CN109551102A - 一种YG8硬质合金与40Cr结构钢的焊接方法 - Google Patents

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Abstract

针对YG8硬质合金与40Cr结构钢这两种材料物理、化学性能差异大，焊接性很差，极易产生淬硬组织和裂纹等问题，本发明提供一种YG8硬质合金与40Cr结构钢的焊接方法，所述焊接方法运用了惯性摩擦焊技术，包括以下步骤：准备阶段，将需要焊接的40Cr结构钢、过渡层金属进行预处理；焊接阶段，将过渡层金属材料放置于焊接面的所述台阶孔中，移动滑台，使YG8硬质合金与40Cr结构钢焊接面接触，启动焊接程序；除应力阶段，将焊接好的产品放入所述加热炉中，随炉升温至500℃并保温3～6h，然后随炉冷却至≤150℃后出炉空冷。本发明运用了惯性摩擦焊技术，焊接瞬时温升快、焊接时间短、热影响区窄且组织无明显粗化，很大程度地避免了接头组织的恶化，以及脆性相的产生。

Description

一种YG8硬质合金与40Cr结构钢的焊接方法
技术领域
本发明涉及惯性摩擦焊焊接技术领域，具体涉及一种YG8硬质合金与40Cr结构钢的焊接方法。
背景技术
YG8硬质合金材料常常要焊接到40Cr结构钢上使用，YG8硬质合金主要成分为碳化钨颗粒，加入8％的钴作为粘结剂，其密度为14.5g/cm3，硬度为HRC79，线膨胀系数是40Cr结构钢的1/3。由于这两种材料物理、化学性能差异大，所以焊接性很差，极易产生淬硬组织和裂纹。传统的焊接方式一般采用钎焊，在钎焊后的冷却过程中会产生很大应力，易使硬质合金产生裂纹，能耗高、污染大、效率低，质量稳定性不高。现在硬质合金应用于许多新兴技术开发市场，工况严苛，焊接接头要求较高的强度和其它物理性能，所以，为这两种材料寻求一种更为合理的，质量更为可靠的连接方式，成为业界难题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述缺点和不足，提供一种YG8硬质合金与40Cr结构钢的焊接方法，本发明解决其技术问题是采用以下技术方案实现的：
一种YG8硬质合金与40Cr结构钢的焊接方法，其特征在于，所述焊接方法包括以下步骤：
准备阶段：将需要焊接的40Cr结构钢、中间过渡层金属进行预处理，使所述40Cr结构钢的焊接面形成台阶孔，待惯性摩擦焊设备的液压系统油温升至25～45℃；将40Cr结构钢放置加热炉中预热至300℃，保温30～50min；
焊接阶段：将中间过渡层金属材料放置于40Cr结构钢焊接面的所述台阶孔中，将YG8硬质合金与40Cr结构钢分别用所述旋转夹具或移动夹具固定，移动滑台，使YG8硬质合金与40Cr结构钢焊接面自找正，确定位移浮动原点位置后，使YG8硬质合金与40Cr结构钢焊接面接触，启动焊接程序；
除应力阶段：将焊接好的产品放入所述加热炉中，随炉升温至500℃并保温3～6h，然后随炉冷却至≤150℃后出炉空冷。
进一步的，准备阶段中对40Cr结构钢、中间过渡层金属进行所述预处理过程为：对40Cr结构钢、中间过渡层金属进行加工，所述中间过渡层金属材料面积等于所述台阶孔的面积，对YG8硬质合金进行表面探伤。
进一步的，所述台阶孔的底部设置多个均匀分布的小孔。
进一步的，多个所述小孔在所述台阶孔底部呈环形均匀排列。
进一步的，YG8硬质合金的直径为24mm时，所述焊接阶段中焊接程序步骤：当所述旋转夹具和飞轮转速达到1600～2000r/min后，YG8硬质合金与40Cr结构钢接触，预摩擦开始；待转速降至1000～1200r/min，开始摩擦；转速降至600～1000r/min，顶锻开始；顶锻结束后，保压20s。
