CN108817645A - 一种球墨铸铁与低碳钢搅拌摩擦搭接焊的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种球墨铸铁与低碳钢搅拌摩擦搭接焊的方法,利用搅拌摩擦搭接焊进行焊接,搅拌头转速范围为600~1100rpm,搅拌头进给速度分别为60mm/min,焊接用有针搅拌头为平面圆锥型,轴肩直径为12mm,搅拌针直径和长度分别为3.6mm和2.8mm。本发明方法操作简单,可有效提高接头力学性能。
Description
技术领域
本发明属于焊接技术领域,具体涉及一种球墨铸铁与低碳钢搅拌摩擦搭接焊的方法。
背景技术
搅拌摩擦焊(FSW)是一项新的固态焊接技术,将旋转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。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。
Fujii等对含碳量0.12%的碳钢实施了FSW,在接头底部发现了动态再结晶后生成的细小铁素体晶粒。Chung等利用FSW对含碳量0.85%的工具钢进行焊接,研究认为当接头最高温度超过共析转变温度A1时,接头处就会生成马氏体。Sun等对含碳量0.45%碳钢板进行了焊接,保持接头温度低于共析转变温度,限制了马氏体生成,焊接无缺陷,且细化了接头处晶粒,接头处形成马氏体和贝氏体。Lakshminarayanan等对含碳量0.026%的不锈钢进行焊接,在接头中检测到细化的铁素体和马氏体。综上,研究认为黑色金属的化学成分、焊接温度和焊后冷却方式影响了接头的组织和力学性能。
球墨铸铁性价比较高,在大型风电件、矿机设备、发电件上,需要对球墨铸铁与低碳钢进行搭接焊,但球墨铸铁熔焊接过程中容易出现裂纹、孔洞和力学性能恶化。而且现有技术存在以下缺陷:由于球墨铸铁含碳量较高,与低碳钢焊接时会增加熔融材料的含碳量,随后的冷却会使焊缝处生成马氏体组织,从而降低接头力学性能;黑色金属的化学成分、焊接温度和焊后冷却方式影响了接头的组织和力学性能。
发明内容
针对上述存在的技术缺陷,本发明旨在提供一种改进的球墨铸铁与低碳钢搅拌摩擦搭接焊方法,可显著提高接头的力学性能。
为了实现上述技术效果,本发明具体通过以下技术方案实现:
一种球墨铸铁与低碳钢搅拌摩擦搭接焊的方法,具体包括以下步骤:
1)分别对球墨铸铁和低碳钢进行前期处理使得规格形状相匹配,去除焊接面的氧化层,并用丙酮清洗吹干;
2)利用搅拌摩擦机进行搅拌摩擦搭接焊,将工件固定在工作台夹具上,调整主轴,启动主轴带动搅拌头旋转,随后控制搅拌头边旋转边插入被焊工件,轴肩最低端压入工件上表面0.15~0.25mm后停止插入;
3)预热5秒,开启主轴振动开关,振幅20μm,振动频率22~26KHz,启动主轴横向进给,保持搅拌头向下的顶锻压力为16~18KN;
4)截取接头横截面进行进行试样镶嵌,并进行研磨和抛光,4%硝酸酒精溶液腐蚀后,利用光学显微镜观察宏观形貌。
所述的搅拌摩擦搭接焊的条件为:环境温度保持在25~30℃,湿度35%~45%。
所述的搅拌摩擦搭接焊采用的搅拌头为平面圆锥型,材料为碳化钨合金(Co含量为13wt%),轴肩直径为10mm~14mm。
所述的主轴调整具体为调整主轴倾斜角度为1~3°。
所述的搅拌头转速范围为600~1100rpm,插入被焊工件的速度为0.04mm/s。
