CN114289917A

CN114289917A - 一种感应摩擦复合钎焊方法和异种合金工件的制备方法

Info

Publication number: CN114289917A
Application number: CN202210074278.8A
Authority: CN
Inventors: 龙伟民; 张雷; 吴奇隆; 孙华为; 郝庆乐; 纠永涛; 赵丹; 孙志鹏
Original assignee: China Innovation Academy of Intelligent Equipment Co Ltd CIAIE
Current assignee: China Innovation Academy of Intelligent Equipment Co Ltd CIAIE
Priority date: 2022-01-21
Filing date: 2022-01-21
Publication date: 2022-04-08
Anticipated expiration: 2042-01-21
Also published as: CN114289917B

Abstract

本发明提供了一种感应摩擦复合钎焊方法和异种合金工件的制备方法，将待焊工件置于保护气体环境中同时使用感应加热和摩擦生热，在压力作用下使待焊工件焊接。本发明的复合钎焊方法避免了感应钎焊由于集肤效应而导致的加热不均的问题，达到钎焊温度所需的通电时间远低于一般的感应钎焊，大幅降低了通电所需的时间成本；同时本发明也避免了摩擦焊所存在的效率低、能量损耗大的固有问题，以及焊接截面受限等问题。通过摩擦加热和感应加热互补的优势，使焊件内部产热的同时焊件表面同步升温，保证了加热的均匀性，在提高焊缝强度的同时大幅降低了焊接所用的时间，焊接效率显著提高，且引入保护气体环境进一步增强了焊缝强度。

Description

一种感应摩擦复合钎焊方法和异种合金工件的制备方法

技术领域

本发明涉及焊接领域，具体而言，涉及一种感应摩擦复合钎焊方法和异种合金工件的制备方法。

背景技术

感应钎焊是利用高频、中频或工频感应电流作为热源的焊接方法。将待焊的金属工件放在感应线圈内，通入电流、产生感应电磁场，在工件表面产生感应电动势，依靠于所产生的感应电流和电阻热实现焊接；一般会在焊接部位涂覆焊粉、焊膏等钎料，待工件达到钎料熔化温度时实施钎焊即可。

感应钎焊的优点是清洁环保，能量传输集中，升温极快；但是感应加热存在集肤效应；具体而言，感应电流的频率越高，电流渗透深度越低，虽然使工件表层迅速升温，但加热的厚度却更薄，工件内部只能依靠表层的热传递实现升温。因而，当感应加热的升温速度远大于热传导的升温速度时，工件表面温度已经达到钎焊温度，但是工件内部温度仍未达到钎焊温度，需要延长加热时间，以使工件内部同样达到钎焊温度。长时间的感应加热，大大降低了生产效率。

摩擦焊是利用摩擦面之间的相对运动，在摩擦面及其附近区域产生摩擦热和塑形变形热，使摩擦面及其附近区域的温度上升到接近但一般低于熔点的温度区间，这时工件的抗变形力降低、塑性提高、界面的氧化膜破碎，并在顶锻压力的作用下，伴随工件材料产生塑性形变及流动，通过界面的分子扩散和再结晶而实现焊接的固态焊接方法。

摩擦焊的优点在于焊接界面处能够产生动态再结晶，由于晶粒细小而达到接头强度高、焊接质量好且稳定的效果。但是摩擦焊是由机械能转化为热能，存在效率低、能量损耗大的问题；同时，受焊机主轴电机功率的限制，摩擦焊的可焊接最大截面有限。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种感应摩擦复合钎焊方法，针对现有技术中感应钎焊和摩擦焊各自存在的生产效率低、能量损耗大的技术问题，本发明采用在保护气体环境下同时使用感应加热和摩擦生热、并在压力作用下实现焊接，在增强接头强度的同时大幅降低了焊接所用的时间，焊接效率得以提高。

本发明的第二目的在于提供一种异种合金工件的制备方法，所述制备方法包含有本发明所述的复合钎焊方法，具有效率高、焊接强度高、绿色环保等优点。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

