本發(fā)明屬于焊接方法領(lǐng)域，具體涉及性能差異較大的異種材料之間的焊接方法，適用于熔點(diǎn)、硬度、導(dǎo)熱率、線膨脹系數(shù)、化學(xué)成分等物理化學(xué)性能差異較大的材料間(例如：鋁/鋼、鋁/不銹鋼、TiAl基合金/鋼、鎢合金/鋼、鈦合金/鋼、鈦合金/不銹鋼等)的焊接。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，由異種材料焊接制得的復(fù)合材料因其良好的性能在各行業(yè)都有廣泛的應(yīng)用需求。其中對(duì)一些性能差異較大的異種材料，如鋁/鋼、鋁/不銹鋼，TiAl基合金/鋼、鎢合金/鋼、鈦合金/鋼、鈦合金/不銹鋼等，由于材料間的熔點(diǎn)、硬度、熱傳導(dǎo)率、膨脹系數(shù)、化學(xué)成分等方面的差異較大，使得互溶度低、接頭殘余應(yīng)力大、易生成有害的脆性相，造成接頭強(qiáng)度低等問題，成為限制這些復(fù)合材料的推廣應(yīng)用的技術(shù)瓶頸。因此選用合理的制備工藝方法，獲得優(yōu)良的焊接接頭是這些復(fù)合材料研究的當(dāng)務(wù)之急。

目前，對(duì)異種材料的焊接方法主要有：激光焊、電子束焊、釬焊、擴(kuò)散焊、摩擦焊等。激光焊和電子束焊屬于熔焊，雖然生產(chǎn)效率高，但接頭易出現(xiàn)氣孔、裂紋、偏析和脆性相。釬焊的釬料需要專門研制，接頭強(qiáng)度受釬料影響，強(qiáng)度偏低，且不能應(yīng)用于高溫環(huán)境。固相擴(kuò)散焊焊接時(shí)間長(zhǎng)，生產(chǎn)效率低，脆性相的生成受焊接溫度和時(shí)間影響很大。加中間過(guò)渡層的瞬間液相擴(kuò)散焊，雖能提高生產(chǎn)效率，但獲得良好接頭所需的中間過(guò)渡層大部分需要專門配制，工藝復(fù)雜。

摩擦焊生產(chǎn)效率高，因界面不熔化，接頭不易生成脆性相，在異種材料焊接方面有較大的優(yōu)勢(shì)。由于所焊的兩種材料性能方面的差異，采用摩擦焊時(shí)，焊接面溫度通常介于兩種材料熔點(diǎn)之間，這就使得焊接面上熔點(diǎn)低的材料一端界面溫度過(guò)熱，生成的熱塑性金屬多，而熔點(diǎn)高的材料一端溫度不夠，生成的塑性變形層薄。

眾所周知，摩擦焊的實(shí)質(zhì)是通過(guò)界面金屬塑性變形、再結(jié)晶和元素?cái)U(kuò)散來(lái)形成良好的接頭。當(dāng)焊接面溫度不足以形成足夠的熱變形金屬層時(shí)，再結(jié)晶和元素?cái)U(kuò)散都難以進(jìn)行，高強(qiáng)接頭就無(wú)法獲得。如果提高界面熱輸入來(lái)獲得足夠的變形金屬層，焊接界面又會(huì)因材料間的互溶度較差，溫度升高而導(dǎo)致脆性相生成，降低接頭強(qiáng)度。此外再加上界面熱應(yīng)力大，采用直接摩擦焊方式來(lái)焊接這些熔點(diǎn)差異較大的材料，獲得質(zhì)量良好的接頭比較困難。

基于此，申請(qǐng)人考慮設(shè)計(jì)一種焊接效率更高，焊接質(zhì)量更好的異種材料復(fù)合焊接方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：如何提供一種焊接效率更高，焊接質(zhì)量更好的異種材料復(fù)合焊接方法。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案：

異種材料復(fù)合焊接方法，包括以下步驟：

(一)獲取焊接裝置，所述焊接裝置包括慣性摩擦焊機(jī)，所述慣性摩擦焊機(jī)具有正對(duì)且間隔設(shè)置的旋轉(zhuǎn)夾具和移動(dòng)夾具；

(二)獲取由異種材料分別制得且整體均呈柱型的待焊件a和待焊件c，并將待焊件a夾緊安裝到慣性摩擦焊機(jī)的旋轉(zhuǎn)夾具，將待焊件c夾緊安裝到慣性摩擦焊機(jī)的移動(dòng)夾具；

其特征在于：

上述步驟(一)中的所述焊接裝置還包括加熱器，所述加熱器包括殼體，所述殼體的內(nèi)部具有加熱腔，所述加熱腔通過(guò)設(shè)置的加熱元件進(jìn)行加熱；所述殼體的頂部具有通過(guò)鎖扣連接的頂蓋；所述殼體整體安裝在旋轉(zhuǎn)夾具和移動(dòng)夾具之間，且旋轉(zhuǎn)夾具的夾持端與移動(dòng)夾具的夾持端從所述殼體的兩個(gè)側(cè)面貫穿并伸入至所述加熱腔內(nèi)部；殼體內(nèi)的加熱元件通過(guò)電路與殼體外表面安裝的控制溫度變化的控制元件連接，加熱器內(nèi)部的溫度通過(guò)溫度傳感器進(jìn)行測(cè)量；

