一種以高硬度金屬摩擦堆焊低硬度金屬的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于固相焊接領(lǐng)域，特別是一種以高硬度金屬摩擦堆焊低硬度金屬的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]摩擦堆焊是一種利用摩擦熱使金屬連接局部區(qū)處于熱塑性狀態(tài)實(shí)現(xiàn)焊接/焊敷的先進(jìn)金屬加工技術(shù)，摩擦堆焊具有低能耗、無(wú)污染高效率、加工質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)。具有表面耐磨、抗腐蝕要求的金屬都可以使用摩擦焊敷技術(shù)來(lái)獲得基本無(wú)稀釋、結(jié)合完整性極高的焊敷層，在耐磨件的制造與修復(fù)方面應(yīng)用前景廣闊，摩擦堆焊技術(shù)不限于焊接技術(shù)領(lǐng)域，還可廣泛拓寬其應(yīng)用范圍，在摩擦乳制零件快速制造、復(fù)合金屬制備和金屬再利用加工等方面有巨大的開發(fā)潛力。
[0003]通常對(duì)于容易產(chǎn)生金屬間化合物的硬度相差較大異種金屬，采用熔焊時(shí)，由于大的熱輸入導(dǎo)致在焊縫區(qū)產(chǎn)生大量的金屬間化合物而無(wú)法得到強(qiáng)度較高的焊縫，比如鋼-鋁之間會(huì)產(chǎn)生的Fe2Al5脆性金屬間化合物。而對(duì)于難焊的異種金屬例如銅-鋼的焊接，由于銅與鋼的物理性能相差較大，例如銅的導(dǎo)熱系數(shù)是鋼的5倍，采用熔焊時(shí)由于銅的散熱較快而無(wú)法得到強(qiáng)度較高的焊縫。
[0004]針對(duì)這些這些金屬的焊接問(wèn)題，近年來(lái)已經(jīng)有研究通過(guò)攪拌摩擦焊來(lái)焊接這些金屬，攪拌摩擦焊是通過(guò)攪拌頭和軸肩使焊縫區(qū)域的金屬達(dá)到塑性狀態(tài)，通過(guò)攪拌針的攪拌作用使焊縫區(qū)的金屬流動(dòng)并形成固相焊接接頭，在公開的文獻(xiàn)中有使用工具鋼的攪拌頭來(lái)焊接鋁鋼異種金屬，但是這種焊接方法容易使攪拌頭磨損破壞并且得到的接頭強(qiáng)度不高。也有使用高強(qiáng)度立方氮化硼陶瓷等其他特殊金屬制作的攪拌頭，這種攪拌頭幾乎不會(huì)磨損破壞，但是其成本極高，加工困難。
[0005]針對(duì)難焊和容易產(chǎn)生金屬間化合物的硬度相差較大異種金屬，采用連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊得到的固相焊接接頭，其金屬間化合物少且接頭強(qiáng)度高，但是這種方法無(wú)法得到大面積的焊接接頭。
[0006]針對(duì)難焊和容易產(chǎn)生金屬間化合物的硬度相差較大異種金屬為了得到大面積且接頭強(qiáng)度較高的焊縫，有學(xué)者已經(jīng)通過(guò)摩擦堆焊來(lái)實(shí)現(xiàn)其焊接，例如低硬度的鋁摩擦堆焊在高硬度的鋼以及不銹鋼摩擦堆焊在高強(qiáng)鋼上。但是對(duì)于高硬度金屬摩擦堆焊低硬度金屬卻鮮有研究，有國(guó)外學(xué)者M(jìn).CHANDRASEKARAN在低碳鋼摩擦堆焊鋁合金實(shí)驗(yàn)中，采用的是在鋼與鋁摩擦堆焊之前，先讓低碳鋼與低碳鋼摩擦使低碳鋼軟化，然后再讓低碳鋼與鋁摩擦從而實(shí)現(xiàn)低碳鋼與鋁的摩擦堆焊。這種方法雖然可以對(duì)高硬度金屬首次預(yù)熱，預(yù)先使高硬度金屬軟化，，實(shí)現(xiàn)不同硬度金屬之間的焊接，但是這種方法高溫保持時(shí)間較短，后續(xù)不能繼續(xù)通過(guò)摩擦加熱，而無(wú)法實(shí)現(xiàn)連續(xù)的堆焊，而且在預(yù)先摩擦軟化不夠的話，容易使鋼變成銑刀把鋁銑出一條溝槽，這種方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)溫度的精確控制而且浪費(fèi)材料，效率低。
[0007]M.J.R.Stegmueller學(xué)者在鋼摩擦堆焊鋁實(shí)驗(yàn)中采用了感應(yīng)加熱線圈加熱鋼棒使鋼軟化再進(jìn)行摩擦堆焊，這種方法可以實(shí)現(xiàn)鋁鋼的焊接，但是無(wú)法精確控制鋼棒的溫度，而且也沒(méi)有冷卻鋁板的溫度裝置，從而其采用厚鋁板來(lái)防止鋼棒把鋁板銑掉。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的提供了一種以高硬度金屬摩擦堆焊低硬度金屬的方法。
[0009]本發(fā)明為一種以高硬度金屬摩擦堆焊低硬度金屬的方法的技術(shù)方案為:
[0010]高硬度金屬摩擦堆焊低硬度金屬的方法，經(jīng)預(yù)熱處理的消耗型高硬度堆焊金屬與冷處理后的低硬度被堆焊金屬接觸并在轉(zhuǎn)動(dòng)條件下進(jìn)行摩擦堆焊，具體步驟如下:
[0011]步驟(I)，對(duì)高硬度金屬末段加熱，將其加熱到預(yù)熱溫度T，所述預(yù)熱溫度T的溫度區(qū)間為?\〈預(yù)熱溫度Τ〈Τ2;所述的T A 90%低硬度金屬塑性溫度區(qū)間上限，T 2為高硬度金屬的塑性溫度區(qū)間上限；
