（材料加工工程专业论文）铜与不锈钢摩擦焊接头的形成机理及其性能控制研究.pdf

中文摘要 论文题目：铜与不锈钢摩擦焊接头的形成机理及其性能控制研究 专业：材料加工工程 硕士生：郗祥远( 签名) 盆邋 指导教师周勇( 签名) f 雪豸 摘要 铜和不锈钢作为两种重要的金属材料，广泛应用于航空、石油、军工等行业的各个 制造部门。由于其特殊的物理性能和高温机械性能，这二种材料的焊接一直是一个难题， 近年来为了获得高质量的焊接接头，摩擦焊成为了焊接异种材料的主要方法之一。 为了研究分析铜和不锈钢材料的形成机理理论，探讨摩擦焊接新工艺，本文进行了 变化摩擦时间的中断试验及其变化其它工艺参数( 顶锻压力、摩擦压力及工进速度) 的 摩擦焊试验。对中断后的接头通过相关测试手段( v m e 视频显微仪观察接头宏观断口 形貌、金相显微组织分析等) ，观察铜与不锈钢摩擦焊接头在不同时刻的形成特点，提出 了铜和不锈钢摩擦焊接头的形成机理理论，主要包括塑性变形层的扩展规律研究以及接 头的形成过程分析。根据工艺参数变化的试验数据和结果分析，提出各工艺参数变化对 接头质量的影响规律，为铜和不锈钢摩擦焊接选择参数时提供理论依据。在此基础上， 对直径为每1 4 r a m 的h 6 2 黄铜和1 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢的摩擦焊进行焊接工艺评定，包括工 艺参数的匹配与选择、金相显微组织观察以及接头性能试验等，为铜和不锈钢摩擦焊接 提供了试验依据。 本文在最后根据铜和不锈钢摩擦焊接头的形成机理及工艺参数对接头质量的影响规 律，对紫铜与纯镁进行了摩擦焊试验，结果证明，上述得出的结论对其它异种材料的摩 擦焊接有着同样的指导意义。 关键词：铜与不锈钢摩擦焊机理性能控制 论文类型：应用研究 i i 英文摘要 s u b j e c t ：as t u d yo nf o r m i n gm e c h a n i s ma n dp r o p e r t i e sc o n t r o lo fc o p p e r - s t a i n l e s s s t e e lf r i c t i o nw e l d i n gj o i n t s p e c i a l i t y ：m a t e r i a lp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g n a m e ： l n s t r u c t o r ： a b s r r a c i c o p p e ra n d s t a i n l e s ss t e e la st w ok i n d s o fi m p o r t a n tm e t a l m a t e r i a l s ，a p p l i c a t e d e x t e n s i v e l yi np e t r o l e u m ，a v i a t i o n ，m i l i t a r yi n d u s t r y o na c c o u n to fm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n d c o m p o s i t i o no fm a t e r i a l s a r ev e r yd i f f e r e n t ，t h ew e l d i n go ft h i st w om a t e r i a l sb e c a m ea d i f f i c u l tp r o b l e mf o ral o n gt i m e i nl a t e ry e a r s ，i no r d e rt oo b t a i nh i g hq u a n t i t yw e l d e dj o i n t ， t h ef r i c t i o n w e l d i n gt e c h n i q u ei sr e g a r d e do fm o s t l yw a y sf o rt h ew e l d i n go fd i s s i m i l a r m a t e r i c a l s i no r d e rt or e s e a r c ht h ef o r m i n gm e c h a n i s mo fc o p p e r - s t a i n l e s ss t e e lf r i c t i o nw e l d i n ga n d d i s c u s st h en e wt e c h n o l o g yo ft h ef r i c t i o nw e l d i n g ，t h ef r i c t i o nw e l d i n ge x p e r i m e n tw a sd o n e ， i n c l u d i n gt h ei n t e r r u p t i o ne x p e r i m e n tw i t hd i f f e r e n tt h