還包括以下步驟：

(三)獲取中間過(guò)渡層和頂壓棒；

所述中間過(guò)渡層為由性能與兩種母材接近，有較好互溶性的金屬或合金制成的待焊件b；所述中間過(guò)渡層為由熔點(diǎn)介于待焊件a和待焊件c之間的材料制得的待焊件b，待焊件b通過(guò)支承座安放在加熱器內(nèi)部且整體處在待焊件a和待焊件c之間，且待焊件b的兩個(gè)端面分別與待焊件a和待焊件c的焊接面正對(duì)；

所述頂壓棒由耐高溫材料制得且采用可拆式套接件套在所述待焊件c的前端；

焊接前，操作移動(dòng)夾具前進(jìn)并施加頂緊預(yù)壓力，使得待焊件a焊接面和待焊件b的前端面正對(duì)接觸，頂壓棒的前端面與待焊件b的后端面正對(duì)接觸；

(四)中間過(guò)渡層與待焊件a之間的擴(kuò)散焊接：

向加熱器內(nèi)部通入保護(hù)氣體，啟動(dòng)焊接，預(yù)壓力通過(guò)待焊件c、頂壓棒傳遞到待焊件a與待焊件b界面，使待焊件a與待焊件b緊密接觸；然后按設(shè)定的加熱溫度和焊接壓力進(jìn)行待焊件a和待焊件b的非真空、常壓下的擴(kuò)散焊接；

(五)摩擦焊前裝夾：待完成待焊件a和待焊件b連接后，打開加熱器，移動(dòng)夾具松開并后退，取出頂壓棒，然后將待焊件c焊接面推出移動(dòng)夾具端，并夾緊，再使移動(dòng)夾具向前移動(dòng)到至已與待焊件a連接在一起的待焊件b后端面，并保持一定距離；

(六)摩擦焊前預(yù)熱：若待焊件的材質(zhì)需進(jìn)行焊前預(yù)熱，則蓋上加熱器的頂蓋，選擇對(duì)應(yīng)位置的加熱元件對(duì)待焊件進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度在70-300℃之間；

(七)帶中間過(guò)渡層材料的慣性摩擦焊連接：將已焊接相連的待焊件b與待焊件a的焊接件與待焊件c之間采用慣性摩擦焊工藝焊接相連；

(八)焊后處理：緩冷保溫或消除殘余應(yīng)力。

本發(fā)明的異種材料復(fù)合焊接方法，采用性能與兩種母材接近，有較好互溶性的金屬或合金做中間過(guò)渡層的方式，來(lái)改善接頭質(zhì)量。且通過(guò)一臺(tái)設(shè)備既完成了擴(kuò)散連接和摩擦焊兩種固相焊接方法，又快速實(shí)現(xiàn)了通過(guò)設(shè)置中間過(guò)渡層的方式來(lái)獲得焊接質(zhì)量更好的異種材料復(fù)合焊件，提高了異種材料復(fù)合焊件的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

本發(fā)明的異種材料復(fù)合焊接方法中頂壓棒能夠防止待焊件的焊接面之間在高溫環(huán)境下的相互擴(kuò)散滲透，與加熱器配合構(gòu)成能夠獲得理想擴(kuò)散焊接和摩擦焊加工效果的條件，確保制得的焊接頭的質(zhì)量。

作為優(yōu)選，待焊件a與待焊件b均為同軸向設(shè)置的圓柱形結(jié)構(gòu)；待焊件a的外圓直徑比待焊件b大至少10mm；且待焊件a的焊接面外凸形成有兩個(gè)同心的凸臺(tái)，其中一個(gè)凸臺(tái)在心部呈圓柱形，另一個(gè)凸臺(tái)呈圓筒形且位于在該焊接面邊緣；待焊件b上正對(duì)待焊件a的焊接面外凸形成有用于套接在對(duì)應(yīng)的兩個(gè)凸臺(tái)的兩個(gè)套筒。

實(shí)施上述優(yōu)選方案后，能夠減少界面熱量散失，增大焊接面積，保障焊接時(shí)待焊件a與待焊件b的轉(zhuǎn)角處熱塑性金屬能向外流動(dòng)，而不會(huì)在轉(zhuǎn)角產(chǎn)生應(yīng)力集中，出現(xiàn)裂紋缺陷，提升待焊件a與待焊件b的焊接質(zhì)量。

作為優(yōu)選，待焊件c與待焊件b為同軸向設(shè)置的圓柱形結(jié)構(gòu)；待焊件c的焊接面內(nèi)凹形成套筒狀結(jié)構(gòu)，待焊件b與待焊件c正對(duì)的焊接面外凸形成有兩個(gè)同心的凸臺(tái)，其中一個(gè)凸臺(tái)為設(shè)置在心部且用于填充插接在待焊件c的套筒狀結(jié)構(gòu)內(nèi)部，另一個(gè)凸臺(tái)為位于在該焊接面邊緣的圓筒形且用于套接在待焊件c的套筒狀結(jié)構(gòu)外部。

本領(lǐng)域人員知曉：慣性摩擦焊的旋轉(zhuǎn)端由于高速旋轉(zhuǎn)形成空氣對(duì)流帶走大量熱量，使旋轉(zhuǎn)端溫度值小于滑移端5％-10％，使焊接面的溫度不均勻。

實(shí)施上述優(yōu)選方案后，待焊件c與待焊件b的焊接面采用嵌套配合結(jié)構(gòu)，利能有效避免熱量的損失，使產(chǎn)生的熱金屬在類似于半封閉的空間里產(chǎn)生擠壓變形，能很好的維持并提高界面溫度，這樣通過(guò)工件之間的熱傳遞，相應(yīng)的提高了熔點(diǎn)高金屬焊接面的溫度，有利于獲得性能良好的接頭。