一种感应摩擦复合钎焊方法，将至少两个待焊工件置于保护气体环境中，同时使用感应加热和摩擦生热，在压力作用下使所述待焊工件实现焊接；

所述待焊工件的材质包括硬质合金和/或钢；

优选地，所述待焊工件的材质分别为硬质合金和钢；

优选地，所述硬质合金包括钨钴类硬质合金、钨钛钴类硬质合金或钨钛钽类硬质合金中的至少一种。

作为一种优选的实施方式，所述感应摩擦复合钎焊方法主要包括如下步骤：

(1)分别将所述待焊工件固定，并设置保护气体腔，使所述待焊工件处于所述保护气体环境中；

(2)向所述待焊工件施加摩擦压力；开启驱动装置，使焊接界面之间产生相对摩擦；开启感应加热装置，对所述待焊工件加热；

(3)停止所述驱动装置，停止所述感应加热装置；向所述待焊工件施加顶锻压力，停止通入保护气，即得。

优选地，在步骤(1)中，还包括在所述焊接界面处涂覆焊料；

优选地，所述焊料主要包括BAg₄₉CuZnNi、BAg₄₉ZnCuMnNo、BAg₄₀CuZnCdNi、BAg₅₀ZnCdCuNi、BCu₅₈ZnMn、BCu₄₈ZnNi、B₅₇ZnMnCo中的至少一种。

优选地，在步骤(1)中，所述保护气体包括氩气、氮气或氦气中的至少一种；

优选地，所述保护气体的流速为10L/min～15L/min；

优选地，所述保护气体腔的直径大于所述待焊工件的直径2mm～4mm。

优选地，在步骤(2)中，所述摩擦压力为20Mpa～25Mpa。

优选地，在步骤(2)中，所述驱动装置的转速为550rmp～750rmp；

优选地，在通入保护气体后的2s～4s后开启驱动装置。

优选地，在步骤(2)中，所述感应加热装置的电流量为28A～35A；

优选地，所述感应加热的持续时间为7s～8s。

优选地，在步骤(3)中，所述顶锻压力为120Mpa～160Mpa；

优选地，在所述驱动装置刹车的0.1s～0.2s内施加顶锻压力；

优选地，在施加顶锻压力4s～6s后，停止通入保护气。

一种异种合金工件的制备方法，包括如本发明所述的复合钎焊方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明的复合钎焊方法，与单独使用摩擦焊或单独使用感应钎焊相比，具有更高的焊接接头强度，且所用的焊接时间更短，大幅提高了焊接效率。

(2)本发明采用摩擦加热和感应加热同时进行，由于摩擦加热的特性为内部优先产热，感应加热的特性是表面优先升温，因此保证加热的均匀性，进一步提高了焊接效率。

(3)本发明在复合钎焊过程中采用保护气环境，降低了焊接过程中的氧化；在进行感应加热的前后分别施加不同大小的摩擦压力和顶锻压力，可以挤出焊缝处的氧化物，进一步保证了焊接强度。

(4)本发明在焊接过程中不需要钎剂，保证了在焊接过程中环保绿色。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明提供的感应摩擦复合钎焊装置的结构示意图。

附图标记：

1-机架； 2-驱动装置； 3-导轨；

4-可移动夹具； 5-第一待焊工件； 6-第二待焊工件；

7-焊料； 8-感应加热装置； 9-保护气体腔；

10-保护气接口。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。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。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

针对现有技术中感应钎焊和摩擦焊均具有生产效率低、能量损耗大的技术问题，特提出本发明的感应摩擦复合钎焊方法。本发明的复合钎焊方法在增强接头强度的同时大幅降低了焊接所用的时间，焊接效率得以显著提高。同时，本发明的复合钎焊方法还具有降低氧化、加热均匀、绿色环保等诸多优点。

