用于异种金属旋转摩擦焊的包套结构及旋转摩擦焊方法与流程

本发明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。

背景技术：

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“Effect of friction time on mechanical and metallurgical properties of continuous drive friction welded Ti6Al4V/SUS321joints,P Li,JL Li,M Salman,L Li,JT Xiong,FS Zhang,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的发明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“Investigations on the mechanical properties and microstructure of dissimilar cp-titanium and AISI 316L austenitic stainless steel continuous friction welds,SAA Akbarimousavi,M GohariKia,Materials&Design,32(5):3066-3075”公开了一种纯钛和AISI 316L不锈钢的摩擦焊方法，该方法通过对AISI 316L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“Characterizations of 21-4N to 4Cr9Si2stainless steel dissimilar joint bonded by electric-resistance-heat-aided friction welding.Materials&Design,2009,30(10):4230-4235”和文献“A new current hybrid inertia friction welding for nickel-based superalloy K418-alloy steel 42CrMo dissimilar metals.International Journal of Advanced Manufacturing Technology,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。

技术实现要素：

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。本发明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的工艺参数进行焊接。

作为优选所述的包套结构的外径大于待焊钢棒材直径的2mm—5mm，内径等于待焊钢棒材直径；所述待焊异种金属棒材端部的外螺纹段长度大于包套结构内孔深度。

作为优选S1中将待焊钢棒材、待焊异种金属棒材以及包套结构的待焊面机械加工至粗糙度Ra≤3.2μm，并采用丙酮超声波清洗去除油污和杂质。

与现有技术相比较，本发明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，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，最后得到异种金属与钢两侧同时充分变形的复合接头，异种金属棒材为钛或钛合金棒材，将原有焊接时，钛或钛合金棒材和钢的直接摩擦变为钢与钢的摩擦，摩擦界面产生的热量足以使钢棒焊缝区产生充分塑性变形，在持续摩擦作用下钢材质的包套结构端面被磨穿后，界面上最终演变为钢的高温塑性层和钛合金的摩擦，并在顶锻力的作用下两者进一步相互摩擦消除界面形成接头。此过程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。

本发明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，避免了现有技术中对辅助热源以及专用中间层的制备，更重要的是还将原本强规范的焊接工艺变为钢本体连接的普通工艺规范，使得焊接过程所需压力数值降低了1倍以上，所以大幅降低了对设备能力的要求，使得焊接成本大幅降低的同时，保证了接头的使用性能，实现多种钛或钛合金与钢的高强连接。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是现有技术中钛合金与不锈钢接头宏观外貌图。

图2是现有技术中钛合金与不锈钢接头截面形貌图。

图3是本发明结构接头的示意图。

图4是本发明异种金属套有包套结构的剖视图。

图中，1、钢棒材，2、异种金属棒材，3、包套结构；

D为包套结构的外径，φ为待焊棒材直径，λ为包套结构的端面厚度，L为包套结构长度。

具体实施方式

如图3和图4所示，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3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2端部具有的外螺纹同包套结构3的内螺纹螺纹连接，钢棒材1端面和包套结构3的钢材质端面接触旋转摩擦。

所述的异种金属棒材2为钛或钛合金棒材。所述包套结构3的端面厚度为λ，1mm≤λ≤3mm；所述包套结构3的长度为L，5mm≤L≤30mm。包套结构3的长度L优选为10mm。所述包套结构3的外径为D，待焊棒材的直径为φ，φ+2mm≤D。包套内径和待焊棒材直径等值。

所述包套结构3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3内孔深度为γ，4mm≤γ≤29mm，以保证包套结构能够牢靠地装夹在钢棒材一侧，并保证焊接过程中包套结构不发生破裂。

如图3和图4所示，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，加工上述所述的包套结构3，并且在待焊异种金属棒材2端部外壁加工有同包套结构3内螺纹配合的外螺纹结构。

所述的异种金属棒材2为钛或钛合金棒材，包套结构3钢材质同待焊钢棒材1的材质相同。所述的包套结构3的外径大于待焊钢棒材1直径的2mm—5mm，内径等于待焊钢棒材1直径。所述待焊异种金属棒材2端部的外螺纹段长度大于包套结构3内孔深度，作为优选所述待焊异种金属棒材2端部的外螺纹段长度比包套结构3内孔深度尺寸大0.5mm。

S1中将待焊钢棒材、待焊异种金属棒材2以及包套结构3的待焊面机械加工至粗糙度Ra≤3.2μm，并采用丙酮超声波清洗去除油污和杂质。

S2、装配结构接头，将清理好的包套结构3，通过螺纹连接方式装配在待焊异种金属棒材2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，S3中，根据常规旋转摩擦焊接对应钢材轴向缩短量2～6mm，摩擦压力为40～80MPa，顶锻压力为80～160MPa的工艺参数进行焊接，具体取决于钢结构材质以及包套前端待磨穿的厚度。

