專利名稱：通過摩擦焊接將不同的金屬材料接合的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種通過摩擦焊接將不同的金屬材料接合的方法，具體來說，涉及一種通過摩擦焊接將Ti-Al金屬間化合物制成的材料接合在Ti合金制成的棒材上以制備用在內(nèi)燃機上的提升閥的方法。
Ti合金提升閥具有較低的比重和較小的慣性質(zhì)量，其優(yōu)點是能提高投入值、里程數(shù)和發(fā)動機性能。
Ti合金的耐熱溫度約是500℃，難以用其制作高燃燒溫度發(fā)動機如內(nèi)管直射或貧燃發(fā)動機上的排氣閥，因為這樣的排氣閥需要高溫強度。
為了克服這一缺點，日本公開專利62-197610中公開了一種Ti合金閥，其中，需要耐高溫的閥頭由Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo制成，施加較低熱負載的閥桿由Ti-6Al-4V制成。它們通過焊接接合。在另一方法中，提升閥由Ti-Al金屬間化合物制成。
過去，具有由耐高溫的Ti合金制成的閥頭的提升閥如果用作閥頭溫度可達800℃的高速和高負載排氣閥時，其耐用性和可靠性差。
由Ti-Al金屬間化合物制成的提升閥的比重比Ti合金提升閥的比重低，這樣的優(yōu)點是閥本身輕。其高溫強度類似于耐熱鋼和Ni耐熱合金如因科內(nèi)爾鎳合金的高溫強度，可用作排氣閥。
但是，用普通鍛造法難以制成，需要用鑄造法制成。因此，每一個鑄造步驟生產(chǎn)的閥數(shù)非常少，這就降低了生產(chǎn)率，增加了成本。
另外，提升閥在較長閥桿的一端有一個閥頭，在上述鑄造過程中，鑄造缺陷如孔洞易于在較小的提升閥里形成。所以，必須用X射線進行無損探傷以檢驗所有產(chǎn)品，這將增加成本。
發(fā)明人通過鑄造法用Ti-Al金屬間化合物制成需要耐高溫的閥頭以克服鑄造缺陷，用Ti合金如Ti-6Al-4V制成閥桿，并將閥頭和閥桿接合在一起。
但是，閥頭的Ti-Al金屬間化合物和閥桿的Ti合金之間在結構上和熔點上都有差異。因此，通過焊接如釬焊不能達到足夠高的接合強度。另外，Ti的活性非常強，在高溫下易于氧化，就會在焊接邊緣處形成氧化膜，造成斷裂。
為了克服這些缺點，通過摩擦焊接將閥頭接合在閥桿上。在普通的摩擦焊接中，Ti-Al金屬間化合物的高溫強度比Ti合金的高溫強度高。因此，Ti合金會在金屬間化合物變形之前發(fā)生塑變，這就不能合適地接合。
鑒于這些缺點，本發(fā)明的一個目的是提供一種通過摩擦焊接將Ti合金和Ti-Al金屬間化合物制成的不同的金屬材料接合以提高抗張強度的方法。
本發(fā)明的一個方面是提供一種通過摩擦焊接將不同的金屬材料接合的方法，其包括以下步驟用摩擦焊接機的回轉卡盤夾住第一種用Ti合金制成的材料，所說的的第一種材料有較小直徑部分和一端有較大直徑部分；用摩擦焊接機的固定卡盤夾住第二種用Ti-Al金屬間化合物制成的材料，第一種材料的較小直徑部分的直徑與第二種材料的一端基本相等；將第二種材料的這一端擠入第一種材料一端的較大直徑部分；在回轉卡盤上高速旋轉第一種材料；停止旋轉第一種材料以使第二種材料的這一端與第一種材料的端部緊緊地接合。
