[发明专利]一种异种金属旋转摩擦焊方法

说明书

本发明公开了一种用于异种金属旋转摩擦焊的包套结构及旋转摩擦焊方法，所述的包套结构为圆柱钢材加工而成的圆柱套筒，所述圆柱套筒内壁加工有内螺纹；旋转摩擦焊时，异种金属棒材端部具有的外螺纹同包套结构的内螺纹螺纹连接，钢棒材端面和包套结构的钢材质端面接触旋转摩擦。本发明所述的用于异种金属旋转摩擦焊的包套结构及旋转摩擦焊方法，大幅降低了因异种金属高温性能差异巨大导致的塑性变形不均，从而减小了焊缝区残余应力和彻底清除了钢表面的氧化物夹杂，包套结构还能够起到模子约束金属的作用，进而提高了焊接质量。同时，还大幅降低了焊接过程对设备能力的要求。

技术领域

本发明涉及一种用于异种金属摩擦焊的包套结构以及使用该包套结构的钛或钛合金与钢的旋转摩擦焊方法。

背景技术

目前，钛或钛合金具有高的比强度，优异的抗腐蚀性以及良好的加工性，广泛应用于宇航、医疗、冶金等领域，被称为当代新崛起的第三金属。但限制钛合金应用推广的首要问题是价格昂贵。而钢材，包括碳素钢、合金钢、不锈钢等价格相对低廉，是工业领域中应用最为广泛的结构材料之一。钛或钛合金与钢材的双金属复合构件，能充分发挥二者在性能上与经济上的优势互补，在航空航天、船舶制造及核工业领域有着广阔的应用前景。

摩擦焊作为一种低温、高效的固相连接方法，在新材料连接、高性能装备制造等领域受到了高度重视，特别适用于结构、功能一体化的异质材料组配高强接头的连接。但由于钛钢复合构件属于典型的异质金属的连接，因二者物性参数如熔点(钛：1660℃，铁：1535℃)，线膨胀系数(钛：8.9×10-6℃-1，铁： 11.8×10-6℃-1)，以及高温下屈服强度(700℃下钛：89MPa，铁：206MPa) 相差较大，导致摩擦焊中飞边仅在钛合金一侧产生，而钢一侧界面几乎没有变形，这使得一方面接头中钢表面的氧化物和夹杂无法彻底挤出，另一方面接头成形界面严重弯曲产生较大焊后残余应力，这些因素的共同作用导致二者接头的焊接质量难以保证。另外，对于钛钢组配，一般需要采用强规范工艺焊接，对设备的能力要求较高。

文献“Effect of friction time on mechanical and metallurgicalproperties of continuous drive friction welded Ti6Al4V/SUS321joints,P Li,JLLi,M Salman,L Li,JT Xiong,FS Zhang,Material&design,2014,56:649-656”公开了了一种 Ti6Al4V钛合金与SUS321不锈钢直接旋转摩擦焊的方法，接头形成的飞边大部分产生在Ti6Al4V钛合金一侧，图1和图2所示分别为该组配接头的典型宏观外貌和接头截面形貌，其严重的不对称变形和弯曲界面特征难以保证整个接头力学性能的完整性。接头强度最高时，焊接过程采用的摩擦压力和顶锻压力分别为184MPa和330MPa。

专著《压焊方法及设备,赵熹华,冯吉才,机械工业出版社,2005》指出，对于该类高温性能差异较大的异质组配接头问题的解决，目前大多采用的是设计专用的模子用来约束软金属，在摩擦加热过程中，随摩擦加热时间延长，接头温度升高，模子约束使得摩擦变形层向钢一侧移动促使钢产生变形。该装置针对不同尺寸的工件需要定制专门的卡具，工装复杂且成本较高，不利于工业应用。

申请号为CN201110330877.3的发明专利公开了一种摩擦焊预热机构，通过该机构实现工件待焊部位的整体加热，从而降低变形抗力来提高接头变形程度，然而该预热机构需要专门的设计，且对设备的和制造及安装尺寸有特殊要求，导致其通用性不强，难以广泛普及和应对焊接组配的多样性要求。