CN113798657A - 一种利用锥形摩擦焊接方式实现异种合金高强连接的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用锥形摩擦焊接方式实现异种合金高强连接的方法，该方法首先根据合金铸铁焊件（10）的内孔（11）尺寸选择合适的高温合金待焊件并将高温合金待焊件的焊接面设计成圆锥形摩擦焊接头（21）、获得高温合金毛坯件（20），同时将合金铸铁焊件（10）的内孔（11）设置为与圆锥形摩擦焊接头（21）对应的锥面（12），通过合金铸铁焊件（10）与高温合金毛坯件（20）锥形摩擦焊接的方式实现异种金属之间的连接，然后通过二次机械加工将连接后的高温合金毛坯件（20）加工成高温合金耐磨层（22）。该方法实现合金铸铁与高温合金异种金属之间的高质量、高强度及高结合力连接，解决汽车发动机气门座高温磨损和氧化的问题。

Description

一种利用锥形摩擦焊接方式实现异种合金高强连接的方法

技术领域

本发明涉及固相焊技术领域，尤其涉及一种利用锥形摩擦焊接方式实现异种合金高强连接的方法。

背景技术

目前，一些汽车发动机在工作过程中，其气门与气门座之间会发生高频次剧烈的冲击，造成非均匀机械磨损、磨料磨损与挤压塑性变形等问题，极易在工作面形成磨损凹陷、疲劳剥落凹坑等缺陷；同时，气门与气门座还承受高温燃气的冲刷、氧化和腐蚀，极易产生烧蚀麻点。磨损凹陷、疲劳剥落凹坑等缺陷以及烧蚀麻点等均能造成发动机气门密封性下降，致使发动机燃气泄露、功率大幅下降，无法满足使用要求。因此，提高气门座磨损部位的高温耐磨性和抗氧化性是解决气门座磨损失效问题前提。

由于发动机气门座一般为高合金铸铁材料制备而成，其部位经高频感应淬火强化与表面涂层或改性等表面工艺处理后，磨损、裂纹等失效现象依然严重。因此，现有技术中通常考虑在铸铁内孔表面设置一定厚度的高温耐磨合金层，从而解决气门座磨损问题。

但是，合金铸铁与高温合金为异种金属，两种金属热导率等物理性能差异大，且合金元素含量高、碳当量大，若采用熔焊方式连接极易在焊接处产生裂纹等缺陷，连接强度、结合力低，在发动机高温、高频冲击等工况下，高温合金易发生脱落等失效，依然会出现发动机燃气泄露的问题；同时，采用熔焊方式在铸铁孔内表面制备的高温耐磨合金层厚度大，造成气门座整体的重量增加，从而导致发动机整体增重、影响发动机性能。

发明内容

针对以上现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种利用锥形摩擦焊接方式实现异种合金高强连接的方法，从而实现合金铸铁与高温合金异种金属之间的高强、高质量与高结合力的连接，解决汽车发动机气门座高温磨损和氧化的问题。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种利用锥形摩擦焊接方式实现异种合金高强连接的方法，其特征在于：包括以下步骤：

a、首先根据合金铸铁焊件的内孔尺寸选择合适的高温合金待焊件并将高温合金待焊件的焊接面设计成圆锥形摩擦焊接头、获得高温合金毛坯件，同时将合金铸铁焊件的内孔待设置高温合金耐磨层的一端端面设计为锥面、锥面形状对应圆锥形摩擦焊接头；

b、根据合金铸铁焊件与高温合金毛坯件的尺寸，分别加工出夹持合金铸铁焊件的第一焊接夹持工装以及夹持高温合金毛坯件的第二焊接夹持工装；

c、对合金铸铁焊件与高温合金待焊件按照步骤a中的设计尺寸进行机械加工，并对合金铸铁焊件与高温合金毛坯件进行去毛刺和去油污处理；

d、分别将第一焊接夹持工装、第二焊接夹持工装安装在摩擦焊机的移动滑台与主轴上；然后分别通过第一焊接夹持工装与第二焊接夹持工装分别对合金铸铁焊件与高温合金毛坯件进行预夹紧；

