CN110076441B - 一种超声振动辅助的异质金属旋转摩擦焊接的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种改善异质金属旋转摩擦焊接头微观结构与性能的方法，在传统的旋转摩擦焊的移动部件上固定超声波发生器，利用超声波的高频机械振动能量来驱动界面层塑性金属沿径向高频振动，以此降低塑性金属径向的流变抗力，增强塑性金属的流动能力，并使旋转摩擦焊由圆周运动转变为圆周与直线的复合运动。超声振动辅助旋转摩擦焊能够增大焊接界面附近软金属的应变和应变速率，使界面两侧晶粒得到细化，有助于释放焊接过程中的残余应力，提高接头的力学性能。
Description
技术领域
本发明涉及材料连接技术，特别是一种超声振动辅助改善异质金属旋转摩擦焊接头微观结构与性能的工艺方法。
背景技术
旋转摩擦焊相对于传统熔焊具有低热输入、高效节能的优点，可以有效地控制焊接界面金属间化合物的形成，特别适用于焊接异种金属，如：钛/钢、铝/钢、铝/铜、铝/镁等。根据摩擦扭矩随时间的变化，可以把旋转摩擦焊分成加热阶段、准稳态阶段和顶锻阶段三个阶段。在摩擦焊加热阶段，接触面由弹性接触转变为粘塑性接触，塑性环在距圆心 1/2R～2/3R处开始萌生并逐渐扩展到整个焊接界面，扭矩、温度持续上升，界面逐渐达到焊接温度。在准稳态阶段，界面高温塑性金属层不断变厚，并在摩擦压力的作用下被挤出形成飞边。在顶锻阶段，轴向压力增大，接头中多余的粘塑性金属层在顶锻压力作用下被挤出形成飞边。旋转摩擦焊由于绕轴旋转的运动特点，特别适合焊接回转体试样，且焊接时接触面线速度沿径向逐渐增加，而摩擦压力沿径向逐渐减小。焊接界面中心处线速度最小而摩擦压力最大，边缘处线速度最大而摩擦压力最小。因此，在旋转摩擦焊接过程中，界面产热沿径向分布不均匀。在中心处产热最少，温度较低，材料塑性流动状态差。而边缘处产热较多，温度较高，材料塑性流动性较好。产热的不均匀分布也导致了接头径向各区域金属间化合物的生长热动力学条件不同，使得金属间化合物的厚度沿界面径向出现了不均匀分布。而异质金属摩擦焊接头界面金属间化合物厚度分布的不均匀性，会直接影响接头的力学性能。
文献“Effect of Post-weld Heat Treatment on Properties of FrictionWelded Joint Between TC4 Titanium Alloy and 40Cr Steel Rods,Dong H,Yu L,DengD,et al,Journal of Materials Science&Technology,2015,31(9):962-968”中报道了TC4/40Cr旋转摩擦焊接头中金属间化合物分布的不均匀性，金属间化合物的厚度沿径向由中心至边缘处逐渐增加，在中心处仅为 1μm，而在边缘处达到了8μm。文献“Microstructural characterization and mechanical properties of dissimilarfriction welding of 1060 aluminum to AZ31B magnesium alloy,Liang Z,Qin G,Wang L,et al,Materials Science&Engineering A,2015,645:170-180”中发现 Al-1060/Mg-AZ31B旋转摩擦焊接头中的反应层厚度沿径向不均匀性分布，其具体表现为在 1/2R～2/3R处的反应层较厚，边缘处的反应层次之，中心处的反应层最薄。