一种用于大尺寸非晶合金的超声摩擦焊接成型方法

摘要

本发明涉及非晶合金加工技术领域，特别是涉及一种用于大尺寸非晶合金的超声摩擦焊接成型方法，包括如下步骤：步骤一：将第一非晶合金和第二非晶合金的待焊接面处加工为微型结构；步骤二：将步骤一中带有微型结构的第一非晶合金和第二非晶合金，装夹固定在超声焊接系统上；步骤三：分别设定超声焊接系统中的超声装置的参数、主旋转运动装置参数和压力装置参数，并开启超声焊接系统，完成第一非晶合金和第二非晶合金的摩擦焊接，该制备方法不仅使得非晶合金材料加工时所产生的热量更多，焊接效率更快，同时还能可以减小非晶合金材料的接触界面处不同半径处线速度的差异，进而大幅降低热量产生的不均匀性。

权利要求

1.一种用于大尺寸非晶合金的超声摩擦焊接成型方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一：取需加工的非晶合金，然后根据非晶合金的焊接要求，将第一非晶合金和第二非晶合金的待焊接面处加工为微型结构；

步骤二：将步骤一中带有微型结构的第一非晶合金和第二非晶合金，装夹固定在超声摩擦焊接系统上，使得第一非晶合金的焊接面与第二非晶合金的焊接面相互接触；

步骤三：分别设定超声摩擦焊接系统中的超声装置的参数、主旋转运动装置参数和压力装置参数，并开启超声摩擦焊接系统，完成第一非晶合金和第二非晶合金的摩擦焊接；

所述步骤一中，第一非晶合金和第二非晶合金的待焊接面处的微型结构包括纳米尺寸微型结构，所述第一非晶合金和第二非晶合金的待焊接面处的微型结构为非晶态微型结构；

所述步骤三中，第一非晶合金和第二非晶合金之间的接触面做相对旋转运动，沿X方向定向超声；

所述步骤三中，第一非晶合金和第二非晶合金的摩擦焊接在第一非晶合金和第二非晶合金的交叉过冷液相区内完成。

2.如权利要求1所述的一种用于大尺寸非晶合金的超声摩擦焊接成型方法，其特征在于：所述步骤一中，所述第一非晶合金待焊接面处的微型结构和第二非晶合金待焊接面处的微型结构之间相互啮合设置。

3.如权利要求1所述的一种用于大尺寸非晶合金的超声摩擦焊接成型方法，其特征在于：所述步骤一中，微型结构的加工方法包括有激光加工、超声加工、车削、刨削、铣削、钻削和磨削中的任意一种。

4.如权利要求1所述的一种用于大尺寸非晶合金的超声摩擦焊接成型方法，其特征在于：所述步骤三中，超声装置的参数、主旋转运动装置参数和压力装置参数之间的参数调节相互独立设置。

5.如权利要求1所述的一种用于大尺寸非晶合金的超声摩擦焊接成型方法，其特征在于：所述步骤三中，第一非晶合金的主旋转运动参数和第二非晶合金的主旋转运动参数之间相互独立设置，所述主旋转运动装置的转动范围为0～360°，所述主旋转运动装置的旋转速度为0～500rpm。

6.如权利要求1所述的一种用于大尺寸非晶合金的超声摩擦焊接成型方法，其特征在于：所述步骤三中，第一非晶合金的压力装置参数和第二非晶合金间的压力装置参数相互独立设置，所述压力装置的压力范围为0～5MPa。

7.如权利要求1所述的一种用于大尺寸非晶合金的超声摩擦焊接成型方法，其特征在于：所述步骤三中，第一非晶合金的超声装置参数和第二非晶合金的超声装置参数相互独立设置，所述超声装置的功率范围为0～2kW。

说明书

一种用于大尺寸非晶合金的超声摩擦焊接成型方法

技术领域

[0001] 本发明涉及非晶合金加工技术领域，特别是涉及一种用于大尺寸非晶合金的超声摩擦焊 接成型方法。

背景技术

[0002] 非晶合金兼具金属和非晶、固体和液体特性，是颠覆性的新一代高性能金属材料。但是 非晶合金的形成尺寸有限，目前商业化的非晶合金尺寸大部分限制于厘米级别，严重
限制了 其在工业领域的应用；非晶合金在其过冷液相区具有粘性流动行为，且在该温度范
围内工作， 非晶合金可以始终保持非晶态。

[0003] 摩擦焊接是利用工件的相互摩擦运动产生热量作为热源，使得材料接触界面温度升高， 材料软化或者熔化，在压力的作用下，实现两材料的焊接。摩擦焊接是传统金属焊接
常用的 工艺之一，工艺简单、装置等成本低且效率高。其中旋转摩擦焊是常见的摩擦焊接
手段之一。

