专利名称：一种降低钛合金搅拌摩擦焊工艺中搅拌头磨损的方法
技术领域：
本发明涉及一种降低钛合金搅拌摩擦焊搅拌头磨损的方法。
背景技术：
搅拌摩擦焊的基本原理如专利PCT/GB92/02203所述，在焊接过程中， 利用高速旋转的搅拌头与工件摩擦产生的热量使被焊材料局部塑化，当搅拌 头沿着焊接界面移动时，塑化材料在搅拌头的转动摩擦力作用下由搅拌头的 前部移向后部，并在搅拌头的挤压下形成致密的固相焊缝。从发明至今，搅 拌摩擦焊技术已成功应用于铝、镁等低熔点材料的焊接并取得了良好的效果。 为扩大该技术的应用范围，近年来正在开展诸如钢、钛等高熔点材料的搅拌 摩擦焊接研究，所遇到的主要挑战就是搅拌头磨损严重，使得焊接过程不能 顺利完成或影响焊接质量。
针对高熔点材料在焊接过程搅拌头磨损严重的问题，人们进行了广泛的 研究，主要从搅拌头的材料上着手进行研究改进，目前公认的较好的用于高 熔点材料焊接的搅拌头材料有钨基合金和多晶立方氮化硼，但仍有一定的局 限性。特别是在焊接高熔点钛合金材料过程中，由于钛合金的塑化温度很高， 活性强，在焊接过程中钛合金易与搅拌头发生物理及化学作用而使搅拌头的 磨损更为突出。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有钛合金搅拌摩擦焊工艺中由于钛合金塑化 温度高、活性强，导致搅拌头磨损严重的问题，本发明提供了一种降低钛合金 搅拌摩擦焊工艺中搅拌头磨损的方法。
本发明的降低钛合金搅拌摩擦焊工艺中搅拌头磨损的方法是通过以下步 骤实现的 一、在65(TC 85(TC，氢气分压为0.1-1.0个标准大气压的条件下， 对钛合金进行置氢处理0.5~3h，得到置氢量为0.1%~0.8% (重量)的置氢钛 合金；二、在搅拌头转速为350~1000r/min，焊接逢率为25 150mmAnin的焊 接工艺参数下，对步骤一得到的置氢钛合金进行搅拌摩擦焊接；三、将步骤二得到的钛合金搅拌摩擦焊接件在650。C 85(TC条件下进行真空除氢处理， 除氢处理时间为0.5 6h。
本发明降低钛合金搅拌摩擦焊工艺中搅拌头磨损的方法是利用钛合金的 氢致塑性效应，通过在钛合金中加入临时合金元素氢，使被焊钛合金材料的 塑化温度降低，热变形抗力降低，同时改善了钛合金材料的热塑性，从而容 易实现钛合金材料间的连接，提高焊接效率，减小搅拌头的磨损。同时氢元 素的引入，降低了钛合金的活性，在搅拌摩擦焊过程中有效抑制了钛合金与 搅拌头发生物理化学作用，减小了搅拌头的磨损。
本发明获得的钛合金焊接接头的强度系数与采用现有焊接技术焊接钛合 金获得的焊接接头的强度系数相当。而且，与现有搅拌摩擦焊接技术相比， 在相同的搅拌头转速的情况下，能以更高的焊接速率实现钛合金的焊接，且 焊缝成形更为美观。本发明还可以以较小的热输入获得优质的焊缝，提高了 生产效率。
本发明工艺简单，易于实现，降低了钛合金搅拌摩擦焊工艺中搅拌头的 磨损，同时得到的钛合金搅拌摩擦焊接接头光滑美观。
图1是具体实施方式
十九中对置氢TC4钛合金进行搅拌摩擦焊接前的搅 拌头的外观图；图2是具体实施方式
十九中对置氢TC4钛合金进行搅拌摩擦 悍接后的搅拌头的外观图；图3是具体实施方式
十九得到的TC4钛合金搅拌 摩擦焊接件的焊缝的外观图；图4是现有搅拌摩擦焊工艺得到的钛合金焊接 件焊缝的外观图。
具体实施例方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式
，还包括各具体实施 方式间的任意组合。
具体实施方式
一本实施方式一种降低钛合金搅拌摩擦焊工艺中搅拌头 磨损的方法是通过以下步骤实现的 一、在650°C 850°C,氢气分压为0.1~1.0 个标准大气压的条件下，对钛合金进行置氢处理0.5~3h，得到置氢量为 0.1°/。~0.8% (重量)的置氢钛合金；二、在搅拌头转速为350~1000r/min，悍 接速率为25~150mm/min的焊接工艺参数下，对步骤一得到的置氢钛合金进行搅拌摩擦焊接；三、将步骤二得到的钛合金搅拌摩擦焊接件在650°C 85(TC条件下进行真空除氢处理，除氢处理时间为0.5~6h。
具体实施方式
二本实施方式与具体实施方式
一不同的是步骤一中钛合 金为双相钛合金或近a钛合金。其它步骤及参数与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三本实施方式与具体实施方式
一或二不同的是步骤一中 在650。C 75(TC条件下对钛合金进行置氢处理。其它步骤及参数与具体实施 方式一或二相同。
具体实施方式
四本实施方式与具体实施方式
