异种材料复合焊接装置的制作方法

本实用新型属于焊接装置领域，具体涉及性能差异较大的异种材料之间的焊接装置，适用于物理化学性能差异较大的材料间(例如：铝/钢、铝/不锈钢、TiAl基合金/钢、钨合金/钢、钛合金/钢、钛合金/不锈钢等)的焊接。

背景技术：

近年来，由异种材料焊接制得的复合材料因其良好的性能在各行业都有广泛的应用需求。其中对一些性能差异较大的异种材料，如铝/钢、铝/不锈钢，TiAl基合金/钢、钨合金/钢、钛合金/钢、钛合金/不锈钢等，由于材料间的熔点、硬度、热传导率、膨胀系数、化学成分等方面的差异较大，使得互溶度低、接头残余应力大、易生成有害的脆性相，造成接头强度低等问题，成为限制这些复合材料的推广应用的技术瓶颈。因此选用合理的制备工艺方法或焊接装置，获得优良的焊接接头是这些复合材料研究的当务之急。

目前，对异种材料的焊接方法主要有：激光焊、电子束焊、钎焊、扩散焊、摩擦焊等。激光焊和电子束焊属于熔焊，虽然生产效率高，但接头易出现气孔、裂纹、偏析和脆性相。钎焊的钎料需要专门研制，接头强度受钎料影响，强度偏低，且不能应用于高温环境。固相扩散焊焊接时间长，生产效率低，脆性相的生成受焊接温度和时间影响很大。加中间过渡层的瞬间液相扩散焊，虽能提高生产效率，但获得良好接头所需的中间过渡层大部分需要专门配制，工艺复杂。

摩擦焊(主要包括搅拌摩擦焊和惯性摩擦焊，本技术方案以惯性摩擦焊为主)生产效率高，因界面不熔化，接头不易生成脆性相，在异种材料焊接方面有较大的优势。由于所焊的两种材料性能方面的差异，采用摩擦焊时，焊接面温度通常介于两种材料熔点之间，这就使得焊接面上熔点低的材料一端界面温度过热，生成的热塑性金属多，而熔点高的材料一端温度不够，生成的塑性变形层薄。

众所周知，摩擦焊的实质是通过界面金属塑性变形、再结晶和元素扩散来形成良好的接头。当焊接面温度不足以形成足够的热变形金属层时，再结晶和元素扩散都难以进行，高强接头就无法获得。如果提高界面热输入来获得足够的变形金属层，焊接界面又会因材料间的互溶度较差，温度升高而导致脆性相生成，降低接头强度。此外再加上界面热应力大，采用直接摩擦焊方式来焊接这些熔点差异较大的材料，获得质量良好的接头比较困难。

基于此，申请人考虑对现有惯性摩擦焊机进行改进，并设计一种结构简单合理，造价更低，焊接效率更高，焊接质量更好的异种材料复合焊接装置。

技术实现要素：

针对上述现有技术的不足，本实用新型所要解决的技术问题是：如何提供一种结构简单合理，造价更低，焊接效率更高，焊接质量更好的异种材料复合焊接装置。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用了如下的技术方案：

异种材料复合焊接装置，包括惯性摩擦焊机，所述惯性摩擦焊机具有水平正对间隔设置且用于夹紧由异种材料制得的两个待焊件的旋转夹具和移动夹具；其特征在于：还包括加热器和由耐高温材料制得的顶压棒；

所述加热器包括壳体，所述壳体的内部具有加热腔，所述加热腔通过设置的加热元件进行加热；所述壳体的顶部具有通过锁扣连接的顶盖；所述壳体整体安装在旋转夹具和移动夹具之间，且旋转夹具的夹紧件与移动夹具的夹紧件从所述壳体的两个侧面贯穿并伸入至所述加热腔内部；

所述顶压棒通过可拆式套接件夹紧安装在移动夹具的夹紧件上。

采用上述异种材料复合焊接装置，利用惯性摩擦焊机自身夹持和推压系统，并结合加热器使用后，即可在一焊接设备上完成了扩散焊接和摩擦焊接两种固相焊接方法，这样不仅能够提高焊接效率，还能够实现在中间过渡层的制备后，快速通过惯性摩擦焊来制得连接可靠、焊接质量更好的焊接接头，大幅节约了设备投资。

