模型及其制造方法

专利名称：模型及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种与异种金属元件焊接起来并且由铜或铜合金作为基底金属构成的模型，及其制造方法。
背景技术：
通常，在钢铁工业领域，从炼钢炉(比如转炉、电炉等)中取出的高达1500℃的钢水通过铸勺、中间罐和中间罐水口被连续地送到由铜或铜合金制成的铸模中，该铸模在背面(后面)具有冷却机制，同时通过使钢水与模壁相接触来降低温度，然后在较低方向上排出同时其逐渐形成厚的凝固壳并且允许来制成连续形成且具有一定尺寸的板坯。而且，随后，它被送到最终精制过程，比如加热、轧制等，并且然后通过切断工艺制成产品。具有高热导率的铜或铜合金通常用于钢的这种连铸模材料，因为它具有降低钢水温度的重要作用。
如上所述，尽管无需赘言，对于模型与钢水的接触面来说，已经对通过利用具有高热导率的铜或铜合金作为材料来降低温度的作用进行了研究。然而，随着钢水凝固的进行，还出现了表面硬化，并且由于铜元件因为这种表面硬化等所带来的磨损，由于铜混合入板坯就会导致一种称之为星状裂纹的表面裂纹，因此通常通过在与模型中钢水相接触的表面上利用电镀方法、热喷射方法等镀镍、镍钴合金、镍铁合金、镍铬合金等来防止由于使用铜而导致对板坯的损坏以及防止磨损的措施。
至于安装在连铸模背面处的冷却机制，如图7所示，其结构为背面框架(水箱)连接到铸模的抗熔化钢接触面上。例如，如图3所示，其结构为模型自身上还提供有用于背面框架安装元件的孔以及用于提高冷却效率的冷却槽。很自然地，根据连铸机具体的情况，这种槽的形状和数目在一定程度上可以改变，然而，用于这种铸模的铜元件或铜合金元件的厚度基本上几乎固定在40至50mm的范围。应当说明的是，在一部分铸造领域中，已经使用了具有所谓电磁搅拌功能(即在模型内通过电磁力来搅拌钢水的功能)的连铸机，其目的是希望改善板坯的中心偏析和凝固结构并且使得板坯具有更高的质量，并且近年来这种使用正在增长。
用于具有电磁搅拌功能的连铸机中的铸模通常设置为比普通模型更薄，并且铜元件或铜合金元件的厚度通常设置在大约25至大约30mm的范围，以提高渗透性，并且由于铸模上部的温度由于模型内钢水搅拌的作用而倾向于升高。因此，还需要给背面框架提供特定的设备，然而，铜元件或铜合金元件较薄的厚度使得很难形成孔以使得背面框架能安装到其中。
而且，在用于一些具有电磁搅拌功能的连铸机中的铸模的例子中，这种模型采用了这种结构其中背面框架通过利用电弧螺柱焊接方法以150至200mm的间距焊接不锈钢的双头螺栓零件而安装，当其处于平面状态并且最初背面上没有冷却槽时。在电弧螺柱焊接方法中，基底金属和一部分不锈钢由直流电源所产生的电弧所熔化并且焊接起来。然而，由于目标物体(基底金属)是热导率较高的铜或者铜基合金，并且还由于目标物体(基底金属)的热量排放体积比待焊接的双头螺栓(由不锈钢制成)大得多，从焊接条件的角度来说，必须应用超出很多的热量输入。因此，很难避免材料在宽泛的区域中受到热的影响。除此之外，在这个过程中，需要圆柱形的陶瓷环，其称作套圈(ferrule)并且具有以下所有作用形成双头螺栓边缘的边缘、助焊剂的组合使用、防止熔化金属分散以及电绝缘，并且因此焊接操作会变得复杂和十分麻烦。此外，从垂直于模型铜元件的角度看，其中已经焊接了所需数目双头螺栓的铸模型有大约1.6mm的变化，并且除了双头螺栓安装精度的问题之外，还显示了铜板热变形和强度恶化等缺陷，铜板和双头螺栓之间的焊接区域在较高或较低温度下出现铜元件的破裂，并且熔渣仍然没有完全地从铜板和双头螺栓之间的焊接区域中排出。在一些情况下，这些复杂因素就要求进行重新焊接，并且在装配背面框架时会导致螺栓断裂事故，并且还有，在模型操作等期间会由于各种作用应力导致螺栓断裂事故。在图2(a)和图2(b)中，大概地示出了进行电弧螺柱焊接之前和已经进行了电弧螺柱焊接之后的状态。
