CN108817647B - 一种钛-钢异种金属结构及其制备方法 - Google Patents

一种钛-钢异种金属结构及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种钛‑钢异种金属结构及其制备方法。本发明通过堆叠搭接的方式得到契合度高的啮合对应的锯齿结构，然后通过啮合连接得到复合板，再通过搅拌摩擦焊方法实现钛‑钢异种金属的高质量焊接，不需要考虑偏移量对异种金属搅拌摩擦焊接头性能的影响，消除了传统对接过程中前进边与后退边的不对称性；并且采用锯齿啮合结构，一方面增加了焊接过程中焊接力对材料的作用，有助于材料的破碎；另一方面增加了异种金属的线性接触面积，减小了金属原子的相对运动距离，从而使相同能量下，更多的原子发生运动，提高了异种金属材料相互流动、相互混合的能力，避免了接头组织的混合不均匀问题，使焊缝材料交锁混合增强，从而大大提高了接头的强度。

Description

一种钛-钢异种金属结构及其制备方法
技术领域
本发明属于异种金属焊接技术领域，尤其涉及一种钛-钢异种金属结构及其制备方法。
背景技术
钛合金具有高强度和良好的抗腐蚀性能等优点，而广泛应用于航空航天、化工等领域。但是由于钛合金的成本较高，限制了其广泛应用。钢同样属于轻质高强材料，且塑性韧性好，将钛合金与传统的结构钢进行连接，既可以减小成本，也可以在发挥材料各自优点的同时，极大地提高了材料的利用价值。目前，在航空航天领域，航天器推进系统中的异种金属导管结构大量采用了钛合金与不锈钢的异种金属结构，它们之间至今还主要采用机械连接加密封胶脂的组合方法进行连接，密封程度低、接头性能差，并且密封物质一旦侵入导管结构内部，将会造成严重的后果。
各国学者使用了各种先进焊接方法探索钛-钢异种金属的连接，例如，扩散焊、激光焊、电子束焊等，结果由于上述焊接方式中接头尺寸及形状受到设备的制约、工艺复杂及成本高昂等因素，限制了钛/钢复合构件的广泛应用。
搅拌摩擦焊是90年代发明的一种固相连接方法，它在焊接过程中，被焊材料保持在塑性状态不被熔化，这对克服异种材料由于物理性能差异所带来的焊接困难具有一定的优势。但是，由于异种金属材料的流动性不同，搅拌摩擦焊过程中，会考虑偏移量问题，将搅拌头偏向流动性好的金属一侧，从而使残余搅拌混合部分的异种材料相差很大；而前进侧和后退侧的不对称性，材料混合程度较差，接头强度差。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种钛-钢异种金属结构的制备方法，本发明提供的方法制备得到的钛-钢异种金属结构的接头处组织均匀，接头强度高。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种钛-钢异种金属结构的制备方法，包括以下步骤：
(1)将钛合金基板和钢板堆叠搭接，通过在搭接区域进行锯齿切割，在钛合金基板和钢板上形成啮合对应的锯齿结构；
(2)将所述钛合金基板和钢板通过锯齿结构啮合连接，得到复合板；
(3)采用搅拌摩擦焊的方式对所述步骤(2)得到的复合板进行焊接，得到钛-钢异种金属结构；所述复合板中钢板位于焊接过程的前进侧，复合板中钛合金基板位于焊接过程的返回侧。
优选的，所述步骤(1)中锯齿结构为梯形锯齿结构、弧形锯齿结构或三角形锯齿结构。
优选的，当所述锯齿结构为三角形锯齿结构时，所述锯齿结构为等腰三角形锯齿结构，所述锯齿结构的锯齿高度为1.5～4.5mm，锯齿结构的齿根角度为(0°,90°)。
优选的，所述步骤(1)中搭接板块的宽度＞锯齿结构的锯齿高度。
优选的，所述步骤(1)锯齿切割后还包括对所述锯齿结构的清理，具体为：采用砂纸对锯齿结构的齿面进行打磨后，进行超声清洗。
优选的，所述步骤(3)中搅拌摩擦焊的搅拌针的端部直径±1.5mm＝步骤(1)中锯齿结构的锯齿高度。