[0004] 旋转摩擦焊通过两材料的相互旋转运动，所需运动行程少且效率高，但是当两工件进行 旋转运动时，随着工件半径的增加，线速度逐渐增加，而圆心处工件的线速度为零。
一方面， 不同的线速度会导致摩擦产生的热量不同，另一方面，工件外表面的散热与内部
散热效率存 在差异，导致焊接时材料接触界面的热量分布不均衡，部分区域过烧而部分区
域未达焊接温 度点，进而导致焊接质量差。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于避免现有技术中的不足之处而提供一种用于大尺寸非晶合金的超声摩擦焊接成型方法，该制备方法不仅使得非晶合金材料加工时所产生的热量更多，
焊接效率更 快，同时还能减小非晶合金材料的接触界面处不同半径处线速度的差异，大幅
降低热量产生 的不均匀性。

[0006] 本发明的目的通过以下技术方案实现：

[0007] 一种用于大尺寸非晶合金的超声摩擦焊接成型方法，包括如下步骤：

[0008] 步骤一：取需加工的非晶合金，然后根据非晶合金的焊接要求，将第一非晶合金和第二 非晶合金的待焊接面处加工为微型结构；

[0009] 步骤二：将步骤一中带有微型结构的第一非晶合金和第二非晶合金，装夹固定在超声摩擦焊接系统上，使得第一非晶合金的焊接面与第二非晶合金的焊接面相互接触；

[0010] 步骤三：分别设定超声摩擦焊接系统中的超声装置的参数、主旋转运动装置参数和压力装置 参数，并开启超声摩擦焊接系统，完成第一非晶合金和第二非晶合金的摩擦焊
接。

[0011] 进一步的，所述步骤一中，第一非晶合金和第二非晶合金的待焊接面处的微型结构包括 有：微米尺寸微型结构和/或纳米尺寸微型结构，所述第一非晶合金和第二非晶合
金的待焊接 面处的微型结构为非晶态微型结构。

[0012] 进一步的，所述步骤一中，所述第一非晶合金待焊接面处的微型结构和第二非晶合金待 焊接面处的微型结构之间相互啮合设置。

[0013] 进一步的，所述步骤一中，微型结构的加工方法包括有激光加工、超声加工、车削、刨 削、铣削、钻削和磨削中的任意一种。

[0014] 进一步的，所述步骤三中，第一非晶合金和第二非晶合金之间的接触面做相对旋转运动。

[0015] 进一步的，所述步骤三中，第一非晶合金和第二非晶合金的摩擦焊接在第一非晶合金和 第二非晶合金的交叉过冷液相区内完成。

[0016] 进一步的，所述步骤三中，超声装置的参数、主旋转运动装置参数和压力装置参数之间 的参数调节相互独立设置。

[0017] 进一步的，所述步骤三中，第一非晶合金的主旋转运动参数和第二非晶合金的主旋转运 动参数之间相互独立设置，所述主旋转运动装置的转动范围为0～360°，所述主旋
转运动装 置的旋转速度为0～500rpm。

[0018] 进一步的，所述步骤三中，第一非晶合金和压力装置参数和第二非晶合金间的压力装置 参数相互独立设置，所述压力装置的压力范围为0～5MPa。

[0019] 进一步的，所述步骤三中，第一非晶合金的超声装置参数和第二非晶合金的超声装置参 数相互独立设置，所述超声装置的功率范围为0～2kW。

[0020] 本发明相对比现有技术的有益效果：由于在非晶合金表面设置的微型结构一方面可以增 加材料表面的粗糙度，使得同样的工艺下，所产生的热量更多，提升焊接效率；另一
方面， 通过微型结构的设计，可以减小材料接触界面处不同半径处线速度的差异，进一步
降低热量 产生的不均匀性，同时配合超声装置的超声振动还能促进材料接触界面处热量
的传递与交换， 进而促进能量分布的均匀性，减小材料焊接时的缺陷。

附图说明

[0021] 利用附图对发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本 领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其
它的附图。

[0022] 图1为实施例1中第一非晶合金和第二非晶合金的超声摩擦焊接成型示意图。

[0023] 图2为实施例2中第一非晶合金和第二非晶合金的超声摩擦焊接成型示意图。

[0024] 图3为实施例3中第一非晶合金和第二非晶合金的超声摩擦焊接成型示意图。

[0025] 图4为实施例4中第一非晶合金和第二非晶合金的超声摩擦焊接成型示意图。

[0026] 图中包括有：第一非晶合金1、第二非晶合金2、微型结构3。

具体实施方式

[0027] 结合以下实施例对本发明作进一步描述。

[0028] 一种用于大尺寸非晶合金的超声摩擦焊接成型方法，包括如下步骤：

[0029] 步骤一：取需加工的非晶合金，然后根据非晶合金的焊接要求，将第一非晶合金1和第 二非晶合金2的待焊接面处加工为微型结构3；

[0030] 步骤二：将步骤一中带有微型结构3的第一非晶合金1和第二非晶合金2，装夹固定在 超声摩擦焊接系统上，使得第一非晶合金1的焊接面与第二非晶合金2的焊接面相互接
触；

