专利名称：一种线性摩擦焊接方法
技术领域：
本发明涉及一种摩擦焊接方法，特别涉及一种变频率、变振幅线性摩擦焊接方法。
背景技术：
文献"TC4钛合金线性摩擦焊接头的冲击韧性及断口特征马铁军，张学军，杨思乾， 张勇，张云霞《航空材料学报》2007年第6期，40-44页"公开了一种线性摩擦焯接方法， 该方法采用恒频率、恒振幅焊接工艺，即在焊接全过程中，频率、振幅恒定不变，直到焊接 结束时，振幅由恒值陡降为0，使两焊件回位对中，同时施加顶锻力完成焊接。文献所公开 的工艺参数为振动频率15Hz，振幅3.8mm，摩擦压力17.9kN，顶锻力36.8kN，摩擦时间 8s。即在焊接总时间8s内，振动频率恒为15Hz，振幅恒为3.8mm，焊接结束时，即在8s时 刻，振幅从3.8mm突变为0，使两焊件回位对中，并施加顶锻力完成焯接。
文献所公开的线性摩擦焊接方法有如下缺点1.摩擦初期就进入强烈的摩擦振动过程。 在摩擦初始阶段，焊接界面的温度比较低，两界面强烈的"干"摩擦过程，会使焊机产生强 烈振动。这种振动不仅会影响设备的使用寿命，破坏焊接界面间的稳定摩擦状态，而且使摩 擦界面的局部位置过早加热、氧化，加剧焊接过程焊接界面不均匀的变形程度，从而影响焊 接接头的质量；2.在后续摩擦阶段，由于摩擦界面热塑金属的强度及韧性已经大幅度降低， 摩擦变形速度急速增大，过快的变形速度使焊缝及热影响区的高温区间变窄，造成在随后的 回位与顶锻阶段由于变形金属的回复与再结晶过程不充分，使焊接^头产生较大的残余应力， 其疲劳断口基本在焊缝及周边部位，疲劳寿命值约为母材的50 70%。
发明内容
为了克服现有技术焊接接头质量差的不足，本发明提出了一种线性摩擦焊接方法，采用 变频率、变振幅的方法，可有效提高焊接接头的质量。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是 一种线性摩擦焊接方法，其特征在于包括 下述步骤设定两焊件的振幅为恒振幅1.5 3.0mm，振动频率在摩擦初期2 4秒内由10~ 30Hz递增到30 90Hz:然后是2 12秒钟的恒频率、恒振幅摩擦阶段，此时振动频率为30 90Hz，振幅为1.5 3.0mm;在摩擦最后2 4秒，振幅由1.5 3.0mm逐渐递减到0，振动频 率为30 90Hz，当振幅逐渐降至O，即两焊件回位对中时，施加顶锻压力60 160MPa完成 焊接；整个焊接过程中，摩擦压力为20 80MPa。
本发明的有益效果是较大振幅、较低频率的初期摩擦容易获得稳定的摩擦状态，既能 对摩擦界面进行有效的机械清理和预热，且焊机的振动较小，有利于延长焊机使用寿命；随
摩擦频率逐渐增大，有利于逐步形成均匀的接头温度分布，容易在接头四角挤出均匀飞边，
可有效防止接头氧化；摩擦中后期，振幅逐渐减小使接头的高温区间较宽且较均匀，变形金 属可得到充分的回复与再结晶，消除了焊接接头的残余应力，焊缝为致密、均匀的超细晶组 织，近缝区组织也经过充分的回复与再结晶，其组织与母材接近。因此可获得优质的接头， 其疲劳断口均在远离焊缝的母材部位，接头的疲劳寿命可达到或超过母材。
下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。
图1是本发明方法实施例1焊接接头的实物照片。 图2是图1接头的纵向剖面金相照片。 图3是实施例4方法焊接接头的实物照片。 图4是图3接头的纵向剖面金相照片。
具体实施例方式
本发明方法在焊接过程中，两焊件先以恒振幅振动摩擦，此振幅与恒频率、恒振幅焊接 工艺时的恒振幅相同。而振动频率从摩擦开始到某一时刻由一较低值初始频率逐渐递增至恒 定值，并在此后维持此恒值进行摩擦焊接，此恒值与恒频率、恒振幅焊接工艺的恒频率相同。 频率递增时间根据具体焊接工艺定为总焊接时间的1/10 1/3，初始振动频率一般根据焊接工 艺定为恒频率值的1/5 1/2范围内。接下来进入恒振幅、恒频率摩擦阶段，该阶段的摩擦时 间为恒频率、恒振幅焊接工艺时总摩擦时间的1/3 2/3。此后，振幅不是陡降为0，而是从恒 定值开始缓降，进入到变振幅摩擦焊接阶段，当振幅逐渐降至O使两焊件回位对中时，施加 顶锻力完成焊接。该振幅递减摩擦阶段一般占总摩擦焊接时间的1/5 1/2。在整个变频率、 变振幅线性摩擦焊过程中，摩擦压力及顶锻压力与恒频率、恒振幅焊接工艺过程相同。..
