CN110394446B - 一种异质金属材料的连接结构及其连接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种异质金属材料的连接结构，包括依次连接的第一金属层、连接层和第二金属层，连接层包括交错咬合的第一金属连接头和第二金属连接头，第一金属连接头和第二金属连接头均为若干个，第一金属连接头与第一金属层的材料相同，第二金属连接头与第二金属层的材料相同，若干个第一金属连接头在第一金属层靠近连接层的端面均匀间隔排列，若干个第二金属连接头在第二金属层靠近连接层的端面均匀间隔排列。本发明还提供一种异质金属材料的连接方法，利用激光选区熔化快速成形设备制造上述异质金属材料的连接结构。本发明异质金属材料的连接结构及其连接方法提高了异质金属材料间连接的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及金属成型技术领域，特别是涉及一种异质金属材料的连接结构及其连接方法。
背景技术
异质金属材料的连接一直是困扰整体结构件可靠性的关键问题之一。在异质金属材料连接方法中，焊接方法应用广泛，如电弧焊、激光焊、电子束焊、摩擦焊、爆炸焊、扩散焊等。焊接使异质金属材料能够实现冶金结合，具有较高的强度。但是，由于异质金属之间冶金反应会产生金属间化合物等脆性相，从而使接头在承载情况下易于产生裂纹。同时，现有焊接技术中，接头界面往往都是二维的平界面，难以有效阻止裂纹扩展，从而造成接头塑性低，易开裂。
发明内容
本发明的目的是提供一种异质金属材料的连接结构及其连接方法，以解决上述现有技术存在的问题，提高异质金属材料间连接的稳定性。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供了一种异质金属材料的连接结构，包括依次连接的第一金属层、连接层和第二金属层，所述连接层包括交错咬合的第一金属连接头和第二金属连接头，所述第一金属连接头和所述第二金属连接头均为若干个，所述第一金属连接头与所述第一金属层的材料相同，所述第二金属连接头与所述第二金属层的材料相同，若干个所述第一金属连接头在所述第一金属层靠近所述连接层的端面均匀间隔排列，若干个所述第二金属连接头在所述第二金属层靠近所述连接层的端面均匀间隔排列，所述第一金属连接头与相邻的所述第二金属连接头紧密接触。
优选地，所述第一金属连接头呈T型，所述第二金属连接头呈倒T型。
本发明还提供一种异质金属材料的连接方法，包括以下步骤：
(1)第一金属层和第一金属连接头的材料才采用第一金属粉末，第二金属层和第二金属连接头的材料采用第二金属粉末，采用三维造型软件设计出上述异质金属材料的连接结构的CAD模型图纸，再用切片软件对所述CAD模型图纸进行处理导出包含制造分层信息的STL文件，然后将导出的STL文件导入激光选区熔化快速成形设备；在所述STL文件中需要将第一连接头的支撑部和第二连接头的头部划分为第一单层，第二连接头的支撑部和第一连接头的头部划分为第二单层，对应所述第一单层和所述第二单层分别生成制造分层信息；
(2)根据所述第一金属粉末和所述第二金属粉末的成形性能确定铺粉层厚、激光扫描路径及工艺参数；
(3)将所述第一金属粉末和所述第二金属粉末进行保温预热处理，然后将保温预热处理后的所述第一金属粉末和所述第二金属粉末分别装入各自的铺粉槽中；
(4)将所述激光选区熔化快速成形设备的工作台下降一个工作高度，铺粉机构沿导轨移动，将所述材料第一金属粉末平铺在工作台上，该工作高度为步骤(2)中确定的所述第一金属粉末的铺粉层厚；
(5)使所述激光选区熔化快速成形设备的激光器在惰性气体保护的环境下，按照步骤(2)中确定的激光扫描路径及工艺参数对所述第一金属粉末进行扫描，将轮廓内的所述第一金属粉末熔化，形成所述第一金属层的第1层截面；
