CN113664361A - 一种提高大块非晶合金摩擦焊接效果的方法和块体非晶合金 - Google Patents

一种提高大块非晶合金摩擦焊接效果的方法和块体非晶合金 Download PDF

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Abstract

本发明涉及非晶合金连接技术领域，特别是涉及一种提高大块非晶合金摩擦焊接效果的方法和大块非晶合金，该焊接成型方法包括以下步骤，S1、采用具有交叉过冷液相区温度的待焊接的第一非晶合金和第二非晶合金，在第一非晶合金的待焊接端加工出焊接头，在第二非晶合金的待焊接端加工出焊接槽；S2、将焊接头插入焊接槽，采用套筒套住所述焊接头与所述焊接槽的连接处；S3、驱动所述第一非晶合金与所述第二非晶合金做相对旋转运动，实现焊接成型；S4、重复S1～S3步骤，获得多块非晶合金，该摩擦焊接方法能够有效增大摩擦焊接的接触面积，且具有焊接均匀和焊接效率高的优点。

Description

一种提高大块非晶合金摩擦焊接效果的方法和块体非晶合金
技术领域
本发明涉及非晶合金连接技术领域，特别是涉及一种提高大块非晶合金摩擦焊接效果的方法和大块非晶合金。
背景技术
非晶合金作为一种新型的高性能金属材料，因其具有优异的高强度、高硬度、高弹性模量，良好的耐磨性、耐腐蚀性，在军工、电子、航天等领域起到一定的支撑作用。目前，由于非晶合金的尺寸局限于厘米级别，分米级的非晶合金甚少，因而非晶合金在工业上的应用受到极大限制，这严重限制非晶合金在各应用领域上的推广。
非晶合金在其过冷液相区内会发生超塑性流变，并且在该温度范围内工作，非晶合金始终保持非晶状态。因此，利用非晶合金在过冷液相区的超塑性流变行为，可实现非晶合金焊接成型为大尺寸的非晶合金。
旋转摩擦焊作为金属焊接工艺最常用的手段之一，其利用两个焊接材料旋转运动产生的摩擦热及其塑性变形能力，使焊接摩擦面温度升高到高温塑性状态，进而实现两个材料固体连接。旋转摩擦焊具有工艺简单，效率高的特点，但其行程短，焊接扩散反应层窄，焊接界面产生热量不均匀，焊接效果一般，焊接后所获得的材料性能无法保证。
目前，如专利CN2006101615937.X公开了一种旋转摩擦焊接的加工方法。该方法预先在待焊接的第一部件和第二部件上设置环形熔渣接槽，且靠近摩擦焊接面的槽壁更高，在旋转摩擦焊接过程中，第一部件与第二部件沿轴向方向相对旋转接触、摩擦挤合，产生高温使熔渣槽熔融封闭，该方法能够有效减少熔渣外漏，避免熔渣脱落造成污染，但是该方法通过摩擦产生高温使得熔渣槽封闭，由于温度过高，在旋转摩擦过程中会有熔渣飞出的现象，存在一定安全隐患，且焊接后接头出现飞边，需要进行一定后加工才能使用。
如专利CN201611030626.2公开了一种用于异种金属旋转摩擦焊的包套结构及旋转摩擦焊方法，在旋转焊接过程中，具有外螺纹的钛或钛合金棒材端部同具有内螺纹的包套结构进行螺纹连接，且钢棒材端面和包套结构的钢材质端面接触旋转摩擦，最后实现两种异种金属的固体连接。该方法能够减少焊接区域残余应力和彻底清除了钢表面的氧化物，同时包套结构能够起到模子约束金属的作用，进而提高焊接质量。但是该方法使得摩擦变形层移向钢材的一侧，焊接接头质量差，影响产品的力学性能与使用性能，同时针对不同形状尺寸类型的异种材料，需要设计不同的包套结构，增加生产成本。
如Shin HS等人在“Friction welding ofZr55Al10Ni5Cu30 bulk metallicglasses,Shin HS,Jeong YJ,Choi HY,et al,Materials Transactions,2005,46(12):2768-2772.”公开了一种新型摩擦焊接装置，该装置在普通车床的基础上搭载了气动执行器和夹具，能够精确控制摩擦时间和摩擦力，实现Zr基大块非晶合金的旋转摩擦焊接，通过该装置获得的非晶合金界面上没有明显的气孔或者裂纹，能够实现无晶化的摩擦焊接，但是该装置结构复杂，操作步骤繁琐，不利于重复性作业，且焊接后获得的非晶合金表面有突起，材料整体形状质量差，不利于商业化使用。