作为优选，异种材料复合焊接装置还包括用于支承固定所述加热器的中间支撑架，所述中间支撑架包括直线导轨和支撑座；所述直线导轨固定安装在所述惯性摩擦焊机上；所述直线导轨的长度方向与所述移动夹具的移动方向相平行，且所述支撑座的下端设置有滑动配合连接所述直线导轨上的滑槽，所述支撑座的上端与所述加热器的底部固定相连。

上述中间支撑架的设置，能够对加热器的位置进行准确的调整，从而可加热器内部的加热元件能够邻近并对准需要加热的焊接面，确保焊接质量的同时，降低加热能耗，提高使用效益。

作为优选，所述中间支撑架还包括对中调节结构，所述对中调节结构包括由连接座和底座构成的所述支撑座，所述连接座的底部设置有所述滑槽，所述连接座的顶部沿垂直于所述直线导轨长度方向贯穿设置有燕尾槽；所述底座的底部外凸形成有限位凸条且通过限位凸条插接在所述燕尾槽内，实现与所述连接座的装配连接；所述底座的顶部与所述加热器的底部固定相连。

上述包括连接座与底座的对中调节结构，能够在燕尾槽的长度方向来移动加热器，从而使得加热器上两侧设置的通孔能够与旋转夹具和移动夹具准确对中。

作为优选，所述对中调节结构还包括直通槽、Z形定位块和调整垫片；所述底座的上表面下凹形成有直通槽，且所述直通槽的长度方向垂直于所述直线导轨的长度方向；

所述Z形定位块具有条形的平板，所述平板的厚度小于所述直通槽的高度，所述平板的宽度与所述直通槽的宽度匹配，且所述平板的长度长于所述直通槽；所述平板落放安装在所述直通槽内，所述平板长度两端位于直通槽外且一端向下延伸形成用于与底座固定相连的下固定连接部，另一端向上延伸形成用于与所述加热器的外侧面固定相连的上固定连接部；

所述调整垫片的形状和大小与所述平板的形状和大小相匹配，所述调整垫片垫装在所述平板上；所述调整垫片与所述平板上竖向贯穿设置有与所述加热器底部连接孔对应的装配孔，所述加热器、调整垫片和所述平板通过螺栓固定相连。

上述还包括直通槽、Z形定位块和调整垫片，能够调节加热器的高度，从而使得加热器上两侧设置的通孔能够与旋转夹具和移动夹具准确对中。

作为优选，异种材料复合焊接装置还包括卡接顶紧结构，所述卡接顶紧结构包括卡圈a、卡圈b、卡圈c、旋转端顶杆、移动端顶杆；所述卡圈a、卡圈b、卡圈c均整体为由两个半圆形件对接构成套筒结构；

所述卡圈a用于套接焊接件后夹紧安装在所述旋转夹具上形成旋转夹具的夹紧件；所述旋转端顶杆整体为水平设置且后端固定安装在所述惯性摩擦焊机上，前端用于顶紧所述旋转夹具上夹紧的焊接件；

所述卡圈b构成所述可拆式套接件，所述卡圈b的内径与所述卡圈c的外径相匹配；所述卡圈b的前端为用于套接所述顶压棒的套接端，后端为用于套接有焊接面与顶压棒后端面相抵压的待焊件的所述卡圈c的套接端；所述移动端顶杆整体为水平设置且后端固定安装在所述惯性摩擦焊机上，前端用于顶紧所述移动夹具上夹紧的焊接件。

