一种钢/铝异质难焊合金的高强韧径向摩擦焊接方法技术

一种钢/铝异质合金的径向焊接方法，是先在钢表面通过第一次径向摩擦焊接一层Cu过渡层环，再在过渡层表面包覆Al

【技术实现步骤摘要】
一种钢/铝异质难焊合金的高强韧径向摩擦焊接方法


[0001]本专利技术涉及固相焊接
，具体涉及一种钢/铝异质难焊合金的高强韧径向摩擦焊接方法。

技术介绍

[0002]高强钢/超高强度钢具有高强度、高断裂韧度、高延展性以及优质的抗冲击性能和耐磨损性能，是目前应用最广泛的金属材料。铝及铝合金密度仅为2.8 g/cm3，且结构强度较高、耐蚀性好、成本低，是实现构件轻量化的关键材料。采用钢和铝异质合金金属焊接复合，既能承受强过载冲击、高频次疲劳载荷等苛刻工况要求，又能实现构件大幅减重，是目前机械设备、特种车辆等关重件常用的复合结构形式。
[0003]但是在对钢/铝异质金属焊接时，如采用熔化焊，其热输入较大，接头高温时间长，焊后接头易产生大量厚层脆性IMCs，且接头热裂纹、气孔等焊接缺陷多，接头焊接强度低、韧性差。惯性径向摩擦焊为典型中、低温特性的固相焊工艺，其较低的热输入和较短的热循环时间能有效控制铝/钢焊接界面IMCs，相较于熔化焊等高热焊接方式，该方法是降低焊接界面的残余应力，实现钢/铝异质难焊合金高质量焊接的有效途径之一。但是由于铝合金与钢的线膨胀系数及热导率差异大，且热敏感性强，导致二者的焊接性差。其次，铝和钢在焊接过程中易生成种类复杂的FeAl3等硬脆金属间化合物，接头界面强韧性差。因此，有必要开发出一种钢/铝异质合金的高强韧径向焊接方法，为钢/铝异质合金的高可靠焊接提供新技术途径。