此外，作为如图4所示用于具有另一电磁搅拌功能的连铸机中的模型的实施例，还具体化了一个例子，其结构为只是背面框架连接部分的铜元件较厚，背面框架连接底座通过对这种较厚的结构进行螺纹孔加工而提供，并且还通过进行切削加工来提供冷却槽。在这个例子中，伴随着电弧螺柱焊接，没有热量输入发生，并且还无需担心原料变形和强度恶化，因为圆柱形的背面框架安装底座设在铜元件的背面上，并且冷却槽是在背面之外的其它位置处加工出来。另一方面，这样就不可避免地使得加工安装底座、加工背面框架安装孔(加工螺纹孔和安装用于不锈钢螺旋线圈介入物(下文中称之为螺纹衬套)的推杆tapp)等过程变得复杂。而且，这个连续机械加工实际上切削和移除了原始铜或铜合金的40至50％的重量。切削碎片将以可翻新的碎屑的方式进行利用。然而，这伴随着大量工业废料的出现。
如上所述，在常规模型的情形下，为了设定背面框架安装孔以及赋予充分冷却的功能，在厚铜元件的背面上执行处理比如加工安装孔、装配不锈钢的螺纹衬套(为了提高和保护螺纹)，以及加工冷却槽(其将是冷却水的通道)。另一方面，在具有常规电磁搅拌功能的铸造机中的铸模中，使用了电弧螺柱焊接方法，其中鉴于材料的热变形、强度恶化、焊接缺陷、焊接位置精度和焊接强度等，就存在着很多问题，或者进行很多处理加工背面框架安装底座、连接用于不锈钢螺纹线圈介入物(下文中称之为“螺纹衬套”)的推杆、加工槽等，这就需要长时间的加工并且厚铜元件有材料损失。这样，可以理解到，钢的连铸模型的常规抗熔化钢接触面(后面)所共有的技术问题可以大致总结为两个问题有效冷却和背面框架的安装。更具体地，这些问题的解决方案，比如改善铜元件或铜合金元件的切削加工损失、长时间的加工、焊接位置相对于铜元件或铜合金元件的精度、焊接强度的可靠性以及铜元件的热变形和热老化等，有利于节省资源，减少工业废料，缩短加工时间以及改进铜合金元件和双头螺栓之间焊接的可靠性，因此对工业的贡献很大。
此外，通过切削加工来形成常规冷却槽的铸模中存在的一个很大的问题在于由于为了在铜板的侧面上安装背面框架而必须提供安装孔，铜板就被限定为较厚并且较厚铜板的使用导致了冷却槽的加工。如果能发现一种解决这个问题的安装背面框架的新方法，使铜板变薄以及加工冷却槽就毫无意义了，也解决了在一种为了提供背面安装底座而仍然使用较厚铜板的方法中铜板用于电磁搅拌的问题。
此外，对于利用双头螺栓的电弧螺柱焊接方法中的用于电磁搅拌的模型铜板，如果能发现一种可以提高焊接位置精度和焊接强度并且同时能抑制铜板的热变形和热扭变的双头螺栓焊接方法，就能避免螺栓的位置调节、双头螺栓断裂事故等。

发明内容
因此，本发明用来提供一种解决充分冷却和背面框架安装问题的模型，并且更具体地，提供一种解决比如改善铜元件或铜合金元件切削损失、大量加工时间、双头螺栓的焊接位置精度和焊接强度的可靠性、铜元件的热变形和热老化等问题的方法。
为了解决上述问题，本发明人已经通过试验和纠错研究了很多研究成果。作为研究的结果，本发明人已经在制造与异种金属元件焊接起来的模型方面取得成功，其特征在于该模型通过一种方法来制造，该方法包括加压地使异种金属元件与由铜或铜合金构成且处于静止状态的模型相接触同时高速旋转异种金属元件的第一步骤、停止异种金属元件的第二步骤、以及向模型提供强制压力的第三步骤，该强制压力比第一步骤中的压力大。因而，本发明人发现，本发明能解决上述问题，比如铜元件或铜合金元件切削损失、大量加工时间、双头螺栓的焊接位置精度和焊接强度的可靠性、铜元件的热变形和热老化等，也就是说，立即解决了上述问题。
在本发明人取得这些发现之后，他们进一步集中地研究和完全了本发明。