[0031] 步骤三：分别设定超声摩擦焊接系统中的超声装置的参数、主旋转运动装置参数和压力装置 参数，并开启超声摩擦焊接系统，完成第一非晶合金1和第二非晶合金2的摩擦
焊接,超声振动及 表面微型结构可以促进热量的产生以及均匀传热、分布。因为在非晶合
金表面设置的微型结 构一方面可以增加材料表面的粗糙度，使得同样的工艺下，所产生的
热量更多，提升焊接效 率；另一方面，通过微型结构的设计，可以减小材料接触界面处不同
半径处线速度的差异， 进一步降低热量产生的不均匀性，同时配合超声装置的超声振动还
能促进材料接触界面处热 量的传递与交换，进而促进能量分布的均匀性，较小材料焊接时
的缺陷。

[0032] 在优选实施例中，所述步骤一中，第一非晶合金1和第二非晶合金2的待焊接面处的微 型结构3包括有：微米尺寸微型结构3和/或纳米尺寸微型结构3，所述第一非晶合金1
和第 二非晶合金2的待焊接面处的微型结构3微型结构3为非晶态微型结构3，进一步的，所
述 第一非晶合金1待焊接面处的微型结构3和第二非晶合金2待焊接面处的微型结构3之间
相 互啮合设置，保证第一非晶合金1和第二非晶合金2的焊接稳定性。

[0033] 在优选实施例中，所述步骤一中，微型结构3的加工方法包括有激光加工、超声加工、 车削、刨削、铣削、钻削和磨削中的任意一种，该加工方式加工出来的微型结构3最佳。

[0034] 在优选实施例中，所述步骤三中，第一非晶合金1和第二非晶合金2之间的接触面做相 对旋转运动，进一步的，第一非晶合金1和第二非晶合金2的摩擦焊接在第一非晶合金
1和 第二非晶合金2的交叉过冷液相区(非晶的过冷液相区是一个温度范围，在这个范围里
面，非 晶塑性大且能保持非晶态，适用于焊接。然后不同非晶的过冷液相区是不同的，比如
有 300‑400℃，和350‑420℃，那么交叉过冷液相区就是350‑400℃，保证两类非晶在该温度
下 焊接，以确保焊接完成后的非晶态)内完成,在非晶合金的过冷液相区完成工作，非晶合
金不 会晶化，确保了制备前后材料的非晶态，非晶合金的性能不会受到影响，克服了传统
的焊接 方法带来的材料性能下降的缺点。

[0035] 在优选实施例中，所述步骤三中，超声装置的参数、主旋转运动装置参数和压力装置参 数之间的参数调节相互独立设置，进一步的，第一非晶合金1的主旋转运动参数和第
二非晶 合金2的主旋转运动参数之间相互独立设置，所述主旋转运动装置的转动范围为0
～360°， 所述主旋转运动装置的旋转速度为0～500rpm，第一非晶合金1和压力装置参数和
第二非晶 合金2间的压力装置参数相互独立设置，所述压力装置的压力范围为0～5MPa，第
一非晶合 金1的超声装置参数和第二非晶合金2间超声装置参数相互独立设置，所述超声
装置的功率 范围为0～2kW，该系数下的加工参数，加工效果最佳，保证超声摩擦焊接的焊
接稳定性。

[0036] 下面结合具体实施例对本发明做进一步的说明：

[0037] 实施例1：

[0038] 如图1所示，一种用于大尺寸非晶合金的超声摩擦焊接成型方法，包括如下步骤：

[0039] 步骤一：取需加工的两块非晶合金，并根据非晶合金的焊接要求，采用铣削加工，在第 一非晶合金1和第二非晶合金2的待焊接界面处加工微型结构3，其中，微型结构3为矩
形 结构，第一非晶合金1的组分为Zr57Nb5Cu15.4Ni12.6Al10，Tg为405℃，Tx为470℃，第 
二非晶合金2的组分为Zr58.5Nb2.8Cu15.6Ni12.8Al10.3，Tg为400℃，Tx为480℃。