所述的主轴横向进给速度为60mm/min。
本发明的有益效果为:
搅拌摩擦焊属于低温焊接技术,利用搅拌摩擦搭接焊对球墨铸铁和低碳钢进行焊接,不会因温度过高使焊缝处形成裂纹、孔洞,而影响焊接接头的强度;不会因高温作用在焊接接头处形成马氏体而影响焊接接头的强度;搅拌摩擦作用有利于促使焊接接头处石墨均匀分布,从而促进接头材料充分接合,提高接头拉伸强度。
附图说明
图1是本发明实施例1焊接品搅拌区电镜图;
图2是本发明实施例2焊接品搅拌区电镜图;
图3是本发明实施例3焊接品搅拌区电镜图;
图4是本发明实施例4焊接品搅拌区电镜图;
图5是本发明实施例5焊接品搅拌区电镜图;
图6是本发明实施例6焊接品搅拌区电镜图;
图7是本发明实施例7焊接品搅拌区电镜图。
具体实施方式
下面将结合本发明具体的实施例,对本发明技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本发明实施例中采用奥氏体基球墨铸铁和08F低碳钢作为母材,其化学成分如表1所示,利用搅拌摩擦搭接焊进行焊接,搅拌头转速范围为600~1100rpm,搅拌头进给速度分别为60mm/min。焊接用有针搅拌头为平面圆锥型,轴肩直径为12mm,搅拌针直径和长度分别为3.6mm和2.8mm。
表1母材化学成分表
实施例1
利用搅拌摩擦搭接焊,对奥氏体基球墨铸铁和08F低碳钢进行焊接,先将厚1.2mm的08F钢加工成95mm×40mm,将厚3mm的球墨铸铁加工成95mm×40mm,然后去除焊接面的氧化层、用丙酮清洗并吹干;利用搅拌摩擦机进行搅拌摩擦搭接焊,环境温度保持在25~30℃,湿度35%~45%。焊接所用搅拌头为平面圆锥型,材料为碳化钨合金(Co含量为13wt%),轴肩直径为12mm,搅拌针直径和长度分别为3.6mm和2.8mm。首先将工件固定在工作台夹具上,调整主轴倾斜角度为1~3°,启动主轴带动搅拌头旋转,搅拌头转速为600rpm,随后控制搅拌头边旋转边插入被焊工件,插入速度为0.04mm/s,轴肩最低端压入工件上表面0.2mm后停止插入,主轴插入被焊工件后预热5秒,随后开启主轴振动开关,振幅20μm,振动频率22~26KHz,启动主轴横向进给,进给速度为60mm/min,保持搅拌头向下的顶锻压力为16~18KN,截取接头横截面进行进行试样镶嵌,并进行研磨和抛光,4%硝酸酒精溶液腐蚀后,利用光学显微镜观察宏观形貌。
取试样,利用电子万能实验机进行拉剪实验,夹头移动速度2mm/min,各参数试样进行多次拉伸,取三个可靠的拉伸断裂载荷求平均值,断裂载荷与接头宽度比值即为拉剪强度。对搭接焊接头进行拉剪实验,得到拉剪最大载荷为1200N/cm,断裂于搅拌区,搅拌区石墨分布如图1所示。
实施例2
利用搅拌摩擦搭接焊,对奥氏体基球墨铸铁和08F低碳钢进行焊接,先将厚1.2mm的08F钢加工成95mm×40mm,将厚3mm的球墨铸铁加工成95mm×40mm,然后去除焊接面的氧化层、用丙酮清洗并吹干;利用搅拌摩擦机进行搅拌摩擦搭接焊,环境温度保持在25~30℃,湿度35%~45%。焊接所用搅拌头为平面圆锥型,材料为碳化钨合金(Co含量为13wt%),轴肩直径为12mm,搅拌针直径和长度分别为3.6mm和2.8mm。