上述卡圈a、卡圈b、卡圈c的设置，不仅能够对各个被套接件的外表面形成保护，还能够在扩散焊接中，避免扩散焊压力作用使焊件墩粗变形，有效确保焊接质量。

上述旋转端顶杆和移动端顶杆设置，能够确保扩散焊接与惯性摩擦焊接加工过程中焊接件之间的锻压力，从而更好的保证焊接接头的质量。

作为优选，所述加热器的壳体上设置有与所述加热腔连通的通气孔，所述通气孔处密封插接设置有向加热腔中通入保护气体的气管。

实施该优选方案后，即能够有效防止焊接面的氧化。

作为优选，所述旋转夹具的夹紧件与移动夹具的夹紧件各自与对应的加热器的壳体上的通孔之间设置有密封圈。

实施该优选方案后，即使得加热腔内部具有更好的密封性，使得焊接面能更好地防止氧化，更好地确保焊接接头的质量。

作为优选，所述加热元件为在所述移动夹具的移动方向上位于构成中间过渡层的焊接件两侧的至少可独立控温的两组。

采用上述优选方案后，能够在扩散焊接时对焊缝处进行加热，在惯性摩擦焊接时对待焊接件进行预热，获得理想的扩散焊接与惯性摩擦焊接质量，进而获得质量最佳的异种材料复合焊接工件。

作为优选，异种材料复合焊接装置还包括中间过渡层定位结构，所述中间过渡层定位结构包括在加热腔的腔壁下侧邻近旋转夹具的夹紧件处内凸形成的一圈定位用凸台；所述定位用凸台的内直径与构成中间过渡层的焊接件的外直径匹配，且大于旋转夹具上夹紧安装的待焊件的外直径。

采用上述中间过渡层定位结构后，能够对构成中间过渡层的待焊接件的端面进行定位，防止在扩散焊接时中间过渡层的焊接面出现倾斜，保证扩散焊接的质量。

附图说明

图1是本实用新型异种材料复合焊接装置的结构示意图。

图2是采用本实用新型异种材料复合焊接装置的异种材料的结构示意图。

图3是图1中焊接装置的中间支撑架结构的主视图。

图4是图1中焊接装置的中间支撑架结构的侧视图。

图中标记为：

1-待焊件a，2-待焊件b，3-待焊件c，4-旋转夹具，5-移动夹具，6-卡圈a，7-顶压棒，8-卡圈b，9-卡圈c；

10-中间支撑架：101-连接座，102-底座，103-调整垫片，104-Z形定位块；

11-加热器，12-气管，13-旋转端顶杆；14-移动端顶杆，15-控制元件，16-热电偶，17-直线导轨。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步的详细说明。其中，针对描述采用诸如上、下、左、右等说明性术语，目的在于帮助读者理解，而不旨在进行限制。

具体实施时：如图1至图4所示，异种材料复合焊接装置，包括惯性摩擦焊机，所述惯性摩擦焊机具有水平正对间隔设置且用于夹紧由异种材料制得的两个待焊件的旋转夹具4和移动夹具5；还包括加热器11和由耐高温材料制得的顶压棒7；

所述加热器11包括壳体，所述壳体的内部具有加热腔，所述加热腔通过设置的加热元件进行加热；所述壳体的顶部具有通过锁扣连接的顶盖；所述壳体整体安装在旋转夹具4和移动夹具5之间，且旋转夹具4的夹紧件与移动夹具5的夹紧件从所述壳体的两个侧面贯穿并伸入至所述加热腔内部；

所述顶压棒7通过可拆式套接件夹紧安装在移动夹具5的夹紧件上。

其中，上述异种材料复合焊接装置还包括用于支承固定所述加热器11的中间支撑架10，所述中间支撑架10包括直线导轨17和支撑座；所述直线导轨17固定安装在所述惯性摩擦焊机上；所述直线导轨17的长度方向与所述移动夹具5的移动方向相平行，且所述支撑座的下端设置有滑动配合连接所述直线导轨17上的滑槽，所述支撑座的上端与所述加热器11的底部固定相连。

其中，所述中间支撑架10还包括对中调节结构，所述对中调节结构包括由连接座101和底座102构成的所述支撑座，所述连接座101的底部设置有所述滑槽，所述连接座101的顶部沿垂直于所述直线导轨17长度方向贯穿设置有燕尾槽；所述底座102的底部外凸形成有限位凸条且通过限位凸条插接在所述燕尾槽内，实现与所述连接座101的装配连接；所述底座102的顶部与所述加热器11的底部固定相连。

