一种同步优化异种金属摩擦焊接头成形成性行为的工艺制造技术

本发明专利技术涉及异种金属材料摩擦固相连接技术领域，特别是涉及一种同步优化异种金属摩擦焊接头成形成性行为的工艺。针对常规的旋转摩擦焊接和线性摩擦焊接技术，通过确立两种待连接金属高温屈服强度的相交区域给定摩擦压力参考值，并基于获取的温度信息和焊接过程中飞边形成的可视化信息，优化影响摩擦速率的其他工艺参数，最终实现焊接过程中界面两侧金属同步诱发塑性变形和流动，提升接头成形完整性并同时强化界面机械和冶金结合。这种工艺优化方法具有适用性广、目的性强、操作简单、不可控因素少等优点，显著提高了接头形性完整性。显著提高了接头形性完整性。显著提高了接头形性完整性。

【技术实现步骤摘要】
一种同步优化异种金属摩擦焊接头成形成性行为的工艺


[0001]本专利技术涉及金属材料的摩擦固相连接
，特别涉及一种适用于改善高温强度有交集的异种金属旋转或线性摩擦焊接头成形与性能的工艺优化方法。

技术介绍

[0002]公开该
技术介绍
部分的信息仅仅旨在增加对本专利技术的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
[0003]现代工程应用中高性能结构的制造离不开异种材料的连接，特别是双金属复合构件的连接。双金属复合构件，在满足结构设计多样化需求的同时，能够充分发挥两者在性能上和经济上的优势互补，在汽车制造业、航空航天制造和轨道交通领域具备广阔的应用前景。目前，通过摩擦焊接技术实现异种金属之间的永久焊合，是制备双金属复合构件的主要工艺手段之一。而异种金属在热物理和机械性能上的差异，对如何获取形性优良的异种金属摩擦焊接头提出了巨大挑战。
[0004]与铝/钢、镁/钢或钛/铝等大差异异种金属组合不同，异种铝合金、异种高温合金、铝/镁或者钛/钢等异种金属组合，由于物性参数接近或高温强度存在交集，理论上采用单一的摩擦焊接技术可以得到成形和性能良好的异种接头。众所周知，在异种金属摩擦焊接微观连接机理上，一定高的温度和压力，并伴随着塑性变形，共同促使了两侧金属的紧密接触，为冶金结合创造有利的热力条件。其中摩擦驱动下的塑性变形和流动，一方面可以促进界面两侧的宏观/微观机械咬合，另一方面也强化了晶格间空位密度或位错缺陷等加速金属原子扩散和迁移的因素，将有利于界面冶金结合。由此可见，在金属摩擦焊接过程中，如何设计工艺参数匹配，达到一定热力条件下的塑性流动对接头的成形成性至关重要。特别地，对于异种同系合金或钛/钢等具有高温强度交集的两种金属之间，接头的优良成形和性能与两侧金属的塑性变形密切关联。目前，尽管对于异种同系合金，如异种高温合金或钛/钢异种非同系合金，国内外研究者已经报道了大量的摩擦焊接试验，并且获取了力学性能良好的接头。但不难发现，现有试验研究中工艺参数的优化多借鉴同种金属摩擦焊接研究经验，采用大量参数化实验设计试错性地探索优化的工艺参数窗口范围，存在一定盲目性，不利于工程化应用；不同的异种金属摩擦焊接优化参数相互之间可借鉴性差。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于设计一种适用于异种同系合金或异种非同系金属，如钛/钢等高温强度存在交集的摩擦焊接工艺参数优化方法，并制定相应的连接工艺，解决现有工艺参数优化存在盲目性和工程化应用困难的问题。
[0006]为实现上述技术目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]第一步：将两种金属材料的高温屈服强度与变形温度的关系汇成工艺图，得到高温条件下屈服强度交叉的区域，即：异种金属高温强度相交域；
[0008]第二步：将所述相交域对应的屈服强度上限和下限的平均值作为摩擦焊接参数的压力参考值，保持不变；优化摩擦速率，避免产热低造成两侧金属均不变形；或避免产热高，导致焊接区温度高于相交域温度上限，使偏软金属变形；
[0009]第三步：在旋转或线性摩擦焊接机器设备上设定摩擦压力参数和轴向缩短量，保持不变；设定影响摩擦速率的转速或振动参数；在焊接区域外侧实时捕捉界面边缘温度信息；启动焊接过程，从低到高反复调试摩擦速率改变热输入，记录与高温强度相交域的温度上下限相对应的转速或者振动参数范围，最终确定优化的工艺参数窗口。
[0010]本专利技术研究发现，特别针对高温强度存在交集的异种金属摩擦焊接，从高温强度
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变形温度
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摩擦压力的基础关系出发，合理规划工艺参数匹配，促进两侧金属的协同塑性变形(或缩小两侧宏观塑性变形差异)，可以获得完整性更高的宏观成形；同时，在热、力和塑性变形的共同作用下，最大程度地激活待焊两侧金属工件摩擦表面区域的原子活动行为，优化界面冶金结合条件。为实现上述目的，本专利技术提出了基于异种金属高温强度相交域设计摩擦焊接工艺参数，进而优化异种金属摩擦焊接头成形成性的工艺方法。