进一步的，上述所述焊接程序中预摩擦阶段压力为55～70MPa，摩擦阶段压力为80～100MPa，顶锻阶段压力为160～200MPa。
进一步的，上述焊接阶段中焊接程序的主要参数为：
预摩擦转速：1650～1900r/min，
预摩擦阶段压力为58～65MPa，
摩擦转速：1050～1150r/min，
摩擦压力：85～95MPa，
顶锻转速：700～900r/min，
顶锻压力：170～190MPa，
转动惯量：0.527kg·m2。
进一步的，所述中间过渡层金属材料为纯镍。
本发明一种YG8硬质合金与40Cr结构钢的焊接方法，其有益效果在于：
本发明针对YG8硬质合金与40Cr结构钢这两种材料物理、化学性能差异大，焊接性很差，极易产生淬硬组织和裂纹等问题，采用惯性摩擦焊技术对其进行焊接，发挥其总能量能够准确控制、瞬时温升快、焊接时间短、热影响区窄且组织无明显粗化的优势，很大程度地避免了接头组织的恶化，以及脆性相的产生。中间过渡层金属吸收摩擦焊过程中所产生的相变应力，并通过热扩散改善接头组织和性能。并采用台阶孔底部环形分布小孔的中间接头形式及焊前预热、焊后除应力的热处理工艺，避免了焊接裂纹的产生，解决了焊接过程中和焊接后加工过程中产生裂纹、质量不稳定的问题，接头的结合强度满足设计和使用要求。
具体实施方式
下面进一步阐述本发明的具体实施方式：
一种YG8硬质合金与40Cr结构钢的焊接方法，其特征在于，所述焊接方法包括以下步骤：
准备阶段：安装飞轮、旋转夹具和移动夹具，将需要焊接的40Cr结构钢、中间过渡层金属进行预处理，使40Cr结构钢的焊接面形成台阶孔，待惯性摩擦焊设备的液压系统中油温升至25～45℃；将40Cr结构钢放置加热炉中预热至300℃，保温30～50min；
焊接阶段：将中间过渡层金属材料放置于40Cr结构钢焊接面的台阶孔中，将YG8硬质合金与40Cr结构钢分别用旋转夹具或移动夹具固定，移动滑台，使YG8硬质合金与40Cr结构钢的焊接面自找正，确定位移浮动原点位置后，使YG8硬质合金与40Cr结构钢焊接面接触，启动焊接程序；
除应力阶段：将焊接好的产品放入所述加热炉中，随炉升温至500℃并保温3～6h，然后随炉冷却至≤150℃后出炉空冷。
由于YG8硬质合金线膨胀系数是40Cr钢的1/3，两者物理、化学性能差异大，焊接性差，易产生裂纹，是焊接方面的技术难题。本发明采用惯性摩擦焊技术，对YG8硬质合金与40Cr结构钢进行焊接，发挥其总能量能够准确控制、瞬时温升快、焊接时间短、热影响区窄且组织无明显粗化的优势，很大程度地避免了接头组织的恶化，以及脆性相的产生。采用台阶孔的中间接头形式及焊前预热、焊后除应力的热处理工艺，避免了焊接裂纹的产生。
在一具体实施例中，YG8硬质合金用旋转夹具固定，40Cr结构钢用移动夹具固定。
在另一具体实施例中，YG8硬质合金用移动夹具固定，40Cr结构钢用旋转夹具固定。
在一具体实施例中，准备阶段中对40Cr结构钢、中间过渡层金属进行预处理过程为：对40Cr结构钢、中间过渡层金属进行加工，使YG8硬质合金、40Cr结构钢焊接面平行对应，中间过渡层金属材料面积等于台阶孔的面积，对YG8硬质合金进行表面探伤。在焊接过程中，YG8硬质合金与40Cr结构钢分别装入旋转夹具或移动夹具，两者的焊接端面对应，过渡层金属材料放入台阶孔内，使中间过渡层金属材料厚度等于台阶孔的高度。中间过渡层金属材料的作用是吸收摩擦焊过程中所产生的相变应力，并通过热扩散改善接头组织和性能。在一优选实施例中，过渡层金属材料为纯镍。