优选的，所述步骤(3)焊接过程中，搅拌针的中心与锯齿结构的齿高中心位置重合。
优选的，所述搅拌摩擦焊的行进速度为47.5～78mm/min；所述搅拌摩擦焊的搅拌头的旋转速度为600～900rpm。
优选的，所述钢板材质的熔点与所述钛合金基板材质的熔点差≤400℃。
本发明还提供了上述技术方案所述的制备方法得到的钛-钢异种金属结构，包括互相啮合的钛合金基板和钢板。
本发明提供了一种钛-钢异种金属结构的制备方法，首先将钛合金基板和钢板堆叠搭接，通过在搭接区域进行锯齿切割，在钛合金基板和钢板上形成啮合对应的锯齿结构；再将所述钛合金基板和钢板通过锯齿结构啮合连接，得到复合板；随后采用搅拌摩擦焊的方式对复合板进行焊接，得到钛-钢异种金属结构；所述复合板中钛合金基板位于焊接过程的返回侧，复合板中钢板位于焊接过程的前进侧。
本发明首先通过堆叠搭接，直接在搭接区域进行锯齿切割的方式得到契合度高的啮合对应的锯齿结构，然后通过啮合连接得到复合板，再通过搅拌摩擦焊方法实现钛-钢异种金属的高质量焊接，不需要考虑偏移量对异种金属搅拌摩擦焊接头性能的影响，消除了传统对接过程中前进边与后退边的不对称性；并且采用锯齿啮合结构，一方面增加了焊接过程中焊接力对材料的作用，有助于材料的破碎；另一方面增加了异种金属的线性接触面积，减小了金属原子的相对运动距离，从而使相同能量下，更多的原子发生运动，提高了异种金属材料相互流动、相互混合的能力，避免了接头组织的混合不均匀问题，使焊缝材料交锁混合增强，从而大大提高了接头的强度。实施例的结果表明，本发明采用锯齿啮合结构方法实现钛-钢异种金属搅拌摩擦焊接，接头拉伸强度明显提高，同比增长了12.5％。
本发明制备过程简单可控，得到的结构质量可靠，是钢和钛合金结构制备的有效方法。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明锯齿切割示意图；
图2为本发明实施例1得到的三角形锯齿结构示意图；
图3为本发明实施例2得到的弧形锯齿结构示意图；
图4为本发明实施例3得到的梯形锯齿结构示意图；
图5为本发明钛合金基板和钢板啮合对接焊接示意图；其中，1为钢板，2为钛合金板；
图6为本发明实施例1得到异种金属结构焊缝横截面形貌图；
图7为本发明对比例1得到的异种金属结构焊缝横截面形貌图。
具体实施方式
本发明提供了一种钛-钢异种金属结构的制备方法，包括以下步骤：
(1)将钛合金基板和钢板堆叠搭接，通过在搭接区域进行锯齿切割，在钛合金基板和钢板上形成啮合对应的锯齿结构；
(2)将所述钛合金基板和钢板通过锯齿结构啮合连接，得到复合板；
(3)采用搅拌摩擦焊的方式对所述步骤(2)得到的复合板进行焊接，得到钛-钢异种金属结构；所述复合板中钢板位于焊接过程的前进侧，复合板中钛合金基板位于焊接过程的返回侧。
本发明将钛合金基板和钢板堆叠搭接，通过在搭接区域进行锯齿切割，在钛合金基板和钢板上形成啮合对应的锯齿结构。在本发明中，所述钢板材质的熔点与所述钛合金基板材质的熔点差优选≤400℃，进一步优选≤300℃，最优选为20～100℃。在本发明中，所述钛合金基板的材质优选为TC4钛合金；所述钢板的材质优选为结构钢；所述结构钢进一步优选为AISI4340钢。
在本发明中，所述钛合金基板的厚度优选为2mm；所述钢板的厚度优选为2mm。
本发明对所述钛合金基板和钢板的堆叠搭接方式没有特殊要求，采用本领域人员所熟知的板材搭接方式即可。在本发明的实施例中，所述堆叠搭接方式如图1所示，钛合金基板和钢板以层状方式将两块金属板的边缘搭接。本发明通过将所述钛合金基板和钢板堆叠搭接，在两块金属板连接部分形成搭接板块。
