CN115351412A - 一种通过轴向摩擦焊接旋转电极用棒料和连接杆的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种通过轴向摩擦焊焊接旋转电极用棒料和连接杆的方法，包括以下步骤：S1、焊前加工：根据旋转电极操作空间的大小将棒料毛坯切割成所需规格的棒料；S2、棒料夹装：将所述棒料一端用棒料固定夹具固定，棒料另一端端面中心与连接杆的旋转端面中心位于同一轴线上；S3、摩擦焊接：棒料夹装完成后，连接杆向棒料另一端端面推进，同时调整连接杆的步进转速；当连接杆与棒料接触后，对棒料施加一定时间的顶锻压力，同时设定连接杆的工作转速以及摩擦焊时间，使棒料和连接杆完成摩擦焊接；本发明通过轴向摩擦焊接解决了旋转电极棒料和连接杆繁琐的连接方式，提高了焊接效率。
Description
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，具体是涉及一种通过轴向摩擦焊接旋转电极用棒料和连接杆的方法。
背景技术
等离子旋转电极雾化制粉(plasma rotating electrode process，PREP)设备主要用于生产镍基高温合金粉末、钛合金粉末、不锈钢粉末及难熔金属粉末等，所制得的粉末质量高，广泛应用于电子束选区熔化、激光熔化沉积、喷涂、热等静压等领域。其原理是将金属或合金制成自耗电极棒料，通过等离子弧将高速旋转的电极端面熔化，电极高速旋转产生的离心力将熔化的金属液甩出形成小液滴，小液滴在惰性气体中高速冷却，凝固成为球形粉末颗粒。这种方式制备的粉末品质高，粉末颗粒表面光滑洁净，空心粉和卫星粉极少，气体夹杂少；工艺参数控制简单，操作方便，可自动化生产；适用性强，可制备Ti，Ni，Co难熔金属及合金。
摩擦焊的原理是在两个焊件的焊接端面上施加一定的轴向压力，并使焊接的接触面作剧烈的摩擦运动，摩擦会生热，当把接触面加热到一定的焊接温度时急速停止运动，并施以一定的顶锻压力，使两个焊件金属产生一定量的塑性变形，从而把两个焊件牢固地焊接在一起。基于此原理，摩擦焊接适用于PREP制粉设备中金属棒料和连接杆的结合，且此种方式是一种高效的连接方式。
当前PREP所用的棒料和设备连接杆的连接方式是螺纹连接，即每一根棒料都必须是严格进行螺纹蚀刻的标准件，这样才能完美的与棒料进行连接。但是棒料进行标准化加工并不是最优的办法，对于工业化流程来讲，它延长了加工流程，增加了生产成本。
因此，现需要一种通过轴向摩擦焊接旋转电极用棒料和连接杆的方法，来解决上述问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种通过轴向摩擦焊焊接旋转电极用棒料和连接杆的方法。
本发明的技术方案是：一种通过轴向摩擦焊焊接旋转电极用棒料和连接杆的方法，包括以下步骤：
S1、焊前加工：
根据旋转电极操作空间的大小将棒料毛坯切割成所需规格的棒料；
S2、棒料夹装：
将所述棒料一端用棒料固定夹具固定，棒料另一端端面中心与连接杆的旋转端面中心位于同一轴线上；
S3、摩擦焊接：
棒料夹装完成后，连接杆向棒料另一端端面推进，在推进过程中，调整连接杆的步进转速；当连接杆的旋转端面与棒料另一端端面接触后，对被夹具固定的棒料一端施加顶锻压力，并使顶锻压力维持一定时间，同时设定连接杆的工作转速以及摩擦焊时间，使连接杆开始旋转，最后使棒料和连接杆的焊接端面完成摩擦焊接。
进一步地，所述步骤S1中，所述步骤S1中，所需规格的棒料为长度为159～161mm、直径为28～30mm的圆柱状棒料。
说明：圆柱状棒料在高压起弧中能够提高制粉质量，将棒料的长度以及直径控制在上述数值范围内能够更好地配合旋转电极的操作。