文献“Inhomogeneityof microstructure and mechanical properties in radial direction of aluminum/copper friction welded joints,Pan L,Li P,Hao X,et al,Journal of MaterialsProcessing Technology,2018, 255:308-318”中对Al-1060/Cu-T2旋转摩擦焊接头微观组织与力学性能沿径向的不均匀分布进行了***分析，发现由界面中心至边缘处，金属间化合物厚度逐渐增加，而分区切片试样的拉伸强度逐渐降低。其具体表现为在中心处，金属间化合物厚度为0.8μm，试样的拉伸强度为88MPa；在1/2R处，金属间化合物厚度为1.4μm，试样的拉伸强度为81MPa；在边缘处，金属间化合物厚度为1.9μm，试样的拉伸强度为74MPa。
由此可见，异质金属旋转摩擦焊接头的金属间化合物厚度沿径向分布不均匀，严重影响了异质金属复合结构件的服役性能，目前还没有针对异质金属旋转摩擦焊接头微观组织与性能的不均匀性问题的有效解决方法。因此，如何改善接头中金属间化合物厚度的不均匀性分布并提高异质金属复合结构件的服役性能，成为旋转摩擦焊领域的研究重点。
发明内容
本发明将超声振动引入旋转摩擦焊中，超声振动的部分能量被中心处的金属吸收，加速中心处金属层软化，降低界面层金属的流变抗力和流体压力的沿程损失，同时径向的超声振动促使工件产生振动位移，为增大两工件中心处的间隙提供了可能，进而提高周围塑性金属向中心的流动能力，使在径向1/2R～2/3R处界面反应层的厚度降低。利用超声波的高频机械振动能量来驱动界面层塑性金属沿径向高频振动，以此降低塑性金属径向的流变抗力，增强塑性金属的流动能力，并使旋转摩擦焊由圆周运动转变为圆周与直线的复合运动，使得界面上各处的运动形式与轨道摩擦焊类似，复合运动形式保证了整个焊接界面产热分布均匀，接头不同位置处的热影响区宽度均匀。超声振动的引入也会促使残余应力均匀化分布。同时，超声波在塑性金属中的传播引起质点的交替压缩与伸张，使得塑性金属整体受到机械力和冲击波的作用。超声波引起的机械力与冲击波，会使焊接过程中再结晶长大后的晶粒和金属间化合物受到冲击并破碎，促使晶粒细化，金属间化合物厚度降低。在旋转摩擦的过程中，细晶粒受摩擦压力作用在界面两侧弥散分布，且界面产热沿径向均匀化，各处金属间化合物厚度减薄且均匀分布，从而提升异质金属旋转摩擦焊接头的力学性能。
基于以上，本发明一方面提供一种旋转摩擦焊接装置，所述装置包括固定硬质金属工件的旋转部件，固定软质金属工件的移动部件，所述旋转部件与硬质金属工件一起做旋转运动，所述移动部件沿着轴向与软质金属工件一起向硬质工件处移动，所述装置还包括超声波发生器；所述超声波发生器包括工具头和定位卡具；所述超声波发生器固定于所述移动部件上；所述工具头通过定位卡具固定于所述移动部件上，并与所述软质工件的切面垂直并产生点接触，确保超声波沿径向引入焊接端面。本发明所述的硬质金属和软质金属是一个相对概念，是指两个相互焊接的金属相互比较而言的，其中质地更硬的为硬质金属，质地较软的为软质金属。
基于以上技术方案，优选的，所述工具头的端面为球面，提供球面的端面是为了保证无论工具头在任何角度，都可以实现与软质金属工件B的点接触。
本发明另一方面还提出了一种超声振动辅助改善异质金属旋转摩擦焊接头中微观结构与性能的工艺方法，该方法使用上述装置进行。
该方法预先将超声波发生器的工具头端面制成球面，之后采用定位卡具固定超声波发生器的工具头，工具头与软质金属工件B垂直放置且实现点接触，同时定位卡具固定于旋转摩擦焊机的移动部件，保证超声波发生器的工具头与移动部件相对同步移动。
具体采用以下步骤：
(1)机械加工异质金属圆棒的待焊接硬质金属工件A和软质金属工件B，使硬质金属工件A和软质金属工件B的待焊表面粗糙度Ra<1.6；
(2)将步骤(1)中硬质金属工件A的待焊表面打磨、超声清洗、冷风风干；