具体地，本发明涉及(1)一种与异种金属元件焊接起来的模型，其特征在于该模型通过一种包括第一步骤、第二步骤和第三步骤的方法来制造，在第一步骤中加压地使异种金属元件与由铜或铜合金构成且处于静止状态的模型相接触，同时高速旋转异种金属元件；在第二步骤中停止异种金属元件；在第三步骤中向模型提供强制压力，该强制压力大于第一步骤中的压力，(2)根据以上(1)的模型，其特征在于该模型是钢的连铸模，(3)根据以上(1)或(2)的模型，其特征在于该异种金属元件为背面框架安装元件，(4)根据以上(3)的模型，其特征在于该背面框架安装元件装备有用于在内部安装背面框架的螺纹结构，(5)根据以上(2)的模型，其特征在于所述钢的连铸模是用于电磁搅拌的钢的连铸模，(6)根据以上(1)的模型，其特征在于第一步骤中异种金属元件的主转速为60m/min或更大，压力为40MPa或更大，并且第三步骤的强制压力为60MPa或更大，(7)根据以上(1)的模型，其特征在于异种金属元件包括不锈钢、钛、钛合金或镍合金，(8)根据以上(1)的模型，其特征在于当模型和异种金属元件彼此相接触时，在模型表面和异种金属元件表面之间介入有镍镀层或镍合金镀层，或者镍箔或镍合金箔。
(9)根据以上(8)的模型，其特征在于镀层或箔的厚度介于1至50μm的范围内，(10)一种与异种金属元件焊接起来的模型的制造方法，其特征在于该方法包括第一步骤、第二步骤和第三步骤，在第一步骤中加压地使异种金属元件与由铜或铜合金构成且处于静止状态的模型相接触，同时高速旋转异种金属元件，在第二步骤中停止异种金属元件，在第三步骤中向模型提供强制压力，该强制压力大于第一步骤中的压力，(11)一种与异种金属元件焊接起来的模型的制造方法，其特征在于在执行模型和异种金属元件的压力焊接时，所述模型和模型金属元件受到由两个主轴转速之差所产生的摩擦热进行的固态焊接，(12)根据以上(11)的制造方法，其特征在于由铜或铜合金构成的模型的焊接表面的表面区域，包括焊接位置，是异种金属元件的被焊接区域的100倍或更多，(13)一种钢的连铸模，其中背面框架安装元件用摩擦焊接的方法焊接，和(14)根据以上(1)的制造方法，其特征在于第三步骤的强制压力是第一步骤压力的2至3倍。


图1示出了本发明摩擦焊接的顺序。
图2示出了常规的电弧螺柱焊接方法，其中(a)示出了电弧螺柱焊接之前的状态，(b)示出了电弧螺柱焊接之后的状态。
图3是常规铸模的横截面视图。
图4示出了用于电磁搅拌的常规铸模的一个实施例。
图5是示出本发明铸模的示意图。
图6示出了示例2中测试零件的硬度测试位置。
图7是安装在背面框架上的铸模的透视图。
在附图中，数字1标识双头螺栓，数字2标识套圈，数字3标识铜或铜合金，数字4标识助焊剂，数字5标识多余金属部分，数字6标识热影响区域，数字7标识熔化钢接触面，数字8标识冷却槽，数字9标识背面框架安装孔，数字10标识圆柱形的背面框架安装底座，数字11a标识由不锈钢制成的凸台，数字11b标识由不锈钢制成的凸台，数字12标识背面框架，数字13标识铸模。
具体实施例方式
本发明涉及一种与异种金属元件焊接起来的模型，其特征在于该模型通过一种包括第一步骤、第二步骤和第三步骤的方法来制造，在第一步骤中加压地使异种金属元件与由铜或铜合金构成且处于静止状态的模型相接触，同时高速旋转异种金属元件；在第二步骤中停止异种金属元件；在第三步骤中向模型提供强制压力，该强制压力大于第一步骤中的压力。