本發(fā)明的另一個方面是提供一種通過摩擦焊接將不同的金屬材料接合的方法，其包括以下步驟提供第一種用Ti合金制成的材料和第二種用Ti-Al金屬間化合物制成的材料；將第二種材料的一端加熱；通過摩擦焊接將第一種材料的一端和第二種材料的一端接合。
圖6是摩擦焊接后的部分正面剖視圖；圖7是加工后的部分正面剖視圖；圖8是第三個實施方案中的提升閥在接合前的正視圖；圖9是摩擦焊接后的部分正面剖視圖；和

圖10是示出提升閥的抗張強度和溫度關系的坐標圖。
閥桿1包括長桿部分1a和與閥頭2一體形成的短桿部分1b。通過摩擦焊接將桿部分1a和1b的端部接合。當閥1安裝在內(nèi)燃機上時，接合部分4通常置于用兩點線所示的閥桿導承5的較低部位以使其在閥打開時不會受到高溫廢氣的影響。
長桿部分1a是在低于β臨界點的溫度下將α-β合金如Ti-6Al-4V、Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo和Ti-6Al-6V-2Sn熱鍛而成。短桿部分1b和閥頭2是將Ti-Al金屬間化合物的TiAl熔模精密鑄造而一體形成的。可以使用64.4Ti-33.5Al-0.5Cr-1.0Nb-0.5Si，其中的數(shù)字表示重量百分數(shù)。
圖2-4示出排氣閥3的閥桿1的長桿部分1a和短桿部分1b接合的第一個實施方案。
圖2示出接合前用α-βTi合金制成的用于形成長桿部分1a的棒件6和用Ti-Al金屬間化合物制成的頭部材料7。在棒材6的端部形成較大直徑部分6b。頭部材料7包括基本和上述短桿部分1b及閥頭7b相同的短桿部分7a及閥頭7b，二者通過熔模精密鑄造而一體形成，使短桿部分7a的直徑大致等同于桿部材料6的較小直徑部分6a的直徑。
Ti-Al金屬間化合物的高溫強度高于Ti合金的高溫強度。因此，如果Ti-Al金屬間化合物和Ti合金的形狀相同，則當二者都加熱時，Ti合金將發(fā)生塑變，就不可能進行合適地接合。這就需要Ti-Al金屬間化合物和Ti合金之間的高溫強度沒有差異。為了提高Ti合金側的熱容，在棒材6的一端形成一個較大直徑部分6b。短桿部分7a與較大直徑部分6b的直徑比是1∶2.2?？蓛?yōu)選1∶2-1∶2.5。另外，可優(yōu)選用干冰將較大直徑部分6b冷卻到約-80℃，并優(yōu)選通過煮沸將短桿部分7a的端部加熱到約80℃以產(chǎn)生適于接合的160℃的溫度差。
這樣，當較大直徑部分6b與頭部材料7摩擦焊接時，可將較大直徑部分6b的焊接溫度變化到與頭部材料7的短桿部分7a的焊接溫度相等以進行合適的接合。
如果桿部材料6的接合端的直徑與頭部材料7的短桿部分7a的直徑相等，高溫強度低的桿部材料6將先熔化并塑變，產(chǎn)生不完全接合。
為了如圖2所示將材料6和7相互接合，當用已知的摩擦焊接機(未示出)的回轉卡盤夾住桿部材料6的較小直徑部分6a時，用同軸面對回轉卡盤的固定卡盤夾住頭部材料7的頭部7b使得材料6和7可同軸放置。
如圖3所示，當高速旋轉回轉卡盤夾住的桿部材料6時，固定卡盤夾住的頭部材料7向左移動，短桿部分7a的端面以合適的壓力擠壓桿部材料6的較大直徑部分6b。為了防止接合部分的Ti氧化，可在接合部分噴射惰性氣體如氬氣。
接合面產(chǎn)生熱量，高溫強度低的較大直徑部分6b首先熔化并塑變，所以，短桿部分7a的端部置入較大直徑部分6b中并在其中熔化。突然制動回轉卡盤使桿部材料6停止轉動，這就將較大直徑部分6b和頭部材料7的短桿部分7a緊緊地接合在一起。