进一步地，所述步骤S3中，所述连接杆工作转速为30000～50000r/min，所述步进转速设定为0～3000r/min。
说明：焊接时，连接杆转速过快或过慢，都会导致焊缝区金属的软化程度下降，塑性变差，不利于焊缝的成型，经实验研究发现，将连接杆的工作转速设定在30000～50000r/min使焊接效果较好。
进一步地，所述步骤S3中，所述摩擦焊时间设定为2～30s。
说明：摩擦焊焊接时间过长或过短，都会导致焊接面产生塌边、表面粗糙等问题，将时间控制在2～30s之内，焊接效果较好。
进一步地，所述步骤S3中，所述顶锻压力设定为40MPa～250MPa，顶锻压力维持的时间设定为2～25s，且顶锻压力所产生的变形量为3～5mm。
说明：顶锻压力过小，则变形不足，接头强度下降；顶锻压力过大，则变形量过大，晶纹弯曲严重，又会降低接头冲击韧度；因此上述参数能形成合适的变形量。
进一步地，所述棒料选用钢材类或铜合金材料制成。
说明：高温合金棒料是PREP雾化制粉用原材料，选用钢材类或铜合金类棒料能够满足冶金质量、表面质量以及规格等对粉末的冶金质量和收得率的要求。
进一步地，所述连接杆选用牌号为42GrMo超高强度的合金结构钢。
说明：42CrMo钢属于超高强度钢，具有高强度和韧性，淬透性也较好，无明显的回火脆性，调质处理后有较高的疲劳极限和抗多次冲击能力，低温冲击韧性良好。
进一步地，在步骤S3的焊接过程中，对棒料和连接杆的焊接端面进行预处理，
所述预处理的方法为：
1)当连接杆向棒料推进，对连接杆和棒料的焊接端面以0.2～0.5mL/s的速率喷洒处理剂，持续喷洒至连接杆与棒料接触且棒料所产生的变形量为0；
2)当连接杆与棒料接触后且棒料所产生的变形量达到1～1.5mm之前，保持停止喷洒的状态；
3)当连接杆与棒料接触后且棒料所产生的变形量达到1～1.5mm之后，对连接杆和棒料的焊接端以0.5～0.8mL/s的速率喷洒处理剂，持续喷洒至焊接完成；
其中，所述处理剂按质量百分比包括15％～25％的异丙醇、10％～32％的二甲基甲酰胺、3％～5％的2-萘磺酸以及余量的水。
说明：在焊接过程中，向棒料和连接杆的焊接端按照阶段喷洒处理剂，可以降低连接杆和棒料的焊接端面的氧化程度，且能使连接杆和棒料在焊接时更快达到所需焊接温度，并加强连接杆和棒料端面接触焊接时的贴合效果，从而形成更稳定的焊接接头。
本发明的有益效果是：
(1)本发明的摩擦焊方法，所用的棒料不需要加工成专用的标准螺纹棒料，只需要车成固定尺寸的棒料即可进行等离子旋转电极雾化制粉，大大缩短了棒料与连接杆的连接流程，提高了生产效率，降低了成本。
(2)本发明在焊接过程中，向焊接接头阶段式喷洒处理剂，可以降低连接杆和棒料的焊接端面的氧化程度，且能使连接杆和棒料在焊接时更快达到所需焊接温度，并加强后续连接杆和棒料端面接触焊接时的贴合效果，从而形成更稳定的焊接接头。
附图说明
图1是本发明的焊接方法示意图；
图2是本发明的焊接结构示意图；
其中，1-棒料，11-夹具，12-喷洒环，13-喷洒孔，14-软管，15-储液箱，16-滑杆，2-连接杆，21-圆环，22-套管，3-电机。
具体实施方式
下面结合具体实施方式来对本发明进行更进一步详细的说明，以更好地体现本发明的优势。
实施例1
一种通过轴向摩擦焊焊接旋转电极用棒料和连接杆的方法，包括以下步骤：
S1、焊前加工：
根据旋转电极操作空间的大小，将铜合金制成的棒料毛坯切割成为长度为159mm、直径为30mm的圆柱状的棒料；
S2、棒料夹装：
将所述棒料一端用棒料固定夹具固定，棒料另一端端面中心与连接杆的旋转端面中心位于同一轴线上；其中，所述连接杆选用牌号为42GrMo超高强度的合金结构钢；