由此可见，目前非晶合金的摩擦连接方式仍存在不足之处：旋转摩擦焊具有行程短，焊接效率快等特点，但其扩散焊接反应层窄，焊接界面热量分布不均匀，焊接效果难以保证，如在非晶合金的旋转摩擦焊接过程中，因热量分布不均匀等问题，导致出现焊接不均匀或者欠焊的现象，焊接效果差；同种非晶合金或者异种非晶合金在旋转摩擦焊接过程中，温度变化迅速，如温度过高可能导致非晶合金发生晶化，甚至焊接接口发生融化，对于能否及时获得焊接区域温度变换情况，防止非晶合金发生晶化是非晶焊接过程的重要关注点之一；非晶合金摩擦焊接过程中，焊接接口易出现毛刺或飞边，甚至有的接口区域发生变形，接头强度低，产品形状质量差。
发明内容
本发明的目的在于避免现有技术中的不足之处而提供一种提高大块非晶合金摩擦焊接效果的方法，该摩擦焊接方法能够有效增大摩擦焊接的接触面积，且具有焊接均匀和焊接效率高的优点。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
提供一种提高大块非晶合金摩擦焊接效果的方法，包括以下步骤，
S1、采用具有交叉过冷液相区温度的待焊接的第一非晶合金和第二非晶合金，在第一非晶合金的待焊接端加工出焊接头，在所述第二非晶合金的待焊接端加工出焊接槽；
S2、将第一非晶合金的焊接头插入第二非晶合金的焊接槽，使所述焊接头接触所述焊接槽，采用套筒套住所述焊接头与所述焊接槽的连接处；
S3、驱动所述第一非晶合金与所述第二非晶合金做相对旋转运动，实现所述第一非晶合金和所述第二非晶合金焊接成型；
S4、重复S1～S3步骤，获得多块非晶合金。
上述步骤的工作原理是：
第一非晶合金的待焊接端加工出焊接头，在第二非晶合金的待焊接端加工出焊接槽，所述焊接头和所述焊接槽相互套合，有效地增加了第一非晶合金与第二非晶合金的焊接接触界面面积，有利于提高旋转摩擦焊所产生的热量以及提高热量的分散均匀度，提高焊接效率。
进一步地，所述焊接头为V型焊接头、凸字型焊接头、球面焊接头和表面上开设有台阶结构的圆台焊接头。
进一步地，在所述焊接头和/或所述焊接槽上加工出微米级、纳米级中任意一种或者两种尺寸组合的微型结构。该微型结构进一步地增大了焊接接触面积和表面粗糙度，有利于提高旋转摩擦焊所产生的热量，提高焊接效率。
进一步地，所述套筒用于限制所述第一非晶合金和所述第二非晶合金的连接处，防止非晶合金在焊接过程中发生变形，减少飞边或毛刺的产生，获得形状质量较好的大块非晶合金。
进一步地，所述套筒的内壁设为模腔结构，在焊接过程中所述模腔结构不与所述第一非晶合金和所述第二非晶合金发生反应。套筒的内壁设置为模腔结构，有利于在焊接成型过程中，非晶合金定型为所需的形状，提高了非晶合金产品的功能性。
进一步地，所述套筒上方设置测温模块。该测温模块用于检测焊接连接处的温度，能够实时获得非晶合金焊接区域温度变化，以便于实时调节焊接过程，防止焊接温度过高导致非晶合金发生晶化或温度过低无法实现焊接的问题。
进一步地，还包括超声焊接系统，所述超声焊接系统分别对所述第一非晶合金和所述第二非晶合金施加超声振动。超声振动有利于降低焊接界面热量分布的不均匀性，提高焊接过程热量交换效率，获得更好的焊接效果。
进一步地，所述超声焊接系统对所述第一非晶合金和/或所述第二非晶合金施加压力，使第一非晶合金的待焊接端与所述第二非晶合金的待焊接端挤压在一起。
进一步地，所述超声振动的振动功率不大于2kW，所述压力的压力大小不大于5GPa。
进一步地，所述第一非晶合金和/或所述第二非晶合金的相对旋转运动为主运动，所述第一非晶合金和所述第二非晶合金的主运动参数分别设置，所述主运动的旋转速度不大于1500rpm。
本发明的一种提高大块非晶合金摩擦焊接效果的方法的有益效果：
(1)本发明在第一非晶合金的待焊接端加工出焊接头，在第二非晶合金的待焊接端加工出焊接槽，有效地增加第一非晶合金与第二非晶合金的焊接界面接触面积，有利于提高旋转摩擦焊所产生的热量，提高热量交换效率，进而提高焊接效率，同时有效避免非晶合金在焊接过程中因而热量分布不均匀而导致焊接不均匀或者欠焊等现象。
(2)套筒不但用于限制第一非晶合金和第二非晶合金的连接处，防止非晶合金的焊接部位发生变形，减少飞边或毛刺的产生，获得形状质量较好的大块非晶合金。
