[发明专利]一种同步优化异种金属摩擦焊接头成形成性行为的工艺

说明书

本发明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。

技术领域

本发明涉及金属材料的摩擦固相连接技术领域，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。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，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。

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。

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。

发明内容

本发明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。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

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；

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；

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。