S3、摩擦焊接：
棒料夹装完成后，连接杆向所述棒料另一端端面推进，在推进过程中，调整连接杆的步进转速为1500r/min；当连接杆的旋转端面与棒料另一端端面接触后，对被夹具固定的棒料一端施加145MPa的顶锻压力，并使顶锻压力维持12s，同时设定连接杆的工作转速为40000r/min，摩擦焊时间为26s，使连接杆开始旋转，最后使棒料和连接杆的焊接端面完成摩擦焊接。
实施例2
本实施例与实施例1不同之处在于，所述步骤S1中，所述棒料的长度为160mm、直径为29mm的圆柱状的棒料。
实施例3
本实施例与实施例1不同之处在于，所述步骤S1中，所述棒料的长度为161mm、直径为28mm的圆柱状的棒料。
实施例4
本实施例与实施例1不同之处在于，所述步骤S3中，连接杆工作转速为30000r/min，步进转速设定为0r/min。
实施例5
本实施例与实施例1不同之处在于，所述步骤S3中，连接杆工作转速为50000r/min，步进转速设定为3000r/min。
实施例6
本实施例与实施例1不同之处在于，所述步骤S3中，摩擦焊时间设定为2s。
实施例7
本实施例与实施例1不同之处在于，所述步骤S3中，摩擦焊时间设定为30s。
实施例8
本实施例与实施例1不同之处在于，所述步骤S3中，顶锻压力设置为40MPa，顶锻压力维持的时间在2s，产生3mm的变形量。
实施例9
本实施例与实施例1不同之处在于，所述步骤S3中，顶锻压力设置为250MPa，顶锻压力维持的时间在25s，产生5mm的变形量。
实施例10
本实施例与实施例1不同之处在于，在步骤S3的焊接过程中，对棒料和连接杆的焊接端面进行预处理，
所述预处理的方法为：
1)当连接杆向棒料推进，对连接杆和棒料的焊接端面以0.2～0.5mL/s的速率喷洒处理剂，持续喷洒至连接杆与棒料接触且棒料所产生的变形量为0；
2)当连接杆与棒料接触后且棒料所产生的变形量达到1.2mm之前，保持停止喷洒的状态；
3)当连接杆与棒料接触后且棒料所产生的变形量达到1.2mm之后，对连接杆和棒料的焊接端以0.7mL/s的速率喷洒处理剂，持续喷洒至焊接完成；
其中，所述处理剂按质量百分比包括20％的异丙醇、21％的二甲基甲酰胺、4％的2-萘磺酸以及余量的水。
本实施例还提供了一种用于配合步骤S3进行预处理的喷洒专用装置，具体为：
如图2所示，所述喷洒专用装置包括套设在棒料1上的喷洒环12以及套设在连接杆2上的圆环21，且所述喷洒环12与所述棒料1不接触，所述圆环与所述连接杆2不接触；
所述喷洒环12左端面通过限位杆与棒料固定夹具11卡接，且喷洒环通过软管14与储液箱15连通，所述软管14与储液箱15的接口处设有液泵；所述喷洒环12右端面设有滑杆16以及四十组喷洒孔13；
所述圆环21右端面通过固定杆与电机3卡接，圆环21左端面上设有用于所述滑杆16滑动连接的套管22；所述滑杆右端面设有用于测定滑杆16与套管22相对滑动距离的位移传感器；其中，所述位移传感器选用市售基恩士位移传感器；
位移传感器与储液箱15上设有的控制器通过数据线连接，所述控制器与所述液泵通过继电器连接，控制器利用位移传感器测定的滑杆16与套管22相对滑动距离(即变形量)对液泵启停进行控制，从而实现喷洒环12的阶段式喷洒；其中，所述控制器选用市售PLC控制器，所述继电器选用市售T73继电器。
实施例11
本实施例与实施例10不同之处在于，所述处理剂由质量百分比为15％的异丙醇、32％的二甲基甲酰胺、3％的2-萘磺酸以及余量的水组成。
实施例12
本实施例与实施例10不同之处在于，所述处理剂由质量百分比为25％的异丙醇、10％的二甲基甲酰胺、5％的2-萘磺酸以及余量的水组成。