ef r i c t i o nt i m ea n dt h ee x p e r i m e n to f c h a n g et h ep a r a m e t e r s ( t h ef o r g ep r e s s u r e ，t h ef r i c t i o np r e s s u r e ，t h em o v es p e e d ) t h ej o i n to f f r i c t i o n w e l d i n g a f t e r i n t e r r u p t i o ne x p e r i m e n t w a st e s t e d b yv m ev i d e of r e q u e n c y m i c r o a p p a r a t u sa n dm i c r o s t r u c t u r ea n a l y s i sa n do b s e r v e dt h ej o i n t sf o r m i n gc h a r a c t e r i s t i ci n d i f f e r e n tt i m e t h ef o r m i n gm e c h a n i s mo fc o p p e r - s t a i n l e s ss t e e lf r i c t i o nw e l d i n gj o i n tw a s p r o p o s e d ，i n c l u d i n gt h er e s e a r c ho ft h ed i s t o r t i o nl a y e rs p r e a dr u l e sa n dt h ea n a l y s i so ft h e j o i n t sf o r m i n gp r o c e s s t h r o u g ht h er e s u l ta n dt h ed a t aa n a l y s i so ft h ed i f f e r e n tp a r a m e t e r s e x p e r i m e n t ，r e c e i v e dp a r a m e t e r sc h a n g et oj o i n tq u a n t i t y si n f l u e n c er u l e s ，a sat h e o r yb a s i s w h e nt h ef r i c t i o nw e l d i n go fc o p p e r - s t a i n l e s ss t e e lc h o o s e sp a r a m e t e r s o nt h eb a s i so f a n a l y s i sa n dr e s e a r c h ，t h ef r i c t i o nw e l d i n gt e c h n o l o g ya s s e s so f0 1 4 m mh 6 2c o p p e ra n d 1 c r l 8 n i 9 t is t a i n l e s ss t e e lw a sc o m p l e t e d ，i n c l u d i n gt h et e c h n o l o g yp a r a m e t e r s m a t c h i n ga n d c h o i c e 、m i c r o s t r u c t u r ea n a l y s i sa n dt h ew e l d e dj o i n tp r o p e r t i e st e s t i tw a sai m p o r t a n t e x p e r i m e n tr e f e r r e n c ef o rc o p p e r - s t a i n l e s ss t e e lf r i c t i o nw e l d i n g o nt h eb a s i so ft h ef o r m i n gm e c h a n i s mt h e o r yo fc o p p e r - s t a i n l e s ss t e e lf r i c t i o nw e l d i n g j o i n ta n dt h ep a r a m e t e r sc h a n g et oj o i n tq u a n t i t y si n f l u e n c er u l e s ，t h ef r i c t i o nw e l d i n go f c o p p e r - m a g n e s i u mw a sf i n i s h e d t h er e s u l tp r o v e dt h a ta b o v er e c e v i n gc o n c l u s i o n sh a v et h e s a m ei n s t r u c t i o n a ls i g n i f i c a