一种超声振动辅助的异质金属旋转摩擦焊接装置与方法制造方法及图纸

本发明专利技术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。

A Ultrasound Vibration Assisted Rotary Friction Welding Device and Method for Heterogeneous Metals

【技术实现步骤摘要】
一种超声振动辅助的异质金属旋转摩擦焊接装置与方法
本专利技术涉及材料连接技术，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。
技术介绍
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“EffectofPost-weldHeatTreatmentonPropertiesofFrictionWeldedJointBetweenTC4TitaniumAlloyand40CrSteelRods,DongH,YuL,DengD,etal,JournalofMaterialsScience&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“Microstructuralcharacterizationandmechanicalpropertiesofdissimilarfrictionweldingof1060aluminumtoAZ31Bmagnesiumalloy,LiangZ,QinG,WangL,etal,MaterialsScience&EngineeringA,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“Inhomogeneityofmicrostructureandmechanicalpropertiesinradialdirectionofaluminum/copperfrictionweldedjoints,PanL,LiP,HaoX,etal,JournalofMaterialsProcessingTechnology,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系统分析，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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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和硬质金属工本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一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，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。

【技术特征摘要】
1.一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，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。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述工具头的端面为球面。3.一种异质金属旋转摩擦焊的方法，其特征在于，使用权利要求1或2所述的装置，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...

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