CN112975108B - 一种添加中间层材料的摩擦焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种添加中间层材料的摩擦焊接方法，用于实现脆性金属或异种金属材料的焊接，所述焊接方法包括如下步骤：将两个待焊工件进行预处理；将所述的两个待焊工件中至少一个焊接端添加原始中间层；将两个待焊工件中设有原始中间层的一个待焊工件安装在振动或旋转夹具上，将两个待焊工件中另一个待焊工件安装在顶锻夹具上；采用有机溶剂或清洗剂擦拭两个待焊工件表面，用于去除待焊工件表面杂质；根据两个待焊工件的材料采用相应的摩擦焊接参数进行焊接。本发明的摩擦焊接方法，能够在摩擦焊接的过程中对待焊工件进行预热，使得待焊工件更容易发生塑性变形，从而实现脆性及异种金属材料的可靠连接。

Description

一种添加中间层材料的摩擦焊接方法

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，具体涉及一种摩擦焊接方法，适用于脆性或异种材料(如TiAl、钢、高温合金等)的有效连接。

背景技术

由于TiAl及粉末高温合金在高温环境下，依旧保留着优异的综合力学性能，目前已经逐渐成为现代航空、航天、兵器及民用工业等领域的优秀候选高温结构材料，但是该类材料的焊接性较差。

目前，TiAl材料焊接方法主要是钎焊技术，TiAl钎焊技术主要是通过添加润湿性较高的Ti基或镍基钎料实现连接，但是采用钎焊的方法有效控制钎焊接头组织和界面结构难度大，连接强度较低，并且稳定性较差。而直接采用线性、惯性摩擦焊技术进行焊接的主要问题在于：TiAl材料在高温下强度仍然较高，塑性差，摩擦过程中界面上摩擦类型主要是干摩擦，不易发生塑性变形，导致焊接过程中热输入不足，界面温度很难迅速达到形成接头所需要的温度，因此难以得到可靠的焊接接头。

相关技术中提出了一种异种材料复合焊接方法，该方法在惯性摩擦焊设备上添加加热器装置，在两待焊工件之间加入互溶性较好的中间过渡层，首先通过中间过渡层与旋转端待焊工件通过非真空、常压扩散焊接，随后进行旋转摩擦焊接，得到焊接质量良好的焊接接头，然而该方法焊接截面受限，只能焊接圆柱形对称结构，并且第一步扩散焊接需要将整体待焊工件加热到较高温度保温较长时间，必然会对待焊工件母材的显微组织造成较大的影响，从而影响接头的性能，同时焊后形成的接头存在两个及以上的焊接界面，接头强度会受到不良影响。

发明内容

本发明实施例提供了一种添加中间层材料的摩擦焊接方法，该摩擦焊接方法能够在摩擦焊接的过程中对待焊工件进行预热，使待焊工件更易的发生塑性变形，提高焊接效率，还可提高焊接接头的性能，提高焊接的稳定性。

本发明的实施例提出了一种添加中间层的摩擦焊接方法，用于实现脆性金属或异种金属材料的焊接，所述焊接方法包括如下步骤：

步骤1：将两个待焊工件进行预处理；

步骤2：将所述的两个待焊工件中至少一个焊接端面添加原始中间层；

步骤3：将两个待焊工件中设有原始中间层的一个待焊工件安装在振动或旋转夹具上，将两个待焊工件中另一个待焊工件安装在顶锻夹具上；

步骤4：采用有机溶剂或清洗剂擦拭两个待焊工件表面，用于去除待焊工件表面杂质；

步骤5：根据两个待焊工件的材料采用相应的摩擦焊接参数进行焊接。

优选地，所述原始中间层采用增材、熔覆、喷涂、钎焊、扩散焊、摩擦焊或机械连接的方式设在所述待焊工件的焊接端部。

优选地，当所述原始中间层采用增材、熔覆、喷涂或摩擦焊的方式设在所述待焊工件的焊接端部时，所述方法还包括在步骤3之前对所述的原始中间层进行热处理，并进行打磨。

优选地，所述步骤1中的预处理方法为喷砂处理或在所述待焊工件的焊接端设置凹槽。

优选地，所述原始中间层的厚度为H，且5mm≤H≤10mm。

优选地，所述待焊工件的焊接端的缩短量Δ，焊接后的焊缝宽度为S，若Δ≥H，则焊接后两个待焊工件之间无原始中间层，若H-S＜Δ＜H或Δ≤ H-S，则焊接后两个待焊工件之间保留有中间层。