作為優(yōu)選，待焊件b正對(duì)待焊件c的焊接面上設(shè)置在心部的凸臺(tái)為圓錐臺(tái)。

作為優(yōu)選，所述待焊件c的套筒狀結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)面加工有螺紋，且所述螺紋上沿套筒狀結(jié)構(gòu)的軸向開設(shè)有縱向槽。

實(shí)施上述優(yōu)選方案后，所述待焊件c與待焊件b配合處凹孔內(nèi)有螺紋，以保障塑形金屬在連接面上的流動(dòng)，增大焊接面積，產(chǎn)生鑲嵌連接形貌，提高連接強(qiáng)度。

在螺紋上開設(shè)的縱向槽，以保障塑形金屬在連接面上的流動(dòng)，增大焊接面積，提高連接面界面溫度，最終施加頂鍛力后能通過(guò)熱金屬塑形變形、動(dòng)態(tài)再結(jié)晶和元素?cái)U(kuò)散形成良好接頭。

作為優(yōu)選，所述頂壓棒的表面噴涂有高溫阻焊劑。

實(shí)施上述優(yōu)選方案后，可有效防止頂壓棒與其相接觸元件在高溫環(huán)境下焊接相連。

作為優(yōu)選，所述待焊件a與待焊件b之間的焊接面粗糙度小于Ra3.2。

實(shí)施上述優(yōu)選方案后，更好地滿足擴(kuò)散焊接的工藝要求。

作為優(yōu)選，所述頂壓棒為石墨棒、鉬棒或耐高溫不銹鋼棒中任意一種。

采用上述幾種材質(zhì)的頂壓棒具有耐高溫，熱穩(wěn)定性高，硬度大的優(yōu)點(diǎn)，在高溫環(huán)境下更為穩(wěn)定，能夠確保擴(kuò)散焊接過(guò)程中施加鍛壓力的準(zhǔn)確度，更好地控制擴(kuò)散焊接的質(zhì)量。

作為優(yōu)選，所述待焊件a小于所述待焊件b的熔點(diǎn)。

因?yàn)?，焊接過(guò)程中慣性摩擦焊的旋轉(zhuǎn)端由于高速旋轉(zhuǎn)形成空氣對(duì)流帶走大量熱量，使旋轉(zhuǎn)端溫度值小于滑移端5％-10％。故在旋轉(zhuǎn)端夾緊熔點(diǎn)更小的待焊件a，能夠更好的保證異種材料復(fù)合焊接質(zhì)量。

異種材料焊接，兩種材料的熔點(diǎn)和硬度差別較大，在高溫摩擦焊時(shí)往往達(dá)到低熔點(diǎn)材料的熔點(diǎn)，而另一種高熔點(diǎn)材料界面溫度還很低，這種狀況既無(wú)法形成一定的塑形變形熱金屬，又不利于元素?cái)U(kuò)散，難以獲得好的接頭強(qiáng)度。倘若調(diào)換待焊件a1與待焊件c3位置，將使本來(lái)界面溫度就低的高熔點(diǎn)待待焊件c熱損失增加，界面溫度可能會(huì)更低，不利于焊接。

同現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明的異種材料復(fù)合焊接方法的有益技術(shù)效果在于：

1、利用慣性摩擦焊機(jī)自身夾持和推壓系統(tǒng)，并增設(shè)并結(jié)合加熱器使用后，即可在一臺(tái)慣性摩擦焊機(jī)上完成了擴(kuò)散焊接和摩擦焊接兩種固相焊接方法，既實(shí)現(xiàn)了中間過(guò)渡層的制備，又實(shí)現(xiàn)了焊件的最終可靠連接，大幅節(jié)約了設(shè)備投資。

2、在焊接過(guò)程中設(shè)置加熱裝置對(duì)熔點(diǎn)較高的待焊件進(jìn)行預(yù)熱，能夠減少異種材料焊接界面溫度差，有利于熔點(diǎn)高硬度高焊件在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到塑性變形溫度，還能提高設(shè)備的焊接能力，即在同樣的焊接參數(shù)下，能進(jìn)行更大面積的工件的焊接。同時(shí)還能在一臺(tái)設(shè)備上對(duì)接頭進(jìn)行焊后熱處理，提高異種材料的焊接加工的效率和質(zhì)量。

3、需焊接的兩個(gè)待焊件的焊接面之間采用嵌套配合結(jié)構(gòu)，有利于減少界面熱量流失，提高焊接面溫度；再加設(shè)置中間過(guò)渡層，有利于抑制接頭界面脆性相的生成，減小界面參與應(yīng)力，提高焊接質(zhì)量。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明異種材料復(fù)合焊接方法所采用的焊接裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明異種材料復(fù)合焊接方法焊接接頭的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是圖1中焊接裝置的中間支撐架結(jié)構(gòu)的主視圖。

圖4是圖1中焊接裝置的中間支撐架結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖。

圖中標(biāo)記為：

1-待焊件a，2-待焊件b，3-待焊件c，4-旋轉(zhuǎn)夾具，5-移動(dòng)夾具，6-卡圈a，7-石墨棒，8-卡圈b，9-卡圈c；

10-中間支撐架：101-連接座，102-底座，103-調(diào)整墊片，104-Z形定位塊；

11-加熱器，12-氣管，13-旋轉(zhuǎn)端頂桿；14-移動(dòng)端頂桿，15-控制元件，16-熱電偶，17-導(dǎo)軌。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。其中，針對(duì)描述采用諸如上、下、左、右等說(shuō)明性術(shù)語(yǔ)，目的在于幫助讀者理解，而不旨在進(jìn)行限制。