[0012]步驟(2)，冷卻裝置通入溫度在-5 °C?10 °C的冷卻介質(zhì)，通入速度在lm/min?3m/min 之間；
[0013]步驟(3)，將高硬度金屬與低硬度金屬接觸，在轉(zhuǎn)速為500r/min?2500r/min，壓力為IMPa?SOMPa的條件下驅(qū)動(dòng)高硬度金屬與低硬度金屬相對(duì)靜止摩擦；
[0014]步驟⑷，當(dāng)高硬度金屬末段達(dá)到塑性溫度時(shí)，同時(shí)在10mm/min?200mm/min的水平焊接速度下，驅(qū)動(dòng)高硬度金屬與低硬度金屬相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使高硬度金屬末端的塑性金屬堆焊在低硬度金屬上并形成連續(xù)的堆焊層。
[0015]高硬度金屬為棒材，直徑為15mm-30mm，低硬度金屬為板材。
[0016]冷卻裝置是由鋼制造而成，且表面覆有5mm厚的銅層。
[0017]所述的高硬度金屬與低硬度金屬的硬度差HV>30。
[0018]本發(fā)明聯(lián)合采用區(qū)間可控外部加熱、摩擦加熱以及外部降溫三種方式，區(qū)間可控外部加熱使高硬度金屬局部軟化但仍保持一定的強(qiáng)度，保證高硬度金屬與低硬度金屬之間的壓力；摩擦熱使高硬度金屬達(dá)到金屬的塑性狀態(tài)使金屬過(guò)渡；外部降溫使低硬度金屬在摩擦堆焊過(guò)程中保持一定的硬度而不被銑削。
[0019]本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有以下顯著優(yōu)點(diǎn):
[0020]1、本發(fā)明為高硬度金屬對(duì)低硬度金屬的摩擦堆焊的方法，可實(shí)現(xiàn)高硬度金屬與低硬度金屬摩擦堆焊過(guò)程中的金屬剛度和軟化狀態(tài)控制，保證金屬局部產(chǎn)生軟化的金屬整體穩(wěn)定。
[0021]2、本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)高硬度金屬與低硬度金屬摩擦堆焊過(guò)程中的金屬預(yù)熱狀態(tài)的控制；外部加熱裝置配有傳感器可以對(duì)焊接過(guò)程中的溫度進(jìn)行測(cè)量和控制，針對(duì)不同的金屬加熱裝置可以控制不同的加熱溫度從而擴(kuò)大高硬度金屬與低硬度金屬之間的選擇范圍。
[0022]3、本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)高硬度金屬與低硬度金屬摩擦堆焊過(guò)程中的金屬焊接對(duì)象匹配的控制；采用了高硬度金屬預(yù)熱，低硬度金屬降溫的雙重措施，可以使焊接過(guò)程合理化，可以實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程的連續(xù)性和可控性，提高工作效率，降低對(duì)設(shè)備的要求，提高設(shè)備的使用壽命O
[0023]4、本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)高硬度金屬與低硬度金屬摩擦堆焊過(guò)程中的金屬之間極限稀釋率及其范圍控制。
【附圖說(shuō)明】
[0024]圖1是本發(fā)明的高硬度金屬摩擦堆焊低硬度金屬裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖2為實(shí)施例2中的A3鋼摩擦堆焊T2純銅的摩擦堆焊效果圖；
[0026]圖3為實(shí)施例2中的A3鋼摩擦堆焊T2純銅的結(jié)合面掃面電鏡圖；
[0027]圖4為實(shí)施例2中的A3鋼摩擦堆焊T2純銅的SEM線掃描元素相對(duì)含量圖；
[0028]圖5為實(shí)施例3中的A3鋼摩擦堆焊T2純銅的摩擦堆焊的效果圖。
[0029]1、工作臺(tái)；2、水冷裝置；3、低硬度金屬；4、加熱裝置；5、高硬度金屬；6、動(dòng)力裝置。
【具體實(shí)施方式】
[0030]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明:
[0031]實(shí)施例1
[0032]本實(shí)施例為采用A3鋼摩擦堆焊LY12鋁合金金屬的一種方法，A3鋼的硬度為HV165，LY12鋁合金的硬度為HV120，如圖1所示，通過(guò)如下設(shè)備實(shí)現(xiàn)本方法，該設(shè)備包括動(dòng)力裝置6，加熱裝置4及其溫度控制裝置。A3鋼與LY12鋁合金由動(dòng)力裝置6提供壓力轉(zhuǎn)速及焊接速度，加熱裝置4加熱并控制A3鋼的溫度在500°C -800°C,LY12鋁合金固定在水冷裝置2上，水冷裝置2固定在工作臺(tái)I上，試驗(yàn)中A3鋼棒的尺寸為Φ20πιπι，LY12鋁板的尺寸為300mm*150mm*6mm，焊接過(guò)程如下:
[0033]步驟(I)啟動(dòng)加熱裝置4對(duì)A3鋼棒末段加熱，設(shè)定其加熱頻率為20KHZ，調(diào)節(jié)電流大小設(shè)定其功率為15KW，將A3鋼棒的溫度加熱到預(yù)熱溫度500°C.對(duì)A3鋼棒末段預(yù)熱在起到預(yù)熱鋼棒溫度的同時(shí)還能保持鋼棒上段的剛度從而保證兩種金屬之間的壓力，避免鋼整體軟化屈服而無(wú)法提供壓力。
[0034]