实施时，优选所述连接座101与底座102之间通过定位螺钉固定。

其中，所述对中调节结构还包括直通槽、Z形定位块104和调整垫片103；所述底座102的上表面下凹形成有直通槽，且所述直通槽的长度方向垂直于所述直线导轨17的长度方向；

所述Z形定位块104具有条形的平板，所述平板的厚度小于所述直通槽的高度，所述平板的宽度与所述直通槽的宽度匹配，且所述平板的长度长于所述直通槽；所述平板落放安装在所述直通槽内，所述平板长度两端位于直通槽外且一端向下延伸形成用于与底座102固定相连的下固定连接部，另一端向上延伸形成用于与所述加热器11的外侧面固定相连的上固定连接部；

所述调整垫片103的形状和大小与所述平板的形状和大小相匹配，所述调整垫片103垫装在所述平板上；所述调整垫片103与所述平板上竖向贯穿设置有与所述加热器11底部连接孔对应的装配孔，所述加热器11、调整垫片103和所述平板通过螺栓固定相连。

其中，异种材料复合焊接装置还包括卡接顶紧结构，所述卡接顶紧结构包括卡圈a6、卡圈b8、卡圈c9、旋转端顶杆13、移动端顶杆14；所述卡圈a6、卡圈b8、卡圈c9均整体为由两个半圆形件对接构成套筒结构；

所述卡圈a6用于套接焊接件后夹紧安装在所述旋转夹具4上形成旋转夹具4的夹紧件；所述旋转端顶杆13整体为水平设置且后端固定安装在所述惯性摩擦焊机上，前端用于顶紧所述旋转夹具4上夹紧的焊接件；

所述卡圈b8构成所述可拆式套接件，所述卡圈b8的内径与所述卡圈c9的外径相匹配；所述卡圈b8的前端为用于套接所述顶压棒7的套接端，后端为用于套接有焊接面与顶压棒7后端面相抵压的待焊件的所述卡圈c9的套接端；所述移动端顶杆14整体为水平设置且后端固定安装在所述惯性摩擦焊机上，前端用于顶紧所述移动夹具5上夹紧的焊接件。

其中，所述加热器11的壳体上设置有与所述加热腔连通的通气孔，所述通气孔处密封插接设置有向加热腔中通入保护气体的气管12。

其中，所述旋转夹具4的夹紧件与移动夹具5的夹紧件各自与对应的加热器11的壳体上的通孔之间设置有密封圈。

其中，所述加热元件为在所述移动夹具5的移动方向上位于构成中间过渡层的焊接件两侧的至少可独立控温的两组。

实施时，所述加热元件为高温加热元件。

其中，异种材料复合焊接装置，其特征在于：还包括中间过渡层定位结构，所述中间过渡层定位结构包括在加热腔的腔壁下侧邻近旋转夹具4的夹紧件处内凸形成的一圈定位用凸台；所述定位用凸台的内直径与构成中间过渡层的焊接件的外直径匹配，且大于旋转夹具4上夹紧安装的待焊件的外直径。

