CN115026409B - 一种钢/铝异质难焊合金的高强韧径向摩擦焊接方法 - Google Patents
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Abstract
一种钢/铝异质合金的径向焊接方法，是先在钢表面通过第一次径向摩擦焊接一层Cu过渡层环，再在过渡层表面包覆Al‑Li合金层，再在表面进行第二次径向摩擦焊接铝合金层环。本发明采用两步径向摩擦焊接实现了钢/铝异质难焊合金的高强韧径向焊接，实现了高塑高韧的过渡层金属与钢管的焊接，以及铝与高塑高韧的过渡层的焊接，最终实现钢/铝高质量焊接。渡层能够有效控制硬脆的富铝Fe‑Al的IMCs的生成，同时还能降低焊接应力，同时生成的Al2CuLi增强相减少了焊接过程引起的裂纹、气孔等缺陷，增强了界面的结合强度，提高了焊接质量。
Description
技术领域
本发明涉及固相焊接技术领域，具体涉及一种钢/铝异质难焊合金的高强韧径向摩擦焊接方法。
背景技术
高强钢/超高强度钢具有高强度、高断裂韧度、高延展性以及优质的抗冲击性能和耐磨损性能，是目前应用最广泛的金属材料。铝及铝合金密度仅为2.8 g/cm3，且结构强度较高、耐蚀性好、成本低，是实现构件轻量化的关键材料。采用钢和铝异质合金金属焊接复合，既能承受强过载冲击、高频次疲劳载荷等苛刻工况要求，又能实现构件大幅减重，是目前机械设备、特种车辆等关重件常用的复合结构形式。
但是在对钢/铝异质金属焊接时，如采用熔化焊，其热输入较大，接头高温时间长，焊后接头易产生大量厚层脆性IMCs，且接头热裂纹、气孔等焊接缺陷多，接头焊接强度低、韧性差。惯性径向摩擦焊为典型中、低温特性的固相焊工艺，其较低的热输入和较短的热循环时间能有效控制铝/钢焊接界面IMCs，相较于熔化焊等高热焊接方式，该方法是降低焊接界面的残余应力，实现钢/铝异质难焊合金高质量焊接的有效途径之一。但是由于铝合金与钢的线膨胀系数及热导率差异大，且热敏感性强，导致二者的焊接性差。其次，铝和钢在焊接过程中易生成种类复杂的FeAl3等硬脆金属间化合物，接头界面强韧性差。因此，有必要开发出一种钢/铝异质合金的高强韧径向焊接方法，为钢/铝异质合金的高可靠焊接提供新技术途径。
发明内容
本发明目的在于提供一种钢/铝异质合金的高强韧径向焊接方法。该方法实现了钢/铝异质合金的高质量焊接，提高了界面结合强度，降低了界面缺陷和裂纹。
本发明目的通过如下技术方案实现：
一种钢/铝异质合金的高强韧径向摩擦焊接方法，其特征在于：先在钢管表面通过第一次径向摩擦焊接一层Cu过渡层环，再在过渡层表面包覆Al-Li合金层，再在表面进行第二次径向摩擦焊接铝合金层环。
优选的，上述Cu过渡层环可为H80、H70或H62。
进一步，上述钢管直径为25~170mm，Cu过渡层环和铝合金层环宽度均为5~40mm，铝合金层环的外径为35~180mm。
进一步，焊接的Cu过渡层环厚度为0.5~2mm。
进一步，过渡层表面包裹的Al-Li合金厚度为0.2~0.5mm。
进一步，上述第一次径向摩擦焊接的摩擦转速为1000~2500r/min，摩擦压力为2~8MPa，顶锻转速500~1300r/min，顶锻压力3.5~15MPa。
优选的，上述摩擦转速为1200~1600r/min，摩擦压力为5~7MPa，顶锻转速500~1200r/min，顶锻压力8~12MPa。
进一步，第二次径向摩擦焊接中的摩擦转速为800~2000r/min，摩擦压力为2~4MPa，顶锻转速400~1000r/min，顶锻压力4~8MPa。
为了降低铝合金与钢的线膨胀系数及热导率差异，选择在钢和铝合金之间增加一层Cu过渡层，并在焊接过程中阻挡钢和铝的相对扩散，从而降低生成种类复杂的FeAl3等硬脆金属间化合物的可能性。但是由于Cu的引入，Cu和钢之间实现了良好的焊接，但是Cu和Al焊接过程中会生成CuAl2、CuAl、Cu4Al3等金属间化合物，这些金属间化合物在生长过程会产生较大内应力，降低界面的结合强度，同时这些金属间化合物在形核生长后会增加体系的脆性。