本发明通过在搭接区域进行锯齿切割，在钛合金基板和钢板上形成啮合对应的锯齿结构。在本发明中，所述锯齿切割的方式优选为电火花线切割或等离子切割；在本发明中，所述锯齿切割的起始位置距离搭接板块区域边缘的垂直距离优选≥1mm，进一步优选为2～3mm。本发明对所述电火花线切割或等离子切割的实施方式没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的即可，以能保证切割过程中切割面平整，并且在钛合金基板和钢板上形成结合对应的锯齿结构即可。在本发明中，所述锯齿结构优选为梯形锯齿结构、弧形锯齿结构或三角形锯齿结构。
本发明采用将两块金属板搭接后切割的方式，使得在钛合金基板和钢板上形成的锯齿结构，能够良好对应，进而提高后续啮合的啮合度，避免后续焊接过程中因对接不紧密而导致焊接缺陷的出现，提高接头结合强度。
在本发明中，所述锯齿结构的锯齿高度根据前述技术方案所述搭接板块的宽度确定，所述搭接板块的宽度优选＞锯齿结构的锯齿高度，进一步的，所述搭接板块的宽度比锯齿结构的锯齿高度大2～4mm。
在本发明中，当所述锯齿结构为三角形锯齿结构时，所述锯齿结构优选为等腰三角形锯齿结构，所述锯齿结构的锯齿高度优选为1.5～4.5mm，进一步优选为4mm，锯齿结构的齿根角度优选为(0°,90°)，进一步优选为75°。
本发明对所述锯齿结构的具体尺寸没有特殊要求，以本领域技术所述熟知的梯形锯齿结构、弧形锯齿结构和三角形锯齿结构即可。
所述锯齿切割后，本发明优选还包括对锯齿结构的清理，具体为：采用砂纸对锯齿结构的齿面进行打磨后，进行超声清洗；再对所述超声清洗后的锯齿结构依次进行擦拭和吹干。
本发明对所述打磨没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的打磨方式即可；在本发明实施例中，所述打磨具体为砂纸打磨，所述砂纸打磨以能去除氧化膜为准，在本发明中，所述打磨的时间优选为6～10min，所述打磨的砂纸型号优选为2000目，所述打磨能够提高所述锯齿结构的表面平整度，同时去除切割划痕和表面氧化膜。
完成打磨后，本发明优选对所述锯齿结构进行超声清洗，能够充分去除锯齿结构表面的残余物，以便于提高后续啮合连接的契合度。
完成超声清洗后，本发明优选采用丙酮或无水乙醇对所述锯齿结构进行擦拭后吹干，得到洁净的锯齿结构。
在钛合金基板和钢板上形成啮合对应的锯齿结构后，本发明将所述钛合金基板和钢板通过锯齿结构啮合连接，得到复合板。本发明对所述啮合连接的方式没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的相对应的啮合结构的连接方式即可。本发明通过锯齿结构啮合连接，异种金属彼此插入对方结构中，形成交互区域，交互区域原子无需从一侧向另一侧渗入，而是由于彼此交叉，可理解为提前预置混合，锯齿结构在焊接力和切削力作用下很容易发生破碎和混合，显然与普通对接接头的跨侧混合相比，原子的相对移动距离减小，从而使相同能量下，更多的原子发生运动，提高了异种金属材料相互流动、相互混合的能力，避免了接头组织的混合不均匀问题，使焊缝材料交锁混合增强，从而大大提高了接头的强度。
得到复合板后，本发明采用搅拌摩擦焊的方式对所述复合板进行焊接，得到钛-钢异种金属结构。在本发明中，所述复合板中钛合金基板位于焊接过程的返回侧，复合板中钢板位于焊接过程的前进侧；本发明通过将复合板中钛合金基板设置在搅拌摩擦焊接过程中的返回侧，而钢板设置在搅拌摩擦焊接的前进侧，因为前进侧的切削力较大，把较硬的钢板放在前进侧，搅拌摩擦焊过程中，更易被甩进塑性较好的钛合金当中，实现充分混合。
本发明优选将所述复合板安装在搅拌摩擦焊夹具上，进行焊接。
在本发明中，所述搅拌摩擦焊的搅拌针的端部直径优选比所述前述技术方案所述锯齿结构的锯齿高度小1.5mm或大1.5mm。在本发明的实施例中，所述搅拌针的端部直径可以为3mm、4mm或5mm。在本发明中，所述焊接过程中，搅拌针的中心优选与锯齿结构的齿高中心位置重合(锯齿结构为等腰三角形锯齿结构时，搅拌针的中心与锯齿结构的等腰线重合)，能够使得焊接过程中两块板材受力均匀。