一或二不同的是步骤一中 在70(TC条件下对钛合金进行置氢处理。其它步骤及参数与具体实施方式
一 或二相同。
具体实施方式
五本实施方式与具体实施方式
一至四不同的是步骤一中 氢气分压为0.3-0.8个标准大气压。其它步骤及参数与具体实施方式
一至四 相同。
具体实施方式
六本实施方式与具体实施方式
一至四不同的是步骤一中 氢气分压为0.6个标准大气压。其它步骤及参数与具体实施方式
一至四相同。
具体实施方式
七本实施方式与具体实施方式
一至六不同的是步骤一中 钛合金置氢处理时间为l~2h。其它步骤及参数与具体实施方式
一至六相同。
具体实施方式
八本实施方式与具体实施方式
一至七不同的是步骤一中 得到置氢量为0.3%~0.6% (重量)的置氢钛合金。其它步骤及参数与具体实
施方式一至七相同。
具体实施方式
九本实施方式与具体实施方式
一至七不同的是步骤一中 得到置氢量为0.5% (重量)的置氢钛合金。其它步骤及参数与
具体实施例方式
一至七相同。
具体实施方式
十本实施方式与具体实施方式
一至九不同的是步骤二中
采用的搅拌头的材料为钨基合金或多晶立方氮化硼。其它步骤及参数与具体 实施方式一至九相同。
本实施方式所述搅拌头的尺寸依待焊接的置氢钛合金的厚度而定。搅拌
头的针部的长度比被焊的置氢钛合金厚度小0.l~0.3mm。
具体实施方式
十一本实施方式与具体实施方式
一至十不同的是步骤二中搅拌头转速为400 800r/min。其它步骤及参数与具体实施方式
一至十相同。
具体实施方式
十二本实施方式与具体实施方式
一至十不同的是步骤二
中搅拌头转速为500 600r/min。其它步骤及参数与具体实施方式
一至十相同。
具体实施方式
十三本实施方式与具体实施方式
一至十二不同的是步骤
二中焊接速率为50~100mm/miri。其它步骤及参数与具体实施方式
一至十二相同。
具体实施方式
十四本实施方式与具体实施方式
一至十二不同的是步骤 二中焊接速率为60 80mm/min。其它步骤及参数与具体实施方式
一至十二相 同。
具体实施方式
十五本实施方式与具体实施方式
一至十四不同的是步骤 三中在700'C 80(TC下进行真空除氢处理。其它步骤及参数与具体实施方式
一至十四相同。
具体实施方式
十六本实施方式与具体实施方式
一至十四不同的是步骤 三中在75(TC下进行真空除氢处理。其它步骤及参数与具体实施方式
一至十 四相同。
具体实施方式
十七本实施方式与具体实施方式
一至十六不同的是步骤 三中除氢处理时间为l~4h。其它步骤及参数与具体实施方式
一至十六相同。
具体实施方式
十八本实施方式与具体实施方式
一至十六不同的是步骤
三中处理时间为l~2h。其它步骤及参数与具体实施方式
一至十六相同。
具体实施方式
十九本实施方式降低钛合金搅拌摩擦焊工艺中搅拌头磨
损的方法通过以下步骤实现的 一、在75(TC，氢气分压为0.8个标准大气 压条件下，对规格为120mmx50mmx2mm的轧态.TC4钛合金进行置氢处理 lh，得到置氢量为0.3%~0.5% (重量)的置氢钛合金；二、在鸨-铼合金搅拌 头转速为400~600r/min，焊接速率为50~100mm/min的条件下，对置氢钛合 金进行搅拌摩擦悍接；三、将步骤二得到的钛合金搅拌摩擦焊接件在750°C 条件下进行真空除氢处理，除氢处理时间为lh。
本实施方式中，礼态TC4钛合金搅拌摩擦焊接后的焊接接头强度系数为 94%，与采用现有焊接技术焊接获得的焊接接头的强度系数相当。
本实施方式中对置氢TC4钛合金进行搅拌摩擦焊接前后的搅拌头的外观图分别如图1和图2所示，由图1和图2对比可见，搅拌头在搅拌摩擦焊 接前后尺寸变化很小，磨损降低，搅拌头的磨损得到了很好的改善。
本实施方式得到的钛合金搅拌摩擦焊接件的焊缝外观图如图3所示，与 现有搅拌摩擦焊工艺得到的钛合金焊接件的焊缝外观(如图4所示)相比， 本实施方式的钛合金搅拌摩擦焊接件的焊缝光滑美观。
本实施方式得到的TC4钛合金焊接件的焊缝中氢含量在50ppm以下， 达到了国家标准GB/T3620.2的要求。
具体实施方式
二十本实施方式降低钛合金搅拌摩擦焊工艺中搅拌头磨 损的方法通过以下步骤实现的 一、在70(TC，氢气分压为0.6个标准大气压 条件下，对规格为150mmx60mmx3mm的轧态Ti60钛合金进行置氢处理2h， 得到置氢量为0.5%~0.8% (重量)的置氢钛合金；二、在多晶立方氮化硼搅 拌头转速为500 600r/min，焊接速率为50 100mm/min的条件下，对置氢钛 合金进行搅拌摩擦焊接；三、将步骤二得到的钛合金搅拌摩擦焊接件在650°C 条件下进行真空除氢处理，除氢处理时间为2h。.