本发明人已经比较和研究了很多铸模。作为研究的结果，本发明人已经注意到，如果不同的材料(举例来说比如不锈钢材料等)能以很大的强度在材料没有热老化的前提下焊接到导热性极好的铜及其合金材料，而不是加工出很多铸模所共有的用于背面框架的孔，就能立即解决铸模上的很多问题，并且能提供一种新的铸模。然后，本发明人详细地比较和研究了焊接不同材料的方法(包括再次焊接)。首先，作为本发明人已经研究过的一种焊接方法，可以举例用涂药焊条的电弧焊、用自耗焊条的气体保护电弧焊、自保护电弧焊、埋弧焊、电渣焊、电弧气电焊、螺柱焊、电子束焊、激光焊、磁驱动电弧焊、氧一乙炔焊等，并且本发明人已经研究了很多这类的焊接方法。然而，绝大多数焊接方法都很大程度上受到热的影响，或者在特殊要求的气氛下应用，并且因而这些方法实际上不能解决上述问题。
然后，本发明人已经注意到将摩擦焊接作为固态焊接方法的可能性，这种方法从大约1960年代中期开始能使得焊接自动化和机械化，热影响区域非常有限并且只是希望焊接表面是放热的，并且还研究了将焊接方法应用于铜板、不锈钢元件和钛元件的可能性。在考虑通过摩擦焊接进行焊接时，在任何情况下，相对于铜或铜合金来说，铝及其合金、铜及其合金、碳钢、合金钢、不锈钢等被归类为可焊接区域。然而，作为一个实际问题，实践中没有使用过具有极好导热性和很大体积的材料以及具有非常小体积的异种材料，而铸模正是这种情况。具体地说，在铸模中，从待焊接的金属元件和异种金属元件之间的体积角度看，存在着太大的尺寸差别，并且模型元件本身是非常有效的散热板。因此，即使能在金属元件和异种金属元件之间进行焊接，从焊接强度等角度看，也担心不能满足焊接的要求。实际上，进行了初步试验，其中不锈钢棒作为焊接元件，大致相同尺寸的铜棒作为待焊接元件，进行焊接，结果显示焊接是可能的。然后，在将铜棒改变为150mm2×23mm厚的铜板并且将不锈钢板改变为直径为14mm的不锈钢棒时，继续进行焊接试验。正如本发明人所担心的，产生了具有空隙并且在焊接界面区域很大范围内没有焊接起来的区域。此外，不锈钢和铜在界面附近形成的混合层也不充分，因此不能得到很好的焊接强度。然而，由于已经实现了焊接(尽管是局部的)，可以预期存在着焊接的可能性，然后开始利用铬/锆铜元件和SUS304元件之间的组合来进行全面的焊接试验。作为试验的结果，本发明人已经发现，为了获得稳定且坚固的焊接，焊接中三个因素是主要的，包括摩擦压力、主轴的转速以及强制压力(下文中称之为“加压压力”)。而且，本发明人发现，当通过在压力之下接触同时高速旋转的第一步骤、停止高速旋转的第二步骤以及应用比第一步骤中大的强制压力的第三步骤进行焊接时，焊接得很好且令人满意。而且，本发明人发现，在每个步骤的条件是摩擦压力为大约40MPa或更大，加压压力大约为60MPa或更大，并且主轴转速为大约60m/min或更大时，优选的焊接显示了比铜板抗拉强度高的焊接强度。应当说明的是，本发明人发现，主轴转速优选地为大约2000rpm或更大。
此外，本发明人发现，如果设置是在上述条件范围内，超过或大大超过大约40MPa的摩擦压力，大约60Mpa的加压压力以及大约60m/min的主轴转速的设置条件能提供从焊接强度和界面结构的角度看毫无问题的质量水平。具体地说，本发明人发现，上述三个因素的数值越大(使条件更严格)，随着摩擦焊接就倾向于增加更多得毛刺产生体积。然而，由于这种水平的焊接强度已经饱和，即使设定了超出的严格条件，除了如上所述获得极好的焊接等之外也没有任何其它意义。此外，本发明人发现，通过利用不锈钢进行实验，并且还通过利用钛元件代替不锈钢元件作为异种金属元件来进行实验，在与焊接相关的不锈钢元件中观察到的很多倾向也大致与钛元件等相同。
此外，为了改进焊接处的界面热输入量，使焊接更加稳定以及提高焊接强度，本发明人进行了很多研究。作为结果，在铜板和不锈钢棒借助于上述摩擦压力方法通过镀镍、镍合金(其热导率低于铜)等焊接起来的情况下，在铜板一侧或者在不锈钢点附近，或者通过介入比如箔(比如镍元件或镍合金板)，就能看到摩擦扭矩的增大，从而能改进焊接时界面的热输入效率，并且焊接会更稳定，这对于实现上述目标等很有用。此外，本发明人发现，为了获得更更好的结果，优选地镀层或箔的厚度处于适当的范围内，优选地镀层或箔的厚度处于大约1至50μm的范围内，更优选地是处于大约2至20μm的范围内。