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。

本发明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，所得到的接头钢材一侧也充分变形并挤出形成飞边，抗拉强度达到弱侧母材强度的85％以上，能够满足绝大多数钛钢复合构件的服役性能要求。

实施例1，一种TA2纯钛与45#钢旋转摩擦焊接方法，其具体过程包括以下步骤：

步骤1，制备45#钢包套结构，以及待焊TA2钛棒一侧螺纹结构；选择直径大于待焊钢棒直径2mm的45#钢棒材，将其加工成长度为10mm，内螺纹尺寸为牙高0.5mm，螺距1mm，内径等于待焊棒材直径，深度为9mm的包套结构。

并且将各个待焊面机械加工至粗糙度Ra≤3.2μm，随后采用丙酮超声波清洗去除油污和杂质，得到包套结构；将待焊钛合金一端加工成与包套结构紧配合的螺纹结构，螺纹总长度为9.5mm。

步骤2，装配结构接头；将清理好的45#钢包套结构装配通过螺纹连接方式装卡在TA2纯钛待焊端，形成待焊结构；

步骤3，焊接；将待焊棒材装卡在摩擦焊机上按照常规旋转摩擦焊接45#钢轴向缩短量2mm，摩擦压力为50MPa，顶锻压力为100MPa的工艺参数进行焊接，在磨穿的瞬间顶锻刹车，最后得到两侧金属同时发生充分塑性变形的TA2纯钛与45#钢复合接头。

经测试，所得接头的抗拉强度为410MPa，达到了被焊TA2工业纯钛抗拉强度(440MPa)的93.2％。

实施例2，一种TC4钛合金与1Cr18Ni9Ti不锈钢的旋转摩擦焊接方法，其具体过程包括以下步骤：

步骤1，制备1Cr18Ni9Ti不锈钢包套结构，以及待焊TC4钛合金棒一侧螺纹结构；选择直径大于待焊钢棒直径4mm的1Cr18Ni9Ti不锈钢棒材，将其加工成长度为12mm，内螺纹尺寸为牙高1mm，螺距1mm，内径等于待焊棒材直径，深度为10mm的包套结构。

并且将各个待焊面机械加工至粗糙度Ra≤3.2μm，随后采用丙酮超声波清洗去除油污和杂质，得到包套结构；将待焊TC4钛合金一端加工成与包套结构紧配合的螺纹结构，螺纹总长度为10.5mm。

步骤2，装配结构接头；将清理好的1Cr18Ni9Ti不锈钢包套结构装配通过螺纹连接方式装卡在TC4钛合金待焊端，形成待焊结构。

步骤3，焊接；将待焊棒材装卡在摩擦焊机上按照常规旋转摩擦焊接1Cr18Ni9Ti不锈钢轴向缩短量4mm，摩擦压力为60MPa，顶锻压力为120MPa的工艺参数进行焊接，在磨穿的瞬间顶锻刹车，最后得到两侧金属同时发生充分塑性变形的TC4钛合金与1Cr18Ni9Ti不锈钢复合接头。

经测试，所得接头的抗拉强度为540MPa，达到了被焊1Cr18Ni9Ti不锈钢抗拉强度(590MPa)的91.5％。

实施例3：一种TC4钛合金与0Cr17Ni12Mo2不锈钢的旋转摩擦焊接方法，其具体过程包括以下步骤：

步骤1，制备0Cr17Ni12Mo2不锈钢包套结构，以及待焊TC4钛合金棒一侧螺纹结构；选择直径大于待焊钢棒直径3mm的1Cr18Ni9Ti不锈钢棒材，将其加工成长度为10mm，内螺纹尺寸为牙高0.8mm，螺距1mm，内径等于待焊棒材直径，深度为8.5mm的包套结构。

并且将各个待焊面机械加工至粗糙度Ra≤3.2μm，随后采用丙酮超声波清洗去除油污和杂质，得到包套结构；将待焊TC4钛合金一端加工成与包套结构紧配合的螺纹结构，螺纹总长度为9mm。

步骤2，装配结构接头；将清理好的0Cr17Ni12Mo2不锈钢包套结构装配通过螺纹连接方式装卡在TC4钛合金待焊端，形成待焊结构。

步骤3，焊接；将待焊棒材装卡在摩擦焊机上按照常规旋转摩擦焊接0Cr17Ni12Mo2不锈钢轴向缩短量3mm，摩擦压力为60MPa，顶锻压力为120MPa的工艺参数进行焊接，在磨穿的瞬间顶锻刹车，最后得到两侧金属同时发生充分塑性变形的TC4钛合金与0Cr17Ni12Mo2不锈钢复合接头。

经测试，所得接头的抗拉强度为505MPa，达到了被焊0Cr17Ni12Mo2不锈钢抗拉强度(540MPa)的93.5％。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。