本实施方式中，轧态Ti60钛合金搅拌摩擦焊接后的焊接接头强度系数为 91%。本实施方式搅拌摩擦焊接置氢Ti60钛合金后，搅拌头的尺寸磨损小， 同时形成的焊缝光滑美观。
本实施方式得到的Ti60钛合金焊接件的焊缝中氢含量低于40ppm，达到 了国家标准GB/T3620.2的要求。
权利要求
1、一种降低钛合金搅拌摩擦焊工艺中搅拌头磨损的方法，其特征在于降低钛合金搅拌摩擦焊工艺中搅拌头磨损的方法是通过以下步骤实现的一、在650℃～850℃、氢气分压为0.1～1.0个标准大气压的条件下，对钛合金进行置氢处理0.5～3h，得到置氢量为0.1％～0.8％(重量)的置氢钛合金；二、在搅拌头转速为350～1000r/min、焊接速率为25～150mm/min的条件下，对步骤一得到的置氢钛合金进行搅拌摩擦焊接；三、将步骤二得到的钛合金搅拌摩擦焊接件在650℃～850℃条件下进行真空除氢处理，除氢处理时间为0.5～6h。
2、 根据权利要求1所述的一种降低钛合金搅拌摩擦焊工艺中搅拌头磨损 的方法，其特征在于步骤一中钛合金为双相钛合金或近a钛合金。
3、 根据权利要求1或2所述的一种降低钛合金搅拌摩擦焊工艺中搅拌头 磨损的方法，其特征在于步骤一中在65(TC 75(TC下对钛合金进行置氢处理。
4、 根据权利要求1或2所述的一种降低钛合金搅拌摩擦焊工艺中搅拌头 磨损的方法，其特征在于步骤一中在70(TC下对钛合金进行置氢处理。
5、 根据权利要求3所述的一种降低钛合金搅拌摩擦焊工艺中搅拌头磨损 的方法，其特征在于步骤一中置氢处理时间为1 2h。
6、 根据权利要求1、 2或5所述的一种降低钛合金搅拌摩擦焊工艺中搅拌 头磨损的方法，其特征在于步骤二中搅拌头的材料为钨基合金或多晶立方氮
7、 根据权利要求6所述的一种降低钛合金搅拌摩擦焊工艺中搅拌头磨损 的方法，其特征在于步骤二中搅拌头转速为400-800 r/min。
8、 根据权利要求l、 2、 5或7所述的一种降低钛合金搅拌摩擦焊工艺中 搅拌头磨损的方法，其特征在于步骤二中焊接速率为50-100 mm/min
9、 根据权利要求8所述的一种降低钛合金搅拌摩擦焊工艺中搅拌头磨损 的方法，其特征在于步骤三中在70(TC 80(TC下进行真空除氢处理。
10、 根据权利要求l、 2、 5、 7或9所述的一种降低钛合金搅拌摩擦焊工 艺中搅拌头磨损的方法，其特征在于步骤三中除氢处理时间为1 2h。
全文摘要
一种降低钛合金搅拌摩擦焊工艺中搅拌头磨损的方法，它涉及一种降低钛合金搅拌摩擦焊搅拌头磨损的方法。本发明解决了现有钛合金搅拌摩擦焊工艺中由于钛合金塑化温度高、活性强，导致搅拌头磨损严重的问题。本发明降低钛合金搅拌摩擦焊工艺中搅拌头磨损的方法是通过以下步骤实现的一、对钛合金进行置氢处理；二、搅拌摩擦焊接置氢钛合金；三、对搅拌摩擦焊接后置氢钛合金进行真空除氢处理。本发明降低钛合金搅拌摩擦焊工艺中搅拌头磨损的方法利用钛合金的氢致塑性效应，降低了钛合金的塑化温度，活性减弱，减轻了搅拌头的磨损，本发明获得的钛合金焊接件的接头强度系数与现有焊接技术得到的钛合金接头强度系数相当。
文档编号B23K20/12GK101607345SQ200910072508
公开日2009年12月23日 申请日期2009年7月15日 优先权日2009年7月15日
发明者冯秀丽, 刘会杰, 刘奇威, 利 周 申请人:哈尔滨工业大学