一種應(yīng)用于軟螺柱-硬基板的摩擦焊方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種摩擦焊方法，特別是一種應(yīng)用于軟螺柱-硬基板之間的復(fù)合熱源 摩擦焊方法，屬于焊接領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 生產(chǎn)生活許多方面需要進(jìn)行螺柱-板材的連接。常用的焊接方法有電弧螺柱焊、針 焊、摩擦焊等。
[0003] 有相關(guān)研究通過電弧螺柱焊來實(shí)現(xiàn)螺柱-板材的連接，焊接過程中先在板材上產(chǎn) 生毛刺引燃電弧，在螺柱與板材之間產(chǎn)生烙池后施加一定壓力，烙池冷卻凝固，形成連接。 但是運(yùn)種方法在焊接過程中極易產(chǎn)生金屬間夾雜物，未融合等缺陷大大降低接頭強(qiáng)度。另 有相關(guān)研究采用針焊實(shí)現(xiàn)鋼-侶異種材料的焊接，運(yùn)種方法效率低，且侶合金、針料、鋼之間 多W金屬間化合物的形式結(jié)合接頭塑性低。
[0004] 摩擦螺柱焊是一種新型的焊接方法，高效，高精度，使用范圍廣，但是難W焊接物 理性能(如烙點(diǎn)、導(dǎo)熱系數(shù)等)差異較大的金屬。在焊接過程中極易出現(xiàn)運(yùn)種現(xiàn)象:烙點(diǎn)低或 熱塑性好的金屬受擠壓發(fā)生變形，形成飛邊，但是烙點(diǎn)高的金屬基本不發(fā)生變化，如圖1所 示，即在界面處基本無元素?cái)U(kuò)散，最終導(dǎo)致接頭強(qiáng)度低。焊接異種金屬螺柱-板材時(shí)，運(yùn)種現(xiàn) 象更為顯著，因?yàn)榘宀纳峥?，摩擦產(chǎn)生的熱很快會被分散，界面更難達(dá)到熱塑性變形溫 度，也就不能得到高強(qiáng)的異種金屬螺柱-板材接頭。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種應(yīng)用于軟螺柱-硬基板的摩擦焊方法。
[0006] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是:一種應(yīng)用于軟螺柱-硬基板的摩擦焊方法，所述的 軟螺柱-硬基板中硬基板與軟螺柱之間的硬度值差皿S?iS-HBS蜘駆含20,所述的方法包括如 下步驟：
[0007] 步驟一，在硬基板的待焊端面開燕尾孔，燕尾孔的上、下端面均采用圓弧過渡，將 軟螺柱與硬基板安裝在工作臺上；
[000引步驟二:先通保護(hù)氣，后對硬基板進(jìn)行預(yù)熱；
[0009] 步驟Ξ:設(shè)置焊接參數(shù)，轉(zhuǎn)速為1000~3000r/min，摩擦壓力為60~150MPa，摩擦?xí)r 間為1~10s，頂鍛壓力為90~250MPa，頂鍛時(shí)間為1~10s，給進(jìn)速度為0.5~2.5mm/min，在 保護(hù)氣氛圍下完成焊接。
[0010] 進(jìn)一步的，步驟一中，當(dāng)軟螺柱的直徑d小于10mm時(shí)，燕尾孔上端面直徑為1. Id~ 1.5d，下端面直徑為1.4d~3d;當(dāng)軟螺柱直徑為10~30mm時(shí)，燕尾孔上端面直徑為1. Id~ 1.3d，下端面直徑為1.2d~2d;當(dāng)軟螺柱直徑在30mmW上時(shí)，燕尾孔上端面直徑為1.05d~ 1.2d，下端面直徑為1.05d~1.4d。
[0011] 進(jìn)一步的，步驟一中，當(dāng)硬基板的板材厚度δ小于5mm時(shí)，燕尾孔的孔深為0.5~ 0.85δ，硬基板的板材厚度δ為5~30mm時(shí)，燕尾孔的孔深為0.3~0.7δ，硬基板的板材厚度δ 為30mm W上時(shí)，燕尾孔的孔深為ο. 1~ο. 4δ。
[0012] 進(jìn)一步的，步驟一中，燕尾孔的下端面圓弧過渡處曲率半徑大于q>3mm。
[0013] 進(jìn)一步的，步驟二中，保護(hù)氣選用氣氣或氮?dú)?，或氣氣和二氧化碳的混合氣體。
[0014] 進(jìn)一步的，步驟二中，對硬基板進(jìn)行加熱采用的熱源為加熱板、感應(yīng)熱源、電弧或 激光中的任意一種。
