CN109590598A

CN109590598A - 一种摩擦预热的惯性摩擦焊接工艺方法

Info

Publication number: CN109590598A
Application number: CN201811525684.1A
Authority: CN
Inventors: 秦国梁; 耿培皓; 王世路
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2018-12-13
Filing date: 2018-12-13
Publication date: 2019-04-09
Anticipated expiration: 2038-12-13
Also published as: CN109590598B

Abstract

本发明属于金属连接技术领域，尤其涉及一种摩擦预热的惯性摩擦焊接工艺方法，包括如下步骤：1)首先将待焊工件通过旋转夹具和移动夹具分别固定，将移动端工件与旋转端工件接触，对工件施加预紧力，驱动旋转端旋转，对工件的焊接面进行预热；所述预紧力不超过惯性摩擦焊接过程中摩擦压力；2)待旋转端转速达到设定转速后，将施加的预紧力增至摩擦压力，同时断开主轴和飞轮的连接，使旋转端依靠自身的惯性继续旋转；3)待工件的摩擦缩短量达到设定值或摩擦转速降至设定值后，将施加的摩擦压力增至顶锻力，保压，结束焊接。发明的方法拓宽了惯性摩擦焊工艺参数窗口，有效地利用了摩擦焊接的焊接能力，进一步提高了摩擦焊技术的工业应用价值。

Description

一种摩擦预热的惯性摩擦焊接工艺方法

技术领域

本发明涉及材料连接技术领域，尤其涉及一种摩擦预热的惯性摩擦焊接工艺，特别适用于对热输入敏感的高强合金材料以及异种材料之间的连接。

背景技术

轴向摩擦焊接是目前装备制造业中轴对称件如棒材、管材等连接的主要焊接方法之一。尤其针对传统熔化焊接方法难焊接的高合金钢如耐热钢、有色金属如铝合金等对热输入敏感的材料，轴向摩擦焊凭借其低热输入、固相焊等优势，能够成功地实现同质及异质金属之间的有效连接。轴向摩擦焊接包括连续驱动摩擦焊接和惯性摩擦焊接。在连续驱动摩擦焊中，由于主轴连续旋转，工件摩擦表面的热输入连续且恒定，但焊接过程中的总热输入量较难控制，焊接时间相对较长。因此，在焊接热物性参数差异较大的异种材料时，即便能获取成型良好接头，但由于力学性能较差而难以满足服役要求，并且采用该方法焊接异种材料时的焊接参数选择范围较窄。相比，在惯性摩擦焊接中，飞轮达到设定转速后脱离驱动电机，焊接工件端面在摩擦压力作用下相互接触并摩擦，通过设置飞轮的初始转速和质量及尺寸可以精确控制初始焊接热输入。试验和理论研究均表明惯性摩擦焊接头界面热输入更集中，接头变形区域更窄；此外，由于不会对主电机造成高扭矩影响，可加大焊接力实现大截面构件焊接。

然而，现有惯性摩擦焊技术并不能完全满足对热输入敏感的高强合金材料以及热物性差异较大的异种金属材料的焊接。对于热敏感输入的高强合金材料，惯性摩擦焊接时间短、焊接区域冷却速度快，焊接过程中容易形成脆性的淬硬相，降低接头塑韧性。当焊接热物性差异明显的异种金属时，导热率大的金属材料将大量的热量从摩擦界面导走，导致摩擦界面温度偏低而不能形成冶金结合，从而造成接头强度低。采用常规的惯性摩擦焊接，增加摩擦焊加热时间，不仅增大了接头热影响区宽度，恶化接头力学性能，而且母材消耗增加，生产效率降低。因此，有必要研究一种新的惯性摩擦焊工艺，以实现对上述材料的优质高效焊接。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明旨在于提供一种连续驱动摩擦预热的惯性摩擦焊接工艺。本发明基于摩擦预热对变形阶段材料流动和冶金扩散行为的促进作用，提出了初级连续驱动摩擦和次级惯性摩擦相结合的工艺，这种方法不但可以实现对热输入敏感的高强度合金材料连接，还能实现热物性参数差别较大的异种金属间连接，并获取性能良好的接头。此外，本发明的方法充分发挥了惯性摩擦焊接的工艺优势，拓宽了惯性摩擦焊工艺参数窗口，有效利用摩擦焊机自身焊接能力，进一步提高摩擦焊技术的工业应用价值。

