一种应用于软螺柱-硬基板的摩擦焊方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种摩擦焊方法，特别是一种应用于软螺柱-硬基板之间的复合热源 摩擦焊方法，属于焊接领域。
【背景技术】
[0002] 生产生活许多方面需要进行螺柱-板材的连接。常用的焊接方法有电弧螺柱焊、针 焊、摩擦焊等。
[0003] 有相关研究通过电弧螺柱焊来实现螺柱-板材的连接，焊接过程中先在板材上产 生毛刺引燃电弧，在螺柱与板材之间产生烙池后施加一定压力，烙池冷却凝固，形成连接。 但是运种方法在焊接过程中极易产生金属间夹杂物，未融合等缺陷大大降低接头强度。另 有相关研究采用针焊实现钢-侣异种材料的焊接，运种方法效率低，且侣合金、针料、钢之间 多W金属间化合物的形式结合接头塑性低。
[0004] 摩擦螺柱焊是一种新型的焊接方法，高效，高精度，使用范围广，但是难W焊接物 理性能(如烙点、导热系数等)差异较大的金属。在焊接过程中极易出现运种现象:烙点低或 热塑性好的金属受挤压发生变形，形成飞边，但是烙点高的金属基本不发生变化，如图1所 示，即在界面处基本无元素扩散，最终导致接头强度低。焊接异种金属螺柱-板材时，运种现 象更为显著，因为板材散热快，摩擦产生的热很快会被分散，界面更难达到热塑性变形溫 度，也就不能得到高强的异种金属螺柱-板材接头。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种应用于软螺柱-硬基板的摩擦焊方法。
[0006] 实现本发明目的的技术方案是:一种应用于软螺柱-硬基板的摩擦焊方法，所述的 软螺柱-硬基板中硬基板与软螺柱之间的硬度值差皿S?iS-HBS蜘駆含20,所述的方法包括如 下步骤：
[0007] 步骤一，在硬基板的待焊端面开燕尾孔，燕尾孔的上、下端面均采用圆弧过渡，将 软螺柱与硬基板安装在工作台上；
[000引步骤二:先通保护气，后对硬基板进行预热；
[0009] 步骤Ξ:设置焊接参数，转速为1000~3000r/min，摩擦压力为60~150MPa，摩擦时 间为1~10s，顶锻压力为90~250MPa，顶锻时间为1~10s，给进速度为0.5~2.5mm/min，在 保护气氛围下完成焊接。
[0010] 进一步的，步骤一中，当软螺柱的直径d小于10mm时，燕尾孔上端面直径为1. Id~ 1.5d，下端面直径为1.4d~3d;当软螺柱直径为10~30mm时，燕尾孔上端面直径为1. Id~ 1.3d，下端面直径为1.2d~2d;当软螺柱直径在30mmW上时，燕尾孔上端面直径为1.05d~ 1.2d，下端面直径为1.05d~1.4d。
[0011] 进一步的，步骤一中，当硬基板的板材厚度δ小于5mm时，燕尾孔的孔深为0.5~ 0.85δ，硬基板的板材厚度δ为5~30mm时，燕尾孔的孔深为0.3~0.7δ，硬基板的板材厚度δ 为30mm W上时，燕尾孔的孔深为ο. 1~ο. 4δ。
[0012] 进一步的，步骤一中，燕尾孔的下端面圆弧过渡处曲率半径大于q>3mm。
[0013] 进一步的，步骤二中，保护气选用氣气或氮气，或氣气和二氧化碳的混合气体。
[0014] 进一步的，步骤二中，对硬基板进行加热采用的热源为加热板、感应热源、电弧或 激光中的任意一种。
[0015] 本发明与现有技术相比，具有W下特点：（1)与传统摩擦焊接头相比，本发明一方 面增加了预热，加热烙点较高的金属，促进焊接界面的元素扩散，另一方面采用特殊的接头 结构使得接头焊后结构锁死，大大提高了结合强度；（2)与烙化焊接头相比，本发明避免了 如凝固裂纹、气孔、金属间夹杂物等缺陷，且热影响区小，焊接效率高，焊接接头质量好；（3) 与针焊接头相比，本发明不需要针料、针剂，直接使较软螺柱与较硬板材达到原子间结合， 工艺简单，提高了焊接效率。
【附图说明】
[0016] 图1是现有技术的摩擦焊焊接过程示意图。
[0017] 图2是本发明所述的摩擦焊焊接过程示意图。
[0018] 图3是本发明采用实屯、螺柱的焊接效果图。
[0019] 图4是本发明采用空屯、螺柱的焊接效果图。
【具体实施方式】
[0020] 本发明所述的焊接方法可适用于所有软螺柱-硬基板的焊接，如侣螺柱-钢基板、 儀螺柱-钢基板、侣螺柱-铁基板、铜螺柱-钢基板等。
[0021 ]如图2，本发明的具体焊接方法如下步骤：
[0022] 步骤一:在硬基板3待焊端面设计燕尾孔2,燕尾孔2上、下端面均采用圆弧过渡，避 免应力集中。
[0023] 步骤二:将准备好的软螺柱1、硬基板3、加热板4分别装夹在工作台5预定位置；
[0024] 步骤Ξ:先开启保护气，再启动加热板4，此时加热管6对硬基板3进行预热，后设置 焊接参数，最后启动焊机焊接，焊接过程中软螺柱1旋转，向下进给，软螺柱1与燕尾孔2的下 端面接触后施加摩擦压力，软螺柱1与燕尾孔2的下端面摩擦产热；
[0025] 步骤四：塑性变形的软螺柱1金属填充燕尾孔2,软螺柱1急停、顶锻，完成焊接。
[0026] 步骤五:关闭焊机电源，待焊件溫度降至室溫后关掉保护气开关，取出焊件，完成 焊接。
[0027] 实施例1，W焊接(plOmm*綿成m的7052侣合金实屯、螺柱，50mm*50mm巧0mm的45#钢 的焊接接头成品为例：