实施例13
本实施例与实施例10不同之处在于，当连接杆向棒料推进，对连接杆和棒料的焊接端面以0.2mL/s的速率喷洒处理剂，持续喷洒至连接杆与棒料接触且棒料所产生的变形量为0。
实施例14
本实施例与实施例10不同之处在于，当连接杆向棒料推进，对连接杆和棒料的焊接端面以0.5mL/s的速率喷洒处理剂，持续喷洒至连接杆与棒料接触且棒料所产生的变形量为0。
实施例15
本实施例与实施例10不同之处在于，2)当连接杆与棒料接触后且棒料所产生的变形量达到1mm之前，保持停止喷洒的状态；
3)当连接杆与棒料接触后且棒料所产生的变形量达到1mm之后，对连接杆和棒料的焊接端以0.7mL/s的速率喷洒处理剂，持续喷洒至焊接完成。
实施例16
本实施例与实施例10不同之处在于，2)当连接杆与棒料接触后且棒料所产生的变形量达到1.5mm之前，保持停止喷洒的状态；
3)当连接杆与棒料接触后且棒料所产生的变形量达到1.5mm之后，对连接杆和棒料的焊接端以0.7mL/s的速率喷洒处理剂，持续喷洒至焊接完成。
实施例17
本实施例与实施例10不同之处在于，当连接杆与棒料接触后且棒料所产生的变形量达到1.2mm之后，对连接杆和棒料的焊接端以0.5mL/s的速率喷洒处理剂，持续喷洒至焊接完成。
实施例18
本实施例与实施例10不同之处在于，当连接杆与棒料接触后且棒料所产生的变形量达到1.2mm之后，对连接杆和棒料的焊接端以0.8mL/s的速率喷洒处理剂，持续喷洒至焊接完成。
实验例
针对实施例1-3所焊接的棒料，分别测试各样本的振动偏离幅度，具体探究如下：
1、探究棒料的不同参数对棒料偏离幅度的影响。
以实施例1-3作为实验对比，结果如下表1所示：
表1实施例1-3各样本的偏离幅度表
| 组别 | 偏离幅度 |
| 实施例1 | 0.2° |
| 实施例2 | 0.4° |
| 实施例3 | 0.3° |
由上述表1结果可以看出，不同参数的棒料振动偏离的幅度有一定的区别，且通过对比可以看出以实施例1的参数所焊接的棒料偏离的幅度最小，焊接效果最优。
针对各个实施例所得焊接棒料进行焊缝强度测试，将焊缝位置处于样本中心部位，然后将样本置于材料性能试验机内做拉伸试验测定其抗拉强度，并计算得出各实施例相比实施例1的抗拉强度提升率，具体探究如下：
2、探究连接杆的不同转速参数对棒料抗拉强度的影响。
以实施例1、4-5作为实验对比，结果如下表2所示：
表2实施例4-5各样本相比实施例1的抗拉强度提升率表
| 组别 | 抗拉强度提升率 |
| 实施例4 | -2.6％ |
| 实施例5 | 0.8％ |
由上述表2结果可以看出，连接杆的不同转速对棒料的抗拉强度有一定的影响，且通过对比可以看出实施例4所焊接的棒料的抗拉强度相比实施例1有所下降，实施例5虽然相比实施例1有所提升，但实施例5所需转速更大且提升幅度较小，从经济性角度考虑，以实施例1的参数所焊接的棒料焊接效果相对更优。
3、探究摩擦焊的不同时间参数对棒料抗拉强度的影响。
以实施例1、6-7作为实验对比，结果如下表3所示：
表3实施例6-7各样本相比实施例1的抗拉强度提升率表
| 组别 | 抗拉强度提升率 |
| 实施例6 | -3.7％ |
| 实施例7 | 0.9％ |
由上述表3结果可以看出，不同时间的摩擦焊对棒料的抗拉强度有一定的影响，且通过对比可以看出实施例6所焊接的棒料的抗拉强度相比实施例1有所下降，实施例7虽然相比实施例1有所提升，但实施例7所需时间更长且提升幅度较小，从经济性角度考虑，以实施例1的参数所焊接的棒料焊接效果相对更优。
4、探究顶锻压力的不同参数以及变形量对棒料抗拉强度的影响。
以实施例1、8-9作为实验对比，结果如下表4所示：