e、设置摩擦焊接的参数，开启摩擦焊机，完成合金铸铁焊件与高温合金毛坯件的摩擦、顶端保压的锥形摩擦焊接工序；

f、打开第一焊接夹持工装与第二焊接夹持工装，取下焊接件；

g、对焊接件进行二次机械加工，将高温合金毛坯件加工成所需的高温合金耐磨层，从而完成在合金铸铁焊件的内孔表面制备高强高连接的高温合金耐磨层。

作进一步优化，所述合金铸铁焊件的内孔直径为φ10～40mm、外径为φ35～100mm。

作进一步优化，所述高温合金毛坯件的外径为φ20～80mm、锥度角为20°～60°；对应所述锥面的外径为20～80mm、锥度角为20°～60°。

作进一步优化，所述第一焊接夹持工装与第二焊接夹持工装夹持合金铸铁焊件与高温合金毛坯件的宽度均为50～150mm。

作进一步优化，所述第一焊接夹持工装与所述第二焊接夹持工装均采用40CrNiMo或40Cr中碳调质钢中的任一种材料制备得到。

作进一步优化，所述摩擦焊接参数具体为：摩擦转速1100～3200r/min，摩擦压力1.5～10MPa，顶锻转速400～1600r/min，顶锻压力2.5～16MPa。

作进一步优化，所述二次机械加工具体为：首先通过车床将高温合金毛坯件多余的物料（即高温合金毛坯件未焊接端）切断、保证切断后的高温合金毛坯件端面与合金铸铁焊件端面平齐；然后采用铣床对切断后的高温合金毛坯件扩孔，将其加工成所需厚度的高温合金耐磨层。

本发明具有如下技术效果：

本申请采用锥形摩擦焊接方式，在摩擦焊接过程中通过移动滑台的移动既提供轴向力、又提供径向压力，从而有效解决了合金铸铁与高温合金异种金属之间焊接头难以高质量熔焊的难题，锥形摩擦焊接头焊后强度系数大≥0.92；同时采用锥形摩擦焊接的方式，有效确保旋转摩擦过程中合金铸铁与高温合金的同轴度、焊后同轴度最大误差≤0.45mm，保证焊接精度。

本申请方法通过锥形摩擦焊接的方式实现在合金铸铁内孔表面制备高温合金耐磨层，解决了高温合金涂层难以高质量沉积在合金铸铁内孔表面以及采用熔焊等技术结合力差的问题，实现了高温合金层在合金铸铁缸、盖等类似零件内表面高强、高结合力、高可靠制备；同时，保证制备的高温合金层的厚度可控，避免制备高温合金层时极大的增加了合金铸铁的重量，有效解决了现有连接方法中结合强度与厚度控制之间互相矛盾的问题。

附图说明

图1为本发明实施例中合金铸铁与高温合金锥形摩擦焊的结构示意图。

图2为本发明实施例中合金铸铁与高温合金焊接件的示意图。

图3为本发明实施例中合金铸铁内孔表面设置高温合金耐磨层的示意图。

其中，10、合金铸铁焊件；11、内孔；12、锥面；20、高温合金毛坯件；21、圆锥形摩擦焊接头；22、高温合金耐磨层。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

针对直径A为φ35mm合金铸铁焊件10、其内孔11直径B为φ10mm；一种利用锥形摩擦焊接方式实现异种合金高强连接的方法，其特征在于：包括以下步骤：

a、首先根据合金铸铁的内孔11尺寸选择合适的高温合金待焊件尺寸（此根据多次焊接经验总结可获得，为本领域的公知常识）并将高温合金待焊件的焊接面设计成圆锥形摩擦焊接头21、获得高温合金毛坯件20，高温合金毛坯件20的具体尺寸为：外径C为φ20mm、锥度角a为20°，圆锥形摩擦焊接头21的小端直径与内孔11直径B一致（如图1所示）；同时将合金铸铁内孔11待设置高温合金耐磨层22的一端端面对应圆锥形摩擦焊接头21设计为锥面12，即锥面12的外径C为φ20mm、锥度角a为20°（如图1所示）；

b、根据合金铸铁焊件10与高温合金毛坯件20的尺寸，分别加工出夹持合金铸铁焊件10的第一焊接夹持工装以及夹持高温合金毛坯件20的第二焊接夹持工装、第一焊接夹持工装与第二焊接夹持工装均采用40CrNiMo或40Cr中碳调质钢中的任一种材料制备得到；第一焊接夹持工装夹持合金铸铁焊件10的宽度为50mm、第二焊接夹持工装高温合金毛坯件20的宽度为50mm；