此外，本发明人发现，从能避免焊接部分周围由于热而引起颜色改变的角度看，在铜板一侧进行电镀优于在不锈钢一侧(在不锈钢钢的末端部分附近)进行电镀(镀镍或镍合金)。然而，已经发现，从通过在中间介入镍或其合金所获得强度的角度看，与没有介入的情况相比，作用并不是很大，并且观察到焊接强度变化的增大。本发明人发现，例如，当铜板和不锈钢棒在没有比如镍、其合金等箔片介入的情况下被焊接起来时的焊接强度在50至60MPa之间变化，即使存在着如上所述的焊接条件，并且相反，在箔片介入到铜板和不锈钢棒之间时，变化范围变窄到20至30MPa等。此后，基于这个发现，本发明人发现，在上述焊接时通过介入比如镍、其合金等箔片能使焊接强度的变化变得更窄。
以下结合图1描述本发明的优选实施例。
模型和异种金属元件的焊接通过如下步骤来实现(a)固定模型并逐渐提高异种金属元件的主轴转速，(b)在主轴转速已经达到预定值时维持异种金属元件的主轴转速，(c)在压力之下使异种金属元件与模型接触期望的时间，从而产生摩擦热，(d)在保持压力的同时利用制动器降低异种金属元件的主轴转速，和(e)应用期望的上述加压压力。
简言之，本发明的要领在于利用模型和异种金属元件焊接时主轴转速差所产生的摩擦热，使模型和异种金属元件受到固态焊接。
尽管本发明中所使用的铜合金并没有具体地限定，但是可以适当地使用这个技术领域中常规的合金。例如，举例来说，通过沉淀硬化所获得的用于模型的铜，加入有铬/锆(例如Cr0.5-1.5％重量，Zr0.08-0.30％重量，余量为Cu)；用于电磁搅拌的模型的铜板，添加有铬/锆/铝(例如，Cr0.50-1.50％重量，Zr0.08-0.30％重量，Al0.7-1.1％重量，余量为Cu)等。
至于本发明所用的异种金属元件，只要是除了铜或铜合金之外的任何金属都可以，并且其可以包括铝及其合金、碳钢、合金钢和不锈钢等，然而，这种异种金属元件的优选例子是不锈钢、钛、钛合金或镍合金。此外，根据本发明，优选地，上述异种金属元件是背面框架安装元件并且背面框架安装元件的内部提供有用于安装背面框架的螺纹结构。
以下列出了镍的电镀液(镀槽)的优选种类和条件。
对于用于获得镍的电镀液，有很多电镀液，例如，Watt镀液、氟硼酸盐镀液、高浓度的硫酸盐镀液、氨基碘酸盐镀液、氯化镍铵镀液、硫酸镍铵镀液等，并且所有这些都可以使用，然而，绝大多数镀液工作效率很差并且毒性很强，并且最优选的镀液是Watt镀液和氨基碘酸盐镀液。
(1)Watt镀液pH 3-5硫酸镍(6H2O) 230-360g/L氯化镍(6H2O) 20-60g/L硼酸 25-45g/L抗去核剂(anti-pitter) 如果需要组合使用抛光剂 未使用电流密度 1-6A/dm2温度 40-70℃搅拌 空气搅拌(2)氨基磺酸盐镀液pH 3-5氨基碘酸镍(4H2O) 300-600g/L氯化镍(6H2O) 0-30g/L硼酸 25-45g/L抗去核剂 0.3-1.0g/L电流密度 1-10A/dm2温度 30-60℃搅拌 有或没有泵搅拌以下描述镍合金镀液的种类和适合条件。
对于镍合金电镀，也可以使用镍铁合金和镍钴合金。