n c ef o ro t h e rd i s s i m i l a rm e t a lm a t e r i a l s k e y w o r d s ：c o p p e ra n ds t a i n l e s ss t e e l ，f r i c t i o nw e l d i n g ，m e c h a n i s m ，p o r p e r t i e sc o n t r o l t h e s i s ：a p p l i c a t i o ns t u d y i i i 主要符号表 t l - 代表摩擦时间； f m 一代表摩擦压力； f d 一代表顶锻压力； v g 一代表滑台的工进速度 n 一代表主轴的旋转速度； 主要符号表 v i i 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：旌趋日期：垒! 堕：五：压 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、 复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与 该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大学。 论文作者签名： 导师签名：盟 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 近年来随着新材料、新结构的不断发展，对于应用摩擦焊接技术的要求也越来越多。 特别是在焊接异种金属时，由于摩擦焊热源的温度不超过低熔点金属的熔点，从而避免 了传统的熔化焊时由于金属熔化而引起的接头质量问题i l j 。同时，采用摩擦焊进行焊接 不需用填加物，可直接在两被焊金属之间进行，而且与真空电子束焊、扩散焊、钎焊相 比有着成本低、生产率高等优点。因此在金属焊接，特别是在异种金属焊接中正得到越 来越广泛的应用。 铜和不锈钢作为两种重要的金属材料，广泛应用于航空、石油、军工等行业的各个 制造部门。但由于其高温机械性能和物理性能相差很大，采用传统的熔化焊方法焊接时 易产生各种焊接缺陷，如热裂纹、渗透裂纹、接头未焊透等，用摩擦焊进行焊接避免了 上述问题，但两种金属之间的摩擦焊接性还需要进一步研究和探讨。国内外针对铜和不 锈钢材料的摩擦焊接头的形成机理已作了一些有价值的研究分析工作，国内目前专门对 于铜和不锈钢摩擦焊形成机理的研究还比较少，对于异种金属材料摩擦焊的接头形成特 点认为在两接头的形成过程中具有一定的“空间性”、“体积性”，不仅仅是纯粹的摩擦生 热、加压结合，同时认为两种材料的塑性变形层有一定的扩展规律 2 】：国外对于铜和不 锈钢的形成机理作了一些研究主要认为两接头在形成过程中要经历粘着阶段、铜内摩擦、 塑性变形层和高温区扩展等理论，它们对于本课题的研究有一定的借鉴和指导作用。目 前国内外的发展趋势之一是焊接大截面和非圆形截面工件，为了经济可靠的焊接大截面 和非圆形截面工件，不仅要求发展新工艺，而且要求采用功率小、结构简单和容易制造 的焊接设备。要想达到这方面的要求，就必须对摩擦焊接过程的机理进行研究，因此深 入开展这方面的研究工作是非常必要，也是非常有意义的。 1 2 课题的主要研究工作、目的及意义 研究工作：本课题主要以热物理性能和高温机械性能相差很大的铜和不锈钢材料为 研究对象，主要开展以下几方面的工作： 第一步：前期准备工作包括进行广泛的资料调研，掌握铜和不锈钢材料的物理性能、 化学成分以及高温机械性能等，同时掌握摩擦焊机的工作原理，能够熟练操作。 第二步：保压腔的相关知识的了解并针对具体试验进行保压腔的整体方案设计。 第三步：通过确定的铜与不锈钢焊接规范参数的大致范围，在优化试验设计方案基 础上进行摩擦焊接，对焊后接头进行质量评定试验，得出一组较为理想的焊接工艺参数。 第四步：在第三步的基础上，进行中断试验方案的设计以及对其它工艺参数进行调 强安石油犬学硕士学位论文 整变化的方案设计。 第五步：对中断试验后的接头通过相关测试手段( v m e 视频显微仪、金相显微组 织分析等) ，观察铜与不锈钢摩擦焊接头在不同时刻的形成特点，根据接头端面的成形特 征，结合所掌握的理论知识，得出铜和不锈钢摩擦焊接头形成机理理论。并在其它工艺 参数变化的试验的基础上，提出顶锻压力、摩擦压力及工进速度等对接头质量的影响规 律。 第六步：在形成机理探讨和研究各工艺参数变化与接头质量关系的基础上，得出几 组较合理的工艺参数匹配并进行施焊，对焊后接头进行力学性能评定、金相组织观察以 及显微硬度测试等试验，在综合分析、比较的基础上，得出一组最佳的参数匹配，提取 最佳性能控制方法。找出铜和不锈钢材料的工艺参数一组织结构一力学性能三者的相互 关系。 目的：通过中断试验以及其它焊接工艺参数变化的试验，根据相关试验结果和数据 分析，对铜和不锈钢摩擦焊接头的形成机理理论进行探讨性的研究、分析，并找出各参 数变化对接头质量的影响规律，作为铜和不锈钢摩擦焊试验时选择参数的理论依据。同 时，在此基础上再进行铜与不锈钢的摩擦焊试验，根据对焊后接头进行的相关性能评定 试验，在综合分析的基础上提取一组最佳的焊接工艺参数匹配，为上面分析得出的理论 提供试验上依据。