本发明是通过如下技术方案实现的：

所述待焊工件的材质包括硬质合金和/或钢；

优选地，所述待焊工件的材质分别为硬质合金和钢；

(1)分别将所述待焊工件固定，并设置保护气体腔9，使所述待焊工件处于所述保护气体环境中；

(2)向所述待焊工件施加摩擦压力；开启驱动装置2，使焊接界面之间产生相对摩擦；开启感应加热装置8，对所述待焊工件加热；

(3)停止所述驱动装置2，停止所述感应加热装置8；向所述待焊工件施加顶锻压力，停止通入保护气，即得。

作为一种更优选的实施方式，所述感应摩擦复合钎焊方法主要包括如下步骤：

(1)分别将第一待焊工件5、第二待焊工件6固定，其中，所述第一待焊工件5固定于所述驱动装置2上，所述第二待焊工件6固定于可移动的夹持装置上；设置保护气体腔9，使焊接界面处于所述保护气体环境的中部；

(2)移动所述夹持装置，以向所述待焊工件之间施加摩擦压力；开启驱动装置2，使所述第一待焊工件5高速旋转，而所述第二待焊工件6保持相对静置，使焊接界面之间产生旋转摩擦，实施摩擦焊；开启感应加热装置8，向感应加热线圈中通入电流，使其对所述待焊工件加热，实施感应钎焊；

(3)停止所述驱动装置2，同时停止所述感应加热装置8；迅速向所述待焊工件施加顶锻压力，一段时间后停止通入保护气，取出并得到焊接完成的第一待焊工件5、第二待焊工件6。

本发明采用摩擦加热和感应加热同时进行，由于摩擦加热的特性为内部优先产热，感应加热的特性是表面优先升温，因此保证加热的均匀性。

优选地，在步骤(1)中，还包括在所述焊接界面处涂覆焊料7；

优选地，所述焊料7包括银基焊料或铜基焊料中的至少一种；

更优选地，所述银基焊料包括但不限于BAg₄₉CuZnNi、BAg₄₉ZnCuMnNo、BAg₄₀CuZnCdNi；所述铜基焊料包括但不限于BAg₅₀ZnCdCuNi、BCu₅₈ZnMn、BCu₄₈ZnNi、B₅₇ZnMnCo。

优选地，所述保护气体的流速为10L/min～15L/min；

优选地，所述保护气体腔9的直径大于所述待焊工件的直径2mm～4mm；

更优选地，所述保护气为高纯氩气；

本发明在复合钎焊过程中采用保护气环境，有效降低了焊接过程中焊件及焊缝处的氧化。

优选地，在步骤(2)中，所述摩擦压力为20Mpa～25Mpa；作为一种更优选的实施方式，所述摩擦压力的取值包括但不限于20Mpa、21Mpa、22Mpa、23Mpa、24Mpa、25Mpa。

优选地，在步骤(2)中，所述驱动装置2的转速为550rmp～750rmp；

优选地，在通入保护气体后的2s～4s后开启驱动装置2。

优选地，在步骤(2)中，所述感应加热装置8的电流量为28A～35A；作为一种更优选的实施方式，所述感应加热装置8的电流量包括但不限于28A、29A、30A、31A、32A、33A、34A、35A；

优选地，所述感应加热的持续时间为7s～8s。

优选地，在步骤(3)中，所述顶锻压力为120Mpa～160Mpa；作为一种更优选的实施方式，所述顶锻压力的取值包括但不限于120Mpa、125Mpa、130Mpa、135Mpa、140Mpa、145Mpa、150Mpa、155Mpa、160Mpa；