在本发明中，所述搅拌摩擦焊的行进速度优选为47.5～78mm/min，进一步优选为50～75mm/min，更优选为55～70mm/min；所述搅拌摩擦焊的搅拌头的旋转速度优选为600～900rpm，进一步优选为700～800rpm。在本发明中，所述搅拌摩擦焊优选采用轴肩直径为10～20mm的搅拌头，所述搅拌头的轴肩直径进一步优选为14～16mm。本发明对所述搅拌头的来源没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的即可；在本发明的实施例中，所述搅拌头具体为无螺纹锥形搅拌头。
在本发明中，所述焊接过程优选在氮气保护下进行。本发明对所述搅拌摩擦焊的具体实施方式没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的即可。
完成所述焊接后，本发明优选对搅拌摩擦焊焊接飞边进行清除。本发明对所述清除方式没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的清除方式即可。在本发明实施例中，所述清除方式具体为采用飞轮清理的方式清除所述焊接飞边。
本发明提供了上述方案所述制备方法制备得到的钛-钢异种金属结构，包括互相啮合的钛合金基板和钢板。
本发明提供了一种钛和铝异种金属结构的制备方法；本发明制备过程简单可控，得到的结构质量可靠。
下面结合实施例对本发明提供的钛-钢异种金属结构及其制备方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
采用AISI 4340钢板和TC4钛合金板，首先将TC4钛合金和AISI 4340钢切割成180×60×2mm规格大小的试样。
然后分别取AISI 4340钢板试样和TC4钛合金板试样，按照图1所示，将两块试板边缘紧密搭接在一起并固定，为确保锯齿啮合结构完全位于搭接区域内，所设定的搭接区域宽度要高于锯齿高度，此处搭接区域宽度为8mm，然后从距离搭接区域外缘2mm处开始，沿着其长度方向进行电火花线切割。
切割过程设置电火花切割程序，在AISI 4340钢板试样和TC4钛合金板试样上形成对应啮合的三角形锯齿结构，其中一个试样上的锯齿结构如图2所示，等腰三角形锯齿结构的锯齿高度h为4mm，齿根角度α为75°。
用砂纸打磨锯齿表面，去除线切割痕迹和表面氧化膜，随后用超声波进行清洗，去除表面油污和金属粉尘及杂质，取出后用酒精或丙酮擦拭干净，吹干备用。
进行焊前调试与装夹，将两块试板紧密啮合在一起，形成复合板，并且将钢板置于焊接的前进侧，钛合金置于返回侧，用硬金属沿着三角形锯齿等腰线位置刻一条啮合中心线，沿着啮合中心线进行搅拌头的对中，随后装夹固定；通入氩气保护后，将搅拌头缓慢扎入复合板中进行搅拌摩擦焊接，如图5所示，试验中使用的搅拌头为无螺纹锥形搅拌头，材料为钨铼合金，轴肩直径为Φ14mm，长度1.65mm，端部直径为Φ3mm，锥度30°，搅拌头行进速度控制在47.5mm/min，旋转速度为750rpm，焊接完成得到钛-钢异种金属结构。
实施例2
按照实施例1的方式制备钛-钢异种金属结构，区别在于，所使用的板材分别为TC4钛合金板和AISI 4340钢。
通过电火花线切割，得到的对应的弧形锯齿结构，其中一个钢板上的锯齿结构如图3所示。
实施例3
按照实施例1的方式制备钛-钢异种金属结构，区别在于，所使用的板材分别为TC4钛合金板和AISI 4340钢。
通过电火花线切割，得到的对应的等腰梯形锯齿结构，其中一个钢板上的锯齿结构如图4所示。
对比例1
采用与实施例1同样规格的搅拌头，直接对TC4和AISI 4340钢进行焊接，得到异种金属结构。