在一具体实施例中，台阶孔为40Cr结构钢的焊接面向内凹陷形成，台阶孔的底部设置多个均匀分布的小孔。多个小孔在台阶孔的底部围绕设置于台阶孔中心的小孔呈环形均匀排列。采用这种焊接接头的设计，中间过渡层金属在焊接过程中以及焊后均起到了缓冲的作用，不仅避免了因装夹精度误差导致摩擦接触初期的冲击，而且在顶锻变形结束后，接头中仍然有足够的过渡层金属，起到了吸收应力和金相组织的过渡作用，保证了接头最终的性能满足并超过设计和使用要求。
在一具体实施例中，YG8硬质合金的直径为24mm时，上述焊接阶段中焊接程序步骤为：当旋转夹具和飞轮转速达到1600～2000r/min后，YG8硬质合金与40Cr结构钢接触，预摩擦开始；待转速降至1000～1200r/min，开始摩擦；转速降至600～1000r/min，顶锻开始；顶锻结束后，保压20s。焊接程序中预摩擦阶段压力为55～70MPa，摩擦阶段压力为80～100MPa，顶锻阶段压力为160～200MPa。
在一优选实施例中，YG8硬质合金的直径为24mm时，上述焊接阶段中焊接程序的主要参数为：
预摩擦转速：1650～1900r/min，
预摩擦阶段压力为58～65MPa，
摩擦转速：1050～1150r/min，
摩擦压力：85～95MPa，
顶锻转速：700～900r/min，
顶锻压力：170～190MPa，
转动惯量：0.527kg·m2。
实施例一：
一种YG8硬质合金与40Cr结构钢的焊接方法包括以下步骤：焊接件选用直径为24mm的YG8硬质合金及相配套的40Cr结构钢，
准备阶段：安装飞轮、旋转夹具和移动夹具，选用直径为24mm的YG8硬质合金，将需要焊接的40Cr结构钢、中间过渡层金属进行加工，使YG8硬质合金、40Cr结构钢焊接面平行对应，使40Cr结构钢的焊接面形成台阶孔，中间过渡层金属材料面积等于台阶孔的面积，然后对YG8硬质合金进行表面探伤。待惯性摩擦焊设备的液压系统中油温升至30℃；将40Cr结构钢放置加热炉中预热至300℃，保温30min，准备焊接。
焊接阶段：将过渡层金属材料放置于40Cr结构钢焊接面的台阶孔中，将YG8硬质合金与40Cr结构钢分别用移动夹具、旋转夹具固定，移动滑台，使YG8硬质合金与40Cr结构钢的焊接面自找正，确定位移浮动原点位置后，YG8硬质合金与40Cr结构钢的焊接面接触，启动焊接程序；旋转夹具和飞轮旋转提速，当旋转夹具和飞轮转速达到1700r/min后，YG8硬质合金与40Cr结构钢的焊接面接触，预摩擦开始；待转速降至1000r/min，保持压力85MPa，开始摩擦；当转速降至800r/min，压力变为180MPa，顶锻开始；顶锻结束后，保压20s，焊接结束。
除应力阶段：将焊接好的产品放入加热炉中，随炉升温至500℃并保温4h，然后随炉冷却至150℃后出炉空冷。冷却后的产品对其进行加工去飞边，然后对产品进行表面着色探伤，无缺陷后进入后续加工工序。
实施例二：
一种YG8硬质合金与40Cr结构钢的焊接方法包括以下步骤：焊接件选用直径为24mm的YG8硬质合金及相配套的40Cr结构钢，
准备阶段：安装飞轮、旋转夹具和移动夹具，将需要焊接的40Cr结构钢、中间过渡层金属进行加工，使YG8硬质合金、40Cr结构钢焊接面平行对应，使40Cr结构钢的焊接面形成台阶孔，中间过渡层金属材料面积等于台阶孔的面积，然后对YG8硬质合金进行表面探伤。待惯性摩擦焊设备的液压系统中油温升至30℃；将40Cr结构钢放置加热炉中预热至300℃，保温40min，准备焊接。
焊接阶段：将中间过渡层金属材料放置于40Cr结构钢焊接面的台阶孔中，将YG8硬质合金与40Cr结构钢分别用旋转夹具、移动夹具固定，移动滑台，使YG8硬质合金与40Cr结构钢的焊接面自找正，确定位移浮动原点位置后，YG8硬质合金与40Cr结构钢的焊接面接触，启动焊接程序；旋转夹具和飞轮旋转提速，当旋转夹具和飞轮转速达到1800r/min后，YG8硬质合金与40Cr结构钢的焊接面接触，预摩擦开始；待转速降至1100r/min，保持压力95MPa，开始摩擦；当转速降至900r/min，压力变为185MPa，顶锻开始；顶锻结束后，保压20s，焊接结束。