異種材料復(fù)合焊接方法，包括以下步驟：

(一)獲取焊接裝置，所述焊接裝置包括慣性摩擦焊機(jī)，所述慣性摩擦焊機(jī)具有正對(duì)且間隔設(shè)置的旋轉(zhuǎn)夾具4和移動(dòng)夾具5；

(二)獲取由異種材料分別制得且整體均呈柱型的待焊件a和待焊件c，并將待焊件a夾緊安裝到慣性摩擦焊機(jī)的旋轉(zhuǎn)夾具4，將待焊件c夾緊安裝到慣性摩擦焊機(jī)的移動(dòng)夾具5；

還包括以下步驟：

上述步驟(一)中的所述焊接裝置還包括加熱器，所述加熱器包括殼體，所述殼體的內(nèi)部具有加熱腔，所述加熱腔通過(guò)設(shè)置的加熱元件進(jìn)行加熱；所述殼體的頂部具有通過(guò)鎖扣連接的頂蓋；所述殼體整體安裝在旋轉(zhuǎn)夾具和移動(dòng)夾具之間，且旋轉(zhuǎn)夾具的夾持端與移動(dòng)夾具的夾持端從所述殼體的兩個(gè)側(cè)面貫穿并伸入至所述加熱腔內(nèi)部；殼體內(nèi)的加熱元件通過(guò)電路與殼體外表面安裝的控制溫度變化的控制器連接，加熱器內(nèi)部的溫度通過(guò)溫度傳感器進(jìn)行測(cè)量；

(三)獲取中間過(guò)渡層和頂壓棒；

所述中間過(guò)渡層為由性能與兩種母材接近，有較好互溶性的金屬或合金制成的待焊件b；所述中間過(guò)渡層為由熔點(diǎn)介于待焊件a和待焊件c之間的材料制得的待焊件b，待焊件b通過(guò)支承座安放在加熱器11內(nèi)部且整體處在待焊件a和待焊件c之間，且待焊件b的兩個(gè)端面分別與待焊件a和待焊件c的焊接面正對(duì)；

所述頂壓棒由耐高溫材料制得且采用可拆式套接件套在所述待焊件c的前端；

焊接前，操作移動(dòng)夾具5前進(jìn)并施加頂緊預(yù)壓力，使得待焊件a焊接面和待焊件b的前端面正對(duì)接觸，頂壓棒的前端面與待焊件b的后端面正對(duì)接觸；

(四)中間過(guò)渡層與待焊件a之間的擴(kuò)散焊接：

設(shè)置預(yù)壓力、壓力和加熱參數(shù)，向加熱器內(nèi)部通入保護(hù)氣體，啟動(dòng)焊接，預(yù)壓力通過(guò)待焊件c、頂壓棒傳遞到待焊件a與待焊件b界面，進(jìn)行待焊件a和待焊件b的非真空、常壓下的擴(kuò)散連接，焊接時(shí)間隨焊件大小而定，以焊透為準(zhǔn)；

(五)摩擦焊前裝夾：待完成待焊件a和待焊件b連接后，打開加熱器11，移動(dòng)夾具5松開并后退取出頂壓棒，然后將待焊件c焊接面推出移動(dòng)夾具5端，并夾緊；再向前推動(dòng)移動(dòng)夾具5直至待焊件b的后端面，并保持一定距離；

(六)摩擦焊前預(yù)熱：根據(jù)待焊件的材質(zhì)選擇是否需要進(jìn)行焊前預(yù)熱，如需要?jiǎng)t蓋上加熱器11的頂蓋，選擇對(duì)應(yīng)位置的加熱元件對(duì)待焊件進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度在70-300℃之間；

(七)帶中間過(guò)渡層材料的慣性摩擦焊連接：設(shè)置慣性摩擦焊參數(shù)；按慣性摩擦焊工藝順序完成帶中間過(guò)渡層的焊件的連接；摩擦焊參數(shù)根據(jù)焊接材料和焊接面積定；

(八)焊后處理：對(duì)試樣進(jìn)行焊后緩冷保溫，或者進(jìn)行焊后熱處理；焊后緩冷保溫溫度200℃--300℃，保溫時(shí)間根據(jù)工件厚度確定；焊后熱處理消除殘余應(yīng)力，溫度600-880℃之間，根據(jù)材料確定，保溫時(shí)間按試樣厚度計(jì)算，但不低于30min，以性能較低材料為準(zhǔn)。

焊接前，用金相砂紙打磨、超聲清洗待焊件a焊接面、待焊件b焊接面和待焊件c待焊面。

其中，待焊件a與待焊件b均為同軸向設(shè)置的圓柱形結(jié)構(gòu)；待焊件a的外圓直徑比待焊件b大至少10mm；且待焊件a的焊接面外凸形成有兩個(gè)同心的凸臺(tái)，其中一個(gè)凸臺(tái)在心部呈圓柱形，另一個(gè)凸臺(tái)呈圓筒形且位于在該焊接面邊緣；待焊件b上正對(duì)待焊件a的焊接面外凸形成有用于套接在對(duì)應(yīng)的兩個(gè)凸臺(tái)的兩個(gè)套筒。

實(shí)施時(shí)，兩個(gè)凸臺(tái)之間是圓形凹槽；圓形凹槽與凸臺(tái)連接處為圓弧過(guò)渡，過(guò)渡圓弧半徑在2-5mm之間；凸臺(tái)的高度為5-15mm，凸臺(tái)邊緣倒棱角或圓弧，后端面邊緣處凸臺(tái)的寬度不低于10mm；待焊件b實(shí)心部分厚度1.5-3mm。