首先将工件固定在工作台夹具上,调整主轴倾斜角度为1~3°,启动主轴带动搅拌头旋转,搅拌头转速为700rpm,随后控制搅拌头边旋转边插入被焊工件,插入速度为0.04mm/s,轴肩最低端压入工件上表面0.2mm后停止插入,主轴插入被焊工件后预热5秒,随后开启主轴振动开关,振幅20μm,振动频率22~26KHz,启动主轴横向进给,进给速度为60mm/min,保持搅拌头向下的顶锻压力为16~18KN,截取接头横截面进行进行试样镶嵌,并进行研磨和抛光,4%硝酸酒精溶液腐蚀后,利用光学显微镜观察宏观形貌。
取试样,利用电子万能实验机进行拉剪实验,夹头移动速度2mm/min,各参数试样进行多次拉伸,取三个可靠的拉伸断裂载荷求平均值,断裂载荷与接头宽度比值即为拉剪强度。对搭接焊接头进行拉剪实验,得到拉剪最大载荷为1150N/cm,断裂于搅拌区,搅拌区石墨分布如图2所示。
实施例3
利用搅拌摩擦搭接焊,对奥氏体基球墨铸铁和08F低碳钢进行焊接,先将厚1.2mm的08F钢加工成95mm×40mm,将厚3mm的球墨铸铁加工成95mm×40mm,然后去除焊接面的氧化层、用丙酮清洗并吹干;利用搅拌摩擦机进行搅拌摩擦搭接焊,环境温度保持在25~30℃,湿度35%~45%。焊接所用搅拌头为平面圆锥型,材料为碳化钨合金(Co含量为13wt%),轴肩直径为12mm,搅拌针直径和长度分别为3.6mm和2.8mm。首先将工件固定在工作台夹具上,调整主轴倾斜角度为1~3°,启动主轴带动搅拌头旋转,搅拌头转速为800rpm,随后控制搅拌头边旋转边插入被焊工件,插入速度为0.04mm/s,轴肩最低端压入工件上表面0.2mm后停止插入,主轴插入被焊工件后预热5秒,随后开启主轴振动开关,振幅20μm,振动频率22~26KHz,启动主轴横向进给,进给速度为60mm/min,保持搅拌头向下的顶锻压力为16~18KN,截取接头横截面进行进行试样镶嵌,并进行研磨和抛光,4%硝酸酒精溶液腐蚀后,利用光学显微镜观察宏观形貌。
取试样,利用电子万能实验机进行拉剪实验,夹头移动速度2mm/min,各参数试样进行多次拉伸,取三个可靠的拉伸断裂载荷求平均值,断裂载荷与接头宽度比值即为拉剪强度。对搭接焊接头进行拉剪实验,得到拉剪最大载荷为1120N/cm,断裂于搅拌区,搅拌区石墨分布如图3所示。
实施例4
利用搅拌摩擦搭接焊,对奥氏体基球墨铸铁和08F低碳钢进行焊接,先将厚1.2mm的08F钢加工成95mm×40mm,将厚3mm的球墨铸铁加工成95mm×40mm,然后去除焊接面的氧化层、用丙酮清洗并吹干;利用搅拌摩擦机进行搅拌摩擦搭接焊,环境温度保持在25~30℃,湿度35%~45%。焊接所用搅拌头为平面圆锥型,材料为碳化钨合金(Co含量为13wt%),轴肩直径为12mm,搅拌针直径和长度分别为3.6mm和2.8mm。首先将工件固定在工作台夹具上,调整主轴倾斜角度为1~3°,启动主轴带动搅拌头旋转,搅拌头转速为850rpm,随后控制搅拌头边旋转边插入被焊工件,插入速度为0.04mm/s,轴肩最低端压入工件上表面0.2mm后停止插入,主轴插入被焊工件后预热5秒,随后开启主轴振动开关,振幅20μm,振动频率22~26KHz,启动主轴横向进给,进给速度为60mm/min,保持搅拌头向下的顶锻压力为16~18KN,截取接头横截面进行进行试样镶嵌,并进行研磨和抛光,4%硝酸酒精溶液腐蚀后,利用光学显微镜观察宏观形貌。
