CN113266713B - 一种异质金属薄壁管的压-粘复合塑性连接的加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种异质金属薄壁管的压‑粘复合塑性连接的加工方法，该方法包括以下步骤：1)在第一金属薄壁管的端部加工出内倒角，在第二金属薄壁管的端部加工出与内倒角相适配的外倒角；2)在第二金属薄壁管的外壁涂敷结构胶；3)将第一金属薄壁管及第二金属薄壁管置于模具中，之后沿管轴向施加压缩载荷，使第一金属薄壁管及第二金属薄壁管发生压缩失稳变形并形成端部褶皱，内侧的端部褶皱与外侧的端部褶皱形成包覆接头；4)使结构胶固化。与现有技术相比，本发明充分考虑了金属薄壁管的特性，接头连接强度高，并能够避免两异质金属薄壁管的直接接触，可有效避免接触腐蚀问题，同时增加了接头的密封性。

Description

一种异质金属薄壁管的压-粘复合塑性连接的加工方法

技术领域

本发明属于金属薄壁管零件连接技术领域，涉及一种异质金属薄壁管的压-粘复合塑性连接的加工方法。

背景技术

管类零件作为一种传输介质、传递载荷的结构，应用于汽车、航空航天、石油输送管道中。其中，金属薄壁管具有中空、质量轻、高刚度和高强度等优点，高强钢、铝金属、镁合金等轻质金属薄壁管同时具备轻质材料和薄壁管的双重优点，可以达到减重效果、力学性能与成本的同时占优。因此，由不同金属薄壁管制成的零件的应用将会越来越广，这类空心管件主要用于发动机进排气系统管件、空调系统管路、液压系统管路、发动机托架中的管件、底盘结构件、车身框架、座椅骨架、散热器支架、前后轴、驱动轴、空心轴等。

目前，金属薄壁管的应用面临的一个技术挑战就是不同金属薄壁管件间的连接。一方面，由于不同金属的导电导热性能存在差异很大，传统的熔化焊接无法用于钢与铝合金、镁合金零件间的连接。由于壁厚的限制，常用的螺纹连接、法兰连接、卡扣连接等均不适合于薄壁管的连接。另一方面，不同金属存在较大电位差，两者直接接触会产生接触腐蚀，影响服役寿命。因此，异质金属薄壁管的连接设计不仅需要关注连接强度，还需要考虑不同金属间的防腐蚀问题。缺乏高效可靠的连接技术已成为异质金属薄壁管推广应用的主要难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种异质金属薄壁管的压-粘复合塑性连接的加工方法。本发明中的管/管塑性连接与胶接复合连接方法，是一种适用于异质金属材料薄壁管的连接方法，该发明突破了焊接对母材材料的限制，以及目前工业技术水平下铝、镁等材质管焊接技术的局限性，可以可靠地连接异质金属材料薄壁管，同时在结构胶的作用下使接头具有与焊接同等水平的密封性。本发明具有比传统管管焊接更加出色的材料适应性。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种异质金属薄壁管的压-粘复合塑性连接的加工方法，该方法包括以下步骤：

1)在第一金属薄壁管的端部加工出内倒角，在第二金属薄壁管的端部加工出与内倒角相适配的外倒角；

2)在第二金属薄壁管的外壁涂敷结构胶；

3)将第一金属薄壁管及第二金属薄壁管置于模具中，之后沿管轴向施加压缩载荷，使第一金属薄壁管及第二金属薄壁管发生压缩失稳变形并形成端部褶皱，内侧的端部褶皱与外侧的端部褶皱形成包覆接头；

4)使结构胶固化。

进一步地，所述的第一金属薄壁管及第二金属薄壁管的材质分别独立地选自钢、铝、镁合金中的一种，并且所述的第一金属薄壁管与第二金属薄壁管的材质不同。

进一步地，步骤1)中，所述的内倒角及外倒角的大小相同。

进一步地，所述的内倒角或外倒角的大小与金属薄壁管的自由端长度满足式(1)：

式(1)中，t₀为第一金属薄壁管的管壁厚度，t₁为第二金属薄壁管的管壁厚度，α为内倒角或外倒角的大小，l₀为第一金属薄壁管的自由端长度，l₁为第二金属薄壁管的自由端长度；所述的自由端长度为第一金属薄壁管或第二金属薄壁管置于步骤3)的模具中后暴露在模具外的长度。