c、对合金铸铁焊件10与高温合金待焊件按照步骤a中的设计尺寸进行机械加工，并对合金铸铁与高温合金毛坯件20进行去毛刺和去油污处理；

d、分别将第一焊接夹持工装、第二焊接夹持工装安装在摩擦焊机的移动滑台与主轴上；然后分别通过第一焊接夹持工装与第二焊接夹持工装分别对合金铸铁与高温合金毛坯件20进行预夹紧；

e、设置摩擦焊接的参数，具体参数为：摩擦转速3200r/min、摩擦压力1.5MPa，顶锻转速1600r/min、顶锻压力2.5MPa；开启焊机，第一焊接夹持工装夹持合金铸铁焊件10、第二焊接夹持工装夹持高温合金毛坯件20，在轴向压力作用下高温合金毛坯件20的圆锥面与合金铸铁焊件10的锥面12紧密接触、同时产生径向压力和轴线压力，自动对中后并后退2mm，焊机主轴开始旋转升速至主轴转速3200r/min时，高温合金毛坯件20与合金铸铁焊件10在1.5MPa轴向摩擦力作用下，其锥面接触并相互摩擦，随着前端金属的软化并轴向推进，从而使整个锥面处于热塑性状态，随着主轴转速下降至1600r/min顶锻转速时，在2.5MPa顶锻力作用下产生顶锻刹车，保压，完成直径φ20mm的高温合金毛坯件20与直径φ35mm的合金铸铁焊件10的锥形摩擦焊接；

f、打开第一焊接夹持工装与第二焊接夹持工装，取下焊接件；

g、对焊接件进行二次机械加工，二次机械加工具体为：首先通过车床将高温合金毛坯件20多余的物料（即高温合金毛坯件20未焊接端）切断、保证切断后的高温合金毛坯件20端面与合金铸铁焊件10端面平齐（如图2、3所示）；然后采用铣床对切断后的高温合金毛坯件20扩孔，将其加工成所需厚度的高温合金耐磨层22；从而完成在合金铸铁内孔11表面制备高强高连接的高温合金耐磨层22（如图3所示）。

对高温合金耐磨层22与合金铸铁焊件10的连接部位进行抗拉强度测试表明：连接接头最小的强度系数0.93；同轴度测试表明：高温合金耐磨层22与合金铸铁焊件10的同轴度最大误差0.36mm，最终实现了合金铸铁焊件10与高温合金耐磨层22异种金属之间的高强、高结合力连接。

实施例2：

针对直径A为φ75mm合金铸铁焊件10、其内孔11直径B为φ28mm；一种利用锥形摩擦焊接方式实现异种合金高强连接的方法，其特征在于：包括以下步骤：

a、首先根据合金铸铁的内孔11尺寸选择合适的高温合金待焊件（此根据多次焊接经验总结可获得，为本领域的公知常识）并将高温合金待焊件的焊接面设计成圆锥形摩擦焊接头21、获得高温合金毛坯件20，高温合金毛坯件20的具体尺寸为：外径C为φ50mm、锥度角a为40°，圆锥形摩擦焊接头21的小端直径与内孔11直径B一致（如图1所示）；同时将合金铸铁内孔11待设置高温合金耐磨层22的一端端面对应圆锥形摩擦焊接头21设计为锥面12，即锥面12的外径C为φ50mm、锥度角a为40°（如图1所示）；

b、根据合金铸铁焊件10与高温合金毛坯件20的尺寸，分别加工出夹持合金铸铁焊件10的第一焊接夹持工装以及夹持高温合金毛坯件20的第二焊接夹持工装、第一焊接夹持工装与第二焊接夹持工装均采用40CrNiMo或40Cr中碳调质钢中的任一种材料制备得到；第一焊接夹持工装夹持合金铸铁焊件10的宽度为100mm、第二焊接夹持工装高温合金毛坯件20的宽度为100mm；

c、对合金铸铁焊件10与高温合金待焊件按照步骤a中的设计尺寸进行机械加工，并对合金铸铁与高温合金毛坯件20进行去毛刺和去油污处理；

d、分别将第一焊接夹持工装、第二焊接夹持工装安装在摩擦焊机的移动滑台与主轴上；然后分别通过第一焊接夹持工装与第二焊接夹持工装分别对合金铸铁与高温合金毛坯件20进行预夹紧；

