CN116900468A - 一种异质材料旋转摩擦焊的冶金调控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于固相焊接领域，提供了一种异质材料旋转摩擦焊的冶金调控方法。针对异质材料的完全不互溶体系和有限互溶体系，提出通过在第一工件待焊端面打孔添加合金棒材，使得填充件与第一工件一起在旋转摩擦焊过程中发生塑性变形与流动，参与摩擦界面的冶金反应，从而改变摩擦界面的冶金环境，对焊接接头起到冶金调控的作用。本发明的冶金调控方法对于完全不互溶体系的异质材料能够实现异质材料的有效连接；对于有限互溶体系的异质材料能够对界面金属间化合物的种类、分布和厚度进行调控，实现接头力学性能的显著提升。同时，该方法易操作，不增加额外的加工成本，有利于在工业生产中推广和应用。
Description
技术领域
本发明属于固相焊接领域，具体涉及一种异质材料回转体结构旋转摩擦焊的冶金调控方法。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
实现飞机、汽车等交通工具的轻量化以达到节约能源、减少CO2排放已经成为了航空航天、交通运输等工业领域的重要发展趋势。目前，异质材料的轻量化设计与连接成为了一项关键性技术。铝\钢、铝\铜、钛\钢等金属复合结构，甚至碳纤维复合材料\钢、陶瓷\钢等复合结构均得到了广泛的研究。这是由于异质材料的连接能够充分发挥两种材料的性能优势，同时降低结构的重量，实现轻量化。
然而异质材料的连接是焊接领域的难点问题之一。由于异质材料本身的物理、化学性能差异较大，采用机械连接时无法满足导热导电等性能要求，在实际生产中经常以焊接方法实现异种材料的连接，而使用传统的熔化焊容易形成热裂纹、气孔等缺陷。旋转摩擦焊作为一种固相焊接方法，能够保证焊接过程中焊材不熔化，有效避免了熔化焊所遇到的问题，在异质材料回转体结构的连接中有着独特的优越性。
对于异质材料的旋转摩擦焊，主要涉及完全不互溶体系和有限互溶体系两种。其中，完全不互溶体系包括镁\钢、金属\聚合物或非晶体系等，而有限互溶体系包括铝\钢、铝\钛等。对于完全不互溶体系，由于两种材料的固溶度很低，难以通过形成金属间化合物实现冶金结合，因此在摩擦焊过程中通常通过添加中间层的方式调控界面的冶金反应，实现完全不互溶体系异质材料的连接；而对于有限互溶体系，异质材料摩擦焊界面处金属间化合物的种类、分布和厚度均对焊接接头的力学性能有着较大的影响。
因此，为了实现异质材料摩擦焊接头的高质量的连接，有必要通过冶金调控的方式对两种体系的焊接接头进行调控，使得完全不互溶体系能够实现界面的冶金结合，使得有限互溶体系生成结合强度更高的金属间化合物。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种适用于异质材料的有限互溶和完全不互溶体系通过界面冶金调控的方式实现旋转摩擦焊接头的高质量连接的方法。本发明提出利用异质材料的性能差异，在旋转摩擦焊过程中强度较低的材料发生塑性变形与流动的特点，通过在强度较低的金属端面打孔并添加合金棒材，使合金棒材与强度较低的材料在摩擦焊过程中同步发生塑性变形与流动，从而调控焊接接头的界面反应。本发明对于异质材料的完全不互溶体系摩擦焊能够通过冶金调控实现摩擦焊接头的冶金结合；对于异质材料的有限互溶体系，能够调控摩擦界面处金属间化合物的种类、分布和厚度，从而实现异质材料旋转摩擦焊接头的高质量连接。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面，提供了一种异质材料旋转摩擦焊的冶金调控方法，包括：
准备待焊接的第一工件、第二工件，所述第一工件和第二工件的材料不同，为完全不互溶体系或有限互溶体系，所述第一工件的材料强度小于第二工件；
在第一工件的待焊端面加工出设定直径和深度的凹槽；
采用填充件将所述凹槽填充，所述填充件的材料与第一工件和第二工件的材料不同；
将第一工件、第二工件的待焊端面接合，进行旋转摩擦焊接，即得；
其中，所述填充件的材料强度低于第二工件。
在一些实施例中，所述第一工件和第二工件为棒材或管材。
在一些实施例中，所述凹槽的位置位于棒材端面中心至1/2半径位置、位于管材壁厚中心的位置。