本发明的目的之一是提供一种摩擦预热的惯性摩擦焊接工艺方法。

本发明的目的之二是提供上述摩擦预热的惯性摩擦焊接工艺在材料连接领域的应用。

为实现上述发明目的，本发明公开了下述技术方案：

首先，本发明公开了一种摩擦预热的惯性摩擦焊接工艺，包括如下步骤：

(1)首先将待焊工件通过旋转夹具和移动夹具分别固定，将移动端工件与旋转端工件接触，对工件施加预紧力，驱动旋转端旋转，对工件的焊接端面进行预热；所述预紧力不超过惯性摩擦焊接过程中摩擦压力；

(2)待旋转端转速达到设定转速后，将施加的预紧力增至摩擦压力，同时断开驱动电机和飞轮的连接，旋转端依靠自身惯性继续旋转，转速因摩擦作用持续降低；

(3)待工件的摩擦缩短量达到设定值或旋转端降速至设定值后，将施加的摩擦压力增至顶锻力进行顶锻，工件停止转动后继续保压，结束焊接。

具体的，所述摩擦预热的惯性摩擦焊接工艺包括如下步骤：

S1、清理工件待焊界面，将工件夹装到摩擦焊机的夹具中，旋转端夹具和移动端夹具中各夹装一工件；

S2、设置预紧力P₀、主轴转速v、摩擦压力P_f、摩擦缩短量l或旋转端降速至设定值v_s、顶锻压力P_u、和顶锻保压时间t_u参数后开始焊接；

S3、移动端的工件向旋转端的工件移动，驱动电机驱动主轴旋转，主轴带动旋转端工件开旋转，旋转端工件与移动端工件接触后在预紧力作用下相互摩擦，利用摩擦产生的热量对工件的焊接界面进行预热；待旋转端转速达到设定转速后，维持恒转速摩擦短暂时间后，将施加的预紧力增至摩擦压力，同时断开主轴和飞轮的连接，使旋转端依靠飞轮储能进入惯性摩擦阶段；在摩擦热的作用下摩擦界面材料达到高温塑性状态，在摩擦压力的作用被挤出界面形成飞边而使工件缩短，摩擦缩短量达到设定值或旋转端降速至设定值后，将施加的摩擦压力增至顶锻力，保压，卸载顶锻压力后取出工件即可。

步骤S1中，所述焊接界面处理的方法为：用砂纸清理工件待焊界面的氧化皮，同时用酒精和丙酮去除待焊界面的油污、氧化皮等。

步骤S2中，由于过低预紧力难以达到有效预热目的，而过高预紧力导致主轴扭矩增加，增大主轴电机过载可能性。因此所述预紧力优选为0.1～1.0倍的摩擦压力，以镍基高温合金为例，摩擦压力优选为150～300MPa；以合金钢和铝合金为例，摩擦压力优选为15～300MPa。

步骤S3中，所述工件接触后预紧力变为摩擦压力之前的摩擦时间即为预热时间，为连续驱动摩擦阶段；该预热时间包括工件接触后飞轮转速加速至设定速度的时间和恒转速的短暂停留时间。前者由焊接过程中预紧力大小，设定速度大小，焊件尺寸及飞轮质量等因素共同决定，后者由切断飞轮与传动主轴联接的时间决定。优选的，所述停留时间为0-1s。

步骤S2中，所述预紧力、主轴转速、摩擦压力、摩擦变形量或旋转端降速至设定值、顶锻压力和顶锻保压时间的优选范围分别为：0.1～1.0P_f，150～2500rpm，P_f，1～10mm或50～600rpm，1～2P_f，5～15s。