表4实施例8-9各样本相比实施例1的抗拉强度提升率表
由上述表4结果可以看出，在不同顶锻压力的参数以及变形量对棒料的抗拉强度有一定的影响，且通过对比可以看出实施例8所焊接的棒料的抗拉强度相比实施例1有所下降，实施例9虽然相比实施例1有所提升，但实施例9所需时间更长且提升幅度较小，从经济性角度考虑，以实施例1的参数所焊接的棒料焊接效果相对更优。
5、探究在步骤S3的焊接过程中，对棒料和连接杆的焊接端面进行预处理对棒料抗拉强度的影响。
以实施例1、10-12、对照例1作为实验对比，结果如下表5所示：
表5实施例10-12、对照例1各样本相比实施例1的抗拉强度提升率表
| 组别 | 抗拉强度提升率 |
| 实施例10 | 14.6％ |
| 实施例11 | 11.7％ |
| 实施例12 | 13.8％ |
| 对照例1 | 8.9％ |
对照例1与实施例10不同之处在于，所述处理剂由质量百分比为20％的异丙醇、21％的二甲基甲酰胺以及余量的水组成；通过对照例1对比可以看出，不同的处理剂组分会对棒料的抗拉强度产生一定的影响，缺少2-萘磺酸的情况下，相比实施例10-12均降低了棒料的抗拉强度；
因此从表5可以看出，在焊接过程中对棒料和连接杆的焊接端面进行预处理可以提高棒料的抗拉强度，且通过对比可以看出以实施例10的参数所焊接的棒料的抗拉强度相比实施例1提升率最高，焊接效果最优。
6、探究所述步骤1)中，处理剂的喷洒速率对棒料抗拉强度的影响。
以实施例1、10、13-14作为实验对比，结果如下表6所示：
表6实施例10、13-14各样本相比实施例1的抗拉强度提升率表
| 组别 | 抗拉强度提升率 |
| 实施例10 | 14.6％ |
| 实施例13 | 11.5％ |
| 实施例14 | 15.0％ |
由上述表6结果可以看出，所述步骤1)中，处理剂的喷洒速率对棒料的抗拉强度有一定的影响，且通过对比可以看出实施例14虽然相比实施例1提升最高，但实施例14相比实施例10所消耗处理剂更多且提升幅度较小，从成本角度考虑，以实施例10的参数所焊接的棒料焊接效果相对更优。
7、探究预处理中，棒料所产生的变形量的选择对棒料抗拉强度的影响。
以实施例1、10、15-16作为实验对比，结果如下表7所示：
表7实施例10、15-16各样本相比实施例1的抗拉强度提升率表
| 组别 | 抗拉强度提升率 |
| 实施例10 | 14.6％ |
| 实施例15 | 11.8％ |
| 实施例16 | 12.6％ |
| 对照例2 | 8.5％ |
| 对照例3 | 10.0％ |
对照例2与实施例16不同之处在于，2)当连接杆与棒料接触后且棒料所产生的变形量达到1.6mm之前，保持停止喷洒的状态；
3)当连接杆与棒料接触后且棒料所产生的变形量达到1.6mm之后，对连接杆和棒料的焊接端以0.7mL/s的速率喷洒处理剂，持续喷洒至焊接完成；
对照例3与实施例15不同之处在于，2)当连接杆与棒料接触后且棒料所产生的变形量达到0.9mm之前，保持停止喷洒的状态；
3)当连接杆与棒料接触后且棒料所产生的变形量达到0.9mm之后，对连接杆和棒料的焊接端以0.7mL/s的速率喷洒处理剂，持续喷洒至焊接完成；
由上述表7结果可以看出，对照例2缩短了步骤3)喷洒处理剂的时间，对照例3延长了步骤3)喷洒处理剂的时间，两者相比实施例10、15-16所焊接的棒料抗拉强度提升率更低，因此以实施例10的参数所焊接的焊接效果相对更优。
8、探究所述步骤3)中处理剂的喷洒速率对棒料抗拉强度的影响。
以实施例1、10、17-18作为实验对比，结果如下表8所示：
表8实施例10、17-18各样本相比实施例1的抗拉强度提升率表