优选地，若H-S＜Δ＜H，则焊接后两个待焊工件之间的中间层为改性后的中间层，Δ≤H-S，则焊接后两个待焊工件之间的中间层为步骤2中所述原始中间层。

优选地，所述原始中间层的材料为金属材料且其理化性能与两个待焊工件的理化性能相近。

优选地，所述步骤4中的有机溶剂为乙醇或丙酮。

优选地，所述摩擦焊接为线性摩擦焊接或惯性摩擦焊接。

综上，本发明通过在两个待焊工件的焊接端设置原始中间层，原始中间层作为消耗材料，随着焊接过程的推进不断被消耗，保证焊接界面温度处于较高的状态从而能够对待焊工件进行预热，使待焊工件更易软化，发生较大的塑性变形，形成良好接头。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的摩擦焊接方法中待焊工件预处理示意图；

图2是本发明实施例的摩擦焊接方法中待焊工件另一种预处理示意图；

图3是本发明实施例的摩擦焊接方法中焊接后接头成形示意图；

图4是本发明另一实施例的摩擦焊接方法中焊接后接头成形示意图；

图5是本发明另一实施例的摩擦焊接方法中焊接后接头成形示意图；

图6是本发明实施例的摩擦焊接方法中焊接示意图；

图7是本发明另一实施例的摩擦焊接方法中焊接示意图。

图中：

1、待焊工件2、原始中间层3、改性后的中间层。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。

图1至图7所示是本发明实施例的摩擦焊接方法，用于实现脆性金属或异种金属材料的焊接，包括两个待焊工件，焊接方法包括如下步骤：

步骤1：将两个待焊工件1的表面进行预处理。具体地，预处理方式可根据原始中间层与待焊工件之间结合的方式进行调整，当原始中间层2 与待焊工件1采用增材、熔覆、喷涂、钎焊、扩散焊、摩擦焊等方法设在待焊工件的焊接端时，可采用机械打磨或喷砂处理，当原始中间层2与待焊工件1之间采用机械连接的方式设在待焊工件1的焊接端时，可在待焊工件1的焊接端设置多个凹槽，并在原始中间层2邻近待焊工件1的焊接端的一侧设置多个与凹槽相配合的凸台，原始中间层2上的凸台与待焊工件1上的凹槽相配合。

需要说明的是，当原始中间层2和待焊工件1上通过凸台和凹槽相互配合时，可增大原始中间层2与待焊工件1之间的接触面积，提高原始中间层2与待焊工件1之间连接的稳定性，提高了原始中间层2与待焊工件 1之间的连接强度，随着焊接过程的推进不断凸台被消耗殆尽，最终提高两个待焊工件之间接头的连接强度，提高焊接质量和接头质量。

可以理解的是，本申请中的预处理方式并不限于此。并且待焊工件1 可以使同种材料、异种材料、同种脆性材料及含有一种热塑性较好的材料的连接，并且待焊工件1焊接型面不受限制，可以是对称截面、曲面及不规则形面。

步骤2：将所述的两个待焊工件1中至少一个焊接端添加原始中间层 2。

可以理解的是，本实施例中可以在两个待焊工件1的焊接端均设置原始中间层2或仅在一个待焊工件1的焊接端设置原始中间层2。

步骤3：将两个待焊工件1中设有原始中间层2的一个待焊工件安装在振动或旋转夹具上，将两个待焊工件1中另一个待焊工件安装在顶锻夹具上。

需要说明的是，本发明实施例中的两个待焊工件，当两个待焊工件上均添加有原始中间层时，两个待焊工件中的任意一个安装在振动或旋转夹具上，另一个添加有原始中间层的待焊工件则安装在顶锻夹具上。

若两个待焊工件中只有一个添加有原始中间层，则添加有原始中间层的一个待焊工件安装在振动或旋转夹具上，另一个未添加有原始中间层的待焊工件则安装在顶锻夹具上。

步骤4：采用有机溶剂或清洗剂擦拭两个待焊工件表面，用于去除待焊工件表面杂质。

需要说明的是，擦拭方式可采用人工擦拭或通过现有的清洗设备擦拭，本申请并不限定擦拭方式，只要能够实现对待焊工件1表面进行清洗即可。

步骤5：根据两个待焊工件的材料采用相应的摩擦焊接参数进行焊接。

需要说明的是，具体的摩擦焊接工艺参数可以根据待焊工件1的尺寸、焊接设备条件及待焊工件1材料种类等情况进行适用性调整。

本发明实施例的摩擦焊接方法，通过在待焊工件1的焊接端设置原始中间层2，原始中间层2作为消耗材料，随着焊接过程的推进不断被消耗，保证焊接界面温度处于较高的状态从而能够对待焊工件1进行预热，使待焊工件1更易软化，发生较大的塑性变形，形成良好接头，并且本发明实施例的摩擦焊接方法，可以适用于不同材料及不同形面的摩擦焊接作业。通过预处理，能够提高原始中间层2与待焊工件1之间的附着力，改善原始中间层2与待焊工件1连接界面的质量，通过对待焊工件1进行机加工，使原始中间层2与待焊工件1的尺寸更加匹配，通过对机加工后的待焊工件1进行热处理，能够去除增设原始中间层2及对原始中间层2进行机加工后产生的残余应力。