最后给出一些在一定范围内具有普遍意义的选择铜和不锈钢焊接工艺 参数的指导性规则。 意义：对于铜和不锈钢摩擦焊接头的形成机理和性能控制研究不仅可以完善其形成 机理理论，对发展摩擦焊接新工艺、扩大异种材料摩擦焊的应用范围也有一定的促进作 用，具有相当的理论研究价值，同时从工程应用上来说，其研究成果可直接应用于工业 生产中，可以提高生产效率，且有利于摩擦焊的普及和发展，具有一定的经济和社会效 益。 1 3 课题来源 本课题的研究对象为军工产品和军转民产品中的铜和不锈钢材料的对接。 1 4 研究背景 1 4 1 摩擦焊方法简介 摩擦焊工艺是通过工件在压力下的相对摩擦运动产生热量，使工件接触端面产生塑 性变形，在高温和高压下，材料间进行相互扩散、渗透、再结晶，从而生成新的原予键 结合的接头，这种连接特性是属于固相热压焊的一种，在焊接过程中的力和热相互作用， 材料从加热、塑变、咬合到冷却，是个复杂的物理过程，具有高温、高压、动态和大 变形的特点【3 1 。 2 第一章绪论 摩擦焊是一种高效、优质、低成本的焊接工艺，尤其是在其它焊接工艺较难焊接的 高强、高温、高合金、及有色金属材料，同种或异种相联接的特殊工件中更显出其优越 性。 1 4 2 摩擦焊原理 图l l 是摩擦焊的基本形式，两个圆端面的金属工件摩擦焊接前，工件1 夹持在可 以旋转的夹头上，工件2 夹持在能够向前移动加压的夹头上。焊接开始时，工件l 首先 以高速旋转，然后工件2 向工件1 方向移动、接触，并施加足够大的摩擦压力，这时开 始了摩擦加热过程，摩擦表面消耗的机械能直接转换成热能。当通过一段选定的摩擦时 间，或达到规定的摩擦变形量( 即工件2 向前的摩擦位移量) ，即接头金属的摩擦加热温 度达到焊接温度以后，立即停止工件l 的转动，同时工件2 向前快速移动，对接头施加 更大的顶锻压力，使其产生一定的塑性变形量。压力保持一段时间以后，松开两个夹头， 取出焊件，全部焊接过程就此结束。通常全部焊接过程只要几秒钟1 4 j 。 ( 0 )( | 。) 图1 - 1 摩擦焊的基本形式简图 卜待焊工件：2 - 待焊工件：3 - 旋转夹头；4 - 移动夹头 i 一工件1 开始旋转：i i 一工件2 向旋转的工件1 移动、接触：i i i - l - 件2 向旋转的工件1 加压，摩擦 加热过程开始；一工件1 停止旋转，工件2 向工件1 加压顶锻焊接，一个焊接过程结束。 1 4 3 摩擦焊技术的应用与发展 a 摩擦焊技术的应用摩擦焊的大量应用是从六十年代后期开始的。在国外主 要着眼于经济性、生产率和质量，因此首先大量应用于焊接结构钢产品，现在摩擦焊的 应用已遍及许多工业部门。国内摩擦焊的发展比较迅速，在摩擦焊工艺、规范控制和专 业化集中生产、自动线生产方面也有比较高的水平。综合国内外关于摩擦焊应用方面的 资料可大致认为摩擦焊在工具、阀门、汽车、工程机械等领域都有着广泛的应用p j 。 b 摩擦焊技术的发展摩擦焊技术发展较为迅速，摩擦焊工艺方法已有原来的 西安石油大学硕士学位论文 几种形式发展到现在的2 0 多种，极大的扩展了摩擦焊的应用领域。近几年来常用的摩 擦焊工艺有连续驱动摩擦焊、惯性摩擦焊、线性摩擦焊、搅拌摩擦焊等。焊件的形状由 典型的圆截面扩展到非圆截面( 线性摩擦焊) 和板材( 搅拌摩擦焊) ，所焊材料由传统 的金属材料拓宽到粉末合金和异种材料领域。在这其中以搅拌摩擦焊的发展速度为最 快，搅拌摩擦焊( f r i c t i o ns t i rw e l d i n g ) 是英国焊接研究所( t w i ) 在1 9 9 1 年推出的一 项专利技术。搅拌摩擦焊目前不仅用于对各类铝合金的焊接，还开发应用于钢和钛合金， 单面可焊厚度2 2 5 m m ，双面焊厚度可达5 0 m m 。用常规方法不能焊接的2 x 系列 铝合金，采用搅拌摩擦焊可以使其焊接性大为改善。与氩弧焊接头相比，同一种搅拌摩 擦焊接头的强度高1 5 。2 0 ，延伸率高一倍，断裂韧度高3 0 ，接头区为细晶组织， 焊缝中无气孔、裂纹等缺陷；此外，工件焊后残余变形很小，焊缝中残余应力很低。这 种方法的缺点是，为了避免搅拌引起的震动力使工件偏离正确的装配方位，在施焊时必 须把工件钢性固定，从而使它的工艺柔性受到限制。 搅拌摩擦焊接技术及其工程应用的开发进展很快，已在新型运载工具的新结构设计 中开始采用，如铝合金高速船体结构、高速列车结构及火箭箭体结构等 4 1 。 1 4 4 摩擦焊接过程分析及规范参数的选择 a 摩擦焊接过程分析摩擦焊接过程，是焊接表面金属在一定的空间和时间 内，金属状态和性能发生变化的过程，各工艺参数随时间的变化有一定的规律。如图l 一2 所示i a l ，连续驱动摩擦焊的特性曲线图。总的来说摩擦焊接过程可以分为摩擦加热过程 和顶锻焊接过程两部分。 图卜2 连续驱动摩擦焊的特性曲线圈 摩擦开始时，由于工件摩擦焊接表面不平，以及存在氧化膜、油锈、灰尘和吸附气 体，使得摩擦系数很大，随着摩擦压力逐渐增大，摩擦加热功率慢慢增加，使凹凸不平 4 第一章绪论 的表面迅速产生塑性变形层和机械挖掘现象。塑性变形层破坏了摩擦表面金属晶粒，成 为一个晶粒细小的变形层。沿变形层附近的母材也顺摩擦方向产生塑性变形。