本发明还提供一种大块非晶合金，其采用上述的用于大块非晶合金的摩擦焊接方法制成。
附图说明
利用附图对发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1是实施例1的非晶合金摩擦焊接系统的工作状态示意图。
图2是实施例2的非晶合金摩擦焊接系统的工作状态示意图。
图3是实施例3的非晶合金摩擦焊接系统的工作状态示意图。
图4是实施例4的非晶合金摩擦焊接系统的工作状态示意图。
图5是实施例5的非晶合金摩擦焊接系统的工作状态示意图。
图6是实施例6的非晶合金摩擦焊接系统的工作状态示意图。
附图标记：
第一非晶合金1；第二非晶合金2；超声焊接系统3；套筒4；测温模块5；大块非晶合金6；微型结构7；齿轮形8。
具体实施方式
结合以下实施例和附图对本发明作进一步描述。
实施例1
本实例公开的一种提高大块非晶合金摩擦焊接效果的方法，参见图1，
S1、根据焊接要求，选择组分为Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5的非晶合金作为第一非晶合金1和第二非晶合金2，其Tg为365℃，Tx为419℃，同时采用激光加工方式将第一非晶合金1的待焊接端加工为V型焊接头，在第二非晶合金2的待焊接端加工为V型焊接槽，第一非晶合金1和第二非晶合金2的交叉过冷液相区温度范围为365℃～419℃。
S2、将第一非晶合金1与第二非晶合金2装夹在超声焊接系统3上，将第一非晶合金1的焊接头插入第二非晶合金2的焊接槽，采用套筒4套住所述焊接头与所述焊接槽的连接处，使其待焊接界面相互接触。
S3、设置第一非晶合金1的主旋转运动沿轴向相对运动方向逆时针转动，转速为250rpm，第二非晶合金2的主旋转运动与第一非晶合金1主旋转运动方向相反，转速为250rpm；设置超声功率均为500W，输出沿轴向相对运动方向的超声振动，且压力能够保证第一非晶合金1和第二非晶合金2沿轴向方向做相对平移运动，使待焊接界面相互摩擦挤压；根据交叉过冷液相区温度范围，设置测量温度范围为355℃～429℃。开启超声焊接系统3，第一非晶合金1和第二非晶合金2做相对旋转运动，通过实时获得焊接区域温度变化情况，确保在交叉过冷液相区内完成摩擦焊接，获得大块非晶合金6。
S4、循环操作，重复步骤S1～S3，获得多块非晶合金。
实施例2
本实例公开的一种提高大块非晶合金摩擦焊接效果的方法，参见图2，
S1、根据焊接要求，选择组分为Pd47Ni10Cu30P13的非晶合金作为第一非晶合金1和第二非晶合金2，其Tg为354℃，Tx为400℃，同时采用激光加工方式将在第一非晶合金1的待焊接端加工为球面焊接头，在第二非晶合金2的待焊接端加工为球面焊接槽，第一非晶合金1和第二非晶合金2的交叉过冷液相区温度范围为354℃～400℃。
S2、将第一非晶合金1与第二非晶合金2装夹在超声焊接系统3上，将第一非晶合金1的焊接头插入第二非晶合金2的焊接槽，采用套筒4套住所述焊接头与所述焊接槽的连接处，使其待焊接界面相互接触。
S3、设置第一非晶合金1的主旋转运动沿轴向相对运动方向逆时针转动，转速为500rpm，第二非晶合金2的主旋转运动沿与第一非晶合金1主旋转运动方向相反，转速为250rpm；设置超声功率均为500W，输出沿轴向相对运动方向的超声振动，且压力能够保证第一非晶合金1和第二非晶合金2沿轴向方向做相对平移运动，使待焊接界面相互摩擦挤压；根据交叉过冷液相区温度范围，设置测量温度范围为344℃～410℃。开启超声焊接系统3，第一非晶合金1和第二非晶合金2做相对旋转运动，通过实时获得焊接区域温度变化情况，确保在交叉过冷液相区内完成摩擦焊接，获得大块非晶合金6。
S4、循环操作，重复步骤S1～S3，获得多块非晶合金。
实施例3
本实例公开的一种提高大块非晶合金摩擦焊接效果的方法，参见图3，
S1、根据焊接要求，选择组分为Zr37Al10Cu11.25Ti12.5Be20.25的非晶合金作为第一非晶合金1和第二非晶合金2，其Tg为360℃，Tx为427℃，同时采用超声加工方式将在第一非晶合金1的待焊接端加工为V型焊接头，在第二非晶合金2的待焊接端加工为V型焊接槽，且采用激光加工方式在待焊接端均加工出微型结构7，第一非晶合金1和第二非晶合金2的交叉过冷液相区温度范围为360℃～427℃。