上述异种材料复合焊接装置的使用方法：

a、获取由异种材料分别制得且整体均呈柱型的待焊件a和待焊件c；

b、获取中间过渡层，所述中间过渡层为由熔点介于待焊件a和待焊件c之间的材料制得的待焊件b；

c、向加热器内部通入保护气体，启动焊接，预压力通过待焊件c、顶压棒传递到待焊件a与待焊件b界面，进行待焊件a和待焊件b的非真空、常压下的扩散焊接；

d、摩擦焊前装夹：待完成待焊件a和待焊件b连接后，打开加热器，松开移动夹具取出顶压棒，将待焊件c焊接面推出移动夹具端，并夹紧；

e、摩擦焊前预热：若待焊件的材质需进行焊前预热，则盖上加热器的顶盖，选择对应位置的加热元件对待焊件进行预热，预热温度在70-300℃之间；

f、带中间过渡层材料的惯性摩擦焊连接：将已焊接相连的待焊件b与待焊件a的焊接件与待焊件c之间采用惯性摩擦焊工艺焊接相连；

d、焊后处理，消除残余应力。

采用上述上述异种材料复合焊接装置的使用方法的一种具体实施例：

待焊件a由钢制得，待焊件c由TiAl基合金制得，中间过渡层：待焊件b由捏基合金制得；顶压棒为石墨棒。

包括以下步骤：

(一)、焊前清洗：用金相砂纸打磨、超声清洗待焊件a1焊接面、待焊件b2焊接面和待焊件c3待焊面；

(二)旋转端夹紧：将旋转端顶杆13放入旋转夹紧端，调整旋转端顶杆13长度使其顶紧旋转端主轴内孔台阶，然后让待焊件a1非焊接面靠紧旋转端顶杆13，并夹紧待焊件a1；

(三)、移动端夹紧：将移动端顶杆14放入移动夹紧端，调正移动端顶杆14长度使其顶紧移动端内孔台阶，将套有卡圈c9的待焊件c3与石墨棒7一起装在8卡圈b内，调整8卡圈b前端与石墨棒7前端距离为10mm，然后调整移动端顶杆14将待焊件c3和石墨棒7顶紧，随后夹紧8卡圈b；

(三)、调整加热器位置：将102底座和104Z形定位块安装到位，然后安装11加热器，调整101连接座、102底座和103调整垫片，使11加热器两侧孔与7卡圈a和8卡圈b对中放置；

(四)、中间过渡层的安装与预压加紧：将待焊件b2紧靠11加热器内凸台一侧放置，轴向滑动10中间支撑架，使1待焊件a焊接面和待焊件b2前端面接触，然后移动焊机滑台，施加顶紧预压力1.5MPa，使石墨棒7与待焊件b2接触，并推动待焊件b2与待焊件a1轻微接触，合拢11加热器，扣上锁扣；

(四)、中间过渡层的扩散连接：设置预压力7MPa、焊接压力60MPa，加热温度1050℃，从0℃加热到700℃的升温速率控制在10℃/mim，从700℃上升到1050℃的升温速率控制在5℃/mim，保温80min，随炉冷却；焊接时间随焊件大小而定，以焊透为准；通入保护气体氩气，启动焊接，压力通过待焊件c3、石墨棒7传递到待焊件a1与待焊件b2界面；

(五)、摩擦焊前夹紧及参数设置：待完成待焊件a1和待焊件b2连接后，打开加热器，松开5移动夹具取出石墨棒7，将待焊件c3伸出5移动夹具端，并夹紧，然后设置惯性摩擦焊参数，转动惯量1.56Kg.m²摩擦转速4800rpm，顶锻转速2400rpm，摩擦压力3.5MPa，顶锻压力7MPa；

(六)、摩擦焊前预热：合拢加热器，选择第二组11加热元件对待焊件c3进行预热，预热温度280℃；

(七)带中间过渡层的复合材料的惯性摩擦焊连接：按惯性摩擦焊工艺设定顺序完成带中间过渡层的焊件的连接；

(八)焊后处理：焊后260℃保温，时间60min。

经测试，焊后镍基合金中间120μm，Ni、Mo、C、Fe元素扩散，钢/镍界面扩散区厚约12μm，其中Ni阻碍了Fe向TiAl侧的扩散，TiAl侧未形成金属间化合物，钢侧组织为马氏体+贝氏体，镍基合金中间为细小的等轴晶，无强化相γ′，TiAl侧焊缝为细小的等轴α+α₂+少量的γ相。接头拉伸强度406MPa，断裂在钢热影响区，韧性断裂。

综上可见，通过本实用新型的异种材料复合焊接装置，利用惯性摩擦焊机自身夹持和推压系统，并结合加热器使用后，即可在一焊接设备上完成了扩散焊接和摩擦焊接两种固相焊接方法，这样不仅能够提高焊接效率，还能够实现在中间过渡层的制备后，快速通过惯性摩擦焊来制得连接可靠、焊接质量更好的焊接接头，大幅节约了设备投资。

以上仅是本实用新型优选的实施方式，需指出是，对于本领域技术人员在不脱离本技术方案的前提下，还可以作出若干变形和改进，上述变形和改进的技术方案应同样视为落入本申请要求保护的范围。