(6)重复步骤(4)-(5)，逐层扫描直到所述第一金属层成形；
(7)将所述工作台下降一个工作高度，使铺粉机构沿导轨移动，将所述第一金属粉末平铺在所述工作台上，在所述惰性气体保护的环境下，按照所述第一金属连接头的支撑部的轮廓信息进行逐层扫描，直至所述第一金属连接头的支撑部成形；
(8)用吸附装置将所述第二金属粉末回收，使所述工作高台高度保持不变，再将第二金属粉末平铺在工作台上，在所述惰性气体保护的环境下，按照所述第二金属连接头的头部的轮廓信息进行扫描，直至所述第一单层成形；
(9)将所述工作台下降一个工作高度，使所述铺粉机构沿导轨移动，将所述第一金属粉末平铺在所述工作台上，在所述惰性气体保护的环境下，按照所述第一金属连接头的头部的轮廓信息进行逐层扫描，直至所述第一金属连接头的头部成形；
(10)用吸附装置将所述第二金属粉末回收，工作高台高度保持不变，再将第二金属粉末平铺在工作台上，在所述惰性气体保护的环境下，按照所述第二金属连接头的支撑部的轮廓信息进行扫描，直至所述第二单层成形；至此，所述连接层成形；
(11)将所述工作台下降一个工作高度，使所述铺粉机构沿导轨移动，将所述第二金属粉末平铺在所述工作台上，该工作高度为步骤(2)中确定的所述第二金属粉末的铺粉层厚；
(12)在所述惰性气体保护的环境下，使所述激光器按照步骤(2)中确定的激光扫描工艺参数对第二金属粉末进行扫描，将轮廓内的所述第二金属粉末熔化，形成所述第二金属层的第1层截面；
(13)重复上述(11)-(12)，逐层扫描直到所述第二金属层成形。
优选地，所述第一金属粉末为不锈钢粉末，所述第二金属粉末为TC4钛合金粉末。
优选地，所述惰性气体为氩气。
本发明异质金属材料的连接结构及其连接方法相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明异质金属材料的连接结构及其连接方法提高了异质金属材料间连接的稳定性。本发明异质金属材料的连接结构及其连接方法中两种不同的金属层之间通过不同金属的连接头互相咬合连接，提高了不同金属层间连接的稳定性，且异质金属材料的连接结构整体通过异质材料选择性激光熔化逐层堆积直接成形，异质材料在接头处以三维界面连接，能够阻碍裂纹扩展，从而提高接头力学性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明异质金属材料的连接结构的结构示意图；
图2为本发明异质金属材料的连接结构及其连接方法的工艺流程图；
其中：1-第一金属层，11-第一金属连接头，2-连接层，3-第二金属层，31-第二金属连接头。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种异质金属材料的连接结构及其连接方法，以解决上述现有技术存在的问题，提高异质金属材料间连接的稳定性。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，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。
如图1所示：本实施例提供了一种异质金属材料的连接结构，包括依次连接的第一金属层1、连接层2和第二金属层3，连接层2包括交错咬合的第一金属连接头11和第二金属连接头31，第一金属连接头11和第二金属连接头31均为若干个，第一金属连接头11与第一金属层1的材料相同，第二金属连接头31与第二金属层3的材料相同，若干个第一金属连接头11在第一金属层1靠近连接层2的端面均匀间隔排列，若干个第二金属连接头31在第二金属层3靠近连接层2的端面均匀间隔排列，第一金属连接头11与相邻的第二金属连接头31紧密接触。在本实施例中第一金属连接头11呈T型，第二金属连接头31呈倒T型。