本发明中通过在钢的表面第一次焊接一层Cu过渡层，然后在Cu过渡层表面包覆一层AlLi合金层，在第二次焊接过程中，使得极薄的AlLi合金出现熔融状态，Cu过渡层表面也出现一定的塑性变形，最表面的Al合金焊接界面的合金元素以及Cu过渡层中的Cu元素溶入AlLi合金中，使得Cu过渡层和最表面的铝合金之间通过AlLi合金形成过饱和状态，从而促进界面生成了Al2CuLi合金增强相，抑制了Cu和Al直接生成金属间化合物，降低了界面应力，消除应变，降低了应变缺陷生成，降低了焊接界面两侧的储能差异，增强了Cu过渡层和表面铝合金之间的结合强度，同时提高了材料的韧性，减少了焊接界面的裂纹、气孔等的产生。
通过形成钢-Cu-Al2CuLi-Al合金的过渡结构，从整体上降低了钢和Al合金之间的线膨胀系数差异，降低了整体的热敏感性，提高了二者之间的可焊接性能和接头界面的强韧性能。
最具体的，一种钢/铝异质合金的高强韧径向摩擦焊接方法，其特征在于，按如下步骤进行：
步骤1、采用机加工对钢管、过渡层环和铝环进行机械加工，加工出焊接毛坯，采用砂纸对待焊部位进行去铁锈和去毛刺处理，并采用乙酸乙酯去除待焊部位处的油污；
步骤2、将Cu过渡层环放入旋转加压工装内并预夹紧，将钢管放入钢管夹持工装内并夹紧；
步骤3、在径向摩擦焊机的控制界面上进行参数设置，设置的摩擦转速1000~2500r/min，摩擦压力2~8MPa，顶锻转速500~1300r/min，顶锻压力3.5~15MPa ，焊接结束后，对焊后钢管的Cu过渡层表面进行车加工至Cu过渡层的厚度0.5~2mm；
步骤4、在Cu过渡层表面包覆一层厚度为0.2~0.5mm的AiLi合金层，将铝合金环放入旋转加压工装内并预夹紧；将覆有过渡层和AiLi合金层的钢管放入钢管夹持工装内并夹紧；
步骤5、在径向摩擦焊机的控制界面上进行参数设置，设置的摩擦转速为800~2000r/min，摩擦压力为2~4MPa，顶锻转速400~800r/min，顶锻压力4~8MPa；开启径向摩擦焊机，完成铝合金环的径向摩擦焊接。
本发明具有如下技术效果：
本发明采用两步径向摩擦焊接实现了钢/铝异质难焊合金的径向焊接，实现了高塑高韧的过渡层金属与钢管的焊接，以及铝与高塑高韧的过渡层的焊接，最终实现钢/铝高质量焊接。渡层能够有效控制硬脆的富铝Fe-Al的IMCs的生成，同时还能降低焊接应力，同时生成的Al2CuLi增强相减少了焊接过程引起的裂纹、气孔等缺陷，增强了界面的结合强度，提高焊接材料的韧性，提高了焊接质量。
附图说明
图1：本发明钢/铝异质难焊合金的径向焊接示意图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述本发明内容对本发明作出一些非本质的改进和调整。
实施例1
外径为φ25mm的35CrMoSi钢管与外径φ35mm的7A04铝环的径向摩擦焊接：
步骤1、根据钢管焊接毛坯结构尺寸和铝环毛坯结构尺寸，采用40Cr中碳调质钢加工出旋转加压工装和钢管夹持工装；采用机加工对钢管、H70过渡层环和铝环进行机械加工，加工出焊接毛坯。采用砂纸对待焊部位进行去铁锈和去毛刺处理，并采用乙酸乙酯去除待焊部位处的油污；
步骤2、将H70过渡层环放入旋转加压工装内并预夹紧；将35CrMoSi钢管放入钢管夹持工装内并夹紧；
步骤3、在径向摩擦焊机的控制界面上进行参数设置，设置的2500r/min，摩擦压力为2MPa，顶锻转速为1300r/min，顶锻压力为3.5MPa，转动惯量为40J/kg·m2，开启径向摩擦焊机，钢管夹持工装夹紧钢管，旋转加压工装预夹紧H70过渡层环，焊机主轴开始旋转升速，夹持在钢管夹持工装的钢管随之旋转，当主轴升速至主轴转速2500r/min时，待焊H70过渡层环在径向加压工装2MPa径向摩擦压力作用下，H70过渡层环径向收缩变形，其内径持续收缩变小并与钢管外表面接触并相互摩擦，飞轮、主轴和旋转夹持工装的动能转变成摩擦热使焊接面处于热塑性状态，随着飞轮、主轴和旋转夹持工装的动能的消耗，主轴转速下降至1300r/min顶锻转速时，夹持在径向加压工装中的H70过渡层环在3.5MPa径向顶锻压力作用下产生顶锻刹车，保压，完成H70过渡层环与35CrMoSi钢管径向摩擦焊接；焊接结束后，对焊后钢管的Cu过渡层表面进行车加工至Cu过渡层的厚度0.5mm；