[0015] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有W下特點(diǎn)：（1)與傳統(tǒng)摩擦焊接頭相比，本發(fā)明一方 面增加了預(yù)熱，加熱烙點(diǎn)較高的金屬，促進(jìn)焊接界面的元素?cái)U(kuò)散，另一方面采用特殊的接頭 結(jié)構(gòu)使得接頭焊后結(jié)構(gòu)鎖死，大大提高了結(jié)合強(qiáng)度；（2)與烙化焊接頭相比，本發(fā)明避免了 如凝固裂紋、氣孔、金屬間夾雜物等缺陷，且熱影響區(qū)小，焊接效率高，焊接接頭質(zhì)量好；（3) 與針焊接頭相比，本發(fā)明不需要針料、針劑，直接使較軟螺柱與較硬板材達(dá)到原子間結(jié)合， 工藝簡單，提高了焊接效率。
【附圖說明】
[0016] 圖1是現(xiàn)有技術(shù)的摩擦焊焊接過程示意圖。
[0017] 圖2是本發(fā)明所述的摩擦焊焊接過程示意圖。
[0018] 圖3是本發(fā)明采用實(shí)屯、螺柱的焊接效果圖。
[0019] 圖4是本發(fā)明采用空屯、螺柱的焊接效果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020] 本發(fā)明所述的焊接方法可適用于所有軟螺柱-硬基板的焊接，如侶螺柱-鋼基板、 儀螺柱-鋼基板、侶螺柱-鐵基板、銅螺柱-鋼基板等。
[0021 ]如圖2，本發(fā)明的具體焊接方法如下步驟：
[0022] 步驟一:在硬基板3待焊端面設(shè)計(jì)燕尾孔2,燕尾孔2上、下端面均采用圓弧過渡，避 免應(yīng)力集中。
[0023] 步驟二:將準(zhǔn)備好的軟螺柱1、硬基板3、加熱板4分別裝夾在工作臺5預(yù)定位置；
[0024] 步驟Ξ:先開啟保護(hù)氣，再啟動加熱板4，此時(shí)加熱管6對硬基板3進(jìn)行預(yù)熱，后設(shè)置 焊接參數(shù)，最后啟動焊機(jī)焊接，焊接過程中軟螺柱1旋轉(zhuǎn)，向下進(jìn)給，軟螺柱1與燕尾孔2的下 端面接觸后施加摩擦壓力，軟螺柱1與燕尾孔2的下端面摩擦產(chǎn)熱；
[0025] 步驟四：塑性變形的軟螺柱1金屬填充燕尾孔2,軟螺柱1急停、頂鍛，完成焊接。
[0026] 步驟五:關(guān)閉焊機(jī)電源，待焊件溫度降至室溫后關(guān)掉保護(hù)氣開關(guān)，取出焊件，完成 焊接。
[0027] 實(shí)施例1，W焊接(plOmm*綿成m的7052侶合金實(shí)屯、螺柱，50mm*50mm巧0mm的45#鋼 的焊接接頭成品為例：
[002引步驟一：在鋼板上設(shè)計(jì)燕尾孔，孔深8mm，孔的上端面直徑13mm，下端面直徑16mm， 下端面圓弧過渡曲率半徑為ip5mm，避免應(yīng)力集中。
[0029] 步驟二:將設(shè)計(jì)好的侶螺柱、鋼板、加熱板分別裝夾在預(yù)定位置；
[0030] 步驟Ξ:開啟保護(hù)氣，使得接頭處在保護(hù)氣氛圍下，后開啟加熱板對板材預(yù)熱。
[0031] 步驟四：設(shè)置焊接參數(shù)，啟動侶螺柱旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為2000r/min，向下進(jìn)給速度為1mm/ s，螺柱與板材接觸后施加摩擦壓力70MPa，螺柱與板材摩擦產(chǎn)熱，摩擦?xí)r間為3s;塑性變形 的侶合金螺柱填充燕尾孔。
[0032] 步驟五:螺柱急停、頂鍛，頂鍛壓力為120MPa，頂鍛壓力維持5s。
[0033] 步驟六:關(guān)閉焊機(jī)電源，等焊件溫度降至室溫關(guān)掉保護(hù)氣開關(guān)，取出焊件，完成焊 接。
[0034] 焊接效果如圖3所示。其中塑性變形的金屬恰好填充燕尾孔與螺柱和燕尾孔之間 的孔隙時(shí)為最佳孔徑與孔深。而合適的孔徑與孔深是保證形成機(jī)械連接接頭的關(guān)鍵。若選 用的燕尾孔孔徑或孔深過小會造成:多余的塑性變形的金屬堆積于燕尾孔下端面阻礙軟螺 柱與硬基板的摩擦冶金過程，降低接頭強(qiáng)度。反之若選用的燕尾孔孔徑或孔深過大會造成 焊接結(jié)束時(shí)塑性變形的金屬不足W充滿燕尾孔，導(dǎo)致不能形成機(jī)械鎖死結(jié)構(gòu)，無法在接頭 冶金結(jié)合失效時(shí)保證接頭的強(qiáng)度。