(3)将硬质金属工件A固定在旋转部件上，所述硬质金属工件A超出旋转部件的长度为0.8D0～1.5D0，超出的长度作为硬质金属工件A焊接端台阶长度；所述软质金属工件B固定在移动部件上；所述软质金属工件B超出移动部件的长度为D1～2D1；所述硬质金属工件 A和硬质金属工件B的中心轴线一致；所述D0为硬质金属工件A焊接端的直径；所述D1为所述硬质金属工件A、软质金属工件B固定端的直径；其中0.4D1≤D0≤D1，以便于硬质金属工件A的焊接端在焊接的时候能够被软质金属工件B包裹起来；
(4)将超声波发生器的工具头通过定位卡具垂直设置于软质金属工件B上，并发生接触，超声波发生器的工具头仅与软质金属工件B的侧面发生点接触，确保超声波沿径向迅速引入软质金属工件B焊接端面；所述接触的接触点距软质金属工件B焊接端面15～30mm；本发明所说径向和轴向均指硬质金属工件A与软质金属工件B固定在装置上后，工件A与工件B的径向和轴向的方向。
(5)调整硬质金属工件A、软质金属工件B焊接端面之间的距离为5～20mm；
(6)打开超声装置，调节超声振动的频率为20～100kHz，功率为600～3000W，振幅为 30～80μm，设定旋转摩擦焊装置的焊接参数，然后启动旋转摩擦焊装置；当两工件的焊接端面相互接触时，超声振动引入焊接界面，硬质金属工件A、软质金属工件B依次经历旋转摩擦焊接过程中的摩擦阶段与顶锻阶段；在此过程中，软质金属工件B发生塑性变形将硬质工件A的焊接端面实现完全包裹，直至预设顶锻时间运行结束，表明整个焊接过程结束；
(7)焊接结束，关闭所述旋转摩擦焊接装置，取出焊接试样。
基于以上技术方案，优选的，步骤(2)所述打磨为采用#400、#800、#1200、#1500、 #2000砂纸进行打磨；所述超声清洗为将工件表面浸入丙酮，超声波清洗5～15min。
基于以上技术方案，优选的，步骤(6)所述旋转部件的旋转速度为1500rpm；所述移动部件的移动速度本领域技术人员可以自己根据实际焊接情况自行选择，一般为软质金属工件B因塑性变形而产生轴向缩短的速度。
基于以上技术方案，优选的，其特征在于，步骤(6)所述焊接参数为：摩擦压力 30～200MPa，摩擦时间0.5～10s或摩擦缩短量1～6mm，顶锻压力90～300MPa，顶锻时间为 5～20s。
有益效果
1.超声振动辅助旋转摩擦焊利用超声高频振动的能量驱动界面层塑性金属高频振动，降低了塑性金属径向的流变抗力并提高了塑性金属的流动能力，同时击碎界面上的金属间化合物及两侧的晶粒，使得界面两侧的晶粒细化并降低了界面金属间化合物的厚度。在旋转摩擦焊接过程中，细化的晶粒和弥散的金属间化合物均匀分布在整个焊接界面，可以极大程度地改善异质金属旋转摩擦焊接头力学性能的不均匀性。
2.超声振动辅助旋转摩擦焊装置把旋转摩擦焊固有的运动形式转变为圆周与直线复合运动，这一运动形式的转变保证了整个焊接表面摩擦产热均匀分布，不同位置处热影响区宽度均匀。
3.超声振动辅助旋转摩擦焊能够增大焊接界面附近软质金属的应变和应变速率，使界面两侧晶粒得到细化，有助于释放焊接过程中的残余应力，提高接头的力学性能。
结合附图说明和实施例对本发明做详细的说明。
附图说明
图1硬质金属工件A、软质金属工件B结构示意图；
图2超声波发生器工具头结构示意图；
图3超声辅助旋转摩擦焊工作原理图。
其中，D0—硬质金属工件A焊接端的直径、D1—硬质金属工件A、软质金属工件B固定端的直径、L0—硬质金属工件A焊接端台阶长度、1—旋转部件、2—硬质金属工件A、3—软质金属工件B、4—移动部件、5—定位卡具、6—工具头。
具体实施方式