e、设置摩擦焊接的参数，具体参数为：摩擦转速2100r/min、摩擦压力6MPa，顶锻转速1000r/min、顶锻压力9.5MPa；开启焊机，第一焊接夹持工装夹持合金铸铁焊件10、第二焊接夹持工装夹持高温合金毛坯件20，在轴向压力作用下高温合金毛坯件20的圆锥面与合金铸铁焊件10的锥面12紧密接触、同时产生径向压力和轴线压力，自动对中后并后退2mm，焊机主轴开始旋转升速至主轴转速2100r/min时，高温合金毛坯件20与合金铸铁焊件10在6MPa轴向摩擦力作用下，其锥面接触并相互摩擦，随着前端金属的软化并轴向推进，从而使整个锥面处于热塑性状态，随着主轴转速下降至1000r/min顶锻转速时，在9.5MPa顶锻力作用下产生顶锻刹车，保压，完成直径φ50mm的高温合金毛坯件20与直径φ75mm的合金铸铁焊件10的锥形摩擦焊接；

f、打开第一焊接夹持工装与第二焊接夹持工装，取下焊接件；

g、对焊接件进行二次机械加工，二次机械加工具体为：首先通过车床将高温合金毛坯件20多余的物料（即高温合金毛坯件20未焊接端）切断、保证切断后的高温合金毛坯件20端面与合金铸铁焊件10端面平齐（如图2、3所示）；然后采用铣床对切断后的高温合金毛坯件20扩孔，将其加工成所需厚度的高温合金耐磨层22；从而完成在合金铸铁内孔11表面制备高强高连接的高温合金耐磨层22（如图3所示）。

对高温合金耐磨层22与合金铸铁焊件10的连接部位进行抗拉强度测试表明：连接接头最小的强度系数0.935；同轴度测试表明：高温合金耐磨层22与合金铸铁焊件10的同轴度最大误差0.4mm，最终实现了合金铸铁焊件10与高温合金耐磨层22异种金属之间的高强、高结合力连接。

实施例3：

针对直径A为φ100mm合金铸铁焊件10、其内孔11直径B为φ40mm；一种利用锥形摩擦焊接方式实现异种合金高强连接的方法，其特征在于：包括以下步骤：

a、首先根据合金铸铁的内孔11尺寸选择合适的高温合金待焊件（此根据多次焊接经验总结可获得，为本领域的公知常识）并将高温合金待焊件的焊接面设计成圆锥形摩擦焊接头21、获得高温合金毛坯件20，高温合金毛坯件20的具体尺寸为：外径C为φ80mm、锥度角a为60°，圆锥形摩擦焊接头21的小端直径与内孔11直径B一致（如图1所示）；同时将合金铸铁内孔11待设置高温合金耐磨层22的一端端面对应圆锥形摩擦焊接头21设计为锥面12，即锥面12的外径C为φ80mm、锥度角a为60°（如图1所示）；

b、根据合金铸铁焊件10与高温合金毛坯件20的尺寸，分别加工出夹持合金铸铁焊件10的第一焊接夹持工装以及夹持高温合金毛坯件20的第二焊接夹持工装、第一焊接夹持工装与第二焊接夹持工装均采用40CrNiMo或40Cr中碳调质钢中的任一种材料制备得到；第一焊接夹持工装夹持合金铸铁焊件10的宽度为150mm、第二焊接夹持工装高温合金毛坯件20的宽度为150mm；

c、对合金铸铁焊件10与高温合金待焊件按照步骤a中的设计尺寸进行机械加工，并对合金铸铁与高温合金毛坯件20进行去毛刺和去油污处理；

d、分别将第一焊接夹持工装、第二焊接夹持工装安装在摩擦焊机的移动滑台与主轴上；然后分别通过第一焊接夹持工装与第二焊接夹持工装分别对合金铸铁与高温合金毛坯件20进行预夹紧；

e、设置摩擦焊接的参数，具体参数为：摩擦转速1100r/min、摩擦压力10MPa，顶锻转速400r/min、顶锻压力16MPa；开启焊机，第一焊接夹持工装夹持合金铸铁焊件10、第二焊接夹持工装夹持高温合金毛坯件20，在轴向压力作用下高温合金毛坯件20的圆锥面与合金铸铁焊件10的锥面12紧密接触、同时产生径向压力和轴线压力，自动对中后并后退2mm，焊机主轴开始旋转升速至主轴转速1100r/min时，高温合金毛坯件20与合金铸铁焊件10在10MPa轴向摩擦力作用下，其锥面接触并相互摩擦，随着前端金属的软化并轴向推进，从而使整个锥面处于热塑性状态，随着主轴转速下降至400r/min顶锻转速时，在16MPa顶锻力作用下产生顶锻刹车，保压，完成直径φ80mm的高温合金毛坯件20与直径φ100mm的合金铸铁焊件10的锥形摩擦焊接；