(1)镍铁合金的例子a.氨基磺酸盐镀液pH1-3.5氨基碘酸镍(4H2O) 300-600g/L氯化镍(6H2O) 0-15g/L氨基磺酸亚铁 0.5-10g/L柠檬酸钠 10-30g/L硼酸 25-45g/L硫酸十二烷基酯钠 0.3-1.0g/L电流密度 1-6A/dm2温度 40-60℃搅拌 有或没有泵搅拌b.硫酸盐镀液pH1-4硫酸镍(6H2O) 80-250g/L氯化镍(6H2O) 40-60g/L硫酸亚铁(7H2O) 1-40g/L柠檬酸钠 2-20g/L葡萄糖酸钠2-20g/L添加剂0.1-1g/L电流密度 1-10A/dm2温度 45-65℃(2)镍钴合金的例子a.氨基磺酸盐镀液pH3-5硫酸镍(6H2O) 100-200g/L硫酸钴(7H2O) 50-150g/L氯化镍(6H2O) 15-40g/L硼酸 25-45g/L
硫酸十二烷基酯钠 0.3-1.0g/L电流密度 1-10A/dm2温度 45-60℃搅拌 有或没有利用喷射泵进行搅拌b.硫酸盐镀液pH 3-5硫酸镍(6H2O)100-200g/L硫酸钴(7H2O)50-150g/L氯化镍(6H2O)15-40g/L硼酸 25-45g/L抗去核剂 0-20mL/L电流密度 1-10A/dm2温度 40-60℃搅拌有或没有泵搅拌以下描述用镍或镍合金对铜或铜合金进行电镀的步骤的例子。
(1)为了在铜板一侧电镀镍或镍合金，待覆盖的表面或者除了覆盖之外的部分用具有化学阻力的涂料或者胶带来屏蔽，并且在浸入脱脂、水洗、酸浸没、水洗之后，可以用普通的方法进行镀镍或镀镍合金。也就是，在将市场上有销售的脱脂剂100HK(由Uken IndustriesCo.Ltd.制造)作为浸没脱脂溶液在60℃下作用5分钟之后，然后用水漂洗，通过在室温下浸入50ml/L的98％硫酸中来活化，再次用水漂洗，并且随后进行镀镍。应当说明的是，可以使用任何一种电镀液，然而，例如，利用Watt镀液在下述条件下进行镀镍pH4.2硫酸镍(6H2O)240g/L氯化镍(6H2O)45g/L硼酸 30g/L电流密度 3A/dm2
温度50℃搅拌空气搅拌(2)另一方面，在不锈钢螺栓或棒的一侧进行镀镍时，采用下述步骤。具体地，在棒被屏蔽同时留下或不留在不锈钢棒焊接表面附近区域之后，首先以与铜元件同样的方式进行浸入脱脂，并且利用水对棒进行漂洗，并且随后浸入500ml/L的37％盐酸溶液5分钟，然后用水进行漂洗。接着，在室温和5A/dm2的电流密度下在触击电镀溶液中进行触击电镀3分钟，这种溶液包括200g/L的氯化镍(6H2O)和70ml/L的37％盐酸，用水对棒进行漂洗，并且在与铜元件相同的条件下进行镀镍。
在本说明书中，符号“％”表示“％重量”，除非另有说明。
下文中，将结合实例/对比实例描述焊接试验的详细内容。
实例(实例1和对比实例)对于铬/锆铜，准备选自于由Chuetsu Alloy Molder IndustriesCo.，Ltd.制备的CCM-B中选择的150mm2×25mm厚的元件(化学成分Cu＞98.0％或更多，Cr0.5-1.5％，Zr0.08-0.30％)，并且设置在固定侧面上。对于可移动的侧面，选择相当于双头螺栓的由SUS304制成的棒元件，并且使用尺寸为14mm直径×70mm长的棒。应当说明的是，在表1所示参数条件的范围内重复进行压力焊接。图1中示出了摩擦焊接的时间表示顺序。表2中示出了试验结果的概要。从这些结果中，压力焊接条件的最优选范围显示，主轴转速为130m/min或更大，摩擦压力(P1)为60MPa或更大，摩擦时间(t1)处于2至20秒的范围内，在使主轴转速降低到0m/min之后通过进行制动而得到的加压压力(P2)为150MPa或更大，并且加压保持时间(t2)处于大约5至30秒的范围内。而且，在拉伸试验(由Shimadzu制造的通用拉伸试验机)和横截面微观观察(由Olympus制造的光学显微镜)中，铬/锆铜和不锈钢(SUS304)的焊接强度(抗拉强度)在上述适当条件范围内显示为400N/mm2或更大，并且在横截面微观观察中，没有发现缺陷，并且其能足以应用到实际使用中。对于极好的焊接，已经发现，摩擦压力、主轴转速和加压(强制)压力这三个因素成为最主要的因素。应当说明的是，表2所示No.18数据是在用来代替SUS304棒的相同尺寸钛棒上进行的压力焊接试验。此外，表3示出了当镍以电镀的方式介入时的影响。