除应力阶段：将焊接好的产品放入加热炉中，随炉升温至500℃并保温3～6h，然后随炉冷却至120℃后出炉空冷。冷却后的产品对其进行加工去飞边，然后对产品进行表面着色探伤，无缺陷后进入后续加工工序。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及核心思想，并不用以限制本发明，同时，对于本领域一般技术人员，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应该包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种YG8硬质合金与40Cr结构钢的焊接方法，其特征在于，所述焊接方法包括以下步骤：
准备阶段：将需要焊接的40Cr结构钢、中间过渡层金属进行预处理，使所述40Cr结构钢的焊接面形成台阶孔，待惯性摩擦焊设备的液压系统油温升至25～45℃；将40Cr结构钢放置加热炉中预热至300℃，保温30～50min；
焊接阶段：将中间过渡层金属材料放置于40Cr结构钢焊接面的所述台阶孔中，将YG8硬质合金与40Cr结构钢分别用所述旋转夹具或移动夹具固定，移动滑台，使YG8硬质合金与40Cr结构钢焊接面自找正，确定位移浮动原点位置后，使YG8硬质合金与40Cr结构钢焊接面接触，启动焊接程序；
除应力阶段：将焊接好的产品放入所述加热炉中，随炉升温至500℃并保温3～6h，然后随炉冷却至≤150℃后出炉空冷。
2.如权利要求1所述一种YG8硬质合金与40Cr结构钢的焊接方法，其特征在于：准备阶段中对40Cr结构钢、、中间过渡层金属进行所述预处理过程为：对40Cr结构钢、中间过渡层金属进行加工，所述中间过渡层金属材料面积等于所述台阶孔的面积，对YG8硬质合金进行表面探伤。
3.如权利要求1所述一种YG8硬质合金与40Cr结构钢的焊接方法，其特征在于：所述台阶孔的底部设置多个均匀分布的小孔。
4.如权利要求3所述一种YG8硬质合金与40Cr结构钢的焊接方法，其特征在于：多个所述小孔在所述台阶孔底部呈环形均匀排列。
5.如权利要求1-4中任一项所述一种YG8硬质合金与40Cr结构钢的焊接方法，其特征在于：：YG8硬质合金的直径为24mm时，所述焊接阶段中焊接程序步骤：当所述旋转夹具和飞轮转速达到1600～2000r/min后，YG8硬质合金与40Cr结构钢接触，预摩擦开始；待转速降至1000～1200r/min，开始摩擦；转速降至600～1000r/min，顶锻开始；顶锻结束后，保压20s。
6.如权利要求5所述一种YG8硬质合金与40Cr结构钢的焊接方法，其特征在于：所述焊接程序中预摩擦阶段压力为55～70MPa，摩擦阶段压力为80～100MPa，顶锻阶段压力为160～200MPa。
7.如权利要求6所述一种YG8硬质合金与40Cr结构钢的焊接方法，其特征在于：上述焊接阶段中焊接程序的主要参数为：
预摩擦转速：1650～1900r/min，
预摩擦阶段压力为58～65MPa，
摩擦转速：1050～1150r/min，
摩擦压力：85～95MPa，
顶锻转速：700～900r/min，
顶锻压力：170～190MPa，
转动惯量：0.527kg·m2。
8.如权利要求1所述一种YG8硬质合金与40Cr结构钢的焊接方法，其特征在于：所述中间过渡层金属材料为纯镍。
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