步骤S3中，焊接异种材料时采用低预紧力，优选为0.1～0.8倍的摩擦压力。

本发明提出了一种摩擦预热的惯性摩擦焊接工艺方法，其设计原理为：首先利用飞轮储能阶段的主轴连续旋转，预紧压力作用下对工件焊接面进行预热，即初级连续驱动摩擦。由于初级连续驱动摩擦的存在，次级惯性摩擦阶段时，常规惯性摩擦焊过程中初始不稳定摩擦阶段被缩小甚至完全消除。这主要是因为初级摩擦阶段后的界面材料接近塑性状态，界面真实接触面大小已经接近或等于界面几何面大小，进入次级惯性摩擦阶段后界面压力分布形态更稳定。因此，焊接界面更快速进入稳定摩擦阶段，飞轮能量转换为摩擦热，工件界面发生明显塑性变形。一方面，预热为界面塑性变形提供了更加稳定的变形条件，并且为界面元素扩散增加了有效时间，有利于界面冶金结合的形成；另一方面，当连续驱动摩擦方式转变为惯性摩擦方式后，界面热输入瞬间增加并且集中加热界面材料，界面元素在原有基础上加速扩散，促使金属间化合物的进一步生成。随后的顶锻阶段，达到高温塑性材料在顶锻力作用下被挤出界面形成飞边，摩擦界面实现焊合得到组织细化的接头。

与现有技术相比，本发明取得了以下有益效果：本发明利用飞轮储能阶段的主轴连续驱动实现工件表面摩擦预热后进行惯性摩擦焊接，较之常规惯性摩擦焊具有如下显著优势：

(1)连续驱动预热阶段可以提高惯性摩擦焊接阶段的焊接效率，有利于材料流动变形；并且对于塑性变形能力较差的材料，预热阶段的存在能够改善材料流动进而优化接头性能。

(2)对于焊接异种材料，连续驱动和惯性摩擦的顺序控制促进了界面冶金结合的形成，提高接头性能。相比于常规惯性摩擦焊接，采用本发明方法得到的37CrMnMo/7075超硬铝合金异种接头抗拉强度由铝合金母材强度的40％提高至70％，显著提高了接头的力学性能。

(3)与外加辅助加热装置的摩擦焊工艺相比，利用飞轮储能阶段主轴连续驱动摩擦预热，预热更具有针对性、摩擦界面上的预热也更加均匀，且易于实现过程的全自动化控制。

(4)预热阶段降低惯性摩擦焊摩擦压力，降低了对摩擦焊接容量和夹具等的特殊要求。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明所使用的惯性轴向摩擦焊接焊机结构示意图。

图2为本发明提出的摩擦预热的惯性摩擦焊接工艺原理示意图。

图3为采用实施例1的工艺方法获取的某牌号镍铁基高温合金接头横截面图。

对应实施例1，采用本发明提出的工艺方法成功获取了镍基高温合金接头，焊缝致密无缺陷。经拉伸试验测试，断裂在远离界面的母材处，强度等同于母材强度。与常规旋转摩擦焊获取接头断裂在界面处相比，采用本发明提出的工艺方法获取的接头界面强度显著提高，由低于母材强度，至高于母材强度。

图4为采用实施例2的工艺方法获取的37CrMnMo和7075超硬铝合金接头横截面图。

对应实施例2，采用本发明提出的工艺方法成功获取了37CrMnMo和7075超硬铝合金接头。接头界面致密无裂纹产生，且超硬铝合金侧飞边弯曲并未在顶锻阶段发生开裂现象。经拉伸测试后，结合强度相比常规旋转摩擦焊工艺而言，由铝合金母材的40％提高至70％。此外，通过本发明提出的工艺获取的铝钢异种接头并未发生类似于常规旋转摩擦焊接结束即出现界面开裂等焊合非常薄弱的现象，表明采用该方法能够显著提高铝钢异种界面结合强度，这与界面形成金属间化合物层等冶金行为直接相关。