然后，把接合件從摩擦焊接機上移開，冷卻其接合部分。把較大直徑部分6b的外圓周面機械切割成其直徑與較小直徑部分6a和頭部材料7的短桿部分7a的直徑相等，這就產(chǎn)生了桿部材料6的端面和頭部材料7的短桿部分7a緊緊地接合在一起的提升閥，或者說圖1中的提升閥3。
通過這樣的接合，桿部材料6的接合部分加熱到Ti合金的β臨界點以上的溫度。因此，其結構從等軸結構α變?yōu)獒槧罱Y構，因此增加了閥桿接合部分的高溫強度。
圖5-7示出了本發(fā)明的第二個實施方案。第二個實施方案類似于第一個實施方案，只是省略了頭部材料7的短桿部分7a的端部及摩擦焊接及加工的說明。
如圖5所示，頭部材料7的短桿部分7a的端部形成為圓形部分7c。通過這樣的摩擦焊接，桿部材料6的較大直徑部分6b和短桿部分7a的較小直徑部分7c的直徑比大于第一個實施方案中的直徑比。并且質(zhì)量差變大。較大直徑部分6b和短桿部分7a的熔化開始溫度相互更為接近，這就產(chǎn)生了更好的接合。
較大直徑部分6b的直徑可制得比第一個實施方案中的小，這可降低接合后的加工成本。
另外，如圖7所示，桿部分6和頭部材料7的短桿部分7a的接合部分的截面積比第一個實施方案中的大，這就顯著地增加了接合強度。
在第二個實施方案中，短桿部分7a可以是錐形。
圖8和圖9示出了本發(fā)明的第三個實施方案。桿部材料6和頭部材料7的短桿部分7a的直徑相等。如上所述，Ti-Al金屬間化合物的高溫強度比Ti合金的高溫強度高，Ti合金會在Ti-Al金屬間化合物變形之前發(fā)生塑變，使得不能接合。為了不在加熱時產(chǎn)生強度差異，用在內(nèi)圓周面上有加熱線圈9的圓筒高頻感應加熱器8加熱頭部材料7。短桿部分7a的端部插入和卡盤同軸的摩擦焊接機(未示出)中使之可加熱。通過這樣的方法，使桿部材料6和短桿部分7a的直徑相等，使它們的接合成為可能。
為了使桿部材料6和頭部材料7的短桿部分7a接合，用加熱器8加熱短桿部分7a使溫度差為900-1100℃，然后如圖9所示，將短桿部分7a的端面擠壓在高速旋轉的桿部材料6上。兩個端面相似地熔化產(chǎn)生緊密接合。接合后，加工除去接合部分的毛刺10，產(chǎn)生類似于圖4的提升閥。
第三個實施方案不需要在桿部材料6上有較大直徑部分6b，并且可以使用和頭部材料7的短桿部分7a的直徑相等的棒材，這就降低了生產(chǎn)成本，省略了切割較大直徑部分6b的步驟，提高了材料的生產(chǎn)率，可以顯著地降低成本。
在第三個實施方案中，頭部材料7的短桿部分7a的端部可以和第二個實施方案中的類似是圓形或錐形。
可以用α-β合金的Ti-6Al-4V制成桿部材料6，可以用熔模精密鑄造法將Ti-Al金屬間化合物的TiAl或64.5Ti-33.5Al-0.5Cr-1.0Nb-0.5Si(其中的數(shù)字表示重量百分數(shù))制成頭部材料7。通過圖2-4所示的第一個實施方案將其接合。
圖10示出按照本發(fā)明接合的提升閥和不同材料制成的提升閥的抗張強度的對比。如圖10所示，耐熱鋼和Ti合金的抗張強度隨溫度升高而降低，按照本發(fā)明的方法制成的提升閥和Ti-Al金屬間化合物制成的提升閥類似，其抗張強度在室溫到高溫下基本保持恒定，它可以用作在高溫下需要高強度的排氣閥。
用鍛造法接合的提升閥比耐熱鋼制成的輕約40％，比Ti合金制成的輕約11％。在上述第二個和第三個實施方案中接合的提升閥可得到相似的結果。