在一些实施例中，凹槽的直径小于棒材直径的1/2，或，小于管材壁厚的1/2。
在一些实施例中，凹槽的深度小于焊接过程中第一工件的轴向缩短量。
在一些实施例中，所述第一工件和第二工件应为大差异的材料，第一工件为屈服强度较低、易变形的材料，如铝合金、镁合金或铜合金等；第二工件为屈服强度较高、不易变形的金属，如钢、硬质合金等；优选的，第一工件为铝合金，第二工件为不锈钢；优选的，第一工件为镁合金，第二工件为不锈钢；
在一些实施例中，待焊材料的端面机加工后的表面粗糙度小于1μm。
在一些实施例中，第一工件、第二工件属于完全不互溶体系，填充件为与第一工件、第二工件均固溶度较大的材料，其中，“固溶度较大”为300-500℃的温度范围内，在相图中能够生成金属间化合物的即为固溶度较大的材料。
在一些实施例中，第一工件、第二工件属于有限互溶体系，填充件为能够与第一工件、第二工件反应，生成更加强韧金属间化合物的材料。
在一些实施例中，所述的填充件的强度低于第二工件，以确保摩擦焊过程中填充件能够发生塑性变形与流动，参与界面的冶金反应；优选地，所述填充件为纯铁或铝合金。
在一些实施例中，焊接过程中，第一工件的轴向缩短量大于填充件的长度。
在一些实施例中，所述旋转摩擦焊机为连续驱动摩擦焊机或惯性摩擦焊机中的一种。
在一些实施例中，旋转摩擦焊的焊接参数：初始转速为200-3000rpm，摩擦压力为10-600MPa，焊接时间为0.5-20s；顶锻压力为10-600MPa；转动惯量为0-200kg·m2。
本发明的有益效果
(1)针对镁\钢等完全不互溶体系、铝\钢的有限互溶体系的异质材料旋转摩擦焊接工艺，通过在第一工件棒材的待焊端面处打孔并添加合金棒材，使得合金棒材与第一工件在旋转摩擦焊过程中发生塑性变形与流动，参与摩擦界面的冶金反应过程，从而改变摩擦界面处原有的冶金反应环境，起到冶金调控的作用。对于完全不互溶体系的异质材料旋转摩擦焊接头，通过冶金调控使界面生成金属间化合物，实现焊接接头的冶金结合，从而解决完全不互溶体系异质材料难以连接的问题；对于有限互溶体系的异质材料旋转摩擦焊接头，通过冶金调控改变摩擦界面生成的金属间化合物的种类、分布与厚度，促进高强高韧金属间化合物的生成，同时改善界面处由于摩擦焊热力耦合不均匀性从而导致金属间化合物分布不均匀的现象，从而进一步提高焊接接头的力学性能。
(2)本发明通过在强度较低的待焊工件端面打孔并添加“能与两侧待焊工件同步发生塑性变形与流动”的合金棒材，调控了焊接接头的界面反应，提高了焊接接头的力学性能。与传统的置于薄片的中间层法分别与两侧待焊接金属连接不同，本发明开槽并添加金属材料的目的是使得添加材料与母材一起发生塑性变形并参与冶金反应，达到冶金调控的目的，进而使两侧的待焊工件直接结合。
(3)本发明制备方法简单、实用性强，易于推广。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示例性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为焊前准备示意图；
图2为填充件与第一工件打孔的示意图；
图3为焊接接头的示意图；
其中，1-钢、2-铝合金、3-进给方向、4-旋转方向、5-填充件、6-孔洞、7-焊接飞边。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
下面结合具体的实施例，对本发明做进一步的详细说明，应该指出，所述具体实施例是对本发明的解释而不是限定。
实施例1
通过冶金调控有限互溶体系的7075铝合金/304不锈钢棒材惯性摩擦焊接头，具体包括如下步骤：
(1)材料选择：棒材A为7075铝合金，其强度较低(约为530MPa)、易变形，棒材B为304不锈钢，其强度较高(约为900MPa)、不易变形；
(2)调控分析：由于7075铝合金/304不锈钢焊接接头处生成了含有Mg、Zn元素的金属间化合物层破坏接头力学性能，同时焊接接头的中心区域由于焊接过程中线速度几乎为零，产热较少，因此存在未焊合缺陷，造成焊接接头强度较低；
(3)填充件：由于富Fe相的Fe-Al金属间化合物层有着较高的强韧性，因此选择纯Fe棒材作为填充件，在摩擦焊过程中能够促进富Fe相的Fe-Al金属间化合物的生成，同时纯Fe的强度低于不锈钢，符合填充件选择的要求；