附图中标记分别代表：1-焊机机座、2-主电机、3-传动带、4-传动主轴、5-离合器及主轴油箱、6-飞轮组件、7-移动端夹具、8-旋转端夹具、9-导轨、10-尾座油箱，11-推力油缸、12-液压控制系统、13-PC控制柜端夹具。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所述，现有的惯性摩擦焊并不能完全满足对热输入敏感的高强合金材料和异种材料之间的连接。因此，本发明提出了一种摩擦预热的惯性摩擦焊接工艺方法，特别适用于对热输入敏感的高强合金材料和异种材料之间的连接；现结合附图及具体实施方式对本发明进一步进行说明。

实施例1

如图1、2、3所示，采用摩擦预热的惯性摩擦焊接工艺实现直径10.5mm的镍铁基高温合金棒材连接，包括如下步骤：

(1)采用HSMZ-4型轴向摩擦焊机，飞轮转动惯量1.0kg·m²，采用焊接开始前，确定预紧力300MPa、主轴转速1200rpm、摩擦压力300MPa、摩擦缩短量1mm、顶锻压力300MPa、保压时间5s，通过PC控制界面13输入焊接工艺参数；

(2)焊接开始：首先，液压控制系统12调节油缸压力满足参数需求，将工件夹装到摩擦焊机的夹具中，旋转端夹具8和移动端夹具7中各夹装一工件，且工件、旋转端和移动端夹具保持同轴；

(3)启动准备按钮后，推力油缸11控制尾座油箱10通过导轨9移动至位移控制器的限位处，并以设定预紧力继续前进直至工件接触后停止，此时位移传感器读数归零。启动焊接按钮后，主轴电机2旋转并通过传动带3带动主轴4及飞轮6旋转，进而带动旋转端工件转动，与移动端工件之间开始摩擦预热，当飞轮6速度传感器读取速度达到设定的主轴转速后，维持恒定转速0.1s，期间液压系统12调控尾座推力油缸11压力增加至设定摩擦压力；

(4)待摩擦压力到设定值后，主轴油箱内离合器5将主轴与主电机2分离，分离后主电机2电源切断。至此，连续驱动摩擦阶段结束，旋转端依靠自身的转动惯量继续转动；焊接过程进入惯性摩擦阶段，速度传感器检测飞轮速度实时变化，位移传感器实时检测工件缩短量持续增加，待工件的摩擦缩短量减小到设定值时，尾座推力油缸压力11增加到顶锻压力，工件停止转动后继续保压5s。主轴旋转夹具8松开，尾座油箱沿滑轨后退至位移控制器限位处，同时松开移动夹具7，焊接过程完成。

实施例2

如图1、2、4所示，采用摩擦预热的惯性摩擦焊接工艺实现直径均为10mm的37CrMoV合金钢和7075铝合金棒材的连接，包括如下步骤：

(1)采用HSMZ-4型轴向摩擦焊机，飞轮转动惯量0.8kg·m²，焊接开始前，确定预紧力20MPa、主轴转速1600rpm、摩擦压力120MPa、缩短量设定值1mm、顶锻压力120MPa、保压时间15s，通过PC界面输入焊接控制系统13；

(3)启动准备按钮后，推力油缸控制尾座油箱12移动至位移控制器的限位处，并以设定预紧力继续前进直至工件接触后停止，此时位移传感器读数归零。启动焊接按钮后，主轴电机2启动并带动主轴4及飞轮6旋转，进而带动旋转端工件转动，与移动端工件之间开始摩擦预热，当飞轮6速度传感器读取速度达到设定的主轴转速后，维持恒定转速0.1s，期间液压系统12调控尾座推力油缸压力11增加至设定摩擦压力；