取试样,利用电子万能实验机进行拉剪实验,夹头移动速度2mm/min,各参数试样进行多次拉伸,取三个可靠的拉伸断裂载荷求平均值,断裂载荷与接头宽度比值即为拉剪强度。对搭接焊接头进行拉剪实验,得到拉剪最大载荷为3050N/cm,断裂于搅拌区,搅拌区石墨分布如图4所示。
实施例5
利用搅拌摩擦搭接焊,对奥氏体基球墨铸铁和08F低碳钢进行焊接,先将厚1.2mm的08F钢加工成95mm×40mm,将厚3mm的球墨铸铁加工成95mm×40mm,然后去除焊接面的氧化层、用丙酮清洗并吹干;利用搅拌摩擦机进行搅拌摩擦搭接焊,环境温度保持在25~30℃,湿度35%~45%。焊接所用搅拌头为平面圆锥型,材料为碳化钨合金(Co含量为13wt%),轴肩直径为12mm,搅拌针直径和长度分别为3.6mm和2.8mm。首先将工件固定在工作台夹具上,调整主轴倾斜角度为1~3°,启动主轴带动搅拌头旋转,搅拌头转速为900rpm,随后控制搅拌头边旋转边插入被焊工件,插入速度为0.04mm/s,轴肩最低端压入工件上表面0.2mm后停止插入,主轴插入被焊工件后预热5秒,随后开启主轴振动开关,振幅20μm,振动频率22~26KHz,启动主轴横向进给,进给速度为60mm/min,保持搅拌头向下的顶锻压力为16~18KN,截取接头横截面进行进行试样镶嵌,并进行研磨和抛光,4%硝酸酒精溶液腐蚀后,利用光学显微镜观察宏观形貌。
取试样,利用电子万能实验机进行拉剪实验,夹头移动速度2mm/min,各参数试样进行多次拉伸,取三个可靠的拉伸断裂载荷求平均值,断裂载荷与接头宽度比值即为拉剪强度。对搭接焊接头进行拉剪实验,得到拉剪最大载荷为3900N/cm,断裂于搅拌区,搅拌区石墨分布如图5所示。
实施例6
利用搅拌摩擦搭接焊,对奥氏体基球墨铸铁和08F低碳钢进行焊接,先将厚1.2mm的08F钢加工成95mm×40mm,将厚3mm的球墨铸铁加工成95mm×40mm,然后去除焊接面的氧化层、用丙酮清洗并吹干;利用搅拌摩擦机进行搅拌摩擦搭接焊,环境温度保持在25~30℃,湿度35%~45%。焊接所用搅拌头为平面圆锥型,材料为碳化钨合金(Co含量为13wt%),轴肩直径为12mm,搅拌针直径和长度分别为3.6mm和2.8mm。首先将工件固定在工作台夹具上,调整主轴倾斜角度为1~3°,启动主轴带动搅拌头旋转,搅拌头转速为1000rpm,随后控制搅拌头边旋转边插入被焊工件,插入速度为0.04mm/s,轴肩最低端压入工件上表面0.2mm后停止插入,主轴插入被焊工件后预热5秒,随后开启主轴振动开关,振幅20μm,振动频率22~26KHz,启动主轴横向进给,进给速度为60mm/min,保持搅拌头向下的顶锻压力为16~18KN,截取接头横截面进行进行试样镶嵌,并进行研磨和抛光,4%硝酸酒精溶液腐蚀后,利用光学显微镜观察宏观形貌。
取试样,利用电子万能实验机进行拉剪实验,夹头移动速度2mm/min,各参数试样进行多次拉伸,取三个可靠的拉伸断裂载荷求平均值,断裂载荷与接头宽度比值即为拉剪强度。对搭接焊接头进行拉剪实验,得到拉剪最大载荷为3906N/cm,断裂于搅拌区,搅拌区石墨分布如图6所示。
实施例7
