏体形式析出；
2) 由于焊接温度低，不会引起焊接裂纹、孔洞产生和力学性能恶化；
3) 由于焊接过程中温度变化小，不会因铸铁厚度不同而导致冷却差异过大，防止应力集中而出现裂纹；
4) 焊接前不需要预热，焊接过程中不需要加热或者冷却，焊接成本低；
5) 焊后变形非常小，不需要进行焊接校正；
6）操作简单，无空气污染和光污染，不会影响操作者身体健康。
附图说明
图1 异种厚度球墨铸铁搅拌摩擦焊接过程示意图。
图2 为球墨铸铁搅拌摩擦焊焊缝显微组织图。
其中，1为调整垫板；2为较薄球墨铸铁；3为搅拌头；4为接缝处；5为较厚球墨铸铁。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，截取不同厚度的两块球墨铸铁，分别为厚3mm的较薄球墨铸铁2和厚5mm较厚球墨铸铁5，首先通过调整垫板1，使较薄球墨铸铁2和厚球墨铸铁5对接起来固定到垫板1上，并保持上表面保持平整。选用平面圆锥型搅拌头，搅拌的轴肩、搅拌针直径和长度分别为7.8mm、2.6mm和2.6mm。将旋转转速为800rpm的搅拌头3保持倾斜角度为1º插入待焊接的较薄球墨铸铁2和厚球墨铸铁5的接缝处4，保持搅拌头3的轴肩嵌入球墨铸铁材料表面下0.1 mm，然后使搅拌头3以50 mm/min的速度沿接缝水平移动，最终通过搅拌头的搅拌、摩擦和轴肩挤压作用，将两块不同厚度的较薄球墨铸铁2和厚球墨铸铁5在接缝处焊接起来。
最后得到表面平整无缺陷的球墨铸铁焊缝，通过光学显微镜观察，焊缝内部无裂纹和孔洞等缺陷，如图2所示。室温抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为909MPa、662MPa和9.2%，断裂于焊缝的热影响区。
实施例2
如图1所示，截取不同厚度的两块球墨铸铁，分别为厚2.5mm的较薄球墨铸铁2和厚5mm厚球墨铸铁5，首先通过调整垫板1，使较薄球墨铸铁2和厚球墨铸铁5对接起来固定到垫板1上，并保持上表面保持平整。选用平面圆锥型搅拌头，搅拌的轴肩、搅拌针直径和长度分别为6.3mm、2.1mm和2.1mm。将旋转转速为1200rpm的搅拌头3保持倾斜角度为3º插入待焊接的较薄球墨铸铁2和厚球墨铸铁5的接缝处4，保持搅拌头3的轴肩嵌入球墨铸铁材料表面下0.3mm，然后使搅拌头3以90 mm/min的速度沿接缝水平移动，最终通过搅拌头的搅拌、摩擦和轴肩挤压作用，将两块不同厚度的较薄球墨铸铁2和厚球墨铸铁5在接缝处4焊接起来。
最后得到表面平整无缺陷的球墨铸铁焊缝，通过光学显微镜观察，焊缝内部无裂纹和孔洞等缺陷，与实施例1相同。室温抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为980MPa、712MPa和6.2%，断裂于焊缝的热影响区。

Claims (1)

1.一种基于搅拌摩擦焊的异种厚度球墨铸铁连接方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）截取不同厚度的两块球墨铸铁，分别为较薄球墨铸铁和较厚球墨铸铁；
2）首先通过调整垫板，使球墨铸铁和球墨铸铁对接起来固定到垫板上，并保持上表面保持平整；
3）将旋转的搅拌头保持倾斜一定角度插入待焊接的较薄球墨铸铁和较厚球墨铸铁的对接缝处，保持搅拌头的轴肩嵌入球墨铸铁材料表面下一定深度，然后使搅拌头按给定速度沿接缝水平进给，最终通过搅拌头的搅拌、摩擦和轴肩挤压作用，将两块不同厚度的较薄球墨铸铁和较厚球墨铸铁在接缝处焊接起来；
所述的搅拌头旋转速度：800rpm-1200rpm；搅拌头进给速度：50 mm/min -90mm/min；搅拌头倾斜角度：1º-3º；搅拌头压入被焊铸铁的深度：0.1 mm -0.4 mm；搅拌头类型：平面圆锥型搅拌头；搅拌头材料：高温硬度大于碳化钨合金的材料；搅拌针长度；比较薄铸铁厚度小0.4mm；搅拌针直径：等于搅拌针长度；搅拌头的轴肩直径：搅拌针直径的3倍；两块被焊接的球墨铸铁厚度差：0-100mm。
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