[002引步骤一：在钢板上设计燕尾孔，孔深8mm，孔的上端面直径13mm，下端面直径16mm， 下端面圆弧过渡曲率半径为ip5mm，避免应力集中。
[0029] 步骤二:将设计好的侣螺柱、钢板、加热板分别装夹在预定位置；
[0030] 步骤Ξ:开启保护气，使得接头处在保护气氛围下，后开启加热板对板材预热。
[0031] 步骤四：设置焊接参数，启动侣螺柱旋转，转速为2000r/min，向下进给速度为1mm/ s，螺柱与板材接触后施加摩擦压力70MPa，螺柱与板材摩擦产热，摩擦时间为3s;塑性变形 的侣合金螺柱填充燕尾孔。
[0032] 步骤五:螺柱急停、顶锻，顶锻压力为120MPa，顶锻压力维持5s。
[0033] 步骤六:关闭焊机电源，等焊件溫度降至室溫关掉保护气开关，取出焊件，完成焊 接。
[0034] 焊接效果如图3所示。其中塑性变形的金属恰好填充燕尾孔与螺柱和燕尾孔之间 的孔隙时为最佳孔径与孔深。而合适的孔径与孔深是保证形成机械连接接头的关键。若选 用的燕尾孔孔径或孔深过小会造成:多余的塑性变形的金属堆积于燕尾孔下端面阻碍软螺 柱与硬基板的摩擦冶金过程，降低接头强度。反之若选用的燕尾孔孔径或孔深过大会造成 焊接结束时塑性变形的金属不足W充满燕尾孔，导致不能形成机械锁死结构，无法在接头 冶金结合失效时保证接头的强度。
[0035] 实施例2,运种软螺柱-硬基板摩擦焊方法也可用于焊接空屯、螺柱-板材。W焊接 80mm长的外径16mm，内径10mm的3003侣合金空屯、螺柱，50mm*50mm*20mm的45#钢的焊接接头 成品为例：在45#钢板上设计燕尾孔孔深8mm，孔的上端面直径18mm，下端面直径22mm，下端 面圆弧过渡曲率半径为φΑιηηι，避免应力集中。焊接参数为转速1600r/min，向下进给速度为 Imm/s，螺柱与板材接触后施加摩擦压力80MPa，螺柱与板材摩擦产热，摩擦时间为5s，顶锻 压力为150MPa，顶锻压力维持5s。焊接效果如图4所示。
【主权项】
1. 一种应用于软螺柱-硬基板的摩擦焊方法，所述的软螺柱-硬基板中硬基板与软螺柱 之间的硬度值差HBSi廳K-HBS_K2 20，其特征在于，包括如下步骤： 步骤一，在硬基板的待焊端面开燕尾孔，燕尾孔的上、下端面均采用圆弧过渡，将软螺 柱与硬基板安装在工作台上； 步骤二:先通保护气，后对硬基板进行预热； 步骤三:设置焊接参数，在保护气氛围下完成焊接。2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤一中，当软螺柱的直径d小于IOmm时，燕 尾孔上端面直径为I. Id~1.5d，下端面直径为1.4d~3d;当软螺柱直径为10~30mm时，燕尾 孔上端面直径为I. Id~1.3d，下端面直径为1.2d~2d;当软螺柱直径在30mm以上时，燕尾孔 上端面直径为1.05d~1.2d，下端面直径为1.05d~1.4d。3. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤一中，当硬基板的板材厚度δ小于5mm时， 燕尾孔的孔深为0.5~0.85δ，硬基板的板材厚度δ为5~30mm时，燕尾孔的孔深为0.3~0.7 δ，硬基板的板材厚度δ为30mm以上时，燕尾孔的孔深为0.1~0.4δ。4. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤一中，燕尾孔的下端面圆弧过渡处曲率 半径大于φ3ηιηι。5. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤二中，保护气选用氩气或氦气，或氩气和 二氧化碳的混合气体。6. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤二中，对硬基板进行加热采用的热源为 加热板、感应热源、电弧或激光中的任意一种。7. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤三中，焊接参数如下：转速为1000~ 3000r/min，摩擦压力为60~150MPa，摩擦时间为1~10s，顶锻压力为90~250MPa，顶锻时间 为1~IOs，给进速度为0.5~2.5mm/min。
【专利摘要】本发明公开了一种应用于软螺柱-硬基板的摩擦焊方法。其步骤为：在硬基板的待焊端面开燕尾孔，燕尾孔的上、下端面均采用圆弧过渡，将软螺柱与硬基板安装在工作台上；先通保护气，后对硬基板进行预热；设置焊接参数，在保护气氛围下完成焊接。本发明增加了预热，加热熔点较高的金属，促进焊接界面的元素扩散，同时，采用特殊的接头结构使得接头焊后结构锁死，大大提高了结合强度。
【IPC分类】B23K20/12, B23K20/24, B23K33/00
【公开号】CN105522274
【申请号】CN201610070129
【发明人】周琦, 刘玲丹, 姚峰, 彭勇, 王克鸿, 周传昆, 陶娟, 黄 俊, 郭鸿鹏
【申请人】南京理工大学
【公开日】2016年4月27日
【申请日】2016年2月1日