一种异种金属棒材的铆接辅助旋转摩擦焊工艺和应用

1.本发明涉及材料加工技术领域，具体涉及一种大差异异种金属棒材的铆接辅助旋转摩擦焊工艺和应用。


背景技术：

2.现有技术表明旋转摩擦焊中虽然可以通过调整工艺参数实现对焊态异种金属接头性能的优化，但由于旋转摩擦焊在径向方向上旋转线速度的不同，导致了界面在径向产热速率、温度分布等方面的差异，从而进一步引起了界面组织及性能的不均匀性。通过大量试验发现在接头中心位置，由于其旋转线速度几乎为零，界面温度的提升主要依靠外侧高温度区域的热传导，因此界面冶金反应极不充分，是整个接头的薄弱环节。所以需要通过各种手段对异种金属旋转摩擦焊工艺及方法进行优化，促进接头中心区域及整体性能的提升。


技术实现要素：

3.针对上述技术问题，本发明旨在于提供一种异种金属棒材的铆接辅助旋转摩擦焊工艺和应用。本发明依托旋转摩擦焊固有技术优势，提出了利用铆接方法促进大差异异种金属界面中心区域结合，以旋转摩擦焊接方式实现外侧区域结合，即以铆接辅助旋转摩擦焊的工艺大幅度提升接头整体性能。
4.本发明的目的之一是提供一种适用于异种金属棒材的铆接辅助旋转摩擦焊工艺。
5.为实现上述发明目的，本发明公开了下述技术方案：
6.首先，本发明公开了一种异种金属棒材的铆接辅旋转摩擦焊工艺，包括如下步骤：
7.(1)根据待焊棒材尺寸，将高硬度金属a棒材端面加工出具有一定直径、高度，带有环状凹槽的螺柱；将低硬度金属b棒材的端面加工平整；
8.(2)将步骤(1)中加工好的金属b棒材和金属a棒材分别置于旋转摩擦焊机的旋转侧和进给侧，并夹紧；
9.(3)适当调整金属a棒材和金属b棒材间距，使金属a棒材凸出的螺柱端面完全与金属b棒材接触或适当插入金属b棒材内部；
10.(4)启动焊机，待焊机达到设定转速后，开始焊接，最后制备出铆接辅助旋转摩擦焊接的异种金属棒状接头。
11.本发明的目的之二是提供一种异种金属棒材的铆接辅旋转摩擦焊工艺的应用。该工艺适用于多种材料，尤其是大差异异种冶金不相容金属高性能棒材复合结构件(两种材料硬度比大于1.5，如铝合金/钢)的摩擦焊接生产。
12.本发明提出的方法仅需通过对非变形或小变形的高硬度棒材端面进行简单机械加工及简单调整旋转摩擦焊焊接过程，避免了较高的生产成本及复杂的操作过程，直接获得高性能的异种金属复杂棒状结构件。焊接时在中心区域，高硬度金属a中带有凹槽的螺柱将在不发生剧烈变形的情况下与低硬度金属b棒材端面接触并实现中心区域的铆接，而在
外侧区域，金属b棒材的剧烈塑性变形及流动保证了界面高强度结合。该工艺在不影响其它外侧区域性能或者冶金行为的前提下，带有环状凹槽的螺柱特殊结构使得异种金属焊接中心区域产生明显的机械咬合和冶金结合作用，从而得到连接强度高的异种金属棒材接头。
13.本发明的有益效果在于：
14.采用本发明的铆接辅助旋转摩擦焊接工艺，先对金属机械加工，借助旋转摩擦焊技术特点，在中心区域靠压力及两种金属的相对旋转运动，实现中心区域的铆接；在外侧区域以旋转摩擦焊方式实现异种金属的摩擦焊结合，可以获得比传统旋转摩擦焊工艺性能更优的异种金属棒材接头。
附图说明
15.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。附图中以大差异铝合金(低硬度)/钢(高硬度)异种金属的铆接辅助旋转摩擦焊工艺为例。
16.图1为本发明实施例1所说明的钢端面示意图。
17.图2为本发明实施例1所说明的钢端面机械加工的螺柱示意图。
18.图3为本发明实施例1提出的铝合金/钢棒材焊前端面接触示意图。
19.图4为采用本发明实施例1中的工艺方法获取的铝合金/钢棒材复合结构焊接结构件。
20.图5为铝/钢铆接辅助惯性摩擦焊接头的横截面形貌。
21.其中，1-钢、2-加工的螺柱、3-螺柱端面、4-螺柱凹槽、5-铝合金、6-铝合金旋转方向、7-钢棒材进给方向，8-铝合金变形形成的飞边。
具体实施方式
22.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
23.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
24.正如背景技术所述，目前尚未有针对薄弱的异种金属旋转摩擦焊中心区域进行强韧化调节的相关研究及发明。因此，本发明第一方面提供了一种可显著提升异种金属棒材结构件性能的铆接辅旋转摩擦焊工艺及方法，包括如下步骤：
25.(1)根据待焊棒材尺寸，将金属a棒材端面加工出具有一定直径、高度，带有环状凹槽的螺柱；将金属b棒材端面加工平整；
26.(2)将步骤(1)中加工好的金属b和金属a分别置于旋转焊机的旋转侧和进给侧，并夹紧；
