一种异种金属旋转摩擦焊方法技术

本发明专利技术公开了一种用于异种金属旋转摩擦焊的包套结构及旋转摩擦焊方法，所述的包套结构为圆柱钢材加工而成的圆柱套筒，所述圆柱套筒内壁加工有内螺纹；旋转摩擦焊时，异种金属棒材端部具有的外螺纹同包套结构的内螺纹螺纹连接，钢棒材端面和包套结构的钢材质端面接触旋转摩擦。本发明专利技术所述的用于异种金属旋转摩擦焊的包套结构及旋转摩擦焊方法，大幅降低了因异种金属高温性能差异巨大导致的塑性变形不均，从而减小了焊缝区残余应力和彻底清除了钢表面的氧化物夹杂，包套结构还能够起到模子约束金属的作用，进而提高了焊接质量。同时，还大幅降低了焊接过程对设备能力的要求。

【技术实现步骤摘要】
用于异种金属旋转摩擦焊的包套结构及旋转摩擦焊方法
本专利技术涉及一种用于异种金属摩擦焊的包套结构以及使用该包套结构的钛或钛合金与钢的旋转摩擦焊方法。
技术介绍
目前，钛或钛合金具有高的比强度，优异的抗腐蚀性以及良好的加工性，广泛应用于宇航、医疗、冶金等领域，被称为当代新崛起的第三金属。但限制钛合金应用推广的首要问题是价格昂贵。而钢材，包括碳素钢、合金钢、不锈钢等价格相对低廉，是工业领域中应用最为广泛的结构材料之一。钛或钛合金与钢材的双金属复合构件，能充分发挥二者在性能上与经济上的优势互补，在航空航天、船舶制造及核工业领域有着广阔的应用前景。摩擦焊作为一种低温、高效的固相连接方法，在新材料连接、高性能装备制造等领域受到了高度重视，特别适用于结构、功能一体化的异质材料组配高强接头的连接。但由于钛钢复合构件属于典型的异质金属的连接，因二者物性参数如熔点(钛：1660℃，铁：1535℃)，线膨胀系数(钛：8.9×10-6℃-1，铁：11.8×10-6℃-1)，以及高温下屈服强度(700℃下钛：89MPa，铁：206MPa)相差较大，导致摩擦焊中飞边仅在钛合金一侧产生，而钢一侧界面几乎没有变形，这使得一方面接头中钢表面的氧化物和夹杂无法彻底挤出，另一方面接头成形界面严重弯曲产生较大焊后残余应力，这些因素的共同作用导致二者接头的焊接质量难以保证。另外，对于钛钢组配，一般需要采用强规范工艺焊接，对设备的能力要求较高。文献“EffectoffrictiontimeonmechanicalandmetallurgicalpropertiesofcontinuousdrivefrictionweldedTi6Al4V/SUS321joints,PLi,JLLi,MSalman,LLi,JTXiong,FSZhang,Material&design,2014,56:649-656”公开了了一种Ti6Al4V钛合金与SUS321不锈钢直接旋转摩擦焊的方法，接头形成的飞边大部分产生在Ti6Al4V钛合金一侧，图1和图2所示分别为该组配接头的典型宏观外貌和接头截面形貌，其严重的不对称变形和弯曲界面特征难以保证整个接头力学性能的完整性。接头强度最高时，焊接过程采用的摩擦压力和顶锻压力分别为184MPa和330MPa。专著《压焊方法及设备,赵熹华,冯吉才,机械工业出版社,2005》指出，对于该类高温性能差异较大的异质组配接头问题的解决，目前大多采用的是设计专用的模子用来约束软金属，在摩擦加热过程中，随摩擦加热时间延长，接头温度升高，模子约束使得摩擦变形层向钢一侧移动促使钢产生变形。该装置针对不同尺寸的工件需要定制专门的卡具，工装复杂且成本较高，不利于工业应用。申请号为CN201110330877.3的专利技术专利公开了一种摩擦焊预热机构，通过该机构实现工件待焊部位的整体加热，从而降低变形抗力来提高接头变形程度，然而该预热机构需要专门的设计，且对设备的和制造及安装尺寸有特殊要求，导致其通用性不强，难以广泛普及和应对焊接组配的多样性要求。文献“Investigationsonthemechanicalpropertiesandmicrostructureofdissimilarcp-titaniumandAISI316Lausteniticstainlesssteelcontinuousfrictionwelds,SAAAkbarimousavi,MGohariKia,Materials&Design,32(5):3066-3075”公开了一种纯钛和AISI316L不锈钢的摩擦焊方法，该方法通过对AISI316L不锈钢预热之后再与纯钛进行摩擦，实现了两侧金属同时参与塑性变形的目的，结果表明，两端同时发生塑性变形会有利于接头强度的提高。但存在预热氧化问题，每次焊接之前必须清理高温金属表面的氧化物，操作较为困难。接头强度最高时，焊接过程采用的摩擦压力和顶锻压力分别为196MPa和349MPa。文献“Characterizationsof21-4Nto4Cr9Si2stainlesssteeldissimilarjointbondedbyelectric-resistance-heat-aidedfrictionwelding.Materials&Design,2009,30(10):4230-4235”和文献“Anewcurrenthybridinertiafrictionweldingfornickel-basedsuperalloyK418-alloysteel42CrModissimilarmetals.InternationalJournalofAdvancedManufacturingTechnology,2014,70(9):1673-1681”则给待焊工件施加电流，利用接触电阻热来降低界面金属变形抗力以实现大塑性变形焊接。而实现这些方法所采用的辅助设备增加了实验成本和复杂度，安全性也成为需要考虑的因素。可见，为了控制钛或钛合金在焊接过程中的大量变形和损失，同时降低对摩擦焊设备能力的要求，急需开发一种成本低廉且实用的新工艺方法来改善钛钢接头变形条件，使得界面两侧的金属能够同时发生充分的塑性变形，对于保证接头的焊接质量具有非常重要的意义。
技术实现思路
根据上述提出的技术问题，而提供一种用于异种金属旋转摩擦焊的包套结构及旋转摩擦焊方法，用以解决现有的异种金属旋转摩擦焊中，具有钛钢直接摩擦焊时，两侧金属熔点和高温力学性能相差巨大，而导致的接头区域仅为钛一侧发生严重塑性变形，形成大量飞边，而钢一侧母材基本没有变形，使得钢表面氧化物的夹杂无法彻底去除，从而导致接头焊接质量不高的不足，设备要求高的缺点。本专利技术采用的技术手段如下：一种用于异种金属旋转摩擦焊的包套结构，所述的包套结构为圆柱钢材加工而成的圆柱套筒，所述圆柱套筒内壁加工有内螺纹；旋转摩擦焊时，异种金属棒材端部具有的外螺纹同包套结构的内螺纹螺纹连接，钢棒材端面和包套结构的钢材质端面接触旋转摩擦。作为优选所述的异种金属棒材为钛或钛合金棒材。作为优选所述包套结构的端面厚度为λ，1mm≤λ≤3mm；所述包套结构的长度为L，5mm≤L≤30mm。作为优选所述包套结构的外径为D，待焊棒材的直径为φ，φ+2mm≤D。作为优选所述包套结构内螺纹的牙高为α，0.5mm≤α≤2.5mm，螺距为β，0.8mm≤α≤2.5mm；所述包套结构内孔深度为γ，4mm≤α≤29mm。一种旋转摩擦焊方法，包括以下步骤：S1、焊前准备，根据待焊钢棒材和待焊异种金属棒材的尺寸，加工上述权利要求1-5任意一项权利要求所述的包套结构，并且在待焊异种金属棒材端部外壁加工有同包套结构内螺纹配合的外螺纹结构；S2、装配结构接头，将清理好的包套结构，通过螺纹连接方式装配在待焊异种金属棒材待焊端，形成待焊结构；S3、焊接进行，将待焊棒材装卡在摩擦焊机上，旋转摩擦焊接，在磨穿的瞬间顶锻刹车，最后得到异种金属与钢两侧同时充分变形的复合接头。作为优选所述的异种金属棒材为钛或钛合金棒材，包套结构钢材质同待焊钢棒材的材质相同。作为优选S3中，根据摩擦压力为40～80MPa，顶锻压力为80～160MPa的工艺参数进行本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于异种金属旋转摩擦焊的包套结构，其特征在于：所述的包套结构为圆柱钢材加工而成的圆柱套筒，所述圆柱套筒内壁加工有内螺纹；旋转摩擦焊时，异种金属棒材端部具有的外螺纹同包套结构的内螺纹螺纹连接，钢棒材端面和包套结构的钢材质端面接触旋转摩擦。