在一些实施例中，原始中间层采用增材、熔覆、喷涂、钎焊、扩散焊、摩擦焊或机械连接的方式设在所述待焊工件的焊接端部。

在一些实施例中，当所述原始中间层采用增材、熔覆、喷涂或摩擦焊的方式设在所述待焊工件的焊接端部时，所述方法还包括在步骤3之前对所述的原始中间层进行热处理，并进行打磨。

本发明实施例的摩擦焊接方法，通过对原始中间层进行热处理，消除原始中间层与待焊工件连接时产生的应力，提高原始中间层与待焊工件之间的连接强度和焊接后接头的连接强度，提高焊接质量。

需要说明的是，当所述原始中间层机械连接的方式设在待焊接工件的焊接端时，则无需进行热处理。

在一些实施例中，原始中间层2的厚度为H，且5mm≤H≤10mm。可以理解的是，原始中间层2的厚度根据待焊工件1的材料及焊接工艺要求进行适用性调整。

在一些实施例中，待焊工件1的焊接端的缩短量Δ，焊接后的焊缝宽度为S，若Δ≥H，则焊接后的待焊工件1之间无原始中间层2，若H-S＜Δ＜H或Δ≤H-S，则焊接后两个待焊工件之间保留有中间层。

若H-S＜Δ＜H，则焊接后两个待焊工件之间的中间层为改性后的中间层3，Δ≤H-S，则焊接后两个待焊工件之间的中间层为原始中间层2。

如图3-图5所示，若Δ≥H，则焊接后的待焊工件1之间无原始中间层2，即焊接后待焊工件1之间的原始中间层2在焊接的过程中完全消耗，原始中间层2由两个待焊工件1之间被挤出，两个待焊工件1直接连接形成焊接接头。

如图4所示，当Δ≤H-S，则焊接后的待焊工件1之间保留部分原始中间层2，即焊接后待焊工件1之间保留部分原始中间层2，其余的原始中间层2在焊接过程中被挤出，可以理解的是，可以根据焊接接头的区域组织的需要，对缩短量Δ的大小进行适应性调整。需要说明的是，当Δ≤H-S 时，最终在两个待焊工件1之间形成多接头形式的焊接接头。需要说明的是，多接头形式的焊接接头是指在两个待焊工件之间保留两条以上的焊缝。

如图5所示，当H-S＜Δ＜H，则焊接后的待焊工件1之间为改性后的中间层3，即焊接后待焊工件1之间有改性后的中间层3，改性后的中间层3位于两个待焊工件之间，原始的中间层在焊接过程中由两个待焊工件 1之间被挤出。

本发明实施例中的摩擦焊接方法，改性后的中间层是指在焊接的过程中，原始中间层由于摩擦的塑性变形、再结晶及扩散的作用，使原始中间层内部的晶粒得到细化，与原始中间层相比改性后的中间层的内部晶粒更加细化，从而形成了性能良好的焊接接头。

在一些实施例中，两个待焊工件1的焊接端均设有原始中间层2。本发明实施例的摩擦焊接方法，通过在两个待焊工件1的焊接端均设有原始中间层2，能够通过原始中间层2加快两个待焊工件1的预热速度和效率，从而提高待焊工件1的焊接效率和焊接质量。

在一些实施例中，所述原始中间层的材料为金属材料且其理化性能与两个待焊工件的理化性能相近。具体地，原始中间层2的材料为Ti₂AlNb 合金或钛合金。可以理解的是，原始中间层2的材料并不限于此，原始中间层2的材料可根据焊接工艺及待焊工件1的材料进行适用性调整。

在一些实施例中，打磨处理方式为机械打磨。可以理解的是，本申请中的打磨处理方式并不限于此。

在一些实施例中，步骤4中的有机溶剂为乙醇或丙酮。

下面结合图1至图7描述本发明一些具体示例的摩擦焊接方法。

实施例一：在本实施例中，采用激光增材制造的方式在待焊工件端面添加的中间层材料。

本发明实施例的摩擦焊接方法，待焊工件1的尺寸为12.5mm×25mm ×50mm，将12.5mm×25mm作为待焊工件1的焊接端。

步骤1：将两个待焊工件1的表面进行喷砂预处理。

步骤2：采用酒精擦拭两个待焊工件1表面，用于去除待焊工件1表面杂质。

步骤3：将步骤2中两个待焊工件1中的焊接端均通过激光增材制造的方法堆积原始中间层2，激光增材的材料采用Ti₂AlNb或钛合金粉末。原始中间层2的厚度H＝8mm。

步骤4：将步骤3中的原始中间层2进行机加工，机加工去除在激光增加加工过程中产生的毛边，并通过机加工保证原始中间层2与待焊工件 1之间的尺寸精度，提高焊接质量，再机加工后对待焊工件1及原始中间层2进行热处理，从而消除增材加工过程中和机加工过程中产生的残余应力。