(4)棒材加工：由于焊接接头中心位置容易生成未焊合的缺陷影响接头力学性能，将铝棒在待焊端面的中心位置利用铣床加工一个直径为3mm，深度为5mm的孔，其粗糙度要求低于1μm；同时将作为填充件的纯Fe棒加工成直径3mm、长度5mm的棒；
(5)焊前清理：使用车床对待焊材料的端面进行车削，使用酒精对母材和填充件表面进行清理以去除油污等，将作为填充件的纯Fe棒放置进入A棒的孔内；
(6)摩擦焊接：使用惯性摩擦焊机实施焊接，将铝棒置于摩擦焊机的旋转侧，将钢棒置于摩擦焊机的进给侧。将两侧夹紧后，调整焊接参数。初始转速选择1900rpm，摩擦压力选择160MPa，飞轮盘的转动惯量为0.49kg.m2。启动电机，当转速达到预设的1900rpm时启动摩擦压力并关闭电机，利用飞轮盘储能在摩擦压力的作用下使得铝侧逐渐升温并达到塑性状态并被进挤出形成焊接飞边，完成焊接。
(7)焊后分析：调控后焊接接头的抗拉强度达到161.8MPa，与直接焊接接头的抗拉强度100.9Mpa相比提升了60.4％。
实施例2
冶金调控T2紫铜/304不锈钢惯性摩擦焊接头，填充件选择6061铝合金。
铜/钢之间完全不互溶，使用摩擦压力80MPa，转速1300rpm，转动惯量0.49kg.m2参数进行焊接，不能将两种材料实现焊合。
而通过在铜棒侧加工直径3mm，深度5mm的孔并添加相同直径的6061铝合金棒材，使用与实施例1相同的焊接参数进行惯性摩擦焊试验，能够成功将铜/钢异种金属连接。
由上述实施例可知，由于在焊接过程中添加了棒材，起到了调控异种金属摩擦焊接头的冶金反应过程的作用。例如，对于铝/钢摩擦焊界面，添加Fe棒后促进富Fe相的Fe-Al金属间化合物的生成。而对于铜/钢摩擦焊接头，接头本身不会发生冶金反应，而添加铝棒后，会产生金属间化合物实现冶金结合。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种异质材料旋转摩擦焊的冶金调控方法，其特征在于，包括：
准备待焊接的第一工件、第二工件，所述第一工件和第二工件的材料不同，为完全不互溶体系或有限互溶体系，所述第一工件的材料强度小于第二工件；
在第一工件的待焊端面加工出设定直径和深度的凹槽；
采用填充件将所述凹槽填充，所述填充件的材料与第一工件和第二工件的材料不同；
将第一工件、第二工件的待焊端面接合，进行旋转摩擦焊接，即得；
其中，所述填充件的材料强度低于第二工件。
2.如权利要求1所述的异质材料旋转摩擦焊的冶金调控方法，其特征在于，所述第一工件和第二工件为棒材或管材。
3.如权利要求1所述的异质材料旋转摩擦焊的冶金调控方法，其特征在于，所述凹槽的位置位于棒材端面中心至1/2半径位置、位于管材壁厚中心的位置。
4.如权利要求1所述的异质材料旋转摩擦焊的冶金调控方法，其特征在于，凹槽的直径小于棒材直径的1/2，或，小于管材壁厚的1/2。
5.如权利要求1所述的异质材料旋转摩擦焊的冶金调控方法，其特征在于，凹槽的深度小于焊接过程中第一工件的轴向缩短量。
6.如权利要求1所述的异质材料旋转摩擦焊的冶金调控方法，其特征在于，所述第一工件的材料为铝合金、镁合金或铜合金，所述第二工件的材料为钢或硬质合金，所述填充件为纯铁或铝合金。
7.如权利要求1所述的异质材料旋转摩擦焊的冶金调控方法，其特征在于，待焊材料的端面机加工后的表面粗糙度小于1μm。
8.如权利要求1所述的异质材料旋转摩擦焊的冶金调控方法，其特征在于，焊接过程中，第一工件的轴向缩短量大于填充件的长度。
9.如权利要求1所述的异质材料旋转摩擦焊的冶金调控方法，其特征在于，所述旋转摩擦焊机为连续驱动摩擦焊机或惯性摩擦焊机中的一种。
10.如权利要求1所述的异质材料旋转摩擦焊的冶金调控方法，其特征在于，旋转摩擦焊的焊接参数：初始转速为200-3000rpm，摩擦压力为10-600MPa，焊接时间为0.5-20s；顶锻压力为10-600MPa；转动惯量为0-200kg·m2。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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