其中，待焊件c與待焊件b為同軸向設(shè)置的圓柱形結(jié)構(gòu)；待焊件c的焊接面內(nèi)凹形成套筒狀結(jié)構(gòu)，待焊件b與待焊件c正對(duì)的焊接面外凸形成有兩個(gè)同心的凸臺(tái)，其中一個(gè)凸臺(tái)為設(shè)置在心部且用于填充插接在待焊件c的套筒狀結(jié)構(gòu)內(nèi)部，另一個(gè)凸臺(tái)為位于在該焊接面邊緣的圓筒形且用于套接在待焊件c的套筒狀結(jié)構(gòu)外部。

實(shí)施時(shí)，待焊件c外側(cè)直徑比待焊件b凹孔直徑單邊小0.2-0.8mm，待焊件b心部的圓柱高5-8mm，圓柱焊接面倒角，圓柱根部與待焊件c外圓以70°-78°的錐形連接，錐形與圓柱根部以不低于2mm直徑的圓弧過(guò)渡。

其中，待焊件b正對(duì)待焊件c的焊接面上設(shè)置在心部的凸臺(tái)為圓錐臺(tái)。

實(shí)施時(shí)，圓錐臺(tái)與母線夾角不大于2°，單邊配合間隙在0.2-0.5mm之間，待焊件c圓錐臺(tái)高度5-8mm，圓錐臺(tái)焊接面倒角，圓錐臺(tái)根部與待焊件c外圓以70°-78°的錐形連接，錐形與圓錐臺(tái)根部間圓弧過(guò)渡。

其中，所述待焊件c的套筒狀結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)面加工有螺紋，且所述螺紋上沿套筒狀結(jié)構(gòu)的軸向開設(shè)有縱向槽。

實(shí)施時(shí)，所述待焊件b呈H形，其外圓直徑小于待焊件a邊緣凸臺(tái)的內(nèi)徑，兩者間單邊間隙0.2-0.5mm；待焊件b上凹孔與凸臺(tái)圓弧過(guò)渡半徑在2-5mm之間，凸臺(tái)倒棱角或圓??；待焊件b的前后端面均為焊接面，其前端面與待焊件a配合，其中待焊件b前端面上的凹孔與凸臺(tái)分別與待焊件a的心部凸臺(tái)和凹槽配合，待焊件b前端面凸臺(tái)高度和凹孔深度分別與待焊件a凹槽深度和凸臺(tái)高度一致，單邊配合間隙為0.2-0.5mm；待焊件b的后端面凹孔與待焊件c配合；其后端面上凸臺(tái)高度8-15mm；待焊件b與待焊件c配合的凸臺(tái)寬度不低于5mm；待焊件b中間實(shí)心部分厚度在8-10mm之間。實(shí)施上述優(yōu)選方案后，以保障足夠的縮短量。

其中，所述頂壓棒的表面噴涂有高溫阻焊劑。

其中，所述待焊件a與待焊件b之間的焊接面粗糙度均小于Ra3.2。

其中，所述頂壓棒為石墨棒7、鉬棒或耐高溫不銹鋼棒中任意一種。

其中，所述待焊件a小于所述待焊件b的熔點(diǎn)。

其中，當(dāng)加熱器11的加熱腔為真空時(shí)，對(duì)應(yīng)采用由鉬或耐熱不銹鋼中任意一種材料制得的所述頂壓棒。當(dāng)加熱器11的加熱腔內(nèi)填充保護(hù)氣體時(shí)，對(duì)應(yīng)采用由鉬或耐熱不銹鋼中任意一種材料制得的所述頂壓棒。

其中，本焊接方法所采用的焊接裝置，還包括卡圈a、卡圈b、卡圈c、旋轉(zhuǎn)端頂桿13、移動(dòng)端頂桿14、中間支撐架、加熱器和氣管12；其中熔點(diǎn)值最低的待焊件a通過(guò)卡圈a夾持在旋轉(zhuǎn)夾具端，熔點(diǎn)值最高的待焊件c通過(guò)卡圈c夾持在移動(dòng)夾具端，待焊件b放置在位于中間支撐架上的加熱器內(nèi)；加熱器內(nèi)緊鄰待焊件b兩側(cè)設(shè)置有獨(dú)立控制的2-4組加熱元件；中間支持架位于移動(dòng)夾具和旋轉(zhuǎn)夾具之間，并與焊機(jī)床身導(dǎo)軌17滑動(dòng)配合；在待焊件c的前面有石墨棒，石墨棒通過(guò)卡圈b夾緊在移動(dòng)夾具端，石墨棒的前端伸出移動(dòng)夾具，其后端與待焊件c的焊接面接觸；石墨棒的前后端面、以及與卡圈b接觸的外圓面均噴有高溫阻焊劑；為防止焊接時(shí)壓力造成焊接面變形，卡圈b伸出移動(dòng)夾具部分的長(zhǎng)度，比石墨棒伸出移動(dòng)夾具的長(zhǎng)度短10mm，卡圈a伸出旋轉(zhuǎn)夾具部分的長(zhǎng)度，比待焊件a伸出旋轉(zhuǎn)夾具部分長(zhǎng)度短10mm；加熱器為上下開啟的筒體，其兩端設(shè)有孔分別與卡圈a和卡圈b外徑配合，卡圈a和卡圈b與孔之間有密封圈，加熱器上部安裝有控制元件15和測(cè)溫?zé)犭娕?6，加熱器上部側(cè)面設(shè)有與氣管12相配合的孔，用于通入保護(hù)氣體；氣管12與孔之間通過(guò)密封件密封；待焊件a和待焊件c后端分別設(shè)有頂桿進(jìn)行端部頂緊，頂桿另一端支撐在焊機(jī)對(duì)應(yīng)內(nèi)孔臺(tái)階上。