步骤5：将步骤4中的待焊工件1的原始中间层2根据预设摩擦焊接要求进行打磨处理，打磨处理后的原始中间层2的厚度H＝6mm。

步骤6：将步骤5中的两个待焊工件1的分别安装至线性摩擦焊机中的振动端和顶锻端，并将两个待焊工件1的原始中间层2相对设置，再次用酒精擦拭原始中间层2，随后启动线性摩擦焊接进行焊接。

步骤7：焊接后，去除焊接接头的飞边，并对焊接后的工件进行热处理，消除焊接产生的残余应力，使焊接接头的组织和性能更加均匀。

实施例二：在本实施例中，采用机械固定的方式在待焊工件端面添加的中间层材料。

本发明实施例的摩擦焊接方法，待焊工件1的尺寸为75mm×20mm× 130mm，将75mm×20mm作为待焊工件1的焊接端。

步骤1：将两待焊工件1一端进行机加设置凹槽，对应的在工件2上设置与待焊工件1相对应配合的凸台，保证待焊工件1与原始中间层能够形成良好的固定。其中凸台的高度和凹槽的深度均不超过5mm。

步骤2：将待焊工件1分别安装在线性摩擦焊机上振动夹具和顶锻夹具上，并将原始中间层2与待焊工件1进行配合安装。

步骤3：用酒精擦拭原始中间层2，随后启动线性摩擦焊机进行焊接，其中焊接参数中预设缩短量Δ大于等于原始中间层的厚度与凸台高度之和，从而确保原始中间层完全被挤出，形成良好的焊接接头。

步骤4：焊接后，去除焊接接头的飞边，并对焊接后的工件进行热处理，消除焊接产生的残余应力。

需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。对于方法的实施例而言，相关之处可参见设备实施例的部分说明。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。

以上仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理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权利要求范围内。

Claims (7)

1.一种添加中间层材料的摩擦焊接方法，其特征在于，所述焊接方法包括如下步骤：

步骤1：将两个待焊工件进行预处理；

步骤2：将所述的两个待焊工件中至少一个焊接端添加原始中间层，所述原始中间层的材料的理化性能与两个待焊工件的理化性能相近，所述两个待焊工件的材料为TiAl，所述原始中间层的材料为Ti₂AlNb，所述原始中间层的厚度为H，且8mm≤H≤10mm；

步骤3：将两个待焊工件中设有原始中间层的一个待焊工件安装在振动或旋转夹具上，将两个待焊工件中另一个待焊工件安装在顶锻夹具上；

步骤4：采用有机溶剂擦拭两个待焊工件表面，用于去除待焊工件表面杂质；

步骤5：根据两个待焊工件的材料采用相应的摩擦焊接参数进行焊接，焊接后所述待焊工件的焊接端的缩短量∆，焊接后的焊缝宽度为S，若∆≥H，则焊接后两个待焊工件之间无原始中间层，若H-S＜∆＜H或∆≤H-S，则焊接后两个待焊工件之间保留有中间层。

2.根据权利要求1所述的添加中间层材料的摩擦焊接方法，其特征在于，所述原始中间层采用增材、熔覆、喷涂、钎焊、扩散焊、摩擦焊或机械连接的方式设在所述待焊工件的焊接端部。

3.根据权利要求2所述的添加中间层材料的摩擦焊接方法，其特征在于，当所述原始中间层采用增材、熔覆、喷涂或摩擦焊的方式设在所述待焊工件的焊接端部时，所述方法还包括在步骤3之前对所述的原始中间层进行热处理，并进行打磨。

4.根据权利要求2所述的添加中间层材料的摩擦焊接方法，其特征在于，所述步骤1中的预处理方法为喷砂处理或在所述待焊工件的焊接端设置凹槽。

5.根据权利要求1所述添加中间层材料的摩擦焊接方法，其特征在于，若H-S＜∆＜H，则焊接后两个待焊工件之间的中间层为改性后的中间层，∆≤H-S，则焊接后两个待焊工件之间的中间层为步骤2中所述原始中间层。

6.根据权利要求1所述添加中间层材料的摩擦焊接方法，其特征在于，所述步骤4中的有机溶剂为乙醇或丙酮。

7.根据权利要求1所述添加中间层材料的摩擦焊接方法，其特征在于，所述摩擦焊接为线性摩擦焊接或惯性摩擦焊接。

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