如图2所示：本发明还提供一种异质金属材料的连接方法，包括以下步骤：
(1)第一金属层1和第一金属连接头11的材料才采用不锈钢粉末，第二金属层3和第二金属连接头31的材料采用TC4钛合金粉末，采用三维造型软件(如Pro/Engineer、Solidworks等)设计出上述异质金属材料的连接结构的CAD模型图纸，再用切片软件(如Magic等)对CAD模型图纸进行处理导出包含制造分层信息的STL文件，然后将导出的STL文件导入激光选区熔化快速成形设备；在STL文件中需要将第一连接头的支撑部和第二连接头的头部划分为第一单层，第二连接头的支撑部和第一连接头的头部划分为第二单层，对应第一单层和第二单层分别生成制造分层信息；
(2)根据不锈钢粉末和TC4钛合金粉末的成形性能确定铺粉层厚、激光扫描路径及工艺参数；
(3)将不锈钢粉末和TC4钛合金粉末进行保温预热处理，然后将保温预热处理后的不锈钢粉末和TC4钛合金粉末分别装入各自的铺粉槽中；
(4)将激光选区熔化快速成形设备的工作台下降0.1mm，铺粉机构沿导轨移动，将材料不锈钢粉末平铺在工作台上；
(5)使激光选区熔化快速成形设备的激光器在氩气保护的环境下，按照步骤(2)中确定的激光扫描路径及工艺参数对不锈钢粉末进行扫描，将轮廓内的不锈钢粉末熔化，形成第一金属层1的第1层截面；
(6)重复步骤(4)-(5)，逐层扫描直到第一金属层1成形；
(7)将工作台下降0.1mm，使铺粉机构沿导轨移动，将不锈钢粉末平铺在工作台上，在氩气保护的环境下，按照第一金属连接头11的支撑部的轮廓信息进行逐层扫描，直至第一金属连接头11的支撑部成形；
(8)用吸附装置将TC4钛合金粉末回收，使工作高台高度保持不变，再将TC4钛合金粉末平铺在工作台上，在氩气保护的环境下，按照第二金属连接头31的头部的轮廓信息进行扫描，直至第一单层成形；
(9)将工作台下降0.1mm，使铺粉机构沿导轨移动，将不锈钢粉末平铺在工作台上，在氩气保护的环境下，按照第一金属连接头11的头部的轮廓信息进行逐层扫描，直至第一金属连接头11的头部成形；
(10)用吸附装置将TC4钛合金粉末回收，工作高台高度保持不变，再将TC4钛合金粉末平铺在工作台上，在氩气保护的环境下，按照第二金属连接头31的支撑部的轮廓信息进行扫描，直至第二单层成形；至此，连接层2成形；
(11)将工作台下降0.1mm，使铺粉机构沿导轨移动，将TC4钛合金粉末平铺在工作台上；
(12)在氩气保护的环境下，使激光器按照步骤(2)中确定的激光扫描工艺参数对TC4钛合金粉末进行扫描，将轮廓内的TC4钛合金粉末熔化，形成第二金属层3的第1层截面；
(13)重复上述(11)-(12)，逐层扫描直到第二金属层3成形。
值得注意的是，第一金属连接头11和第二金属连接头31的形状不以本实施例中的T型和倒T型为限制，还可以是工字型等其它结构形式，只要能够满足第一金属连接头11和第二金属连接头31能够互相咬合，且两者之间不存在间隙即可；值得注意的是，在将第一金属连接头11和第二金属连接头31采用工字型等其它结构形式时，需根据具体的结构形式对连接层2进行合适的分层，以方便激光选区熔化快速成形设备能够逐层打印成型。此外，在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (3)
