[发明专利]一种高碳钢惯性轴向摩擦焊接头低应力控制方法

说明书

本发明提供一种高碳钢惯性轴向摩擦焊接头低应力控制方法，用于高碳钢棒材或管材，包括：a、焊前加工，b、焊件装夹，c、摩擦焊接过程，d、焊件自然冷却温度曲线测试，e、焊件热磁复合缓冷计算，f、进行焊件的热磁复合缓冷。该方法通过自然冷却温度曲线及降温速率实时获得焊接过程中缓冷的加热功率，从而获得焊后缓冷温度曲线，实现高碳钢棒材或管材的高强度焊接，解决高碳钢旋转体在惯性轴向摩擦焊接后残余应力大，接头易出现裂纹、缺陷的问题，减少焊接加工时间、提高焊接效率、降低制造成本。

技术领域

本发明涉及异种金属固相焊接技术领域，具体涉及一种高碳钢惯性轴向摩擦焊接头低应力控制方法。

背景技术

惯性轴向摩擦焊也叫储能摩擦焊，是一种固相焊接方法，焊接过程中将能量储存在飞轮中，当飞轮达到一定转速时施加顶锻压力，飞轮储存的动能通过摩擦转变为热能、从而实现待焊界面的焊接；惯性轴向摩擦焊具有接头质量高、材料利用率高、生产效率高、环境清洁等优点，可实现钢、高温合金、钛合金等难加工金属材料的焊接，主要应用于航空航天、船舶、兵器、汽车、化工等领域，如航空发动机压气机盘、涡轮增压器、石油管道、钻杆等多种零部件。然而，在惯性轴向摩擦焊接过程中，焊接构件在高速转动中轴向压力与扭矩、摩擦热和塑性变形热的多重热-力耦合复杂环境作用下，焊接接头极易经历不均匀的快速加热和冷却过程，造成接头内产生残余应力，从而影响焊接接头的连接强度、影响焊接构件的服役性能。

高碳钢主要应用于高硬度、耐磨性的机器零部件，如转轴、大型齿轮和联轴器等，现有技术中为提高材料利用率、简化加工工艺，通常采用焊条氩弧焊、钎焊和摩擦焊焊接得到高碳钢的零部件；但是，高碳钢焊接性差，接头具有较大的淬硬倾向，焊接热影响区容易形成高碳马氏体，导致焊接接头塑性和韧性大大降低，且极易出现热裂纹、冷裂纹。目前针对高碳钢旋转体构件采用惯性轴向摩擦焊接，然而，由于焊后自然冷却速度快，接头残余应力大，焊后接头极易出现裂纹缺陷，需立即进行焊后去应力退火，造成焊接加工时间长、焊接接头性能一致性差等问题。

发明内容

针对以上现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种高碳钢惯性轴向摩擦焊接头低应力控制方法，以解决上述背景技术中存在的高碳钢旋转体在惯性轴向摩擦焊接后残余应力大，接头易出现裂纹、缺陷的问题；从而实现高碳钢棒材或管材的高强度焊接，减少加工时间、提高焊接效率、降低制造成本。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种高碳钢惯性轴向摩擦焊接头低应力控制方法，用于高碳钢棒材或管材，其特征在于：

a、焊前加工：根据高碳钢构件结构，对高碳钢焊接构件(棒材或管材)进行机械加工；

b、焊件装夹：焊接构件加工完成后，分别采用惯性轴向摩擦焊机的旋转端与移动端对焊接构件进行装夹固定，保证焊接构件除了轴向压力方向外均完全约束；然后将感应加热线圈安装在焊接界面外，确保焊接接头在感应加热线圈的中间位置；

c、摩擦焊接过程：选取一对测试构件(注：测试构件与后续焊接构件的牌号为同一牌号)进行焊前加工、装夹固定，同时设置焊接参数进行摩擦焊接；

d、焊件自然冷却温度曲线测试：从测试构件摩擦焊接接触开始，采用热电势测温法测试焊缝中心温度，直至焊接完成、测试构件冷却至室温，获得测试构件焊缝中心自然冷却温度曲线；

e、焊件热磁复合缓冷计算：根据该牌号的高碳钢的马氏体转变温度T₁～T₂，获得缓冷温度△T₁以及缓冷停止温度△T₂；当焊缝温度降至缓冷温度时、引入感应加热线圈进行加热，当达到缓冷停止温度时、停止感应加热线圈的加热，获得焊接接头缓冷温度曲线，具体为：

首先，获得不同时刻下感应加热线圈的输入能量Q，

Q＝C_rm△T；