27.(3)适当调整金属a和金属b间距，使金属a凸出的螺柱端面完全与金属b接触或适当插入金属b内部；
28.(4)启动焊机，待焊机达到设定转速并持续一段时间后，选择最优参数进行焊接，制备铆接辅助旋转摩擦焊接异种金属棒状接头。
29.在本发明的一个或多个具体实施方式中，所述金属a棒材为高硬度金属，如钢、钛合金；金属b棒材为低硬度的金属，如铝合金、铜等；优选的，金属a棒材为钢；金属b棒材为铝合金。
30.在本发明的一个或多个具体实施方式中，步骤(1)中，所述金属a的处理为机械加工出一定直径、高度的带有环状凹槽的螺柱，具体方式为：利用数控车床或普通车床的端面切槽刀加工出高度为1.5-3.5mm，直径为钢棒直径0.15-0.35倍的圆柱；然后更换车刀为三角车刀，在圆柱侧面每隔0.5-1.5mm加工出深度为0.2-0.8mm的环状凹槽，最后将获得的螺柱端面车平。
31.优选的，加工圆柱高度为2mm。
32.优选的，加工圆柱的直径为棒材直径的0.2倍。
33.优选的，凹槽中心间隔为1mm。
34.优选的，凹槽深度为0.4mm。
35.在本发明的一个或多个具体实施方式中，步骤(1)中，对金属b棒材处理方式为：仅使用数控车床或普通车床去除表面氧化层，获得平整端面。
36.在本发明的一个或多个具体实施方式中，步骤(2)中，旋转摩擦焊机可为连续驱动摩擦焊机或惯性摩擦焊焊机中的一种。
37.在本发明的一个或多个具体实施方式中，步骤(2)中，待焊金属a棒材夹紧后自由端长度应大于3mm。
38.在本发明的一个或多个具体实施方式中，步骤(2)中，待焊金属b棒材夹紧后自由端长度应大于接头总轴向缩短量。
39.在本发明的一个或多个具体实施方式中，步骤(3)中，待焊金属b棒材应与待焊金属a棒材完全对中。
40.在本发明的一个或多个具体实施方式中，在步骤(3)中，待焊金属b棒材优选与金属a仅实现紧密接触即可，若金属a棒材螺柱插入金属b内部，其插入深度应小于0.3mm。
41.在本发明的一个或多个具体实施方式中，在步骤(4)的施焊前，应使金属b达到设定转速后与金属a棒材螺柱进行3-10s前期摩擦，以使金属a和金属b表面温度有局部摩擦产热，促进界面中心位置冶金反应的产生。
42.优选的，螺柱与金属b棒材前期摩擦时间为5s。
43.在本发明的一个或多个具体实施方式中，在步骤(4)中，所选择的焊接工艺参数为相同尺寸及材料下，平整金属a棒材和金属b棒材摩擦焊接的最优参数。
44.本发明的目的之二是提供了一种异种金属棒材的铆接辅助旋转摩擦焊工艺的应用。该工艺适合多种材料，尤其是大差异异种金属高性能棒材复合结构件摩擦焊的生产。在不影响接头外侧区域性能或者冶金行为的前提下，借助高硬度金属端面加工出的环状凹槽的螺柱在接头中心区域实现与低硬度金属的机械咬合和冶金结合。
45.为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本发明的技术方案。
46.实施例1
47.采用铆接辅助惯性摩擦焊工艺先实现直径为15mm的铝合金和钢棒材的高质量高效率连接，其连接强度显著高于常规摩擦焊工艺制备的铝/钢异种金属接头，具体包括如下步骤：
48.(1)棒材准备：试验所选择铝合金棒材为6061-t6状态，不锈钢为304不锈钢固溶处理状态。铝合金棒材仅利用机械加工将端面氧化膜去除，获得平整端面。对于钢棒材，利用高精度车床端面切槽刀加工出高度为1mm，直径为3.5mm左右的圆柱；然后更换为三角车刀，在圆柱侧面每隔1mm加工出深度为0.40mm的凹槽；最后去除螺柱端面氧化膜并加工平整；
49.(2)焊机准备：装夹调整惯性摩擦焊飞轮，使飞轮转动惯量为4.50kg
·
m2。其余工艺参数为：飞轮初始转速为1100rpm，摩擦压力为160mpa；
50.(3)工件转移：本实例按照图1所采用方式，即铝合金棒材在旋转侧、钢棒在进给侧。将铝合金、钢棒材分别通过夹具固定好，确保铝合金、棒材对中良好；
51.(4)焊接过程：启动焊机，使铝合金端面和钢棒螺柱端面实现紧密接触。开启飞轮，待飞轮转速达到1100rpm后开始计时，5s后在关闭飞轮电源的同时，启动摩擦压力；在摩擦压力和飞轮惯性作用下，铝/钢实现铆接辅助惯性摩擦焊焊接。最终获得的铝/钢铆接辅助惯性摩擦焊接头形貌如图4所示。图5为铝/钢铆接辅助惯性摩擦焊接头的横截面形貌。
52.(5)性能测试：焊接结束后，将铝合金形成的飞边经机械加工去除。将制备出的接头放置在mts e45万能试验机上以1mm/min的拉伸速率开展性能测试，测试后铆接辅助惯性摩擦焊接头的强度为300mpa，比常规摩擦焊接接头性能提升约为20％。
53.以上所述仅为本技术的优选实施例，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。