CN1114514C - 一种异金属接头的制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种异种金属摩擦焊制造方法，即将较硬的金属端面加工成一道或数道环形槽沟，较软的金属一侧则加工成简单的平面，然后在摩擦焊机上让两种金属高速相对运动，同时施加足够的轴向压力，在摩擦热作用下，较软的金属端面首先软化，并产生塑性形变，并被同时作用在拉接头上的轴向力挤入较硬金属端面预先加工的沟槽内，达到牢固连接的目的；其环形沟槽横截面为倒锥形槽，具体是槽底的宽度大于槽顶的宽度。采用本发明使界面冶金结合完全无效的情况下，接头仍可依靠键槽的机械键合获得一定的轴向连接强度和弯曲强度；可低成本的生产各种异种金属接头，尤其是当异种金属之间力学性能相差较大，且相互化学反应强烈的材料，例如工业中常用的铜-铝接头等。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料的焊接技术，特别提供了一种异种金属材料的摩擦焊接方法。
背景技术
异种金属材料的连接是一类用途广泛的工业技术，对结构材料的零件设计，采用异种金属材料连接主要的目的是节省贵重金属材料，降低零件制造成本，而对功能材料零件，则除了上述降低贵金属用量，减少产品制造成本的目的外，异种金属材料不同的物理化学性能的分别利用也是采用异种金属接头的主要原因之一。
异种金属的连接技术有多种，包括机械连接，粘接，熔焊、钎焊和摩擦焊等，其中摩擦焊技术是一种高效率的生产方法，适合于批量生产，摩擦焊的原理是将待连接金属端面加工平整，并装夹在摩擦焊机上，一端高速旋转，另一端沿轴向缓缓推进，利用摩擦热使待连接金属端部区域局部软化，并轴向力作用下，在焊缝局部产生粘接和塑性流动，随这种塑性流动增加，一直到将原表面的氧化层等全部挤出后，达到牢固焊接的目的。由于摩擦焊过程中异种金属界面之间不产生熔化层，因此，与熔焊或钎焊技术相比，摩擦焊可以避免异种金属界面可能存在的复杂的物理化学反应，后者通常产生一厚层脆性的金属间化合物，它们大大削弱界面结合强度，有时导致连接失效。因此，对于某些金属，尤其是电力工业中大量应用的铜/铝接头，摩擦焊是目前唯一有效的连接技术。
异种金属材料进行摩擦焊接时技术上存在两个主要的难点，(1)当异种金属之间存在强烈化学反应时，摩擦焊界面上往往形成一层几个μm厚的金属间化合物层，例如应用的铜/铝接头，界面反应产物为CuAl或Cu2Al，对钢/铝接头界面反应层为Fe3Al和FeAl，这种脆性界面反应层的存在使摩擦焊接头强度急剧降低；(2)当异种金属材料之间力学性能相差较大，即其中一种材料为较软金属，而另一种为较硬材料时，在摩擦焊过程中焊接区发生的塑性流动往往集中于较软金属一侧，由此导致较硬材料端面的氧化膜不能通过塑性流动而充分除尽，这些氧化膜残余的存在又会直接引起接头强度下降和产品质量的大幅度波动。
日本专利(特开平8-141755)公开了一种异种金属接头的摩擦焊接方法，在机械强度不同的两种金属(如钢和铝及其合金)连接时，机械强度高的金属材料接合面上加工两道环形槽，另一金属材料接合面为平面，然后进行摩擦焊使沟槽内填充所述的另一金属；所述的环形沟槽横截面为直槽或锥槽，锥槽槽底的宽度小于槽顶的宽度，这种结构连接的缺点是在轴向拉力作用下接头易于拔脱。
综上所述，目前已有的连接方法中还缺乏一种有效的技术牢固地连接物理、化学性质相差较大的异种金属接头。
发明内容
本发明的目的在于提供一种异金属接头的制造方法，其即使在异种金属材料之间冶金结合力很弱的情况下，也可以获得牢固、可靠地连接异种金属材料。