1.一种异质金属材料的连接方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)第一金属层和第一金属连接头的材料采用第一金属粉末，第二金属层和第二金属连接头的材料采用第二金属粉末，采用三维造型软件设计出异质金属材料的连接结构的CAD模型图纸，再用切片软件对所述CAD模型图纸进行处理导出包含制造分层信息的STL文件，然后将导出的STL文件导入激光选区熔化快速成形设备；所述异质金属材料的连接结构包括依次连接的第一金属层、连接层和第二金属层，所述连接层包括交错咬合的第一金属连接头和第二金属连接头，所述第一金属连接头和所述第二金属连接头均为若干个，所述第一金属连接头与所述第一金属层的材料相同，所述第二金属连接头与所述第二金属层的材料相同，若干个所述第一金属连接头在所述第一金属层靠近所述连接层的端面均匀间隔排列，若干个所述第二金属连接头在所述第二金属层靠近所述连接层的端面均匀间隔排列，所述第一金属连接头与相邻的所述第二金属连接头紧密接触，所述第一金属连接头呈T型，所述第二金属连接头呈倒T型；所述第一金属连接头的水平部分为所述第一金属连接头的头部，所述第一金属连接头的竖直部分为所述第一金属连接头的支撑部，所述第二金属连接头的水平部分为所述第二金属连接头的头部，所述第二金属连接头的竖直部分为所述第二金属连接头的支撑部；在所述STL文件中需要将所述第一金属连接头的支撑部和所述第二金属连接头的头部划分为第一单层，所述第二金属连接头的支撑部和所述第一金属连接头的头部划分为第二单层，对应所述第一单层和所述第二单层分别生成制造分层信息；
(2)根据所述第一金属粉末和所述第二金属粉末的成形性能确定铺粉层厚、激光扫描路径及工艺参数；
(3)将所述第一金属粉末和所述第二金属粉末进行保温预热处理，然后将保温预热处理后的所述第一金属粉末和所述第二金属粉末分别装入各自的铺粉槽中；
(4)将所述激光选区熔化快速成形设备的工作台下降一个第一工作高度，铺粉机构沿导轨移动，将所述材料第一金属粉末平铺在工作台上，所述第一工作高度为步骤(2)中确定的所述第一金属粉末的铺粉层厚；
(5)使所述激光选区熔化快速成形设备的激光器在惰性气体保护的环境下，按照步骤(2)中确定的激光扫描路径及工艺参数对所述第一金属粉末进行扫描，将轮廓内的所述第一金属粉末熔化，形成所述第一金属层的第1层截面；
(6)重复步骤(4)-(5)，逐层扫描直到所述第一金属层成形；
(7)将所述工作台下降一个所述第一工作高度，使铺粉机构沿导轨移动，将所述第一金属粉末平铺在所述工作台上，在所述惰性气体保护的环境下，按照所述第一金属连接头的支撑部的轮廓信息进行逐层扫描，直至所述第一金属连接头的支撑部成形；
(8)用吸附装置将所述第一金属粉末回收，使所述工作台的高度保持不变，再将第二金属粉末平铺在工作台上，在所述惰性气体保护的环境下，按照所述第二金属连接头的头部的轮廓信息进行扫描，直至所述第一单层成形；
(9)将所述工作台下降一个所述第一工作高度，使所述铺粉机构沿导轨移动，将所述第一金属粉末平铺在所述工作台上，在所述惰性气体保护的环境下，按照所述第一金属连接头的头部的轮廓信息进行逐层扫描，直至所述第一金属连接头的头部成形；
(10)用吸附装置将所述第一金属粉末回收，使所述工作台的高度保持不变，再将第二金属粉末平铺在工作台上，在所述惰性气体保护的环境下，按照所述第二金属连接头的支撑部的轮廓信息进行扫描，直至所述第二单层成形；至此，所述连接层成形；
(11)将所述工作台下降一个第二工作高度，使所述铺粉机构沿导轨移动，将所述第二金属粉末平铺在所述工作台上，该所述第二工作高度为步骤(2)中确定的所述第二金属粉末的铺粉层厚；
(12)在所述惰性气体保护的环境下，使所述激光器按照步骤(2)中确定的激光扫描工艺参数对第二金属粉末进行扫描，将轮廓内的所述第二金属粉末熔化，形成所述第二金属层的第1层截面；
(13)重复上述步骤(11)-(12)，逐层扫描直到所述第二金属层成形。
2.根据权利要求1所述的异质金属材料的连接方法，其特征在于：所述第一金属粉末为不锈钢粉末，所述第二金属粉末为TC4钛合金粉末。
3.根据权利要求1所述的异质金属材料的连接方法，其特征在于：所述惰性气体为氩气。
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