金属相互 压入部分的挖掘，使摩擦表面出现同心圆痕迹，这样又增大了塑性变形。 摩擦压力增大，摩擦破坏了焊接金属表面，使纯净的金属接触，接触的面积也增大， 而焊接表面温度的升高，使金属的强度有所下降，塑性和韧性却有很大的提高，这些因 素都使摩擦系数增大，摩擦加热功率迅速提高，扭矩也出现了一个峰值。焊接表面温度 继续升高时，金属的塑性增高，但强度和韧性都显著下降，摩擦加热功率也迅速降低到 稳定值。这一过程中，摩擦表面的机械挖掘现象减少，振动降低，表面逐渐平整，开始 产生金属的粘结现象。高温塑性状态的金属颗粒互相焊合后，又被工件旋转的扭力矩剪 断，并彼此过渡。 摩擦功率或扭矩稳定后，摩擦表面的温度继续升高，这时金属的粘结现象减少，分 子作用现象增强。此时金属强度极低，塑性很大，摩擦表面似乎被一层液体金属所润滑， 摩擦系数很小，各工艺参数的变化也趋于稳定，只有摩擦变形量不断增大，接头的热影 响区增宽。 主轴和工件开始停车减速后，随着轴向压力增大，转速降低，摩擦扭矩增大，再次 出现峰值，称为后峰值扭矩。同时接头中的高温金属被大量挤出，变形量也增大。制动 阶段是摩擦加热过程和顶锻焊接过程的过渡阶段，具有双重特点。 主轴停止旋转后，顶锻力仍要维持一段时间，直至接头温度冷却到规定值为止。 总之，在摩擦焊接过程中，金属摩擦表面从低温到高温变化，而表面的塑性变形、 机械挖掘、粘结和分子作用四种现象连续发生。在整个摩擦加热过程中，摩擦表面上都 存在着一个高速摩擦塑性变形层。摩擦焊的发热、变形和扩散现象主要都集中在变形层 中，稳定摩擦时变形层金属在摩擦扭矩和轴向压力的作用下，从摩擦表面挤出形成飞边， 同时又被附近高温区的金属所补充，始终处于动平衡状态。在制动和顶锻焊接过程中，摩 擦表面的变形层和高温区金属被部分的挤碎排出，焊缝金属经受锻造，形成了良好的焊 接接头。 b 摩擦焊热源的特点通过对上面摩擦焊接过程的分析和了解，可知摩擦焊的 热源就是金属摩擦焊接表面上的高速摩擦塑性变形层。它是以两工件摩擦表面为中心的 金属质点，在摩擦压力和摩擦扭矩的作用下，沿工件径向与切向力的合成方向作相对高 速摩擦运动的塑性变形层。这个变形层是把摩擦的机械功转变成热能的发热层。由于它 的温度最高，能量集中，又产生在金属的焊接表面，所以加热效率很高。作为一个焊接 热源，主要参数是摩擦加热功率和摩擦焊接表面温度。它的主要特点如下： ( 1 ) 摩擦焊热源是通过摩擦把机械功转变成热能加热焊接接头的。这个热源就是金属 焊接表面上的高速摩擦塑性变形层，它的能量集中，加热效率高，产生在工件的焊接端 面。 ( 2 ) 摩擦焊热源的功率和温度不仅取决于焊接工艺规范参数，还受到焊接工件材料、 两安石油大学硕士学位论文 形状、尺寸和焊接表面准备情况的影响。摩擦焊热源的最高温度接近或等于焊接金属的 熔点。 ( 3 ) 金属焊接表面的摩擦不仅产生热量，而且还能破坏和清除表面的氧化膜。变形 层金属的封闭、挤出和不断被高温区金属更新，可以防止焊口金属的继续氧化。顶断焊 接后部分变形层金属象填料一样留在接头中会影响接头质量。 c 工艺参数的选取当选择工艺参数时，除了考虑焊接的材质、形状、尺寸、 焊接表面准备情况和对接头质量的要求等因素外，还要了解焊机的技术数据与性能。下 面是一些在选择工艺参数时的基本要求： ( 1 ) 低碳钢、中碳钢、高碳钢、低合金钢的同种材质及其组合的异种钢的焊接，可以 参考低碳钢的焊接工艺参数。对于小直径工件主要采用强条件，大断面工件主要采用弱 条件。 ( 2 ) 高温强度差别较大的异种钢或某些不产生脆性合金层的异种金属焊接时，除了在 高温强度低的材料一方用模子控制金属流失外，也要适当延长摩擦时间，提高摩擦压力 和顶锻压力。 ( 3 ) 焊接管予时，为了减少内毛刺，在保证焊接质量的前提下，应尽量减少摩擦变形 量和顶端变形量。 ( 4 ) 焊接高合金钢工件时，需要增加摩擦压力和顶锻压力，并适当延长摩擦时间。 ( 5 ) 对于能产生脆性合金层的金属，需要用模子来封闭接头金属，同时，还要控制焊 接温度，适当降低转速，增大摩擦压力和顶锻压力。 目前的摩擦焊接规范，还不能用计算的方法来确定，生产中所采用的焊接规范，都 是用试验方法确定的。 1 4 5 异种金属摩擦焊接头的形成特点 为了更好的掌握铜与不锈钢材料摩擦焊接头的形成机理，先要了解异种金属摩擦焊 接头的形成特点，根据文献【2 1 可知，异种金属在进行摩擦焊接过程中，接头的结合形式 如图1 3 所示 图1 _ 3 异种金属( 碳钢+ 奥氏体钢) 摩擦焊接头结合形式 6 第一章绪论 它具有以下几个特点： ( 1 ) 整个接合面并不是一根简单的几何线条，存在着一个“结合区”，在这个区域中 两种金属相互穿插，形成一个千姿百态的“层状结构”。 ( 2 ) 这种层状结构的每一层都是与两边母材相联，从母材中生长出来的。中心线两侧 层状结构图案基本上是对称的。每一层薄片上还会产生细小的毛刺。 ( 3 ) 这种层状结构有严格的方向性。如图1 3 所示，以碳钢来说，从母材上伸出来的 每一根毛刺都是由中一i i , 向外插入到奥氏体钢中的，而奥氏体钢中的每一根毛刺则是向内 插入到碳钢中的。 ( 4 ) 金属沿结合面向外挤出形成飞边。飞边形状类似羊角，每一半飞边并不是由一种 金属组成的。 