如图3所述，本发明的旋转摩擦焊接装置包括固定硬质金属工件A2的旋转部件1，固定软质金属工件B3的移动部件4，还包括超声波发生器；所述超声波发生器包括工具头6和定位卡具5；所述超声波发生器固定于所述移动部件4上；所述工具头6通过定位卡具5 垂直位于所述软质金属工件B3上端并接触。如图2所述，工具头的端面为球面，本发明使用由中国船舶重工集团公司第七二六研究所制造的型号为CSHJ系列的超声波发生器。
实施例1
5052铝合金与304不锈钢的超声辅助旋转摩擦焊接工艺方法。
本实施例是一种5052铝合金与304不锈钢的超声辅助旋转摩擦焊接的工艺方法，其焊接过程主要包括以下步骤：
步骤1，机械加工直径为25mm的5052铝合金与304不锈钢焊接工件，在304不锈钢待焊表面侧加工成φ23×20mm的焊接端台阶，待焊表面粗糙度Ra<1.6；
步骤2，清理304不锈钢焊接端面：采用#400、#800、#1200、#1500、#2000砂纸对其表面进行打磨，将打磨后的工件表面浸入丙酮中超声波清洗5min，然后冷风吹干；
步骤3，将304不锈钢固定在旋转部件上，超出旋转部件的长度为20mm。5052铝合金固定在移动部件上，超出移动部件的长度为35mm。此外，须保证5052铝合金棒与304不锈钢棒的中心轴线一致；
步骤4，将超声波发生器工具头垂直于5052铝合金放置，确保超声波沿径向迅速引入 5052铝合金焊接端面，超声波发生器的工具头位于距5052铝合金焊接端面25mm处；
步骤5，调整5052铝合金与304不锈钢焊接端面之间的距离为5mm；
步骤6，打开超声装置，调节超声振动的频率为20kHz，功率为3000W，振幅为40μm，设定焊接参数：摩擦压力90MPa，摩擦时间1.8s或摩擦缩短量1mm，顶锻压力250MPa，顶锻时间为15s。启动旋转摩擦焊接装置，其旋转速度为1500rpm；
步骤7，焊接结束，关闭超声振动装置，取出焊接试样。
经微观组织分析及力学性能测试，与传统的旋转摩擦焊接方法相比，接头中金属间化合物沿径向由连续、不均匀分布转变为不连续、弥散、趋于均匀化分布，金属间化合物厚度减小。在3/4R处，金属间化合物厚度由1.28μm减小至0.85μm。同时，5052铝合金侧的软化区宽度变窄，接头的抗拉强度提高了11.2％。
实施例2
1060纯铝与T2紫铜的超声辅助旋转摩擦焊接的工艺方法。
步骤1，机械加工直径为25mm的1060纯铝与T2紫铜焊接工件，在T2紫铜待焊表面侧加工成φ24×20mm的台阶，待焊表面粗糙度Ra<1.6；
步骤2，清理T2紫铜焊接端面：采用#400、#800、#1200、#1500、#2000砂纸对其表面进行打磨，将打磨后的工件表面浸入丙酮中超声波清洗5min，然后冷风吹干；
步骤3，将T2紫铜固定在旋转部件上，超出旋转部件的长度为20mm。1060纯铝固定在移动部件上，超出移动部件的长度为40mm。此外，须保证1060纯铝棒与T2紫铜棒的中心轴线一致；
步骤4，将超声波发生器工具头垂直于1060纯铝放置，确保超声波沿径向迅速引入1060 铝焊接端面，超声波发生器的工具头位于距1060纯铝焊接端面30mm处；
步骤5，调整1060纯铝与T2紫铜焊接端面之间的距离为8mm；
步骤6，打开超声装置，调节超声振动的频率为20kHz，功率为2500W，振幅为40μm，设定焊接参数：焊接压力75MPa，摩擦时间3s或摩擦缩短量2mm，顶锻压力100MPa，顶锻时间5s。启动旋转摩擦焊接装置，其旋转速度为1500rpm；
步骤7，焊接结束，关闭超声振动装置，取出焊接试样。
经微观组织分析及力学性能测试，与传统的旋转摩擦焊接方法相比，接头中金属间化合物沿径向由连续、不均匀分布转变为不连续、弥散、趋于均匀化分布，界面层金属间化合物的厚度减小。在边缘处，金属间化合物的厚度由1.90μm减小至1.20μm。同时，1060 纯铝侧的软化区宽度变窄，接头抗拉强度提高了8.3％。
实施例3