实施例1:利用本发明方法进行了 TC4钛合金线性摩擦焊接试验。焊接试件的长度为 46mm，焊接截面为15mmxl8mm，焊接时沿18mm尺寸方向振动摩擦。工艺参数为振动频 率在摩擦初期2秒内由10Hz线性递增到30Hz;之后进入到恒频率30Hz、恒振幅1.5mm的 摩擦阶段，持续2秒；接着振幅在2秒内由1.5mm逐渐递减到0。摩擦压力20MPa，顶锻压 力60MPa。
实施例2:利用本发明方法进行了 45号钢线性摩擦焊接试验。'焊接试件的长度为46mm, 焊接截面为20mtnx60mm，焊接时沿60mm尺寸方向振动摩擦。工艺参数为振动频率在摩 擦初期3秒内由20Hz线性递增到60Hz;之后进入到恒频率60Hz、恒振幅2.0mm的摩擦阶 段，持续8秒;接着振幅在3秒内由2.0mm线性递减到0。摩擦压力50MPa，顶锻压力lOOMPa。
实施例3:利用本发明方法进行了 45号钢线性摩擦焊接试验。焊接试件的长度为46mm, 焊接截面为30mmx80mm,焊接时沿80mm尺寸方向振动摩擦。工艺参数为振动频率在摩 擦初期4秒内由30Hz线性递增到90Hz;之后进入到恒频率90Hz、恒振幅3.0mm的摩擦阶 段，持续12秒；接着振幅在4秒内由3.0mm线性递减到0。摩擦压力80MPa，顶锻压力160MPa。
实施例4:利用现有技术即恒频率、恒振幅焊接工艺，进行了'TC4钛合金线性摩擦焊接 试验。工艺参数为振动频率30Hz，振幅1.5mm，摩擦压力20MPa，顶锻压力60MPa，摩 擦时间6s。
两种方法各焊接了数对试件。分别对两种焊接方法的焊后接头进行了宏观形貌观察、金 相组织分析及力学性能试验。
从图1中可以看到，本发明焊接方法的焊后接头加热痕迹均匀，界面四周飞边均匀封闭， 飞边波纹均匀细致，从外观上显现出良好的焊接质量。从图2中可以看到，焊缝经过了充分 的再结晶，为致密、均匀的超细晶组织，近缝区组织也经过充分的回复与再结晶，其组织与 母材接近。
接头在拉伸性能试验中，全部都断在母材部位，表明拉伸性能超过母材；接头疲劳性能 试验中，全部试件均断在母材部位，表明疲劳寿命均超过母材。
从图3中可以看到，现有技术方法焊后的部分接头，加热痕迹明显不均匀，飞边波攻较 粗大，部分接头的界面飞边没有完全封闭。对未封闭处进行解剖及金相观察，发现有未焊透 缺陷。从图4中可以看到，焊缝金属在高速往复摩擦过程中形成的纤维织构组织形态清晰可 见，近缝区及热影响区组织变形也较明显，表明接头金属的回复与再结晶程度不充分。
接头的拉伸性能试验中，50%断在母材上，抗拉强度平均值接近母材强度的90%;接头 疲劳性能试验中，试件基本断在焊缝及周边部位，疲劳寿命平均值为母材的55°/。，表明疲劳 性能较差。
分析认为较大振幅、较低频率的初期摩擦容易获得稳定的摩擦状态，既能对摩擦界面 进行有效的机械清理和预热，且焊机的振动较小，有利于延长焊机使用寿命。随摩擦频率逐 渐增大，有利于逐步形成均匀的接头温度分布。随摩擦频率的进一步提高，焊接界面温度快 速上升，此时接头金属粘塑性快速提高，由于接头温度分布均匀，故容易在接头四周挤出均 匀飞边，可，效防止接头氧化。摩擦频率升至最大值进入恒频率摩擦阶段后，摩擦变形速度 明显增大。当接头縮短量达到一定要求后使振幅逐渐减小， 一方面使变形寧度适当降低，一 方面使接头两端摩擦至最大位置时移出界面面积逐渐减小，两端散失热量减小有利于整+接 头界面温度均匀化。两方面共同作用使接头的高温区间较宽且较均匀，在随后的小振幅摩擦 阶段，变形金属可得到充分的回复与再结晶，消除了焊接接头的残余应力，焊缝为致密、均 匀的超细晶组织，近缝区组织也经过充分的回复与再结晶，其组织与母材接近，因此可获得 优质的接头，尤其在接头的疲劳性能方面表现优异。
权利要求
1.一种线性摩擦焊接方法，其特征在于包括下述步骤设定两焊件的振幅为恒振幅1.5～3.0mm，振动频率在摩擦初期2～4秒内由10～30Hz递增到30～90Hz；然后是2～12秒钟的恒频率、恒振幅摩擦阶段，此时振动频率为30～90Hz，振幅为1.5～3.0mm；在摩擦最后2～4秒，振幅由1.5～3.0mm逐渐递减到0，振动频率为30～90Hz，当振幅逐渐降至0，即两焊件回位对中时，施加顶锻压力60～160MPa完成焊接；整个焊接过程中，摩擦压力为20～80MPa。
全文摘要
本发明公开了一种线性摩擦焊接方法，其特点是包括下述步骤设定两焊件的振幅为恒振幅，振动频率在摩擦初期由较低频率递增到一个较高频率；然后是恒频率、恒振幅摩擦阶段，此时振动频率、振幅恒定；在摩擦最后阶段，振幅逐渐减小，当振幅逐渐降至0使两焊件回位对中时，施加顶锻压力完成焊接；整个焊接过程中，摩擦压力恒定。由于在摩擦初始阶段的较大振幅、较低频率可以对摩擦界面进行有效的机械清理和预热；摩擦中后期，振幅逐渐减小使接头的高温区间较宽且较均匀，变形金属可得到充分的回复与再结晶，消除了焊接接头的残余应力，提高了接头的质量。
文档编号B23K20/12GK101367156SQ20081015108
公开日2009年2月18日 申请日期2008年9月25日 优先权日2008年9月25日
发明者勇 张, 李文亚, 杨思乾, 马宗耀, 马铁军 申请人:西北工业大学