技术实现思路

[0004]本专利技术目的在于提供一种钢/铝异质合金的高强韧径向焊接方法。该方法实现了钢/铝异质合金的高质量焊接，提高了界面结合强度，降低了界面缺陷和裂纹。
[0005]本专利技术目的通过如下技术方案实现：一种钢/铝异质合金的高强韧径向摩擦焊接方法，其特征在于：先在钢管表面通过第一次径向摩擦焊接一层Cu过渡层环，再在过渡层表面包覆Al
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Li合金层，再在表面进行第二次径向摩擦焊接铝合金层环。
[0006]优选的，上述Cu过渡层环可为H80、H70或H62。
[0007]进一步，上述钢管直径为25~170mm，Cu过渡层环和铝合金层环宽度均为5~40mm，铝合金层环的外径为35~180mm。
[0008]进一步，焊接的Cu过渡层环厚度为0.5~2mm。
[0009]进一步，过渡层表面包裹的Al
‑
Li合金厚度为0.2~0.5mm。
[0010]进一步，上述第一次径向摩擦焊接的摩擦转速为1000~2500r/min，摩擦压力为2~8MPa，顶锻转速500~1300r/min，顶锻压力3.5~15MPa。
[0011]优选的，上述摩擦转速为1200~1600r/min，摩擦压力为5~7MPa，顶锻转速500~1200r/min，顶锻压力8~12MPa。
[0012]进一步，第二次径向摩擦焊接中的摩擦转速为800~2000r/min，摩擦压力为2~4MPa，顶锻转速400~1000r/min，顶锻压力4~8MPa。
[0013]为了降低铝合金与钢的线膨胀系数及热导率差异，选择在钢和铝合金之间增加一层Cu过渡层，并在焊接过程中阻挡钢和铝的相对扩散，从而降低生成种类复杂的FeAl3等硬脆金属间化合物的可能性。但是由于Cu的引入，Cu和钢之间实现了良好的焊接，但是Cu和Al焊接过程中会生成CuAl2、CuAl、Cu4Al3等金属间化合物，这些金属间化合物在生长过程会产生较大内应力，降低界面的结合强度，同时这些金属间化合物在形核生长后会增加体系的脆性。
[0014]本专利技术中通过在钢的表面第一次焊接一层Cu过渡层，然后在Cu过渡层表面包覆一层AlLi合金层，在第二次焊接过程中，使得极薄的AlLi合金出现熔融状态，Cu过渡层表面也出现一定的塑性变形，最表面的Al合金焊接界面的合金元素以及Cu过渡层中的Cu元素溶入AlLi合金中，使得Cu过渡层和最表面的铝合金之间通过AlLi合金形成过饱和状态，从而促进界面生成了Al2CuLi合金增强相，抑制了Cu和Al直接生成金属间化合物，降低了界面应力，消除应变，降低了应变缺陷生成，降低了焊接界面两侧的储能差异，增强了Cu过渡层和表面铝合金之间的结合强度，同时提高了材料的韧性，减少了焊接界面的裂纹、气孔等的产生。
[0015]通过形成钢
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Cu
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Al2CuLi
‑
Al合金的过渡结构，从整体上降低了钢和Al合金之间的线膨胀系数差异，降低了整体的热敏感性，提高了二者之间的可焊接性能和接头界面的强韧性能。
[0016]最具体的，一种钢/铝异质合金的高强韧径向摩擦焊接方法，其特征在于，按如下步骤进行：步骤1、采用机加工对钢管、过渡层环和铝环进行机械加工，加工出焊接毛坯，采用砂纸对待焊部位进行去铁锈和去毛刺处理，并采用乙酸乙酯去除待焊部位处的油污；步骤2、将Cu过渡层环放入旋转加压工装内并预夹紧，将钢管放入钢管夹持工装内并夹紧；步骤3、在径向摩擦焊机的控制界面上进行参数设置，设置的摩擦转速1000~2500r/min，摩擦压力2~8MPa，顶锻转速500~1300r/min，顶锻压力3.5~15MPa ，焊接结束后，对焊后钢管的Cu过渡层表面进行车加工至Cu过渡层的厚度0.5~2mm；步骤4、在Cu过渡层表面包覆一层厚度为0.2~0.5mm的AiLi合金层，将铝合金环放入旋转加压工装内并预夹紧；将覆有过渡层和AiLi合金层的钢管放入钢管夹持工装内并夹紧；步骤5、在径向摩擦焊机的控制界面上进行参数设置，设置的摩擦转速为800~2000r/min，摩擦压力为2~4MPa，顶锻转速400~800r/min，顶锻压力4~8MPa；开启径向摩擦焊机，完成铝合金环的径向摩擦焊接。
[0017]本专利技术具有如下技术效果：本专利技术采用两步径向摩擦焊接实现了钢/铝异质难焊合金的径向焊接，实现了高塑高韧的过渡层金属与钢管的焊接，以及铝与高塑高韧的过渡层的焊接，最终实现钢/铝高质量焊接。渡层能够有效控制硬脆的富铝Fe
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Al的IMCs的生成，同时还能降低焊接应力，同时生成的Al2CuLi增强相减少了焊接过程引起的裂纹、气孔等缺陷，增强了界面的结合强
度，提高焊接材料的韧性，提高了焊接质量。
附图说明
[0018]图1：本专利技术钢/铝异质难焊合金的径向焊接示意图。
具体实施方式
[0019]下面通过实施例对本专利技术进行具体的描述，有必要在此指出的是，以下实施例只用于对本专利技术进行进一步说明，不能理解为对本专利技术保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述本
技术实现思路
对本专利技术作出一些非本质的改进和调整。
[0020]实施例1外径为φ25mm的35CrMoSi钢管与外径φ35mm的7A04铝环的径向摩擦焊接：步骤1、根据钢管焊接毛坯结构尺寸和铝环毛坯结构尺寸，采用40Cr中碳调质钢加工出旋转加压工装和钢管夹持工装；采用机加工对钢管、H70过渡层环和铝环进行机械加工，加工出焊接毛坯。采用砂纸对待焊部位进行去铁锈和去本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种钢/铝异质合金的高强韧径向摩擦焊接方法，其特征在于：先在钢表面通过第一次径向摩擦焊接一层Cu过渡层环，再在过渡层表面包覆Al
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Li合金层，再在表面进行第二次径向摩擦焊接铝合金层环。2.如权利要求1所述的一种钢/铝异质合金的高强韧径向摩擦焊接方法，其特征在于：所述钢管直径为25~170mm，Cu过渡层环和铝合金层环宽度均为5~40mm，铝合金层环的外径为35~180mm。3.如权利要求1或2所述的一种钢/铝异质合金的高强韧径向摩擦焊接方法，其特征在于：所述Cu过渡层环厚度为0.5~2mm，Cu过渡层表面包裹的Al
‑
Li合金厚度为0.2~0.5mm。4.如权利要求1
‑
3任一项所述的一种钢/铝异质合金的高强韧径向摩擦焊接方法，其特征在于：所述第一次径向摩擦焊接的摩擦转速为1000~2500r/min，摩擦压力为2~8MPa，顶锻转速500~1300r/min，顶锻压力3.5~15MPa。5.如权利要求4所述的一种钢/铝异质合金的高强韧径向摩擦焊接方法，其特征在于：所述第二次径向摩擦焊接中的摩擦转速为800~2000r/min，摩擦压力为2~...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈大军，李忠盛，刘正涛，付扬帆，莫非，黄安畏，丛大龙，吴厦，代野，戴明辉，
申请(专利权)人：中国兵器装备集团西南技术工程研究所，
类型：发明
国别省市：