(表1)摩擦焊接的主要条件

(表2)摩擦焊接的典型条件以及焊接强度和焊接区域横截面的测定

注意)表2所示的任何一个抗拉强度都是重复次数n＝5的平均值。
A没有空隙也没有未焊接区域，而是稳定的混合层(截面显微观察)(表3)镍介入的效果

(实例2)通过测试铜板的硬度进行热影响的检查实验。
表2中No.11的焊接测试片在轴向上切断，并且依照常规方法如图6所示将焊接区域树脂密封。通过在不锈钢棒方向和铜元件方向将焊接区域设置在开始点，以及通过将轴中心设置在开始点，在开始点位置以及从开始点向外6mm的位置处测量微维氏硬度。在执行摩擦焊接时热输入的热影响区域非常有限，并且这种集中于焊接区域的热影响区域分别地大约为2.5mm。
(表4)压力焊接区域附近的硬度(单位；Hv)

然而，实例1的摩擦焊接试验仅仅是铜板和不锈钢棒各自的一种单个压力焊接试验。在实际铸模的情形中，模型件的一个表面具有多个双头螺栓或安装孔。那么，我们已经决定进行其中尺寸类似于所使用实际板坯的短侧尺寸的模拟试验，并且在实例3中描述这种状态。
(实例3)虚拟铸模的制备准备由Chuetsu Metal Works Co.，Ltd.制造的CC-B(用在固定侧中)，其尺寸为280mm宽、800mm长以及25mm厚，并且利用横向3排并且在长度方向上9排的SUS304双头螺栓(用在可动侧中，直径为14mm，长度为65mm)。压力焊接条件设定如下主轴转速130m/min，接触压力60MPa，摩擦时间5秒钟，在通过制动将主轴转速设定为0m/min之后的加压压力150MPa，并且加压时间为5秒钟。在进行压力焊接之后，测量双头螺栓的垂直角度，并且测量值都在0.07mm内。偶尔，对于其中所使用双头螺栓具有相同长度的情形下所产生的大约1.6mm变化的电弧螺柱焊接，有着极好的安装精度。此外，很少观察到铜板的热变形。在10个位置处，在焊接之后从铜板上随机地取样，并且用作抗拉试验片。然而，在这些片上测量的焊接强度显示了在所有情况下为450MPa或更大。应当说明的是，所有的断裂点相应于“铜+SUS304”，并且显示了极好的界面焊接状态。
从没有进行试验的剩余部分中分开地选择试验片中的三片，并且从横截面观察焊接部分，根本没有发现空隙和未焊接部分。因此，可以确认，摩擦焊接完全能用于铸模的制造工艺。
工业实用性对于常规的钢得连铸机，由于受到安装用于水冷的背面框架的限制，使用了不必要厚的铜板。因此，为了改善热导率，必须进行额外的辅助工作来在铜板侧面上提供冷却槽。另一方面，根据本发明，例如，如图5所示，在铸模的侧面上提供有背面框架安装孔的模型的例子。如果由不锈钢制成的凸台经受摩擦焊接，至少对模型背面进行螺纹切削工艺以及随后的螺纹衬套连接变得不必要。此外，由于连锁反应，不仅铜板整体上能变薄，而且冷却槽本身的切削加工也变得不必要。应当说明的是，在对于钢水均匀凝固来说当冷却水流的速度是可控的时更有效的情况下，背面框架可以是可变的，而无需以新的方式将其重新制作成将具有冷却槽的板介入模型后面和背面框架之间。因此，这使得由于所使用的铜原料而产生的工业废料的显著减少，而且，还能减少大量的加工时间。因而，其整体的经济效益不可限量。
另一方面，在其中利用电弧螺柱焊接方法焊接双头螺栓的所谓螺栓连接型铸模中，其末端的助焊剂已经被倾斜地加工过的双头螺栓可以用普通的双头螺栓来代替，并且因而不需要套圈。因此，能降低成本，并且还不会产生工业废料。而且，除此之外，只是在最表面层才对模型铜板有热影响，同时实现了无空隙的焊接，并且能抑制焊接之后铸模的热变形、焊接强度的降低以及焊接强度的变化。此外，由于还能防止螺栓(垂直角度)的倾斜，就能提供一种铸模及其制造方法，其能使得无需后调整步骤并且没有螺栓断裂事件等的发生，这在工业上非常有用。此外，无需赘言，即使是在焊接任何种类的小不锈钢元件或钛元件是，也能应用本发明。