本發(fā)明的方法適用于渦輪增壓器的渦輪軸的接合及加熱爐。
以上只是涉及到本發(fā)明的實施方案。本領域普通技術人員可以在不背離權利要求書保護范圍的情況下作出不同的改進和變化。
權利要求
1.一種通過摩擦焊接將不同的金屬材料接合的方法，其包括以下步驟用摩擦焊接機的回轉卡盤夾住第一種用Ti合金制成的材料，所說的的第一種材料有較小直徑部分和一端有較大直徑部分；用摩擦焊接機的固定卡盤夾住第二種用Ti-Al金屬間化合物制成的材料，第一種材料的較小直徑部分的直徑與第二種材料的一端基本相等；將第二種材料的一端擠入第一種材料一端的較大直徑部分；在回轉卡盤上高速旋轉第一種材料；和停止旋轉第一種材料以使第二種材料的這一端緊緊地接合在第一種材料的端部。
2.如權利要求1所述的方法，其中，把接合后的較大直徑部分進行機械切割使得第一種和第二種材料的端部能以相同直徑光滑地接合。
3.如權利要求1所述的方法，其中，朝著第一種和第二種材料的端部噴射惰性氣體。
4.如權利要求3所述的方法，其中的惰性氣體包括氬氣。
5.如權利要求1所述的方法，其中，第二種材料的端部是圓形。
6.如權利要求1所述的方法，其中的Ti合金包括Ti-6Al-4V。
7.如權利要求1所述的方法，其中的Ti-Al金屬間化合物包括TiAl。
8.如權利要求2所述的方法，其中，第二種金屬材料在與接合端相對的另一端有閥頭，第一種和第二種材料通過摩擦焊接接合成提升閥。
9.如權利要求1所述的方法，其中，第二種材料端部與較大直徑部分的直徑比是1∶2-1∶2.5。
10.如權利要求1所述的方法，其中，加熱第二種材料端部的同時冷卻第一種材料的端部以產(chǎn)生適合接合的第一種和第二種材料端部之間的溫度差。
11.一種通過摩擦焊接將不同的金屬材料接合的方法，其包括以下步驟提供第一種用Ti合金制成的材料和第二種用Ti-Al金屬間化合物制成的材料，第一種材料的直徑與第二種材料的一端基本相等；將第二種材料的一端加熱；和通過摩擦焊接將第一種材料的一端和第二種材料的一端接合。
12.如權利要求11所述的方法，其中，把第一種和第二種材料的端部上由于接合形成的毛刺進行機械除去使得第一種和第二種材料的端部能光滑地接合。
13.如權利要求11所述的方法，其中，朝著第一種和第二種材料的端部噴射惰性氣體。
14.如權利要求13所述的方法，其中的惰性氣體包括氬氣。
15.如權利要求11所述的方法，其中，加熱步驟在第一種和第二種材料的端部之間產(chǎn)生的溫度差是900-1100℃。
16.如權利要求11所述的方法，其中，用高頻感應加熱器進行加熱步驟。
17.如權利要求12所述的方法，其中，第一種材料包括長桿部分，第二種材料包括短桿部分和閥頭，通過接合步驟形成提升閥。
全文摘要
一種用Ti合金制成的棒材在一端有一個較大直徑部分,該部分與用Ti－Al金屬間化合物制成的材料的一端通過摩擦焊接相接合形成用在內(nèi)燃機上的提升閥。不產(chǎn)生這樣的較大直徑部分時,可以加熱用Ti－Al金屬間化合物制成的材料的一端以促進接合。
文檔編號B23K103/14GK1357426SQ01110229
公開日2002年7月10日 申請日期2001年4月2日 優(yōu)先權日2000年12月8日
發(fā)明者廣瀨正仁, 淺沼宏昭 申請人:富士烏茲克斯株式會社