TC4钛合金与1Cr18Ni9Ti不锈钢的超声辅助旋转摩擦焊接的工艺方法。
步骤1，机械加工直径为16mm的TC4钛合金与1Cr18Ni9Ti不锈钢焊接工件，待焊表面粗糙度Ra<1.6；
步骤2，清理1Cr18Ni9Ti不锈钢焊接端面：采用#400、#800、#1200、#1500、#2000 砂纸对其表面进行打磨，将打磨后的工件浸入丙酮中超声波清洗5min，然后冷风吹干；
步骤3，将1Cr18Ni9Ti不锈钢固定在旋转部件上，超出旋转部件的长度为20mm。TC4钛合金固定在移动部件上，超出移动部件的长度为30mm。此外，须保证TC4钛合金棒与1Cr18Ni9Ti不锈钢棒的中心轴线一致；
步骤4，将超声波发生器工具头垂直于TC4钛合金放置，确保超声波沿径向迅速引入 TC4钛合金焊接端面，超声波发生器的工具头位于距TC4钛合金焊接端面20mm；
步骤5，调整TC4钛合金与1Cr18Ni9Ti不锈钢焊接端面之间的距离为10mm；
步骤6，打开超声装置，调节超声振动的频率为60kHz，功率为3000W，振幅为20μm，设定焊接参数：摩擦压力160MPa，摩擦时间8.2s或摩擦缩短量5mm，顶锻压力293MPa，顶锻时间为5s。启动旋转摩擦焊接装置，其旋转速度为1500rpm；
步骤7，焊接结束，关闭超声振动装置，取出焊接试样。
经微观组织分析及力学性能测试，与传统的旋转摩擦焊接方法相比，接头中金属间化合物沿径向由连续、不均匀分布转变为不连续、弥散、趋于均匀化分布，金属间化合物厚度减小。在边缘处，金属间化合物厚度由8μm减小至为4μm。同时，TC4钛合金侧热影响区的宽度变窄，接头的抗拉强度提高了9.8％。
Claims (1)
1.一种超声振动辅助的异质金属旋转摩擦焊接的方法，使用旋转摩擦焊接装置，所述旋转摩擦焊接装置包括固定硬质金属工件的旋转部件，固定软质金属工件的移动部件，其特征在于，所述装置还包括超声波发生器；所述超声波发生器包括工具头和定位卡具；所述工具头通过定位卡具固定于所述移动部件上；所述工具头与所述软质金属工件切面垂直并产生点接触；
所述工具头的端面为球面；所述软质金属工件和硬质金属工件可以为5052铝合金与304不锈钢、或1060纯铝与T2紫铜、或TC4钛合金与1Cr18Ni9Ti不锈钢；
所述方法包括如下步骤：
（1）机械加工待焊接硬质金属工件A和软质金属工件B，使硬质金属工件A和软质金属工件B的待焊表面粗糙度Ra<1.6；
（2）将步骤（1）中硬质金属工件A的待焊表面打磨、超声清洗、风干；
（3）将硬质金属工件A固定在旋转部件上，所述硬质金属工件A超出旋转部件的长度为0.8D0~1.5D0；所述软质金属工件B固定在移动部件上；所述软质金属工件B超出移动部件的长度为D1~2D1；所述硬质金属工件A和软质金属工件B的中心轴线一致；所述D0为硬质金属工件A焊接端的直径；所述D1为硬质金属工件A和软质金属工件B固定端的直径；所述D0的大小为0.4D1≤D0≤D1；
（4）将超声波发生器的工具头放置于软质金属工件B上发生接触；所述接触的接触点距软质金属工件B焊接端面15～30mm；
（5）调整硬质金属工件A、软质金属工件B焊接端面之间的距离为5～20mm；
（6）打开超声波发生器，调节超声振动的频率为20～100kHz，功率为600～3000W，振幅为30～80μm；所述旋转部件的旋转速度为1500rpm；设定焊接参数，所述焊接参数为：摩擦压力30～200MPa，摩擦时间0.5～10s或摩擦缩短量1～6mm，顶锻压力90～300MPa，顶锻时间为5～20s；启动旋转摩擦焊装置，当两工件的焊接端面相互接触时，将超声振动引入焊接界面；
（7）焊接结束，关闭所述旋转摩擦焊接装置，取出焊接试样。
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