尤其，如果摩擦焊接方法在受限的焊接条件下应用，对于铜或铜合金有影响的热影响就能定位在焊接区域的极端界面，在钢的连铸中当用于不锈钢的背面框架安装件或安装件底座的螺栓被焊接到铸模的抗熔化钢接触面上(也就是于冷却水的接触面(后面)时。因而，在防止热老化、热变形以及铜或铜合金的焊接缺陷的同时，连锁反应使得可以节省大量的资源，通过将其以极好的精度以坚固的强度进行结合，而无需极性装配并且在使用时没有问题。
权利要求
1.一种与异种金属元件焊接起来的模型，其特征在于该模型通过一种包括第一步骤、第二步骤和第三步骤的方法来制造，在第一步骤中加压地使异种金属元件与由铜或铜合金构成且处于静止状态的模型相接触，同时高速旋转异种金属元件；在第二步骤中停止异种金属元件；在第三步骤中向模型提供强制压力，该强制压力大于第一步骤中的压力。
2.根据权利要求1的模型，其特征在于该模型是钢的连铸模。
3.根据权利要求1或2的模型，其特征在于该异种金属元件为背面框架安装元件。
4.根据权利要求3的模型，其特征在于该背面框架安装元件装备有用于在内部安装背面框架的螺纹结构。
5.根据权利要求2的模型，其特征在于所述钢的连铸模是用于电磁搅拌的钢的连铸模。
6.根据权利要求1的模型，其特征在于第一步骤中异种金属元件的主转速为60m/min或更大，压力为40MPa或更大，并且第三步骤的强制压力为60MPa或更大。
7.根据权利要求1的模型，其特征在于异种金属元件包括不锈钢、钛、钛合金或镍合金。
8.根据权利要求1的模型，其特征在于当模型和异种金属元件彼此相接触时，在模型表面和异种金属元件表面之间介入镍镀层或镍合金镀层，或者镍箔或镍合金箔。
9.根据权利要求8的模型，其特征在于镀层或箔的厚度介于1至50μm的范围内。
10.一种与异种金属元件焊接起来的模型的制造方法，其特征在于该方法包括第一步骤、第二步骤和第三步骤，在第一步骤中加压地使异种金属元件与由铜或铜合金构成且处于静止状态的模型相接触，同时高速旋转异种金属元件，在第二步骤中停止异种金属元件，在第三步骤中向模型提供强制压力，该强制压力大于第一步骤中的压力。
11.一种与异种金属元件焊接起来的模型的制造方法，其特征在于在执行模型和异种金属元件的压力焊接时，所述模型和模型金属元件受到由两个主轴转速之差所产生的摩擦热进行的固态焊接。
12.根据权利要求11的制造方法，其特征在于由铜或铜合金构成的模型的焊接表面的表面区域，包括焊接位置，是异种金属元件的被焊接区域的100倍或更多。
13.一种钢的连铸模，其中背面框架安装元件用摩擦焊接的方法焊接。
全文摘要
一种与异种金属元件焊接起来的模型，其特征在于所述模型通过一种方法来制造，该方法包括加压地使异种金属元件与由铜或铜合金构成且处于静止状态的模型相接触同时高速旋转异种金属元件的第一步骤、停止异种金属元件的第二步骤、以及向模型提供强制压力的第三步骤，该强制压力比第一步骤中的压力大。通过利用这种模型，解决了充分冷却和背面框架连接的问题，更具体地，能解决很多问题，比如铜或铜合金板的切削加工损失、大量的加工时间、铜板的热扭变和热老化等，并且能改进双头螺栓与焊接位置精度和焊接强度有关的可靠性。与异种金属元件焊接起来的模型的特征在于模型由一种包括第一步骤的方法来制造。
文档编号B22D11/059GK1784280SQ20048001208
公开日2006年6月7日 申请日期2004年5月6日 优先权日2003年5月6日
发明者新田正宽, 水藤昌幸, 池尾良一, 筱田刚 申请人:株式会社野村镀金