其中，所述中間支撐架10由連接座101、底座102，調(diào)整墊片103、Z形定位塊1041和定位塊2組成，連接座101安裝在移動(dòng)夾具5和旋轉(zhuǎn)夾具4間，通過(guò)滑槽與床身導(dǎo)軌17外側(cè)滑動(dòng)連接，以保證能沿軸向調(diào)整中間支撐架10位置；底座102下部與連接座101通過(guò)滑槽移動(dòng)配合，并能用定位螺釘固定，以保障移動(dòng)中間支撐座能前后與軸心對(duì)中；底座102上端面部開有直通槽，直通槽與Z形定位塊104滑槽配合，方便取卸；直通槽的兩側(cè)邊和Z形定位塊104的端面起定位作用；調(diào)整墊片103置于Z形定位塊104上，用于調(diào)整高度；底座102與連接座101總高度低于旋轉(zhuǎn)夾具4和移動(dòng)夾具5最低位置，以保障焊接時(shí)不會(huì)產(chǎn)生位置干涉。

所述加熱器11為上下開啟的筒體，用鎖扣進(jìn)行鎖緊，方便隨時(shí)取卸；加熱器11下部平面放置在Z形定位塊104上，加熱器11左右和后側(cè)面靠直通槽的兩側(cè)邊和Z形定位塊104的端面限位，并通過(guò)調(diào)整墊片103調(diào)整高度，使卡圈a和卡圈b能正確放置在加熱器11兩側(cè)的孔中；加熱器11外部材料為不銹鋼，內(nèi)壁材料為陶瓷纖維，陶瓷纖維內(nèi)置2-4組獨(dú)立控制的加熱元件，能根據(jù)需要選擇加熱組數(shù)；陶瓷纖維中間有2個(gè)高2mm的凸臺(tái)，用于安裝待焊件b，凸臺(tái)間寬度待焊件b長(zhǎng)度一致，凸臺(tái)可以根據(jù)待焊件b尺寸進(jìn)行更換。

異種材料復(fù)合焊接裝置還包括中間過(guò)渡層定位結(jié)構(gòu)，所述中間過(guò)渡層定位結(jié)構(gòu)包括在加熱腔的腔壁下側(cè)鄰近旋轉(zhuǎn)夾具的夾緊件處內(nèi)凸形成的一圈定位用凸臺(tái)；所述定位用凸臺(tái)的內(nèi)直徑與構(gòu)成中間過(guò)渡層的焊接件的外直徑匹配，且大于旋轉(zhuǎn)夾具上夾緊安裝的待焊件的外直徑。采用上述中間過(guò)渡層定位結(jié)構(gòu)后，能夠?qū)?gòu)成中間過(guò)渡層的待焊接件的端面進(jìn)行定位，防止在擴(kuò)散焊接時(shí)中間過(guò)渡層的焊接面出現(xiàn)傾斜，保證擴(kuò)散焊接的質(zhì)量。

所述加熱元件為在所述移動(dòng)夾具的移動(dòng)方向上位于構(gòu)成中間過(guò)渡層的焊接件兩側(cè)的至少可獨(dú)立控溫的兩組。這樣一來(lái)就能夠在擴(kuò)散焊接時(shí)對(duì)焊縫處進(jìn)行加熱，在慣性摩擦焊接時(shí)對(duì)待焊接件進(jìn)行預(yù)熱，獲得理想的擴(kuò)散焊接與慣性摩擦焊接質(zhì)量，進(jìn)而獲得質(zhì)量最佳的異種材料復(fù)合焊接工件。

上述卡圈a、卡圈b、卡圈c的設(shè)置，不僅能夠?qū)Ω鱾€(gè)被套接件的外表面形成保護(hù)，還能夠在擴(kuò)散焊接中，避免擴(kuò)散焊壓力作用使焊件墩粗變形，有效確保焊接質(zhì)量。

上述旋轉(zhuǎn)端頂桿和移動(dòng)端頂桿設(shè)置，能夠確保擴(kuò)散焊接與慣性摩擦焊接加工過(guò)程中焊接件之間的鍛壓力，從而更好的保證焊接接頭的質(zhì)量。

上述中間支撐架的設(shè)置，能夠?qū)訜崞鞯奈恢眠M(jìn)行準(zhǔn)確的調(diào)整，從而可加熱器內(nèi)部的加熱元件能夠鄰近并對(duì)準(zhǔn)需要加熱的焊接面，確保焊接質(zhì)量的同時(shí)，降低加熱能耗，提高使用效益。

以下組合的待焊件a、待焊件b和待焊件c均可適用于本發(fā)明的異種材料復(fù)合焊接方法：

組合一：所述待焊件b是一種材料，還能是2種及以上材料組合，當(dāng)待焊件b為2種以上材料組合時(shí)，需要考慮預(yù)留摩擦焊金屬縮短量，同時(shí)避免焊后中間過(guò)渡層過(guò)厚影響焊接質(zhì)量，需要控制組件尺寸，與待焊件a進(jìn)行擴(kuò)散連接的材料厚不超過(guò)0.05mm，中間材料厚度不超過(guò)0.03mm，與待焊件c焊接材料結(jié)構(gòu)尺寸與待焊件c焊接面配合，其實(shí)心部分厚度2.5mm。