【技术特征摘要】
1.一种用于异种金属旋转摩擦焊的包套结构，其特征在于：所述的包套结构为圆柱钢材加工而成的圆柱套筒，所述圆柱套筒内壁加工有内螺纹；旋转摩擦焊时，异种金属棒材端部具有的外螺纹同包套结构的内螺纹螺纹连接，钢棒材端面和包套结构的钢材质端面接触旋转摩擦。2.根据权利要求1所述的用于异种金属旋转摩擦焊的包套结构，其特征在于：所述的异种金属棒材为钛或钛合金棒材。3.根据权利要求1或2所述的用于异种金属旋转摩擦焊的包套结构，其特征在于：所述包套结构的端面厚度为λ，1mm≤λ≤3mm；所述包套结构的长度为L，5mm≤L≤30mm。4.根据权利要求1或2所述的用于异种金属旋转摩擦焊的包套结构，其特征在于：所述包套结构的外径为D，待焊棒材的直径为φ，φ+2mm≤D。5.根据权利要求1或2所述的用于异种金属旋转摩擦焊的包套结构，其特征在于：所述包套结构内螺纹的牙高为α，0.5mm≤α≤2.5mm，螺距为β，0.8mm≤β≤2.5mm；所述包套结构内孔深度为γ，4mm≤γ≤29mm。6.一种旋转摩擦焊方法，其特征在于包括以下步骤：S1、焊前准备，根据待焊钢棒材和待焊异种金属棒材的尺寸，加工上述权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：李鹏，董红刚，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21