一種以高硬度金屬摩擦堆焊低硬度金屬的裝置及方法
【技術領域】
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[0001]本發明屬于固相焊接領域，特別是一種以高硬度金屬摩擦堆焊低硬度金屬的裝置及方法。
【背景技術】
[0002]摩擦堆焊是一種利用摩擦熱使金屬連接局部區處于熱塑性狀態實現焊接/焊敷的先進金屬加工技術，摩擦堆焊具有低能耗、無污染高效率、加工質量好等優點表面耐磨、抗腐蝕的金屬都可以用摩擦焊敷技術來獲得無稀釋、結合完整性極高的焊敷層，摩擦堆焊技術在耐磨件的制造與修復方面應用前景廣闊，摩擦堆焊技術不限于焊接技術領域，還可廣泛拓寬其應用范圍，在摩擦乳制零件快速制造、復合金屬制備和金屬再利用加工等方面有巨大的開發潛力。
[0003]目前高硬度金屬堆焊低硬度金屬的方法還鮮有研究，有國外學者M.CHANDRASEKARAN在低碳鋼摩擦堆焊鋁合金實驗中，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現低碳鋼與鋁的摩擦堆焊。這種方法能夠實現對高硬度金屬首次預熱，可以預先使高硬度金屬軟化，實現不同硬度金屬之間的焊接，但是這種方法的高溫持續時間較短，后續不能繼續通過摩擦加熱，而無法實現連續的堆焊，而且在預先摩擦軟化不夠，容易使鋼變成銑刀把鋁銑出一條溝槽，這種方法無法實現溫度的精確控制而且浪費金屬，效率低。
[0004]M.J.R.Stegmueller學者在鋼摩擦堆焊鋁實驗中采用了感應加熱線圈加熱鋼棒使鋼軟化再進行摩擦堆焊，這種方法可以實現鋁鋼的焊接，但是它無法精確控制鋼棒的溫度，而且也沒有冷卻鋁板的溫度裝置，從而其采用厚鋁板來防止鋼棒把鋁板銑掉。
[0005]哈爾濱工業大學張洪濤采用CMT熔-釬焊方法對硬度相差較大的鋁-鋼進行了研究，鋁/鍍鋅鋼板CMT熔-釬焊搭接接頭的界面組織分析表明，接頭界面主要由兩類不同化合物相組成，分別是靠近鋼側厚度均勻的Fe2Aljg和靠近鋁側針片狀的FeAl 3相，說明這種傳統的熔焊方法無法阻止鋁鋼金屬間化合物的產生而會形成脆性相。
【發明內容】
[0006]本發明的目的在于提供一種高硬度金屬摩擦堆焊低硬度金屬的裝置及方法。
[0007]本發明為提供一種高硬度金屬摩擦堆焊低硬度金屬的裝置提供的技術方案是:
[0008]—種高硬度金屬摩擦堆焊低硬度金屬的裝置包括:
[0009]動力裝置，其能夠使高硬度金屬發生轉動并給予壓力；
[0010]—摩擦輪加熱裝置被高硬度金屬穿過，且設置在距高硬度金屬的焊接端15mm-25mm處，且固連在動力裝置上；動力裝置在高速旋轉時感應加熱線圈不隨動力裝置旋轉；
[0011]以及一覆有銅層的冷卻裝置，在的銅層上放置低硬度金屬；
[0012]其中，在預備階段，高硬度金屬與低硬度金屬無接觸且無水平方向位移；在摩擦加熱階段，動力裝置使得高硬度金屬與低硬度金屬接觸但無水平方向位移；在摩擦堆焊階段，動力裝置使得高硬度金屬與低硬度金屬接觸且在水平方向發生線性運動。
[0013]高硬度金屬可為棒材，長度為75?200mm，直徑為15mm?30mm，低硬度金屬可為板材，其上覆蓋的銅層厚度為5mm。
[0014]該動力裝置可以提供最大壓力為30MPa，提供的最大焊接速為200mm/min，最大的轉速為 1500r/min。
[0015]優選的，該摩擦焊接裝置能夠設置在工作臺上，且動力裝置上設有控制器。
[0016]在摩擦輪分體加熱裝置上設有溫度傳感器。摩擦輪分體加熱裝置上設有溫度傳感器，摩擦輪提供的力最大為20KN，可以根據不同高硬度金屬的塑性溫度值在外部加熱和摩擦加熱雙重加熱條件下調節溫度，防止金屬過熱和溫度不夠。
[0017]冷卻裝置在水平方向設有能夠通過冷卻介質的通孔。通入的冷卻介質溫度在-5°C?10°C，速度在lm/min?3m/min之間可調。通過流動的冷卻介質從而冷卻低硬度金屬使其保持剛度且形成溫度梯度。
[0018]優選的，通過設置壓緊塊限制低硬度金屬發生位移。
[0019]基于上述裝置，本發明提供一種高硬度金屬摩擦堆焊低硬度金屬方法，包括具體步驟如下:
[0020]步驟(I)，啟動摩擦輪分體加熱裝置對高硬度金屬末段加熱，將高硬度金屬(5)的塑性溫度加熱到預熱溫度T，將高硬度金屬的塑性溫度加熱到預熱溫度T，所述預熱溫度T的溫度區間為?\〈預熱溫度Τ〈Τ2;所述的T力90%低硬度金屬塑性溫度區間上限，T 2為高硬度金屬的塑性溫度區間上限，通過改變施加在摩擦輪分體加熱裝置的兩片摩擦輪上的力改變摩擦溫度的大小，在加熱到預定的溫度時，加熱電源會自動切斷電源；