組合二：所述待焊件a為以下材料的一種：鋁、鋁合金，待焊件c為以下材料一種：鋼、不銹鋼，其中鋼或者不銹鋼焊接面鍍有Zn，厚度在100-150μm；待焊件b為純鋁，純鋁與鋼的焊接面經(jīng)浸鋅后鍍鎳，鎳層厚度10-30μm；

組合三：所述待焊件a為鋼，待焊件c為下列材料的一種：TiAl基合金、鎢及鎢合金，待焊件b為下列材料的一種或組合：純銅、鎳、鎳合金、釩。

組合三：所述待焊件a、待焊件b和待焊件c焊接面還能設(shè)有鍍層，鍍層材料為下列材料的一種或者幾種組合:鎳、銅、鋅。

下面結(jié)合實(shí)施例來(lái)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說(shuō)明：

實(shí)施例一：在本實(shí)施例中：待焊件a由鋼制得，待焊件c由TiAl基合金制得，中間過(guò)渡層：待焊件b由鎳基合金制得；頂壓棒為石墨棒。

本實(shí)施例的異種材料復(fù)合焊接方法，包括以下步驟：

(一)焊前清洗：用金相砂紙打磨、超聲清洗待焊件a1焊接面、待焊件b2焊接面和待焊件c3待焊面；

(二)旋轉(zhuǎn)端夾緊：將旋轉(zhuǎn)端頂桿13放入旋轉(zhuǎn)夾緊端，調(diào)整旋轉(zhuǎn)端頂桿13長(zhǎng)度使其頂緊旋轉(zhuǎn)端主軸內(nèi)孔臺(tái)階，然后讓待焊件a1非焊接面靠緊旋轉(zhuǎn)端頂桿13，并夾緊待焊件a1；

(三)移動(dòng)端夾緊：將移動(dòng)端頂桿14放入移動(dòng)夾緊端，調(diào)正移動(dòng)端頂桿14長(zhǎng)度使其頂緊移動(dòng)端內(nèi)孔臺(tái)階，將套有卡圈c9的待焊件c3與石墨棒7一起裝在8卡圈b內(nèi)，調(diào)整8卡圈b前端與石墨棒7前端距離為10mm，然后調(diào)整移動(dòng)端頂桿14將待焊件c3和石墨棒7頂緊，隨后夾緊8卡圈b；

(三)調(diào)整加熱器位置：將102底座和104Z形定位塊安裝到位，然后安裝11加熱器，調(diào)整101連接座、102底座和103調(diào)整墊片，使11加熱器兩側(cè)孔與7卡圈a和8卡圈b對(duì)中放置；

(四)中間過(guò)渡層的安裝與預(yù)壓加緊：將待焊件b2緊靠11加熱器內(nèi)凸臺(tái)一側(cè)放置，軸向滑動(dòng)10中間支撐架，使1待焊件a焊接面和待焊件b2前端面接觸，然后移動(dòng)焊機(jī)滑臺(tái)，施加頂緊預(yù)壓力1.5MPa，使石墨棒7與待焊件b2接觸，并推動(dòng)待焊件b2與待焊件a1輕微接觸，合攏11加熱器，扣上鎖扣；

(四)中間過(guò)渡層的擴(kuò)散連接：設(shè)置預(yù)壓力7MPa、焊接壓力60MPa，加熱溫度1050℃，從0℃加熱到700℃的升溫速率控制在10℃/mim，從700℃上升到1050℃的升溫速率控制在5℃/mim，保溫80min，隨爐冷卻；焊接時(shí)間隨焊件大小而定，以焊透為準(zhǔn)；通入保護(hù)氣體氬氣，啟動(dòng)焊接，壓力通過(guò)待焊件c3、石墨棒7傳遞到待焊件a1與待焊件b2界面；

(五)摩擦焊前夾緊及參數(shù)設(shè)置：待完成待焊件a1和待焊件b2連接后，打開加熱器，松開5移動(dòng)夾具取出石墨棒7，將待焊件c3伸出5移動(dòng)夾具端，并夾緊，然后向前移動(dòng)移動(dòng)夾具5與待焊件b焊接面保持10mm距離，設(shè)置慣性摩擦焊參數(shù)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量1.56Kg.m²摩擦轉(zhuǎn)速4800rpm，頂鍛轉(zhuǎn)速2400rpm，摩擦壓力3.5MPa，頂鍛壓力7MPa；

(六)摩擦焊前預(yù)熱：合攏加熱器，選擇第二組11加熱元件對(duì)待焊件c3進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度280℃；

(七)帶中間過(guò)渡層的復(fù)合材料的慣性摩擦焊連接：按慣性摩擦焊工藝設(shè)定順序完成帶中間過(guò)渡層的焊件的連接；

(八)焊后處理：焊后260℃保溫，時(shí)間60min。

經(jīng)測(cè)試，焊后鎳基合金中間120μm，Ni、Mo、C、Fe元素?cái)U(kuò)散，鋼/鎳界面擴(kuò)散區(qū)厚約12μm，其中Ni阻礙了Fe向TiAl側(cè)的擴(kuò)散，TiAl側(cè)未形成金屬間化合物，鋼側(cè)組織為馬氏體+貝氏體，鎳基合金中間為細(xì)小的等軸晶，無(wú)強(qiáng)化相γ′，TiAl側(cè)焊縫為細(xì)小的等軸α+α₂+少量的γ相。接頭拉伸強(qiáng)度406MPa，斷裂在鋼熱影響區(qū)，韌性斷裂。

實(shí)施例二：在本實(shí)施例中：待焊件a由20鋼制得，待焊件c由TC4鈦合金制得，中間過(guò)渡層：待焊件b(實(shí)心部厚3mm)由T2紫銅制得；頂壓棒為石墨棒。