S2、将第一非晶合金1与第二非晶合金2装夹在超声焊接系统3上，将第一非晶合金1的焊接头插入第二非晶合金2的焊接槽，采用套筒4套住所述焊接头与所述焊接槽的连接处，使其待焊接界面相互接触。
S3、设置第一非晶合金1的主旋转运动沿轴向相对运动方向逆时针转动，转速为500rpm，第二非晶合金2的主旋转运动与第一非晶合金1主旋转运动方向相反，转速为0rpm；设置超声功率为0W，且压力能够保证第一非晶合金1和第二非晶合金2沿轴向方向做相对平移运动，使待焊接界面相互摩擦挤压；根据交叉过冷液相区温度范围，设置测量温度范围为350℃～437℃。开启超声焊接系统3，第一非晶合金1和第二非晶合金2做相对旋转运动，通过实时获得焊接区域温度变化情况，确保在交叉过冷液相区内完成摩擦焊接，获得大块非晶合金6。
S4、循环操作，重复步骤S1～S3，获得多块非晶合金。
实施例4
本实例公开的一种提高大块非晶合金摩擦焊接效果的方法，参见图4，
S1、根据焊接要求，选择组分为Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5的非晶合金作为第一非晶合金1，其Tg为365℃，Tx为419℃，选择组分为Zr37Al10Cu11.25Ti12.5Be20.25的非晶合金作为第二非晶合金2，其Tg为360℃，Tx为427℃，同时采用铣削加工方式将在第一非晶合金1的待焊接端加工为V型焊接头，在第二非晶合金2的待焊接端加工为V型焊接槽，且采用激光加工方式在待焊接端均加工出微型结构7，第一非晶合金1和第二非晶合金2的交叉过冷液相区温度范围为365℃～419℃。
S2、将第一非晶合金1与第二非晶合金2装夹在超声焊接系统3上，将第一非晶合金1的焊接头插入第二非晶合金2的焊接槽，采用套筒4套住所述焊接头与所述焊接槽的连接处，使其待焊接界面相互接触。
S3、设置第一非晶合金1的主旋转运动沿轴向相对运动方向逆时针转动，转速为250rpm，第二非晶合金2的主旋转运动与第一非晶合金1主旋转运动方向相反，转速为0rpm；设置超声功率均为500W，输出沿轴向相对运动方向的超声振动，且压力能够保证第一非晶合金1和第二非晶合金2沿轴向方向做相对平移运动，使待焊接界面相互摩擦挤压；根据交叉过冷液相区温度范围，设置测量温度范围为355℃～429℃。开启超声焊接系统3，第一非晶合金1和第二非晶合金2做相对旋转运动，通过实时获得焊接区域温度变化情况，确保在交叉过冷液相区内完成摩擦焊接，获得大块非晶合金6。
S4、循环操作，重复步骤S1～S3，获得多块非晶合金。
实施例5
本实例公开的一种提高大块非晶合金摩擦焊接效果的方法，参见图5，
S1、根据焊接要求，选择组分为Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5的非晶合金作为第一非晶合金1和第二非晶合金2，其Tg为365℃，Tx为419℃，同时采用激光加工方式将在第一非晶合金1的待焊接端加工为V型焊接头，在第二非晶合金2的待焊接端加工为V型焊接槽，且采用超声加工方式在待焊接端均加工出微型结构7，第一非晶合金1和第二非晶合金2的交叉过冷液相区温度范围为365℃～419℃。
S2、将第一非晶合金1与第二非晶合金2装夹在超声焊接系统3上，其中，将第一非晶合金1的焊接头插入第二非晶合金2的焊接槽，使其待焊接界面相互接触。
S3、设置第一非晶合金1的主旋转运动沿轴向相对运动方向逆时针转动，转速为250rpm，第二非晶合金2的主旋转运动与第一非晶合金1主旋转运动方向相反，转速为250rpm；设置超声功率均为500W，输出沿轴向相对运动方向的超声振动，且压力能够保证第一非晶合金1和第二非晶合金2沿轴向方向做相对平移运动，使待焊接界面相互摩擦挤压；根据交叉过冷液相区温度范围，设置测量温度范围为355℃～429℃。开启超声焊接系统3，第一非晶合金1和第二非晶合金2做相对旋转运动，通过实时获得焊接区域温度变化情况，确保在交叉过冷液相区内完成摩擦焊接，获得大块非晶合金6。