[0021]步驟(2)，冷卻裝置通入溫度在-5 °C?10 °C的冷卻介質，通入速度在lm/min?3m/min 之間；
[0022]步驟(3)，將高硬度金屬與低硬度金屬接觸，在轉速為400r/min?1400r/min，壓力為IMPa?1MPa的條件下驅動高硬度金屬與低硬度金屬相對靜止摩擦；
[0023]步驟⑷，當高硬度金屬末段達到塑性溫度時，同時在10mm/min?200mm/min的水平焊接速度下，驅動高硬度金屬與低硬度金屬相對運動，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的堆焊層。
[0024]所述的高硬度金屬與低硬度金屬的硬度差HV>30。
[0025]本發明相對于現有技術具有以下顯著的優點:
[0026]1、本發明通過高硬度金屬預熱，低硬度金屬降溫的雙重措施，實現高硬度金屬與低硬度金屬摩擦堆焊過程中的金屬剛度和軟化狀態控制；2、通過控制不同的加熱溫度從而擴大高硬度金屬與低硬度金屬之間的選擇范圍；3、極限稀釋率及其范圍可控，可降低不同金屬固相焊接的金屬間化合物；4、焊接過程連續可控性好，采用摩擦輪加熱是一種節能且環保的加熱方式，焊接過程中通過控制施加的力來控制溫度的高低。
[0027]圖1是本發明的高硬度金屬摩擦堆焊低硬度金屬裝置的結構示意圖；
[0028]圖2為實施例2中的A3鋼摩擦堆焊T2純銅的摩擦堆焊效果圖；
[0029]圖3為實施例2中的A3鋼摩擦堆焊T2純銅的結合面掃面電鏡圖；
[0030]圖4為實施例2中的A3鋼摩擦堆焊T2純銅的SEM線掃描元素相對含量圖；
[0031]圖5為實施例3中的A3鋼摩擦堆焊T2純銅的摩擦堆焊的效果圖。
[0032]其中，1:工作臺；2:水冷裝置；3:銅板；4:低硬度金屬；5:壓緊塊；6:高硬度金屬；7:摩擦輪分體加熱裝置；8:動力裝置。
【具體實施方式】
[0033]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明做進一步詳細描述。
[0034]如圖1，一種高硬度金屬摩擦堆焊低硬度金屬的裝置，包括:動力裝置8，其能夠使高硬度金屬6發生轉動并給予壓力；
[0035]高硬度金屬6設置在摩擦輪分體加熱裝置7內，摩擦輪分體加熱裝置7固連在動力裝置8上；對高硬度金屬采用了特殊外部感應加熱裝置，可以實現金屬的局部加熱，只加熱金屬的端部，在保證金屬局部產生軟化的同時可以保證金屬上部分的剛度從而保證摩擦堆焊過程中的壓力；
[0036]以及一覆有銅層的冷卻裝置2，在的銅層上放置低硬度金屬4 ;
[0037]其中，在預備階段，高硬度金屬6與低硬度金屬4無接觸且無水平方向位移；在摩擦加熱階段，動力裝置8使得高硬度金屬6與低硬度金屬4接觸但無水平方向位移；在摩擦堆焊階段，動力裝置8使得高硬度金屬6與低硬度金屬4接觸且在水平方向發生線性運動。
[0038]該摩擦焊接裝置設置在工作臺I上，且動力裝置8上設有控制器。
[0039]在摩擦輪加熱裝置7上設有溫度傳感器。所述的摩擦輪采用分體式設計，摩擦輪通過兩個輪片從兩邊施加壓力使其與高硬度金屬摩擦產熱，可以提供的最大壓力為2KN，可以根據不同高硬度金屬6的塑性溫度值在外部加熱和摩擦加熱雙重加熱條件下調節溫度，防止金屬過熱和溫度不夠。對焊接過程中的溫度進行測量和控制，針對不同的金屬加熱裝置可以控制不同的加熱溫度從而擴大高硬度金屬與低硬度金屬之間的選擇范圍。
[0040]冷卻裝置2在水平方向設有能夠通過冷卻介質的通孔。通過設置壓緊塊5限制低硬度金屬4發生位移。
[0041]實施例1
[0042]本實施例采用上述裝置進行制備，用A3鋼摩擦堆焊LY12鋁合金金屬，A3鋼的硬度為HV165，LY12鋁合金的硬度為HV120，摩擦輪分體加熱裝置7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I上，試驗中A3鋼棒的尺寸為Φ 20mm, LY12招板的尺寸為300mm*150mm*6mm，焊接過程具體步驟如下:
[0043]步驟(I)，啟動摩擦輪分體加熱裝置7對A3鋼棒末段加熱，調節兩輪片之間的壓力為800N，且將動力裝置轉速調為800r/min，將A3鋼棒的溫度加熱到預熱溫度500°C。對A3鋼棒末段預熱在起到預熱鋼棒溫度的同時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