曲b ) c ) 图1 - 4 异种金属摩擦焊接过程中接触面附近各处温度及转动速度分布变化情况 当两块金属刚开始碰到一起，在压力作用下相对转动时，接触面上因摩擦而产生热 量，于是接触面上的温度就逐渐升高，如图1 _ 4 a 所示，随着接触表面上温度的不断升高， 两种金属开始逐渐“粘”在一起。而另一方面，接触面附近金属的温度也在慢慢升高， 温度升高的结果使金属软化。这两种现象同时发生，于是不仅接触面上的金属，就连接 触面附近的金属在外力作用下也开始发生转动了图1 4 b 。曲线v 表示旋转速度，某一点 上曲线v 的斜率也就表示着这个地方两边金属相对旋转运动的速度。与图l - 4 a 不同，现 在已有相当一个宽度的金属参加到相对旋转运动当中去了。也就是说，不仅接触面上的 两种不同金属在相互摩擦，而且接触面附近同一金属内部也在相互摩擦。摩擦作用从原 来的一个面扩展到一个体积中去。“面摩擦”发展成为“体摩擦”，“面发热”发展成为“体 发热”。 在接触面及其附近区域中所发生的热量，是要向两边传播出去的。传播的情况由金 属的导热性决定。奥氏体钢的导热能力要比碳钢小的多( 常温下只有碳钢的1 3 ) 。因此， 热量向奥氏体方面传的慢，向碳钢方面传的快。也就是说，对接处面及其附近的金属来 说，碳钢方向冷却快，奥氏体钢方向冷却很慢。这样碳钢一侧热量的保持就不如奥氏体 钢的一侧那么有利，最高温度所在点会向奥氏体钢方向漂移，或者说接触面因为紧贴这 殖安石油大学硕士学位论文 冷却作用太强的碳钢，其温度反而会不如它旁边一点的奥氏体钢中的某部分高。图1 4 c 为最高温度点向奥氏体钢方向漂移了一个距离。 随着最高温度点的移动，接触面附近金属相对转动速度也要起变化。温度越高，金 属抗扭矩的阻力就越小，相对转动速度也就越快。本来接触面是相对转动速度最高的地 方，这时由于最高温度点的偏移。就可能不再成为相对旋转速度最高的地方了。如图1 4 c ， 曲线v 上斜率最大的地方，也就是相对旋转速度最大的地方移到接触面附近奥氏体钢中 的温度最高的那个地方了。接触面上的金属仍然在摩擦、在发热，但它已不再是摩擦最 强烈的地方，也不是发热量最大的地方。确切的说，从这个时候开始异种金属的摩擦焊 中最主要的摩擦过程是发生在一种金属的内部。 当金属从接头处被挤出去时，总是从最薄弱面上被撕裂成为两半。刚开始摩擦后不 久，接触面上只有个别点产生咬合，接触面是最薄弱的地方。但随着温度升高和接触面 的粘合，最高温度面向奥氏体方向移动；最薄弱面就再也不是接触面了，而是落在奥氏 体钢一边，于是金属就开始从奥氏体钢中撕裂了。异种金属摩擦焊接头的这些形成特点 对于深入了解铜与不锈钢两种材料的形成机理是非常有帮助和有借鉴意义的。 1 4 6 铜与不锈钢焊接方法的选择 a 熔化焊用熔化焊方法进行铜与不锈钢材料的焊接，若采用不锈钢焊条，将在 焊缝金属内熔入大量的铜，易引起热裂纹，若采用铜合金焊条时，由于焊缝中熔入了镍、 铬、铁等元素，使得焊缝金属变硬、变脆。同时在焊接区不锈钢一侧，铜熔入奥氏体晶 界是接头变脆 6 1 。采用氩弧焊方法焊接不锈钢与铜及铜合金时，可获得质量良好的焊接 接头，接头弯曲角度可达1 8 0 度，接头强度和接头塑性都令人满意。但是不锈钢与铜在 物理性能和化学性能方面都有很大的差别，主要是铜易氧化，铜与铁互溶性差，两者中 的合金元素之间易形成低温共晶体，并偏析于晶界，焊接时易产生热裂纹。不锈钢与铜 t i g 焊时，需注意以下问题【，l ： ( 1 ) 采用t i g 焊方法，钨极电弧必须偏离不锈钢一侧，而指向铜- - n ，距坡口中心 约为5 8 m m ，以控制不锈钢的熔化量。 ( 2 ) 选择铜焊丝或c u n i 焊丝作为填充材料。根据生产条件，也可以选择含a i 的青 铜焊丝。目的是为了改善焊缝金属的力学性能和防止产生铜渗透裂纹。 ( 3 ) 选择合适的焊接工艺，采用快速焊、不摆动的焊法。 ( 4 ) 用氩弧焊一钎焊的工艺，尽量减少不锈钢一侧的熔化量。 由于铜和不锈钢在高温机械性能和物理性能方面有很大差别，主要是铜易氧化，铜 与铁互溶性差，两者中的合金元素之间易形成低温共晶体，并偏析于晶界，采用熔化焊 方法焊接容易使接头产生裂纹，接头质量难以得到保证，因此用熔化焊方法焊接铜与不 锈钢并未得到很广泛的应用。 第一章绪论 b 其它焊接方法应用其它焊接方法包括真空电子束焊、扩散焊等对铜和不锈 钢进行焊接，也能得到很好的接头质量，但是都存在成本高、生产率较低等问题。 c 摩擦焊摩擦焊是一种典型的热压焊，其热源的最高温度一般不超过被焊金 属的熔点。在焊接异种金属时，摩擦焊热源的温度不超过低熔点金属的熔点。因而避免 了熔化焊时由于金属熔化而产生的接头质量问题。同时，采用摩擦焊进行焊接不需用填 加物，可直接在两被焊金属之间进行，而且有成本低、生产率高等优点。因此在金属焊 接，特别是在异种金属焊接中得到越来越广泛的应用。对于铜和不锈钢两种材料来说， 应用摩擦焊技术可以获得优质的焊接接头。近年来，采用摩擦焊进行这两种材料的焊接 被应用的越来越多。 1 5 本章小结 ( 1 ) 对于铜与不锈钢材料，由于其特殊的高温物理性能和机械性能，试验证明采用摩 擦焊接技术是获得优质焊接接头的最有效的方法之一。 ( 2 ) 为了发展摩擦焊接新工艺、扩大异种材料摩擦焊的应用范围，研究和分析铜与不 锈钢材料的接头形成机理是非常必要，也是非常有意义的。 ( 3 ) 摩擦焊是一种典型的热压焊，其热源的最高温度一般不超过被焊金属的熔点。在 焊接异种金属时，摩擦焊热源的温度不超过低熔点金属的熔点。因而避免了熔化焊时由 于金属熔化而产生的接头质量问题。 9 茜安石油大学硕士学位论文 第二章铜与不锈钢材料及摩擦焊设备 2 1 铜、不锈钢材料的性能特点 本次试验采用直径同为( d 1 4 m m 的h 6 2 黄铜、t 2 紫铜与不锈钢( 1 c r l 8 n i 9 t i ) 圆棒 材料进行焊接试验，工件的相关尺寸设计将在后面的章节中介绍。几种材料的性能特点 分别见表2 - 1 ，表2 - 2 ，表2 3 f 8 9 1 【1 0 】。 表2 1焊接材料的物理性能 焊接 。 密度线膨胀系数导热系数电阻率熔点线收缩率 材料 g c m 3 2 0 。1 0 。j 暇一1懈，m k 2 0 。1 0 4 n m* c ( ) h 6 28 51 9 91 1 7 0 46 89 3 21 9 2 t 2 8 9 41 6 83 9 11 6 81 0 8 3 1 c r l 8 n i 9 ，n 7 9 1 6 61 5 61 4 0 0 1 4 2 5 表2 - 2 焊接材料的化学成分( x ) 材料 c uz ns nm f la ls in i + c o 其它杂质 h 6 26 0 5 6 3 5 余量 0 5 材料 c u pm nb i p bs p0总和 t 29 9 9 00 0 0 20 0 0 50 0 0 50 0 6o 1 材料 cs im nspc rn in bt i l c r l 8 n i 9 t i0 1 21 0 02 0 0o 0 30 0 3 5 1 7 1 9 8 “1 10 85 。o 8 表2 - 3 焊接材料的机械性能 。 焊接 抗拉强度吼 屈服强度a ；延伸率6断面收缩率v 材料 m p am p a ( )( ) h 6 2 ( 软态) 3 2 3 44 9 h 6 2 ( 硬态) 5 8 83 t 2 ( 软态) 1 9 6 2 3 55 0 7 0 t 2 ( 硬态)3 9 2 4 9 0 6 3 5 l c r l 8 n i 穸n 5 4 11 9 7 4 05 5 注：表中提到的h 6 2 、t 2 ( 软态) 是指轧制并退火；h 6 2 、t 2 ( 硬态) 是指冷加工变形。 2 。2 材料的摩擦可焊性分析 金属材料的摩擦可焊性，是指金属在摩擦焊接过程中形成和母材等强度、等塑性接 1 0 第二章铜与不锈钢材料及摩擦焊设备 头的能力。 资料【5 】认为下列几种因素将影响金属材料的摩擦可焊性： ( 1 ) 两种金属是否互相溶解和扩散。焊接不能互相溶解和扩散的会属是非常困难的， 有时甚至是不可能的。 ( 2 ) 金属焊接表面上的氧化膜是否容易破碑。表面氧化膜容易破碎的金属容易焊接， 如低碳钢就比不锈钢容易焊接。 ( 3 ) 金属的高温机械性能和物理性能如何。通常是高温强度高、塑性低、导热性好的 材料不容易焊接。两种金属的高温机械性能与物理性能差别愈大愈不容易焊接。 ( 4 ) 合金钢的碳当量与淬透性如何。淬透性好的钢材焊接较困难。 ( 5 ) 金属的高温氧化倾向。一些活性金属就难以焊接。 ( 6 ) 两种金属形成脆性合金层的可能性。凡是能形成脆性合金层的异种金属在焊接 过程中如果不设法降低焊接温度或减少加热时间，就不会得到强度高、塑性好的焊接接 头。 ( 7 ) 金属的摩擦系数。如果金属的摩擦系数低，摩擦加热功率低，焊接温度低，就不 容易保证接头的质量。如焊接黄铜、铸铁就很困难。 ( 8 ) 脆性材料不容易焊接。 由于摩擦过程本身具有的一些特点：如焊接温度等于或低于金属熔点，加热区域窄， 时间短，接头的加热温度和温度分布调节范围窄；焊接表面的摩擦与变形不仅清除了原 有的氧化膜，而且能够防止焊缝金属继续氧化，促进金属原子的扩散；顶锻压力能够破 碎变形层中的氧化膜或脆性合金层，将其尽量挤出焊缝之外，使焊缝金属得到锻造组织， 晶粒细化，性能提高等，因此，使得大多数金属材料都有很好的摩擦可焊性。 对于铜和不锈钢的摩擦焊，下列因素将影响其摩擦焊的可焊性： ( 1 ) 有出现脆性合金的可能性 对于铜和不锈钢的焊接，由于大量合金元素的加入，势必对铁一铜合金相图的状态 有所改变，根据铁一镍一铜平衡状态图，可知镍能大大提高铁、铜两种金属的相互溶解度。 含镍高，则铁中熔入铜的量与镍量成比例增加。但对于熔化焊，焊缝金属内熔入2 0 的 铜时，则由于铜在晶界析出，形成网状分布的热裂纹，降低了使用寿命，铜与钢采用真 空扩散焊时，也要严格要求温度与时间等工艺参数，使共晶脆性成分的厚度不超过r3 微米，否则整个焊接面将变脆，这种共晶脆性成分是铜熔于铁的a 固溶体及铁熔于铜的 固溶体的混合物的结斟“i 。另有资料1 2 l 指出说对于铜与不锈钢的摩擦焊接头内引起脆化 的机制是由于铬和铁扩散进入到铜中，以及与溶解在铜中的氧发生反应生成氧化物的缘 故。因而可知，对于铁与铜的两相平衡系统，不存在有任何金属闾化合物的产生，但对 于铜和不锈钢，由于其合金系统的复杂化，在焊接加热及冷却过程中，有出现脆性合金 的可能性。 