在进行感应加热的前后分别施加不同大小的摩擦压力和顶锻压力，可以挤出焊缝处的氧化物，进一步保证了焊接强度。

优选地，在所述驱动装置2刹车的0.1s～0.2s内施加顶锻压力；

优选地，在施加顶锻压力4s～6s后，停止通入保护气；

更优选地，在施加顶锻压力5s后，停止通入保护气。

一种异种合金工件的制备方法，包括本发明所述的复合钎焊方法。

本发明还提供了图1所示的感应摩擦复合钎焊装置；

作为一种可选的实施方式，所述感应摩擦复合钎焊通过所述感应摩擦复合钎焊装置实施；

所述感应摩擦复合钎焊装置包括有如下组件：机架1、驱动装置2、导轨3、可移动夹具4、感应加热装置8、保护气体腔9和保护气接口10；

其中；

所述驱动装置2上设置有刹车，用于迅速停止转动；

所述可移动夹具4和所述保护气体腔9位于所述导轨3之上，并且能够在所述导轨3上自由滑动；

所述保护气体腔9的内径大于第一待焊工件5或第二待焊工件6的最大直径；

所述感应加热装置8包括感应线圈，和与所述感应线圈相连的加热电源，所述感应线圈缠绕于所述保护气体腔9之上；

当使用所述感应摩擦复合钎焊装置实施所述感应摩擦复合钎焊时，主要包括如下步骤：

(1)焊料预涂：将所述焊料7分别涂覆在所述第一待焊工件5和所述第二待焊工件6的焊接界面处；

(2)待焊工件的固定：将所述第一待焊工件5固定于所述驱动装置2上，并将所述第二待焊工件6固定于所述可移动夹具4上；

(3)设置保护气体环境：通过所述导轨3移动所述保护气体腔9，使焊接界面处于所述保护气体腔9的中部；向所述保护气接口10中通入保护气体；

(4)复合钎焊：移动所述可移动夹具4，对待焊工件施加所述摩擦压力；当保护气体完全充满所述保护气体腔9后，启动所述驱动装置2，启动所述感应加热装置8；加热一段时间后，通过刹车停止所述驱动装置2，同时停止所述感应加热装置8；在刹车后迅速移动所述可移动夹具4，对待焊工件施加所述顶锻压力；

(5)取得焊件：在施加所述顶锻压力后持续通入保护气体，一段时间后，停止通入保护气体，移动所述保护气体腔9，分别移除所述可移动夹具4和所述驱动装置2对所述待焊工件的夹持，即得到焊接完成的焊件。

实施例1

本实施例使用本发明所述的感应摩擦复合钎焊方法焊接直径为20mm的硬质合金棒和直径为20mm的钢棒，具体步骤如下：

(1)将银基焊料7预先涂覆在硬质合金棒和钢棒的焊接界面处，分别将硬质合金棒和钢棒固定；设置保护气体腔9，腔内径为22mm，通入高纯氩气，气流量为11L/min；

(2)移动夹持装置，施加21MPa的摩擦压力；在通入高纯氩气2s后，开启驱动装置2，设置转速为600rmp；开启感应加热装置8，设置感应加热电流为30A；

(3)感应加热8s后，停止驱动装置2和感应加热装置8；在驱动装置2刹车0.1s时迅速施加130MPa的顶锻压力，继续通入保护气5s后停止，即完成焊接。

实施例2

本实施例使用本发明所述的感应摩擦复合钎焊方法焊接直径为25mm的硬质合金棒和直径为25mm的钢棒，具体步骤如下：

(1)将铜基焊料7预先涂覆在硬质合金棒和钢棒的焊接界面处，分别将硬质合金棒和钢棒固定；设置保护气体腔9，腔内径为22mm，通入高纯氩气，气流量为13L/min；

(2)移动夹持装置，施加23MPa的摩擦压力；在通入高纯氩气2s后，开启驱动装置2，设置转速为650rmp；开启感应加热装置8，设置感应加热电流为32A；

(3)感应加热8.5s后，停止驱动装置2和感应加热装置8；在驱动装置2刹车0.2s时迅速施加150MPa的顶锻压力，继续通入保护气5s后停止，即完成焊接。

实施例3

本实施例使用本发明所述的感应摩擦复合钎焊方法焊接直径为30mm的硬质合金棒和直径为30mm的钢棒，具体步骤如下：

(1)将铜基焊料7预先涂覆在硬质合金棒和钢棒的焊接界面处，分别将硬质合金棒和钢棒固定；设置保护气体腔9，腔内径为33mm，通入高纯氩气，气流量为15L/min；

(2)移动夹持装置，施加22MPa的摩擦压力；在通入高纯氩气2s后，开启驱动装置2，设置转速为700rmp；开启感应加热装置8，设置感应加热电流为33A；

(3)感应加热7s后，停止驱动装置2和感应加热装置8；在驱动装置2刹车0.1s时迅速施加140MPa的顶锻压力，继续通入保护气5s后停止，即完成焊接。

对比例1

对比例1所使用的焊件与实施例1完全相同，区别在于对比例1仅使用感应钎焊，具体焊接步骤如下：

将银基焊料7预先涂覆在硬质合金棒和钢棒的焊接界面处，分别将硬质合金棒和钢棒固定；开启感应加热装置8，设置感应加热电流为30A；8s后停止感应加热装置8；在驱动装置2刹车0.1s时迅速施加130MPa的顶锻压力，即完成焊接。