本发明提供了一种圆棒状异种金属接头的制造方法，制备过程如下：将异种金属较硬的一种端面加工1～10道环形沟槽，而较软的一种金属端面则加工为简单的平面，然后用摩擦焊的方法将较软的金属挤入软硬金属一侧预先加工的沟槽中，获得牢固的连接；本发明的技术特征是所述的环形沟槽横截面设计为倒锥形槽，具体是槽底的宽度大于槽顶的宽度；沟槽锥角即槽侧面与槽底平面的夹角小于90°，变化范围在80°～70°之间；沟槽深度为2～4mm。
本发明适用于制造力学性能相差较大的一类异种金属连接件，它们包括铜/铝及其合金，铜/银及其合金，钢/铝及其合金，钢/铜及其合金，钢/钛及其合金，镍/铝及其合金，镍/铜及其合金。本发明所述在较硬一侧金属端面上加工的环形沟槽，如图1所示，槽深h与被连接件外径之比为1∶100～1∶5范围变化，槽顶宽W为2～20mm。
本发明技术上的优点是显而易见的，(1)它不需要复合而昂贵的机械设备，一般普通车床即可进行切割加工。(2)接头连接十分牢固，即使界面冶金结合完全无效的情况下，接头仍可依靠键槽的机械键合获得一定的轴向强度和弯曲强度。(3)由于采用摩擦焊连接技术，本发明提供的技术十分适合于大批量生产。下面详述本发明具体实施例。
附图说明
附图1为较硬一侧金属材料端部的沟槽断面；
附图2为摩擦焊后的端面示意。
具体实施方式
实施例1：
直径Φ25的工业无氧铜棒和直径Φ25的工业纯铝棒，将铜棒的一端面车平并切割一条顶宽4mm，深4mm锥角为+80°的倒锥环形槽，将铝棒的一端车成平面。将已加工好的铜棒和铝棒装卡在摩擦焊机上，进行摩擦焊接。其摩擦焊工艺参数为摩擦力6吨，摩擦时间2秒，顶锻力10吨，顶锻时间4秒，主轴转速2000转/分，摩擦焊后获得了牢固的连接接头，车去摩擦飞边后，轴向拉伸强度为110MPa，连接后的效果如图2所示。
实施例2
直径Φ100的45号钢棒和直径Φ100的工业纯铝棒，将钢棒的一端面车平并切割顶宽10mm，深2mm锥角为+70°的倒锥环形槽，槽之间间隔10mm，将铝棒的一端车成平面。将已加工好的铜棒和铝棒装卡在摩擦焊机上，进行摩擦焊接。其摩擦焊工艺参数为摩擦力60吨，摩擦时间3秒，顶锻力120吨，顶锻时间10秒，主轴转速800转/分，摩擦焊后获得了牢固的连接接头，车去摩擦飞边后，轴向拉伸强度为100Mpa。
比较例1
连接材料与本发明实施例1相同，但为了比较发明的效果，比较例采用通常的平面连接，即铜棒待连接端部不加工沟槽，在摩擦焊机上装卡牢固后，采用实施例1中同样的摩擦焊工艺参数，没有获得牢固的连接接头，接头的轴向拉伸强度仅为18MPa。
Claims (3)
1、一种异金属接头的制造方法，制备过程如下：将异种金属较硬的一种端面加工有环形沟槽，而较软的一种金属端面则加工为简单的平面，然后用摩擦焊的方法将较软的金属挤入软硬金属一侧预先加工的沟槽中；其特征在于：所述的环形沟槽横截面为倒锥形槽，具体是槽底的宽度大于槽顶的宽度。
2、按照权利要求1异金属接头的制造方法，其特征在于：所述沟槽锥角即槽侧面与槽底平面的夹角变化范围在80°～70°之间；所述沟槽深度设为2～4mm，槽顶宽为2～20mm。
3、按照权利要求1异金属接头的制造方法，其特征在于：所述的异种金属为铜/铝及其合金；铜/银及其合金；钢/铝及其合金；钢/铜及其合金；钢/钛及其合金；镍/铝及其合金；镍/铜及其合金。
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