利用搅拌摩擦搭接焊,对奥氏体基球墨铸铁和08F低碳钢进行焊接,先将厚1.2mm的08F钢加工成95mm×40mm,将厚3mm的球墨铸铁加工成95mm×40mm,然后去除焊接面的氧化层、用丙酮清洗并吹干;利用搅拌摩擦机进行搅拌摩擦搭接焊,环境温度保持在25~30℃,湿度35%~45%。焊接所用搅拌头为平面圆锥型,材料为碳化钨合金(Co含量为13wt%),轴肩直径为12mm,搅拌针直径和长度分别为3.6mm和2.8mm。首先将工件固定在工作台夹具上,调整主轴倾斜角度为1~3°,启动主轴带动搅拌头旋转,搅拌头转速为1100rpm,随后控制搅拌头边旋转边插入被焊工件,插入速度为0.04mm/s,轴肩最低端压入工件上表面0.2mm后停止插入,主轴插入被焊工件后预热5秒,随后开启主轴振动开关,振幅20μm,振动频率22~26KHz,启动主轴横向进给,进给速度为60mm/min,保持搅拌头向下的顶锻压力为16~18KN,截取接头横截面进行进行试样镶嵌,并进行研磨和抛光,4%硝酸酒精溶液腐蚀后,利用光学显微镜观察宏观形貌。
取试样,利用电子万能实验机进行拉剪实验,夹头移动速度2mm/min,各参数试样进行多次拉伸,取三个可靠的拉伸断裂载荷求平均值,断裂载荷与接头宽度比值即为拉剪强度。对搭接焊接头进行拉剪实验,得到拉剪最大载荷为3800N/cm,断裂于搅拌区,搅拌区石墨分布如图7所示。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (6)
1.一种球墨铸铁与低碳钢搅拌摩擦搭接焊的方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)分别对球墨铸铁和低碳钢进行前期处理是的规格形状相匹配,去除焊接面的氧化层,并用丙酮清洗吹干;
2)利用搅拌摩擦机进行搅拌摩擦搭接焊,将工件固定在工作台夹具上,调整主轴,启动主轴带动搅拌头旋转,随后控制搅拌头边旋转边插入被焊工件,轴肩最低端压入工件上表面0.15~0.25mm后停止插入;
3)预热5秒,开启主轴振动开关,振幅20μm,振动频率22~26KHz,启动主轴横向进给,保持搅拌头向下的顶锻压力为16~18KN;
4)截取接头横截面进行进行试样镶嵌,并进行研磨和抛光,4%硝酸酒精溶液腐蚀后,利用光学显微镜观察宏观形貌。
2.根据权利要求1所述的一种球墨铸铁与低碳钢搅拌摩擦搭接焊的方法,其特征在于,所述的搅拌摩擦搭接焊的条件为:环境温度保持在25~30℃,湿度35%~45%。
3.根据权利要求1所述的一种球墨铸铁与低碳钢搅拌摩擦搭接焊的方法,其特征在于,所述的搅拌摩擦搭接焊采用的搅拌头为平面圆锥型,材料为碳化钨合金,轴肩直径为10mm~14mm。
4.根据权利要求1所述的一种球墨铸铁与低碳钢搅拌摩擦搭接焊的方法,其特征在于,所述的主轴调整具体为调整主轴倾斜角度为1~3°。
5.根据权利要求1所述的一种球墨铸铁与低碳钢搅拌摩擦搭接焊的方法,其特征在于,所述的搅拌头转速范围为600~1100rpm,插入被焊工件的速度为0.04mm/s。
6.根据权利要求1所述的一种球墨铸铁与低碳钢搅拌摩擦搭接焊的方法,其特征在于,所述的主轴横向进给速度为60mm/min。
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Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20181116 |
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