(4)待摩擦压力到设定值后，主轴油箱内离合器5将主轴与主电机2分离，分离后主电机2电源切断。至此，连续驱动摩擦阶段结束，旋转端依靠飞轮动量继续转动；焊接过程进入惯性摩擦阶段，速度传感器实时检测飞轮速度持续降低，位移传感器实时检测工件缩短量持续增加，待缩短量达到3mm时，尾座推力油缸压力11增加到顶锻压力，工件停止转动后继续保压15s。主轴旋转夹具8松开，尾座油箱沿滑轨后退至位移控制器限位处，同时松开移动夹具7，焊接过程完成。

以上所述仅为本申请的优选实施例，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims

1.一种摩擦预热的惯性摩擦焊接工艺，其特征在于，所述工艺包括如下步骤：

(1)首先将待焊工件通过旋转夹具和移动夹具分别固定，将移动端工件与旋转端工件接触，对工件施加预紧力，利用主轴电机驱动旋转端旋转，对工件的焊接面进行预热；所述预紧力不超过惯性摩擦焊接过程中摩擦压力；

(2)待旋转端转速达到设定转速后，将施加的预紧力增至摩擦压力，同时断开驱动电机和飞轮的连接，使旋转端依靠飞轮自身惯性继续旋转；

(3)待工件的摩擦缩短量达到设定值或旋转端降速至设定值后，将施加的摩擦压力增至顶锻力，工件停止转动后继续保压，结束焊接。

2.如权利要求1所述的摩擦预热的惯性摩擦焊接工艺，其特征在于，具体包括如下步骤：

S2、设置预紧力、主轴转速、摩擦压力、摩擦缩短量或旋转端降速至设定值、顶锻压力、保压时间参数后开始焊接；

S3、移动端的工件向旋转端的工件移动，主轴带动旋转端工件开旋转，旋转端工件与移动端工件接触后在预紧力作用下对工件的焊接界面进行预热；待旋转端转速达到设定转速后，将施加的预紧力增至摩擦压力，同时断开主轴和飞轮的连接，使旋转端工件依靠飞轮动量进入惯性摩擦阶段；工件接头处摩擦变形，摩擦缩短量达到设定值或旋转端降速至设定值后，将施加的摩擦压力增至顶锻力，保压，卸载顶锻压力后取出工件即可。

3.如权利要求2所述的摩擦预热的惯性摩擦焊接工艺，其特征在于，步骤S1中，所述焊接界面处理的方法为：用砂纸清理工件待焊界面的氧化皮，同时用酒精和丙酮去除待焊界面的油污、氧化皮等。

4.如权利要求2所述的摩擦预热的惯性摩擦焊接工艺，其特征在于，步骤S2中，所述预紧力为0.1～1.0倍的摩擦压力。

5.如权利要求4所述的摩擦预热的惯性摩擦焊接工艺，其特征在于，焊接镍基高温合金时摩擦压力为150～300MPa；优选的，焊接合金钢和铝合金时摩擦压力为15～300MPa。

6.如权利要求2所述的摩擦预热的惯性摩擦焊接工艺，其特征在于，步骤S2中，所述预紧力、主轴转速、摩擦压力、摩擦变形量或旋转端降速至设定值、顶锻压力和顶锻保压时间的优选范围分别为：0.1～1.0P_f,150～2500rpm，P_f，1～10mm或50～600rpm，1～2P_f，5～15s。

7.如权利要求2所述的摩擦预热的惯性摩擦焊接工艺，其特征在于，步骤S3中，所述旋转端转速达到设定转速的时间和恒速停留时间的总和即为预热时间。

8.如权利要求2所述的摩擦预热的惯性摩擦焊接工艺，其特征在于，步骤S3中，所述连续驱动阶段和惯性驱动阶段之间的停留时间由飞轮达到额定转速后，切断与传动主轴联接的时间决定，优选的，所述停留时间为0-1s。

9.如权利要求2-8任一项所述的摩擦预热的惯性摩擦焊接工艺，其特征在于，步骤S3中，焊接异种材料时预紧力为0.1～0.8倍的摩擦压力。

10.如权利要求1-9任一项所述的摩擦预热的惯性摩擦焊接工艺在异种金属连接中的应用。