对比例2

对比例2所使用的焊件与实施例1完全相同，区别在于对比例2仅使用摩擦焊，具体焊接步骤如下：

分别将硬质合金棒和钢棒固定；开启驱动装置2，设置转速为600rmp；移动所述夹持装置，保持21MPa的摩擦压力直至完成焊接。

表1

	焊接时间/秒(s)	焊接接头强度/兆帕(MPa)
			实施例1	15.1	235
实施例2	15.7	233
			实施例3	14.1	230
对比例1	175	215
			对比例2	30.5	225

由表1的数据可以看出，当采用本发明的摩擦感应复合钎焊方法时，与单独使用摩擦焊或单独使用感应钎焊相比，具有更高的焊接接头强度，且所用的焊接时间更短，大幅提高了焊接效率。

本发明的摩擦感应复合钎焊方法避免了感应钎焊由于集肤效应而导致的加热不均的问题，所达到钎焊温度所需的通电时间远低于一般的感应钎焊，大幅降低了通电所需的时间成本和电力成本。同时，本发明的摩擦感应复合钎焊方法也避免了摩擦焊所存在的效率低、能量损耗大的固有问题，以及焊接截面受限等问题。所述复合钎焊方法通过摩擦加热和感应加热互补的优势，使焊件内部产热的同时焊件表面同步升温，保证了加热的均匀性，进一步增强了焊接强度；辅以保护气体环境，降低焊接过程中的氧化，具有有益的技术效果。

尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；本领域的普通技术人员应当理解：在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围；因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些替换和修改。

Claims

1.一种感应摩擦复合钎焊方法，其特征在于，将至少两个待焊工件置于保护气体环境中，同时使用感应加热和摩擦生热，在压力作用下使所述待焊工件实现焊接；

所述待焊工件的材质包括硬质合金和/或钢。

2.根据权利要求1所述的复合钎焊方法，其特征在于，所述待焊工件的材质分别为硬质合金和钢；

3.根据权利要求1或2所述的复合钎焊方法，其特征在于，主要包括如下步骤：

(2)向所述待焊工件施加摩擦压力；开启驱动装置，使焊接界面之间产生转动摩擦；开启感应加热装置，对所述待焊工件加热；

4.根据权利要求3所述的复合钎焊方法，其特征在于，在步骤(1)中，还包括在所述焊接界面处涂覆焊料；

优选地，所述焊料主要包括BAg₄₉CuZnNi、BAg₄₉ZnCuMnNo、BAg₄₀CuZnCdNi、BAg₅₀ZnCdCuNi、BCu₅₈ZnMn、BCu₄₈ZnNi和B₅₇ZnMnCo中的至少一种。

5.根据权利要求3所述的复合钎焊方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述保护气体包括氩气、氮气或氦气中的至少一种；

优选地，所述保护气体的流速为10L/min～15L/min；

6.根据权利要求3所述的复合钎焊方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述摩擦压力为20Mpa～25Mpa。

7.根据权利要求3所述的复合钎焊方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述驱动装置的转速为550rmp～750rmp；

优选地，在通入保护气体后的2s～4s后开启驱动装置。

8.根据权利要求3所述的复合钎焊方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述感应加热装置的电流量为28A～35A；

优选地，所述感应加热的持续时间为7s～8s。

9.根据权利要求3所述的复合钎焊方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述顶锻压力为120Mpa～160Mpa；

优选地，在所述驱动装置刹车的0.1s～0.2s内施加顶锻压力；

优选地，在施加顶锻压力4s～6s后，停止通入保护气。

10.一种异种合金工件的制备方法，包括如权利要求1～9任一项所述的复合钎焊方法。