[0011]本专利技术的有益效果在于：
[0012](1)基于异种金属高温强度相交域确定摩擦压力参考值，避免了工艺参数优化过程中压力变化带来的不确定性；基于高温强度相交域的温度限定范围优化影响摩擦速率的其他工艺参数，降低了盲目性。通过一定摩擦压力下优化的转速或者振动频率参数窗口，能够实现异种金属摩擦面两侧的协同塑性变形行为，有利于原始摩擦表面的挤出，消除塑性变形不充足或者单侧变形造成的孔隙、空洞、夹杂物等宏观缺陷；充分激活界面两侧原子活动行为，加速原子级别的冶金结合，整体地提升摩擦界面结合性能。
[0013](2)本申请的方法具有适用性广、目的性强、操作简单、不可控因素少等优点，显著提高了接头形性完整性。
附图说明
[0014]构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。
[0015]图1为本专利技术设计的异种金属高温屈服强度相交域示意图；
[0016]图2为本专利技术设计的确定摩擦焊接参数优化范围依据示意图；
[0017]图3为基于本专利技术设计的优化原理下异种金属变形特征与高温强度和温度的关系示意图；
[0018]图4为具体实例中，基于高温强度相交域优化的异种高温合金线性摩擦焊接头和异种钢旋转摩擦焊接头。
具体实施方式
[0019]应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本专利技术提供进一步的说明。除非另有指明，本专利技术使用的所有技术和科学术语具有与本专利技术所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0020]一种同步优化异种金属摩擦焊接头成形成性行为的工艺方法，包括：
[0021]步骤一：获取异种金属高温强度相交域
[0022]采用物理模拟试验或材料参数计算软件求解的办法将两种金属材料的高温屈服强度与变形温度的关系汇成工艺图，得到高温条件下屈服强度交叉的区域。
[0023]步骤二：设计焊接工艺参数匹配及优化方法
[0024]首先根据步骤一得到的异种金属高温强度的相交域，能基本确定促使两种金属在相同热力作用下塑性变形的温度范围。将相交域对应的屈服强度上限和下限的平均值作为摩擦焊接参数的压力参考值，保持不变；仅需要优化摩擦速率，避免产热低造成两侧金属均不变形；或避免产热高，导致焊接区温度高于相交域温度上限，仅偏软金属变形；因此，采用在后续摩擦焊接中采用红外成像技术实时获取变形后的摩擦界面边缘温度作为产热高低的判据优化摩擦速率。
[0025]步骤三：启动摩擦焊接过程和确定优化参数窗口；
[0026]在旋转或线性摩擦焊接机器设备上设定摩擦压力参数和轴向缩短量，保持不变；设定影响摩擦速率的转速或振动参数(初始值高低并不影响最终工艺窗口的优化)；在焊接区域外侧安装红外热成像仪实时捕捉界面边缘温度信息；启动焊接过程，从低到高反复调试摩擦速率改变热输入，记录与高温强度相交域的温度上下限本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种同步优化异种金属摩擦焊接头成形成性行为的工艺，其特征在于，包括：将两种金属材料的高温屈服强度与变形温度的关系汇成工艺图，得到高温条件下屈服强度交叉的区域，即：异种金属高温强度相交域；将所述相交域对应的屈服强度上限和下限的平均值作为摩擦焊接参数的压力参考值，保持不变；优化摩擦速率，避免产热低造成两侧金属均不变形；或避免产热高，导致焊接区温度高于相交域温度上限，使偏软金属变形；在旋转或线性摩擦焊接机器设备上设定摩擦压力参数和轴向缩短量，保持不变；设定影响摩擦速率的转速或振动参数；在焊接区域外侧实时捕捉界面边缘温度信息；启动焊接过程，从低到高反复调试摩擦速率改变热输入，记录与高温强度相交域的温度上下限相对应的转速或者振动参数范围，最终确定优化的工艺参数窗口。2.如权利要求1所述的同步优化异种金属摩擦焊接头成形成性行为的工艺，其特征在于，采用常规热压缩物理模拟机，或者高温压缩试验设备，或者热物性参数模拟分析软件确定金属屈服强度和温度的关系；优选地，热物性参数模拟分析软件为JmatPro或ThermoCal。3.如权利要求1所述的同步优化异种金属摩擦焊接头成形成性行为的工艺，其特征在于，金属屈服强度和温度的关系涉及的应变速率范围为0.001
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10s
‑1，温度范围下限为低熔点金属的熔点的0.4～0.6倍，上限为低熔点金属的熔点。4.如权利要求1所述的同步优化异种金属摩擦焊接头成形成性行为的工艺，其特征在于，所述相交域中屈服强度采用不同应变速率和温度下的峰值应力。5.如权利要求1所述的同步优化异种金属摩擦...

【专利技术属性】
技术研发人员：耿培皓，马宏，秦国梁，王鸣翔，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：