[0040] 步骤二：将第一非晶合金1和第二非晶合金2装夹在焊接系统上，使得第一非晶合金1 的焊接面与第二非晶合金2的焊接面相互接触。

[0041] 步骤三：设定第一非晶合金1的主旋转运动参数为沿a逆方向旋转，旋转速度为200rpm， 第二非晶合金2的主旋转运动参数为沿a方向旋转，旋转速度为200rpm，压力装置
工作，使 第一非晶合金1和第二非晶合金2沿X方向相对平移运动挤压，同时，超声装置工
作，功率 为800W，沿X方向定向超声，两者的交叉过冷液相区为405‑407℃，完成第一非晶合
金1与 第二非晶合金2的摩擦焊接。

[0042] 实施例2：

[0043] 如图2所示,一种用于大尺寸非晶合金的超声摩擦焊接成型方法，包括如下步骤：

[0044] 步骤一：取需加工的两块非晶合金，并根据非晶合金的焊接要求，采用激光加工，在第 一非晶合金1和第二非晶合金2待焊接界面处加工微型结构3，其中，微型结构为三角
形结 构，第一非晶合金1和第二非晶合金2的组分均为Ca65Li14.54Mg12.46Zn8，Tg为35℃，
Tx 为105℃。

[0045] 步骤二：将第一非晶合金1和第二非晶合金2装夹在焊接系统上，使得第一非晶合金的 焊接面与第二非晶合金的焊接面相互接触。

[0046] 步骤三：设定第一非晶合金1的主旋转运动参数为沿a逆方向旋转，旋转速度为0rpm， 第二非晶合金2的主旋转运动参数为沿a逆方向旋转，旋转速度为100rpm，压力装置
工作， 使第一非晶合金1和第二非晶合金2沿X方向相对平移运动挤压，同时，超声装置工
作，功 率为800W，沿X方向定向超声，两者的交叉过冷液相区为35‑105℃，完成第一非晶合
金1与 第二非晶合金2的摩擦焊接。

[0047] 实施例3：

[0048] 如图3所示,一种用于大尺寸非晶合金的超声摩擦焊接成型方法，包括如下步骤：

[0049] 步骤 一：取需 加工的 两块非晶 合金 ，第一非晶 合金1的 组分 为Zr44Ti11Cu10Ni10Be25，  Tg为350℃，Tx为471℃，第二非晶合金2的组分为
Zr35Ti30Be27.5Cu7.5，Tg为301℃， Tx为467℃。

[0050] 步骤二：将第一非晶合金1和第二非晶合金2装夹在焊接系统上，使得第一非晶合金1 的焊接面与第二非晶合金2的焊接面相互接触。

[0051] 步骤三：设定第一非晶合金1的主旋转运动参数为沿a逆方向旋转，旋转速度为300rpm， 第二非晶合金2的主旋转运动参数为沿a方向旋转，旋转速度为200rpm，压力装置
工作，使 第一非晶合金1和第二非晶合金2沿X方向相对平移运动挤压，同时，超声装置工
作，功率 为800W，沿X方向定向超声，两者的交叉过冷液相区为350‑467℃，完成第一非晶合
金1与 第二非晶合金2的摩擦焊接。

[0052] 实施例4：

[0053] 如图4所示,一种用于大尺寸非晶合金的超声摩擦焊接成型方法，包括如下步骤：

[0054] 步骤一：取需加工的两块非晶合金，并根据非晶合金的焊接要求，采用超声加工，在第 一非晶合金1和第二非晶合金2待焊接界面处加工微型结构3，其中微型结构3为矩形
结构， 第一非晶合金1的组分为Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5，Tg为349℃，Tx为426℃，
第二 非晶合金2的组分为Zr44Ti11Cu10Ni10Be25，Tg为350℃，Tx为471℃。

[0055] 步骤二：将第一非晶合金1和第二非晶合金2装夹在焊接系统上，使得第一非晶合金1 的焊接面与第二非晶合金2的焊接面相互接触。

[0056] 步骤三：设定第一非晶合金1的主旋转运动参数为沿a逆方向旋转，旋转速度为200rpm， 第二非晶合金2的主旋转运动参数为沿a方向旋转，旋转速度为200rpm，压力装置
工作，使 第一非晶合金1和第二非晶合金2沿X方向相对平移运动挤压，同时，超声装置工
作，功率 为800W，沿X方向定向超声，两者的交叉过冷液相区为350‑426℃，完成第一非晶合
金1与 第二非晶合金2的摩擦焊接。

[0057] 本发明相对比现有技术的有益效果：由于在非晶合金表面设置的微型结构一方面可以增 加材料表面的粗糙度，使得同样的工艺下，所产生的热量更多，提升焊接效率；另一
方面， 通过微型结构的设计，可以减小材料接触界面处不同半径处线速度的差异，进一步
降低热量 产生的不均匀性，同时配合超声装置的超声振动还能促进材料接触界面处热量
的传递与交换， 进而促进能量分布的均匀性，较小材料焊接时的缺陷。

[0058] 最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围 的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应
当理解， 可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实
质和范围。