进一步地，所述的内倒角或外倒角的大小为25°-28°。

进一步地，步骤2)中，所述的结构胶的固化体积收缩率为1％-2％。选用固化后体积收缩率较小的结构胶。

进一步地，所述的结构胶包括环氧树脂类结构胶、聚氨酯类结构胶或丙烯酸酯类结构胶中的一种或更多种。

进一步地，步骤3)中，分别将第一金属薄壁管、第二金属薄壁管置于上模具、下模具中，并使内倒角正对外倒角。

进一步地，步骤3)中，将模具安装在万能材料试验机的工作台上，由万能材料试验机沿管轴向施加压缩载荷。

进一步地，步骤4)中，在室温下使结构胶固化。压缩变形完成后零件可在室温自然环境中使结构胶固化。

本发明提出了一种新的适合于异质金属薄壁管的连接方法，即压-粘复合塑性连接方法，先在被连接上下管端部分别加工向内或向外的倒角，并在具有外倒角的管壁外表面涂胶，然后对两管施加轴向压缩载荷，当上管与下管接触时，在端部倒角的引导下上管会自动向外滑动并产生向外鼓凸的变形，形成外褶皱，两褶皱包覆形成自锁接头，同时通过结构胶的润滑作用来提高成形性、避免接触腐蚀。采用本发明方法制造的接头不仅具有高强度、高刚度的特点，还具有避免异质材料间的接触腐蚀、增加密封性的优势。这种连接工艺基于塑性变形的原理，集成了塑性连接与粘接的优点，可在模具和压力机的作用下实现批量化生产，具有高精度、高效率和高可靠性的特点。同时，施工过程中不产生热，对被连接管坯性能无影响，没有光、射线、废气等有害物的排放，无须填充材料，工作环境友好。

本发明的连接方法与焊接等相比，没有焊接热，薄壁管不会发生热变形；与螺纹连接相比，本发明方法无需减薄管壁，不影响管坯自身强度，特别适合于薄壁管的连接；与法兰连接相比，本发明接头处不开孔做其他减薄处理，同时减少了法兰连接所需的零件数量；与单一的粘接相比，本发明方法连接的接头具有更优的耐高温低温性能。因此，本发明制备出的管/管接头在满足相关技术要求的前提下连接强度大大提高，在塑性连接的基础上采用结构胶加固，提高了管接头的防腐性和密封性，从而提高了管/管连接接头零部件连接强度，延长使用寿命并提升管连接接头可靠性。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

1)本发明充分考虑了金属薄壁管的特性，通过塑性变形形成褶皱，被连接两管通过褶皱的包覆形成接头。这种接头连接强度高，有效避免了焊接、螺纹连接等连接方式不可避免地削弱薄壁管力学性能的弊端。

2)本发明充分考虑了异质金属材料连接易产生接触腐蚀的问题，通过在接触面上涂敷结构胶层，避免两异质金属薄壁管的直接接触，可有效避免接触腐蚀问题，同时增加了接头的密封性，达到提高耐腐蚀性、密封性和连接强度的作用，延长使用寿命。

3)本发明通过金属薄壁管端部倒角方向的巧妙设计，同时利用压缩变形形成塑性褶皱的原理，使被连接薄壁管形成压缩褶皱，而且两褶皱能产生包覆作用。在被连接区域涂敷粘接剂形成胶层，隔离被连接区域两管的直接接触，有效避免接触腐蚀，特别适合于异质金属薄壁管的连接。

附图说明

图1为本发明中异质金属薄壁管的压-粘复合塑性连接的加工过程示意图；

图2为本发明中异质金属薄壁管的自由端长度示意图；

图3为实施例1中异质金属薄壁管压-粘复合塑性连接中的被连接管褶皱与结构胶形态图；

图4为实施例1中制备的异质金属薄壁管接头图片；

图中标记说明：

1—第一金属薄壁管、2—内倒角、3—第二金属薄壁管、4—外倒角、5—结构胶、6—上模具、7—下模具、8—端部褶皱。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，一种异质金属薄壁管的压-粘复合塑性连接的加工方法，包括以下步骤：