步骤4、在H70过渡层表面包覆一层厚度为0.2mm的AiLi合金层，将7A04铝环放入旋转加压工装内并预夹紧；将覆有过渡层和AiLi合金层的35CrMoSi钢管放入钢管夹持工装内并夹紧；
步骤5、在径向摩擦焊机的控制界面上进行参数设置，设置的摩擦转速为2000r/min，摩擦压力为2MPa，顶锻转速1000r/min，顶锻压力4MPa，转动惯量为45J/kg·m2；开启径向摩擦焊机，完成铝合金环的径向摩擦焊接。
焊接结束后，卸构件，打开旋转加压工装，取下钢管焊接件。
对径向摩擦焊钢-铝抑制合金进行剪切强度测试表明7A04铝与35CrMoSi钢异质难焊合金界面剪切强度达到205MPa，实现了铝与钢异质难焊合金的高强焊接。
对比例1
采用与实施例1相同材质、相同尺寸的钢管和铝环进行径向摩擦焊接，与实施例1相比，不同点在于，在Cu过渡层焊接结束后，没有包覆AlLi合金层，而是直接进行第二次径向摩擦焊接。
通过进行剪切强度测试， 7A04铝与35CrMoSi钢异质难焊合金界面剪切强度达到136MPa，焊接界面Cu过渡层和Al合金层之间存在很多气孔和少量的裂纹。
实施例2
针对外径φ170mm的35CrMoSi钢管与外径φ180mm的7A04铝环的径向摩擦焊接：
步骤1、根据钢管焊接毛坯结构尺寸和铝环毛坯结构尺寸，采用40Cr中碳调质钢加工出旋转加压工装和钢管夹持工装；采用机加工对钢管、H62过渡层环和铝环进行机械加工，加工出焊接毛坯；采用砂纸对待焊部位进行去铁锈和去毛刺处理，并采用乙酸乙酯去除待焊部位处的油污；
步骤2、将H62过渡层环放入旋转加压工装内并预夹紧；将35CrMoSi钢管放入钢管夹持工装内并夹紧；
步骤3、在径向摩擦焊机的控制界面上进行参数设置，设置的摩擦转速1000r/min，摩擦压力8MPa，顶锻转速500r/min，顶锻压力15MPa，转动惯量为400J/kg·m2，开启径向摩擦焊机，钢管夹持工装夹紧钢管，旋转加压工装预夹紧H62过渡层环，焊机主轴开始旋转升速，夹持在钢管夹持工装的钢管随之旋转，当主轴升速至主轴转速1000r/min时，待焊H62过渡层环在径向加压工装8MPa径向摩擦压力作用下，H62过渡层环径向收缩变形，其内径持续收缩变小并与钢管外表面接触并相互摩擦，飞轮、主轴和旋转夹持工装的动能转变成摩擦热使焊接面处于热塑性状态，随着飞轮、主轴和旋转夹持工装的动能的消耗，主轴转速下降至500r/min顶锻转速时，夹持在径向加压工装中的H62过渡层环在15MPa径向顶锻压力作用下产生顶锻刹车，保压，完成H62过渡层环与35CrMoSi钢管径向摩擦焊接；对焊后钢管的过渡层表面进行车加工至H62过渡层环的厚度2mm；
步骤4、在Cu过渡层表面包覆一层厚度为0.5mm的AiLi合金层，将铝合金环放入旋转加压工装内并预夹紧；将覆有过渡层和AiLi合金层的35CrMoSi钢管放入钢管夹持工装内并夹紧；
步骤5、在径向摩擦焊机的控制界面上进行参数设置，设置的摩擦转速为800r/min，摩擦压力为4MPa，顶锻转速400r/min，顶锻压力8MPa，转动惯量为400J/kg·m2；开启径向摩擦焊机，完成铝合金环的径向摩擦焊接。
焊接结束后卸构件，打开旋转加压工装，取下钢管焊接件。
对径向摩擦焊的钢-铝异质合金进行剪切强度测试表明7A04铝与35CrMoSi钢异质难焊合金界面剪切强度达到184MPa，实现了铝与钢异质难焊合金的高强焊接。
实施例3
针对外径φ100mm的35CrNiMo钢管与外径φ110mm的7A09铝环的径向摩擦焊接：
步骤1、根据钢管焊接毛坯结构尺寸和铝环毛坯结构尺寸，采用40Cr中碳调质钢加工出旋转加压工装和钢管夹持工装，采用机加工对钢管、过渡层环和铝环进行机械加工，加工出焊接毛坯。采用砂纸对待焊部位进行去铁锈和去毛刺处理，并采用乙酸乙酯去除待焊部位处的油污；