对实施例1得到的异种金属结构的焊缝横截面进行显微形貌观察，检测结果如图6所示，可见，焊缝中异种金属结构发现大块金属，且腐蚀效果下，可明显看出材料混合的充分程度及均匀性，材料得到了充分的混合，组织极为均匀。同样对实施例2和3得到的异种金属结构的焊缝横截面进行显微形貌观察，检测结构与图6类似，均显示焊缝中异种金属材料得到了充分混合，组织极为均匀。对对比例1得到的异种金属结构的焊缝横截面进行显微形貌观察，结果如图7所示，搅拌区有大块金属插入，材料混合极差。
按照《GB/T7124-2008》对实施例1制备得到的钛-铝异种金属结构的进行拉伸力学性能测试，测得该异种金属结构的接头拉伸强度达到998MPa，断裂发生在钢母材位置；实施例2和实施例3得到的异种金属结构的接头拉伸强度分别为968MPa和984MPa。
同样对对比例1得到的钛-铝异种金属结构进行拉伸力学性能测试，测得拉伸强度只有886MPa；同普通对接相比，本发明实施例1、实施例2和实施例3采用锯齿啮合结构方法实现钛/钢异种金属搅拌摩擦焊接，接头拉伸强度明显提高，同比增长了12.5％、9.3％和11.1％。
由以上实施例可知，本发明提供的异种金属结构的制备方法，能够消除异种金属搅拌摩擦焊接传统对接焊时接头组织混合不均匀、接头强度较低的问题，使接头性能得到明显改善，具有较大的工程意义。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种钛-钢异种金属结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将钛合金基板和钢板堆叠搭接，通过在搭接区域进行锯齿切割，在钛合金基板和钢板上形成啮合对应的锯齿结构；
(2)将所述钛合金基板和钢板通过锯齿结构啮合连接，得到复合板；
(3)采用搅拌摩擦焊的方式对所述步骤(2)得到的复合板进行焊接，得到钛-钢异种金属结构；所述复合板中钢板位于焊接过程的前进侧，复合板中钛合金基板位于焊接过程的返回侧；
所述步骤(1)中锯齿结构为梯形锯齿结构、弧形锯齿结构或三角形锯齿结构；
所述三角形锯齿结构为等腰三角形锯齿结构；
所述搅拌摩擦焊的行进速度为47.5～78mm/min；所述搅拌摩擦焊的搅拌头的旋转速度为600～900rpm。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，当所述锯齿结构为等腰三角形锯齿结构时，所述锯齿结构的锯齿高度为1.5～4.5mm，锯齿结构的齿根角度大于0°小于90°。
3.根据权利要求1～2任一项所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中搭接板块的宽度＞锯齿结构的锯齿高度。
4.根据权利要求1～2任一项所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)锯齿切割后还包括对锯齿结构的清理，具体为：采用砂纸对所述锯齿结构的齿面进行打磨后，进行超声清洗。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中搅拌摩擦焊的搅拌针的端部直径±1.5mm＝步骤(1)中锯齿结构的锯齿高度。
6.根据权利要求1或5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)焊接过程中，搅拌针的中心与锯齿结构的齿高中心位置重合。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述钢板材质的熔点与所述钛合金基板材质的熔点差≤400℃。
8.权利要求1～7任一项所述的制备方法得到的钛-钢异种金属结构，包括互相啮合的钛合金基板和钢板。
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