1)在第一金属薄壁管1的端部加工出内倒角2，在第二金属薄壁管3的端部加工出与内倒角2相适配的外倒角4；

2)在第二金属薄壁管3的外壁涂敷结构胶5；

3)将第一金属薄壁管1及第二金属薄壁管3置于模具中，之后沿管轴向施加压缩载荷，使第一金属薄壁管1及第二金属薄壁管3发生压缩失稳变形并形成端部褶皱8，内侧的端部褶皱8与外侧的端部褶皱8形成包覆接头；

4)使结构胶5固化。

第一金属薄壁管1及第二金属薄壁管3的材质分别独立地选自钢、铝、镁合金中的一种，并且第一金属薄壁管1与第二金属薄壁管3的材质不同。

步骤1)中，内倒角2及外倒角4的大小相同。

金属管塑性连接设计要求主要有：

1、被连接管端部应形成塑性褶皱；2、被连接两管端部褶皱形貌与粘接层形貌能匹配；3、接头区域管壁不应出现裂纹。

因此，本发明在实施时，关键技术在于要根据被连接管的材料和几何尺寸，设计合适的倒角和管露出模具部分的自由端长度。端部倒角过大，上管无法对下管形成包裹，无法形成接头；端部倒角过小，上管对下管无法形成有效挤压，下管难以发生塑性失稳；自由端长度过大，失稳段长度过大，上下管失稳形态无法保持一致，内外管不贴合；自由端长度过小，合模时无法形成有效挤压，内外管壁易破裂。被连接管露出模具部分的自由端长度需要根据被连接管的材料性能参数、管径、壁厚来计算。

如图2所示，内倒角2或外倒角4的大小与金属薄壁管的自由端长度满足式(1)：

式(1)中，t₀为第一金属薄壁管1的管壁厚度，t₁为第二金属薄壁管3的管壁厚度，α为内倒角2或外倒角4的大小，l₀为第一金属薄壁管1的自由端长度，l₁为第二金属薄壁管3的自由端长度；自由端长度为第一金属薄壁管1或第二金属薄壁管3置于步骤3)的模具中后暴露在模具外的长度。

内倒角或外倒角的大小为25°-28°。

步骤2)中，结构胶5的固化体积收缩率为1％-2％。

结构胶5包括环氧树脂类结构胶、聚氨酯类结构胶或丙烯酸酯类结构胶中的一种或更多种。

步骤3)中，分别将第一金属薄壁管1、第二金属薄壁管3置于上模具6、下模具7中，并使内倒角2正对外倒角4。

步骤3)中，将模具安装在万能材料试验机的工作台上，由万能材料试验机沿管轴向施加压缩载荷。

步骤4)中，在室温下使结构胶5固化。

实施例1：

一种钢/铝金属薄壁管压-粘复合塑性连接的加工方法，包括以下步骤：

1)采用数控车削的方式，被连接两管端部分别加工出内倒角与外倒角；

2)在有外倒角的管外壁涂敷结构胶，胶类型的选取可根据零件工作要求选取，如环氧树脂类结构胶；

3)将被连接两管置入模具中，模具安装在万能材料试验机内，施加轴向压缩载荷，使被连接管发生压缩变形并形成塑性褶皱；

4)塑性连接完成后在室温自然环境下使结构胶固化。

图3为金属薄壁管压-粘复合塑性连接后的管褶皱与结构胶形态图。

图4为本实施例制备的异质金属薄壁管接头图片。

分别对采用传统塑性连接方法及采用本实施例方法制备的薄壁管接头试样进行单向拉伸至变形失效，结果表明，采用传统塑性连接方法连接的薄壁管接头上管发生了明显的褶皱开裂并与下管褶皱脱开；而采用本实施例方法制备的薄壁管接头则是上管壁出现了开裂失效，而上下管褶皱连接处没有失效。这说明本实施例方法制备的薄壁管接头具有比传统塑性连接薄壁管接头更高的强度，由此证明了本发明方法有效地提高了上下管塑性褶皱区域的强度。