| 组别 | 抗拉强度提升率 |
| 实施例10 | 14.6％ |
| 实施例17 | 12.8％ |
| 实施例18 | 15.1％ |
由上述表8结果可以看出，所述步骤3)中处理剂的喷洒速率对棒料抗拉强度有一定的影响，实施例18相对实施例1的抗拉强度提升率更高，但实施例18相比实施例10消耗了更多的处理剂，因此从成本角度考虑，实施例10焊接效果相对更优。
Claims (8)
1.一种通过轴向摩擦焊焊接旋转电极用棒料和连接杆的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、焊前加工：
根据旋转电极操作空间的大小将棒料毛坯切割成所需规格的棒料；
S2、棒料夹装：
将所述棒料一端用棒料固定夹具固定，棒料另一端端面中心与连接杆的旋转端面中心位于同一轴线上；
S3、摩擦焊接：
棒料夹装完成后，连接杆向所述棒料另一端端面推进，在推进过程中，调整连接杆的步进转速；当连接杆的旋转端面与棒料另一端端面接触后，对被夹具固定的棒料一端施加顶锻压力，并使顶锻压力维持一定时间，且顶锻压力使棒料所产生的变形量为3～5mm；同时设定连接杆的工作转速以及摩擦焊时间，使连接杆开始旋转，最后使棒料和连接杆的焊接端面完成摩擦焊接。
2.根据权利要求1所述的一种通过轴向摩擦焊焊接旋转电极用棒料和连接杆的方法，其特征在于，所述步骤S1中，所需规格的棒料为长度为159～161mm、直径为28～30mm的圆柱状棒料。
3.根据权利要求1所述的一种通过轴向摩擦焊焊接旋转电极用棒料和连接杆的方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述连接杆工作转速设定为30000～50000r/min，所述步进转速设定为0～3000r/min。
4.根据权利要求1所述的一种通过轴向摩擦焊焊接旋转电极用棒料和连接杆的方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述摩擦焊时间设定为2～30s。
5.根据权利要求1所述的一种通过轴向摩擦焊焊接旋转电极用棒料和连接杆的方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述顶锻压力设定为40MPa～250MPa，所述顶锻压力维持的时间设定为2～25s，且顶锻压力使棒料所产生的变形量为3～5mm。
6.根据权利要求1所述的一种通过轴向摩擦焊焊接旋转电极用棒料和连接杆的方法，其特征在于，所述棒料选用钢材或铜合金材料制成。
7.根据权利要求1所述的一种通过轴向摩擦焊焊接旋转电极用棒料和连接杆的方法，其特征在于，所述连接杆选用牌号为42GrMo超高强度的合金结构钢。
8.根据权利要求1所述的一种通过轴向摩擦焊焊接旋转电极用棒料和连接杆的方法，其特征在于，在步骤S3的焊接过程中，对棒料和连接杆的焊接端面进行预处理，
所述预处理的方法为：
1)当连接杆向棒料推进，对连接杆和棒料的焊接端面以0.2～0.5mL/s的速率喷洒处理剂，持续喷洒至连接杆与棒料接触且棒料所产生的变形量为0；
2)当连接杆与棒料接触后且棒料所产生的变形量达到1～1.5mm之前，保持停止喷洒的状态；
3)当连接杆与棒料接触后且棒料所产生的变形量达到1～1.5mm之后，对连接杆和棒料的焊接端以0.5～0.8mL/s的速率喷洒处理剂，持续喷洒至焊接完成；
其中，所述处理剂按质量百分比包括15％～25％的异丙醇、10％～32％的二甲基甲酰胺、3％～5％的2-萘磺酸以及余量的水。
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