S4、循环操作，重复步骤S1～S3，获得多块非晶合金。
实施例6
本实例公开的一种提高大块非晶合金摩擦焊接效果的方法，参见图6，
S1、根据焊接要求，选择组分为Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5的非晶合金作为第一非晶合金1和第二非晶合金2，其Tg为365℃，Tx为419℃，同时采用激光加工方式将在第一非晶合金1的待焊接端加工为V型焊接头，在第二非晶合金2的待焊接端加工为V型焊接槽，且采用激光加工方式在待焊接端均加工出微型结构7，第一非晶合金1和第二非晶合金2的交叉过冷液相区温度范围为365℃～419℃。
S2、将第一非晶合金1与第二非晶合金2装夹在超声焊接系统3上，其中，将第一非晶合金1的焊接头插入第二非晶合金2的焊接槽，采用套筒4套住所述焊接头与所述焊接槽的连接处，使其待焊接界面相互接触，且套筒4的内壁为齿轮形8的模腔。
S3、设置第一非晶合金1的主旋转运动沿轴向相对运动方向逆时针转动，转速为250rpm，第二非晶合金2的主旋转运动与第一非晶合金1主旋转运动方向相反，转速为250rpm；设置超声功率均为500W，输出沿轴向相对运动方向的超声振动，且压力能够保证第一非晶合金1和第二非晶合金2沿轴向方向做相对平移运动，使待焊接界面相互摩擦挤压；根据交叉过冷液相区温度范围，设置测量温度范围为355℃～429℃。开启超声焊接系统3，第一非晶合金1和第二非晶合金2做相对旋转运动，通过实时获得焊接区域温度变化情况，确保在交叉过冷液相区内完成摩擦焊接，获得带有齿轮结构的大块非晶合金6。
S4、循环操作，重复步骤S1～S3，获得多块非晶合金。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种提高大块非晶合金摩擦焊接效果的方法，其特征在于：包括以下步骤，
S1、采用具有交叉过冷液相区温度的待焊接的第一非晶合金和第二非晶合金，在第一非晶合金的待焊接端加工出焊接头，在第二非晶合金的待焊接端加工出焊接槽；
S2、将第一非晶合金的焊接头插入第二非晶合金的焊接槽，使所述焊接头接触所述焊接槽，采用套筒套住所述焊接头与所述焊接槽的连接处；
S3、驱动所述第一非晶合金与所述第二非晶合金做相对旋转运动，实现所述第一非晶合金和所述第二非晶合金焊接成型；
S4、重复S1～S3步骤，获得多块非晶合金。
2.根据权利要求1所述的提高大块非晶合金摩擦焊接效果的方法，其特征在于：所述焊接头为V型焊接头、凸字型焊接头、球面焊接头和表面上开设有台阶结构的圆台焊接头。
3.根据权利要求2所述的提高大块非晶合金摩擦焊接效果的方法，其特征在于：在所述焊接头和/或所述焊接槽上加工出微米级、纳米级中任意一种或者两种尺寸组合的微型结构。
4.根据权利要求1所述的提高大块非晶合金摩擦焊接效果的方法，其特征在于：所述套筒的内壁设为模腔结构。
5.根据权利要求1所述的提高大块非晶合金摩擦焊接效果的方法，其特征在于：所述套筒上方设置测温模块，所述测温模块实时检测焊接区域的温度变化。
6.根据权利要求1所述的提高大块非晶合金摩擦焊接效果的方法，其特征在于：还包括超声焊接系统，所述超声焊接系统分别对所述第一非晶合金和所述第二非晶合金施加超声振动。
7.根据权利要求6所述的提高大块非晶合金摩擦焊接效果的方法，其特征在于：所述S3中，所述超声焊接系统对所述第一非晶合金和/或所述第二非晶合金施加压力，使第一非晶合金的待焊接端与所述第二非晶合金的待焊接端挤压在一起。
8.根据权利要求7所述的提高大块非晶合金摩擦焊接效果的方法，其特征在于：所述超声振动的振动功率不大于2kW，所述压力的压力大小不大于5GPa。
9.根据权利要求1所述的提高大块非晶合金摩擦焊接效果的方法，其特征在于：所述第一非晶合金和/或所述第二非晶合金的相对旋转运动为主运动，所述主运动的旋转速度不大于1500rpm。
10.一种块体非晶合金，其特征在于：采用权利要求1-9任一项所述的用于大块非晶合金的摩擦焊接方法制成。
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