[0035] 實(shí)施例2,運(yùn)種軟螺柱-硬基板摩擦焊方法也可用于焊接空屯、螺柱-板材。W焊接 80mm長的外徑16mm，內(nèi)徑10mm的3003侶合金空屯、螺柱，50mm*50mm*20mm的45#鋼的焊接接頭 成品為例：在45#鋼板上設(shè)計(jì)燕尾孔孔深8mm，孔的上端面直徑18mm，下端面直徑22mm，下端 面圓弧過渡曲率半徑為φΑιηηι，避免應(yīng)力集中。焊接參數(shù)為轉(zhuǎn)速1600r/min，向下進(jìn)給速度為 Imm/s，螺柱與板材接觸后施加摩擦壓力80MPa，螺柱與板材摩擦產(chǎn)熱，摩擦?xí)r間為5s，頂鍛 壓力為150MPa，頂鍛壓力維持5s。焊接效果如圖4所示。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種應(yīng)用于軟螺柱-硬基板的摩擦焊方法，所述的軟螺柱-硬基板中硬基板與軟螺柱 之間的硬度值差HBSi廳K-HBS_K2 20，其特征在于，包括如下步驟： 步驟一，在硬基板的待焊端面開燕尾孔，燕尾孔的上、下端面均采用圓弧過渡，將軟螺 柱與硬基板安裝在工作臺上； 步驟二:先通保護(hù)氣，后對硬基板進(jìn)行預(yù)熱； 步驟三:設(shè)置焊接參數(shù)，在保護(hù)氣氛圍下完成焊接。2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟一中，當(dāng)軟螺柱的直徑d小于IOmm時(shí)，燕 尾孔上端面直徑為I. Id~1.5d，下端面直徑為1.4d~3d;當(dāng)軟螺柱直徑為10~30mm時(shí)，燕尾 孔上端面直徑為I. Id~1.3d，下端面直徑為1.2d~2d;當(dāng)軟螺柱直徑在30mm以上時(shí)，燕尾孔 上端面直徑為1.05d~1.2d，下端面直徑為1.05d~1.4d。3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟一中，當(dāng)硬基板的板材厚度δ小于5mm時(shí)， 燕尾孔的孔深為0.5~0.85δ，硬基板的板材厚度δ為5~30mm時(shí)，燕尾孔的孔深為0.3~0.7 δ，硬基板的板材厚度δ為30mm以上時(shí)，燕尾孔的孔深為0.1~0.4δ。4. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟一中，燕尾孔的下端面圓弧過渡處曲率 半徑大于φ3ηιηι。5. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟二中，保護(hù)氣選用氬氣或氦氣，或氬氣和 二氧化碳的混合氣體。6. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟二中，對硬基板進(jìn)行加熱采用的熱源為 加熱板、感應(yīng)熱源、電弧或激光中的任意一種。7. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟三中，焊接參數(shù)如下：轉(zhuǎn)速為1000~ 3000r/min，摩擦壓力為60~150MPa，摩擦?xí)r間為1~10s，頂鍛壓力為90~250MPa，頂鍛時(shí)間 為1~IOs，給進(jìn)速度為0.5~2.5mm/min。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種應(yīng)用于軟螺柱-硬基板的摩擦焊方法。其步驟為：在硬基板的待焊端面開燕尾孔，燕尾孔的上、下端面均采用圓弧過渡，將軟螺柱與硬基板安裝在工作臺上；先通保護(hù)氣，后對硬基板進(jìn)行預(yù)熱；設(shè)置焊接參數(shù)，在保護(hù)氣氛圍下完成焊接。本發(fā)明增加了預(yù)熱，加熱熔點(diǎn)較高的金屬，促進(jìn)焊接界面的元素?cái)U(kuò)散，同時(shí)，采用特殊的接頭結(jié)構(gòu)使得接頭焊后結(jié)構(gòu)鎖死，大大提高了結(jié)合強(qiáng)度。
【IPC分類】B23K20/12, B23K20/24, B23K33/00
【公開號】CN105522274
【申請?zhí)枴緾N201610070129
【發(fā)明人】周琦, 劉玲丹, 姚峰, 彭勇, 王克鴻, 周傳昆, 陶娟, 黃 俊, 郭鴻鵬
【申請人】南京理工大學(xué)
【公開日】2016年4月27日
【申請日】2016年2月1日