实施例2：

一种铝/镁合金薄壁管塑性连接与胶接复合连接的加工方法，包括以下步骤：

1)采用数控车削的方式，加工出分别带有内倒角与外倒角的上、下两管；

2)在有外倒角的下管外壁涂敷结构胶(聚氨酯类结构胶)；

3)将上下两管放入模具中，模具放置在拉伸机内进行压缩，使上下管发生塑性变形并连接在一起；

4)塑性连接完成后在室温下使结构胶固化。

实施例3：

一种钢/镁合金薄壁管塑性连接与胶接复合连接的加工方法，包括以下步骤：

1)采用数控车削的方式，加工出分别带有内倒角与外倒角的上、下两管；

2)在有外倒角的下管外壁涂敷结构胶(丙烯酸酯类结构胶)；

3)将上下两管放入模具中，模具放置在拉伸机内进行压缩，使上下管发生塑性变形并连接在一起；

4)塑性连接完成后在室温下使结构胶固化。

综上，本发明的优越性在于：

1)适合于金属薄壁管的连接，已有的焊接、螺纹连接等均会对薄壁管产生力学性能的削弱，影响母材的强度，单一的粘接不耐高温和低温性。而本发明的连接方法只是薄壁管发生塑性变形，变形之后母材的强度更高。

2)本发明的连接方法对被连接管的力学性能无损伤，无光、热、废气等的排放，无需填充材料。

3)本发明的连接方法采用模具的方式进行生产，生产精度有模具保证，因此制造质量的稳定性好，且自动化程度高，适合于流水线生产。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种异质金属薄壁管的压-粘复合塑性连接的加工方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)在第一金属薄壁管的端部加工出内倒角，在第二金属薄壁管的端部加工出与内倒角相适配的外倒角；

2)在第二金属薄壁管的外壁涂敷结构胶；

3)将第一金属薄壁管及第二金属薄壁管置于模具中，之后沿管轴向施加压缩载荷，使第一金属薄壁管及第二金属薄壁管发生压缩失稳变形并形成端部褶皱，内侧的端部褶皱与外侧的端部褶皱形成包覆接头；

4)使结构胶固化；

步骤1)中，所述的内倒角及外倒角的大小相同；

所述的内倒角或外倒角的大小与金属薄壁管的自由端长度满足式(1)：

式(1)中，t₀为第一金属薄壁管的管壁厚度，t₁为第二金属薄壁管的管壁厚度，α为内倒角或外倒角的大小，l₀为第一金属薄壁管的自由端长度，l₁为第二金属薄壁管的自由端长度；所述的自由端长度为第一金属薄壁管或第二金属薄壁管置于步骤3)的模具中后暴露在模具外的长度。

2.根据权利要求1所述的一种异质金属薄壁管的压-粘复合塑性连接的加工方法，其特征在于，所述的第一金属薄壁管及第二金属薄壁管的材质分别独立地选自钢、铝、镁合金中的一种，并且所述的第一金属薄壁管与第二金属薄壁管的材质不同。

3.根据权利要求1所述的一种异质金属薄壁管的压-粘复合塑性连接的加工方法，其特征在于，所述的内倒角或外倒角的大小为25°-28°。

4.根据权利要求1所述的一种异质金属薄壁管的压-粘复合塑性连接的加工方法，其特征在于，步骤2)中，所述的结构胶的固化体积收缩率为1％-2％。

5.根据权利要求4所述的一种异质金属薄壁管的压-粘复合塑性连接的加工方法，其特征在于，所述的结构胶包括环氧树脂类结构胶、聚氨酯类结构胶或丙烯酸酯类结构胶中的一种或更多种。

6.根据权利要求1所述的一种异质金属薄壁管的压-粘复合塑性连接的加工方法，其特征在于，步骤3)中，分别将第一金属薄壁管、第二金属薄壁管置于上模具、下模具中，并使内倒角正对外倒角。

7.根据权利要求1所述的一种异质金属薄壁管的压-粘复合塑性连接的加工方法，其特征在于，步骤3)中，将模具安装在万能材料试验机的工作台上，由万能材料试验机沿管轴向施加压缩载荷。

8.根据权利要求1所述的一种异质金属薄壁管的压-粘复合塑性连接的加工方法，其特征在于，步骤4)中，在室温下使结构胶固化。

Images