西安石油大学硕士学位论文 ( 2 ) 生成氧化膜和铜金属氧化现象严重 奥氏体不锈钢之所以“不锈”，很重要的一个原因是它的表面上极易生成一层致密 的c r 2 0 3 的钝化膜，铜也很容易氧化在表面上形成氧化膜，各种金属氧化膜在不同单位 时间内的生成速度如下表2 - 4 所示乃】： 表2 - 4 在干燥空气中各种金属氧化膜的生成速度 氧化膜厚度( 1 0 8 厘米) 金属名称 1 分钟1 小时1 天 不锈钢 1 01 01 0 铁 2 02 43 3 铝 2 08 01 0 0 铜3 35 05 0 摩擦端面上的氧化膜会使摩擦过程中存在两个问题：其一导致摩擦系数下降，使摩 擦产热功率下降；其二不易破碎的膜，将隔离和阻碍纯金属之间的全面接触，使接头质 量下降或不能焊合。 铜在高温下( 高于1 8 0 c ) 时很容易和空气中的氧形成氧化亚铜和氧化铜，随着温 度的提高和时间的增加，其渗氧深度会急剧增加，含氧较高的锕塑性与韧性较差，大量 的氧化亚铜的存在会使紫铜产生脆性断口，氧还很容易引起紫铜在加工过程中的破裂 0 4 1 。 ( 3 ) 高温机械性能、物理性能相差大 铜和不锈钢的物理、化学性能和高温机械性能差别较大，铜的导热系数比不锈钢的 导热系数大2 5 倍左右，室温和高温下两者强度相差都很远，这样在摩擦加热时就出现了 一“硬”一“软”的状态。“硬”的不锈钢不发生明显的塑性变形，“软”的铜一方面变 形抗力低，使得产生摩擦力的轴向压力难以提高，摩擦产热功率低：另一方面，导热系 数大、热量易于导入铜母材中，即热量流失的快，降低了接头处的焊接温度。此外，焊 缝处的铜母材在焊接时被挤出，也将带走大量的热，这些都使得摩擦表面温度难以提高， 给焊接过程带来一定的难度。 ( 4 ) 棒料中心焊接死区问题 如上 3 ) 所述，由于铜和不锈钢彼此特殊的物理和高温机械性能，给焊接过程带 来一定难度，这也体现在焊接接头中一i i , 区域未焊透的问题。摩擦加热功率也就是摩擦焊 热源的功率，其密度的大小及其随时间的变化关系，直接影响接头的加热过程、焊接生 产率和焊接质量，同时也将影响摩擦焊机的设计与制造。对于半径为r 的棒料，假定 p ( f ) = 常数，n ( r ) = 常数，摩擦表面加热功率如下式所示，其摩擦加热功率分稚图如图 2 1 所示， n = k j m n 第二章铜与不锈钢材料及摩擦焊设备 = k 2 p 1 n “r 3 其中n 一加热功率( k w ) n 一工件转速( r m i n ) ( 公式1 ) p 厂单位面积上的摩擦压力( n m m 2 ) “一摩擦系数 r 一工件半径( m i l l ) k lk 2 一常数 实际上p ( r ) 常数，“( r ) 常数，在摩擦表面还没有全面产生塑性变形时，工件主 要处于弹性接触阶段，轴向压力在摩擦表面上沿径向是以近似双曲线规律分布的，摩擦 压力中心高，外圆低；而摩擦表面上各 高的摩擦压力分布，由于加热功率为半图2 1 摩擦加热功率分布图 径的三次方关系，使得该处的加热功率还是很低，在对铜与钢的摩擦焊研究中发现【1 2 l 该 区的焊合十分困难，被称为“死点”和“未受影响区域”，成为棒料能否焊合的关键。 综上所述，从可焊性方面考虑，要进行铜与不锈钢的摩擦焊，首先要解决端面清理 问题，防止其氧化，其次提高铜的变形抗力，促进摩擦表面温度迅速提高以及防止焊接 过程中出现脆性接头这样几个问题。 国内外对于摩擦焊金属材料组配的统计结果表明，铜和不锈钢摩擦焊接头质量良好 1 5 o 但搜集到的涉及到铜与不锈钢摩擦焊接头形成机理的内容很少，详细介绍有关棒料 焊接规范参数的资料也很少。要在焊接过程中解决前面提到的几个问题，综合现有几分 涉及到铜与不锈钢摩擦焊的资料内容【5 】f 1 6 1 ，主要有以下几个共同点： ( 1 ) 均采用模子封闭铜进行摩擦焊，通过限制铜的变形流动条件，增加变形抗力， 保证焊接过程中在摩擦面上能施加上足够大的摩擦压力，以提高加热功率，使工件两接 头摩擦端面能达到焊接所需要的温度。另外，封闭加压也保护和减少高温下铜与空气的 接触，降低了铜氧化的可能性。 两安石油人学硕士学位论文 ( 2 ) 注意摩擦端面焊接前的清理工作、去油、去锈、加工光洁，防止铜的氧化。 ( 3 ) 将不锈钢端面加工成圆锥或圆锥台形，并且铜棒直径比不锈钢直径大1 0 2 5 ， 这样在摩擦加热过程中，使铜飞边成套简形状包围在不锈钢的前端，保护摩擦表面。另 外，使摩擦速度低的端面中心部位摩擦接触时间延长，金属流动条件改善，促使焊合。 ( 4 ) 规范方面均选用长的摩擦时间，用以提高接头温度，采用大的顶锻压力，使端 面晶粒细化，同时挤出破碎的变形层的金属，提高接头的焊接质量。 2 3c - 4 a - 1 型连续驱动摩擦焊机 2 3 1 焊机的基本组成 本次实验所用的摩擦焊设备为长春焊机制造厂生产的c _ 4 a 一1 型连续驱动摩擦焊机 如下图2 2 所示，焊机由床身、主轴箱、工作台、夹具、主油缸和润滑系统、液压系统、 电气柜等部件组成。 图2 - 2c _ 4 a _ 1 型连续驱动摩擦焊机 2 3 2 焊机的主要技术参数 ( 1 ) 最大顶锻力：4 0 k n ( 2 ) 主轴摩擦转速：2 5 0 0 r m i n ( 3