步骤2、将H80过渡层环放入旋转加压工装内并预夹紧；将35CrNiMo钢管放入钢管夹持工装内并夹紧。
步骤3、在径向摩擦焊机的控制界面上进行参数设置，设置摩擦转速为1100r/min，摩擦压力为5MPa，顶锻转速550r/min，顶锻压力10MPa，转动惯量388J/kg·m2，开启径向摩擦焊机，钢管夹持工装夹紧钢管，旋转加压工装预夹紧H80过渡层环，焊机主轴开始旋转升速，夹持在钢管夹持工装的钢管随之旋转，当主轴升速至主轴转速1100r/min时，待焊H80过渡层环在径向加压工装5MPa径向摩擦压力作用下，H80过渡层环径向收缩变形，其内径持续收缩变小并与钢管外表面接触并相互摩擦，飞轮、主轴和旋转夹持工装的动能转变成摩擦热使焊接面处于热塑性状态，随着飞轮、主轴和旋转夹持工装的动能的消耗，主轴转速下降至550r/min顶锻转速时，夹持在径向加压工装中的H80过渡层环在10MPa径向顶锻压力作用下产生顶锻刹车，保压，完成H80过渡层环与35CrNiMo钢管径向摩擦焊接；对焊后钢管的过渡层表面进行车加工至H80过渡层环的厚度1mm。
步骤4、在Cu过渡层表面包覆一层厚度为0.3mm的AiLi合金层，将铝合金环放入旋转加压工装内并预夹紧；将覆有过渡层和AiLi合金层的35CrNiMo放入钢管夹持工装内并夹紧；
步骤5、在径向摩擦焊机的控制界面上进行参数设置，设置的摩擦转速900r/min，摩擦压力3MPa，顶锻转速450r/min，顶锻压力6MPa，转动惯量为400J/kg·m2；开启径向摩擦焊机，完成铝合金环的径向摩擦焊接。
焊接结束后卸构件，打开旋转加压工装，取下钢管焊接件。
对径向摩擦焊后的钢-铝异质合金进行剪切强度测试表明7A09铝与35CrNiMo钢异质难焊合金界面剪切强度达到198MPa，实现了铝与钢异质难焊合金的高强焊接。
Claims (3)
1.一种钢/铝异质合金的高强韧径向摩擦焊接方法，其特征在于：先在钢管表面通过第一次径向摩擦焊接一层Cu过渡层环，再在过渡层表面包覆Al-Li合金层，再在表面进行第二次径向摩擦焊接铝合金层环，所述Cu过渡层环厚度为0.5~2mm，Cu过渡层表面包裹的Al-Li合金厚度为0.2~0.5mm，所述第一次径向摩擦焊接的摩擦转速为1000~2500r/min，摩擦压力为2~8MPa，顶锻转速500~1300r/min，顶锻压力3.5~15MPa，所述第二次径向摩擦焊接中的摩擦转速为800~2000r/min，摩擦压力为2~4MPa，顶锻转速400~1000r/min，顶锻压力4~8MPa。
2.如权利要求1所述的一种钢/铝异质合金的高强韧径向摩擦焊接方法，其特征在于：所述钢管直径为25~170mm，Cu过渡层环和铝合金层环宽度均为5~40mm，铝合金层环的外径为35~180mm。
3.一种钢/铝异质合金的高强韧径向摩擦焊接方法，其特征在于，按如下步骤进行：
步骤1、采用机加工对钢管、过渡层环和铝环进行机械加工，加工出焊接毛坯，采用砂纸对待焊部位进行去铁锈和去毛刺处理，并采用乙酸乙酯去除待焊部位处的油污；
步骤2、将Cu过渡层环放入旋转加压工装内并预夹紧，将钢管放入钢管夹持工装内并夹紧；
步骤3、在径向摩擦焊机的控制界面上进行参数设置，设置的摩擦转速1000~2500r/min，摩擦压力2~8MPa，顶锻转速500~1300r/min，顶锻压力3.5~15MPa，焊接结束后，对焊后钢管的Cu过渡层表面进行车加工至Cu过渡层的厚度0.5~2mm；
步骤4、在Cu过渡层表面包覆一层厚度为0.2~0.5mm的AiLi合金层，将铝合金环放入旋转加压工装内并预夹紧；将覆有过渡层和AiLi合金层的钢管放入钢管夹持工装内并夹紧；
步骤5、在径向摩擦焊机的控制界面上进行参数设置，设置的摩擦转速为800~2000r/min，摩擦压力为2~4MPa，顶锻转速400~1000r/min，顶锻压力4~8MPa；开启径向摩擦焊机，完成铝合金环的径向摩擦焊接。
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