(四)中間過(guò)渡層的安裝與預(yù)壓加緊：將待焊件b2緊靠11加熱器內(nèi)凸臺(tái)一側(cè)放置，軸向滑動(dòng)10中間支撐架，使1待焊件a焊接面和待焊件b2前端面接觸，然后移動(dòng)焊機(jī)滑臺(tái)，施加頂緊預(yù)壓力1.5MPa，使石墨棒7與待焊件b2接觸，并推動(dòng)待焊件b2與待焊件a1輕微接觸，合攏11加熱器，扣上鎖扣；

(四)中間過(guò)渡層的擴(kuò)散連接：設(shè)置預(yù)壓力5MPa、焊接壓力45MPa，加熱溫度900℃，從0℃加熱到480℃的升溫速率控制在8℃/mim，從480℃上升到880℃的升溫速率控制在5℃/mim，保溫60min，隨爐冷卻；通入氬氣，啟動(dòng)焊接，壓力通過(guò)待焊件c3、石墨棒7傳遞到待焊件a1與待焊件b2界面；

(五)摩擦焊前夾緊及參數(shù)設(shè)置：待完成待焊件a1和待焊件b2連接后，打開加熱器，松開5移動(dòng)夾具取出石墨棒7，將待焊件c3伸出5移動(dòng)夾具端，并夾緊，然后向前移動(dòng)移動(dòng)夾具5與待焊件b焊接面保持10mm距離，設(shè)置慣性摩擦焊參數(shù)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量1.56Kg.m²，摩擦轉(zhuǎn)速4400rpm，頂鍛轉(zhuǎn)速2200rpm，摩擦壓力2.5MPa，頂鍛壓力5MPa；

(七)帶中間過(guò)渡層的復(fù)合材料的慣性摩擦焊連接：按慣性摩擦焊工藝設(shè)定順序完成帶中間過(guò)渡層的焊件的連接；

經(jīng)測(cè)試，焊后T2中間過(guò)渡層厚24μm，鋼中的C、Fe元素向中間T2擴(kuò)散，鋼/銅界面擴(kuò)散區(qū)厚約15m，T2中的Cu元素向兩側(cè)金屬擴(kuò)散，中間過(guò)渡層厚度阻礙了C、F向TC4側(cè)擴(kuò)散，在TC4側(cè)未形成Fe-Ti,Fe-C脆性相，但有少量Cu－Ti彌散分布，鋼側(cè)組織為珠光體+鐵素體，T2紫銅為細(xì)小的等軸α銅，TC4側(cè)焊縫為細(xì)小的等軸晶，接頭拉伸強(qiáng)度395MPa，斷裂在鋼熱影響區(qū)，韌性斷裂。

實(shí)施例三：在本實(shí)施例中：待焊件a由40鋼制得，待焊件c由93W鎢合金制得；中間過(guò)渡層：待焊件b由純釩和純鎳箔制得；頂壓棒為石墨棒。

待焊件b，其中鎳在前，釩在后，即鎳與鋼焊，釩與鎢合金摩擦焊，鎳與釩之間擴(kuò)散連接。鎳箔0.03mm，釩實(shí)心部分厚度1.5mm

(四)中間過(guò)渡層的擴(kuò)散連接：設(shè)置預(yù)壓力5MPa、焊接壓力56MPa，加熱溫度1050℃，從0℃加熱到700℃的升溫速率控制在8℃/mim，從700℃上升到1050℃的升溫速率控制在5℃/mim，保溫80min，隨爐冷卻；通入氬氣，啟動(dòng)焊接，壓力通過(guò)待焊件c3、石墨棒7傳遞到待焊件a1與待焊件b2界面；

(五)摩擦焊前夾緊及參數(shù)設(shè)置：待完成待焊件a1和待焊件b2連接后，打開加熱器，松開5移動(dòng)夾具取出石墨棒7，將待焊件c3伸出5移動(dòng)夾具端，并夾緊，然后向前移動(dòng)移動(dòng)夾具5與待焊件b焊接面保持10mm距離，設(shè)置慣性摩擦焊參數(shù)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量2.77Kg.m²，摩擦轉(zhuǎn)速4800rpm，頂鍛轉(zhuǎn)速2600rpm，摩擦壓力7MPa，頂鍛壓力12MPa；

(七)帶中間過(guò)渡層的復(fù)合材料的慣性摩擦焊連接：按慣性摩擦焊工藝設(shè)定順序完成帶中間過(guò)渡層的焊件的連接；

(八)焊后處理：焊后消除殘余應(yīng)力，溫度650℃之間，根據(jù)材料確定，保溫時(shí)間80min。

經(jīng)測(cè)試，鋼/鎳界面擴(kuò)散區(qū)厚約13μm，形成了(Fe，Ni)固溶體，F(xiàn)e元素未擴(kuò)散到釩層，形成金屬間化合物；但是又少量C擴(kuò)散到釩層，形成了少量厚度3μm的VC碳化物，鎳釩界面由于元素?cái)U(kuò)散生成了Ni-V金屬間化合物。釩鎢界面元素?cái)U(kuò)散形成了V(W)固溶體層。焊后接頭鎳層厚9μm，釩層厚200μm，釩與鎢的焊縫區(qū)為細(xì)小的等軸晶。接頭強(qiáng)度246MPa，斷在焊縫近鋼側(cè)。

以上僅是本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方式，需指出是，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本技術(shù)方案的前提下，還可以作出若干變形和改進(jìn)，上述變形和改進(jìn)的技術(shù)方案應(yīng)同樣視為落入本申請(qǐng)要求保護(hù)的范圍。