f、打开第一焊接夹持工装与第二焊接夹持工装，取下焊接件；

g、对焊接件进行二次机械加工，二次机械加工具体为：首先通过车床将高温合金毛坯件20多余的物料（即高温合金毛坯件20未焊接端）切断、保证切断后的高温合金毛坯件20端面与合金铸铁焊件10端面平齐（如图2、3所示）；然后采用铣床对切断后的高温合金毛坯件20扩孔，将其加工成所需厚度的高温合金耐磨层22；从而完成在合金铸铁内孔11表面制备高强高连接的高温合金耐磨层22（如图3所示）。

对高温合金耐磨层22与合金铸铁焊件10的连接部位进行抗拉强度测试表明：连接接头最小的强度系数0.937；同轴度测试表明：高温合金耐磨层22与合金铸铁焊件10的同轴度最大误差0.43mm，最终实现了合金铸铁焊件10与高温合金耐磨层22异种金属之间的高强、高结合力连接。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种利用锥形摩擦焊接方式实现异种合金高强连接的方法，其特征在于：包括以下步骤：

a、首先根据合金铸铁焊件（10）的内孔（11）尺寸选择合适的高温合金待焊件并将高温合金待焊件的焊接面设计成圆锥形摩擦焊接头（21）、获得高温合金毛坯件（20），同时将合金铸铁焊件（10）的内孔（11）待设置高温合金耐磨层的一端端面设计为锥面（12）、锥面（12）形状对应圆锥形摩擦焊接头（21）；

b、根据合金铸铁焊件（10）与高温合金毛坯件（20）的尺寸，分别加工出夹持合金铸铁焊件（10）的第一焊接夹持工装以及夹持高温合金毛坯件（20）的第二焊接夹持工装；

c、对合金铸铁焊件（10）与高温合金待焊件按照步骤a中的设计尺寸进行机械加工，并对合金铸铁焊件（10）与高温合金毛坯件（20）进行去毛刺和去油污处理；

d、分别将第一焊接夹持工装、第二焊接夹持工装安装在摩擦焊机的移动滑台与主轴上；然后分别通过第一焊接夹持工装与第二焊接夹持工装分别对合金铸铁焊件（10）与高温合金毛坯件（20）进行预夹紧；

e、设置摩擦焊接的参数，开启摩擦焊机，完成合金铸铁焊件（10）与高温合金毛坯件（20）的摩擦、顶端保压的锥形摩擦焊接工序；

f、打开第一焊接夹持工装与第二焊接夹持工装，取下焊接件；

g、对焊接件进行二次机械加工，将高温合金毛坯件（20）加工成所需的高温合金耐磨层（22），从而完成在合金铸铁焊件（10）的内孔（11）表面制备高强高连接的高温合金耐磨层（22）。

2.根据权利要求1所述的一种利用锥形摩擦焊接方式实现异种合金高强连接的方法，其特征在于：所述合金铸铁焊件（10）的内孔（11）直径为φ10～40mm、外径为φ35～100mm。

3.根据权利要求1或2任一项所述的一种利用锥形摩擦焊接方式实现异种合金高强连接的方法，其特征在于：所述高温合金毛坯件（20）的外径为φ20～80mm、锥度角为20°～60°；对应所述锥面（12）的外径为20～80mm、锥度角为20°～60°。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种利用锥形摩擦焊接方式实现异种合金高强连接的方法，其特征在于：所述摩擦焊接参数具体为：摩擦转速1100～3200r/min，摩擦压力1.5～10MPa，顶锻转速400～1600r/min，顶锻压力2.5～16MPa。

5.根据权利要求4所述的一种利用锥形摩擦焊接方式实现异种合金高强连接的方法，其特征在于：所述二次机械加工具体为：首先通过车床将高温合金毛坯件（20）多余的物料切断、保证切断后的高温合金毛坯件（20）端面与合金铸铁焊件（10）端面平齐；然后采用铣床对切断后的高温合金毛坯件（20）扩孔，将其加工成所需厚度的高温合金耐磨层（22）。

Images