CN116213866A - 一种异材金属接头焊接方法及异材焊接接头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种异材金属接头焊接方法及异材焊接接头，包括以下步骤：在熔点较高的第一异材结构件的焊接位置加工至少一个填充孔；将熔点低于所述第一异材结构件的第二异材结构件与所述第一异材结构件的待焊端面匹配对接，形成待焊对接缝；将熔点低于所述第一异材结构件的辅助板覆盖所述待焊对接缝和所述填充孔；使用焊接热源装置加热所述辅助板和所述第二异材结构件，以熔化所述辅助板和所述异材结构件，使得熔化的材料填充所述待焊对接缝和所述填充孔，并且包覆所述第一异材结构件，以形成所述接头；其目的是获得高强度的异材焊接接头，应用于承力结构制造。

Description

一种异材金属接头焊接方法及异材焊接接头

技术领域

本发明属于机械结构连接技术领域，尤其涉及一种异材金属接头焊接方法及异材焊接接头。

背景技术

在航空、航天、船舶和兵器以及民用领域的构件制造中，需要将熔点较低材料构件(如：铝合金、镁合金和铜合金等)与熔点较高材料构件(如：钛合金、合金钢等)焊接为整体结构。通常情况下，采用炉中钎焊、熔钎焊方法实现两种类型材料的异材焊接。采用炉中钎焊方法时，在钎焊炉中整体加热连接结构，通过钎料熔化凝固将两者焊接为一体。采用熔钎焊方法时，采用电弧或者激光、电子束等热源将低熔点材料加热熔化，并包覆不熔化的高熔点材料部分，将两者焊接为一体。

目前采用的炉中钎焊方法和熔钎焊方法焊接熔点较低材料与熔点较高材料的异材焊接接头普遍存在接头性能低，这是由于焊接接头的内部异材连接界面产生了大量脆性金属间化合物相，降低了界面连接强度。因此，无法在工程上应用于承力结构制造。

发明内容

本发明主要针对以上问题，提出了一种异材金属接头焊接方法及异材焊接接头，其目的是获得高强度的异材焊接接头，应用于承力结构制造。

为实现上述目的，本发明提供了一种异材金属接头焊接方法，包5括以下步骤：

在第一异材结构件的焊接位置加工至少一个填充孔；

将熔点低于所述第一异材结构件的第二异材结构件与所述第一异材结构件的待焊端面匹配对接，形成待焊对接缝；

将熔点低于所述第一异材结构件的辅助板覆盖于所述待焊对接0缝和所述填充孔；

使用焊接热源装置加热所述辅助板和所述第二异材结构件，以熔化所述辅助板和所述第二异材结构件，使得熔化的材料填充所述待焊对接缝和所述填充孔，并且包覆所述第一异材结构件，以形成所述接头。

5进一步地，所述填充孔的数量为若干，若干所述填充孔之间等间距或非等间距排布。

进一步地，所述填充孔的形状包括：圆形、方形、长条形、棱形及梅花形中的一种或多种。

进一步地，所述填充孔的总面积为所述辅助板搭接区域总面积的010％-80％。

进一步地，在使用焊接热源装置加热所述辅助板之前，还包括：

将所述第一异材结构件、第二异材结构件以及辅助板的装配体装配到焊接工装上，压紧固定；

在所述焊接工装与所述第一异材结构件和所述第二异材结构件的接触面之间安装冷却装置。

进一步地，所述焊接热源装置为激光热源装置、电弧焊热源装置、等离子焊热源装置、感应加热热源装置中的一种热源装置或几种复合热源装置。

进一步地，还包括由放置在临近焊接区域的热电偶来测量该区域的热量值；将所述热量值实时反馈给温度控制装置；所述温度控制装置根据反馈的所述热量值，调整焊接热源装置的焊接参数，使得所述焊接区域的温度控制在两种材料的熔点之间。

为实现上述目的，本发明提供了一种异材焊接接头，采用上述一种异材金属接头焊接方法制成，其由不同熔点的材料结合在一起，包括：

成对接设置形成对接缝的第一异材结构件和第二异材结构件，所述第一异材结构件上至少具有一个填充孔；

以及搭接覆盖所述对接缝和所述填充孔的辅助板，所述辅助板和所述第二异材结构件具有填充所述填充孔的熔接材料以及具有包覆部分所述第一异材结构件的熔接材料，其中，所述熔接材料的熔点低于所述第一异材结构件。

进一步地，所述填充孔的形状包括：圆形、方形、长条形、棱形及梅花形中的一种或多种。

本发明的上述技术方案具有如下优点：在具有不同熔点的第一异材结构件、第二异材结构件以及辅助板中，熔点较低材料与熔点较高材料在异材焊接过程中，使用焊接热源装置加热所述辅助板和所述第二异材结构件，以熔化所述辅助板和所述第二异材结构件，使得熔化

的材料填充所述待焊对接缝和所述填充孔，并且包覆所述第一异材结5构件，凝固形成承力柱结构，同时将焊接区域的温度区间控制在两种材料熔点之间，并避开脆性金属间化合物相的析出峰值温度，能够获得高强度的异材焊接接头，可应用于承力结构制造。

附图说明

图1为本发明一种连接接头焊接前组装的装配体结构示意图；

图2为本发明一种第一异材结构件上的填充孔分布结构示意图。

图3为本发明一种第一异材结构件与第二异材结构件在熔钎焊装置上的示意图。

图4为本发明一种连接接头焊接后的增强抗拉伸能力示意图。图5为本发明一种连接接头焊接后在厚度方向弯矩的示意图。

图6为本发明一种连接件接头焊接后再宽度方向弯矩的示意图。

图7为本发明一种根据接头区域受力分布情况设计承力柱的尺寸和位置分布结构示意图，(a)为接头区域应力分布图；(b)为接头区域承力柱设计方案1；(c)为接头区域承力柱设计方案2。

图8为本发明一种铝合金和钛合金工字梁结构熔钎焊装配示意图。

图9为本发明一种根据悬臂工字梁受力分布设计的承力柱尺寸和分布结构图。

图10为本发明一种根据悬臂工字梁受力分布设计的受力分布图。

图中：1、第一异材结构件；2、第二异材结构件；3、辅助板；4、焊接工装；5、冷却装置；6、焊接热源装置；7、热电偶；8、温度控制装置；1-1、填充孔；3-1、承力柱。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，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。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明一方面中，提供一种异材金属接头焊接方法。而由此焊接方法能够避开脆性金属间化合物相的析出峰值温度，获得高强度的异材焊接接头。

上述异材金属接头焊接方法，可包括下列步骤，但不限于。

步骤S100：在第一异材结构件的焊接位置加工至少一个填充孔。

步骤S200：将熔点低于所述第一异材结构件的第二异材结构件与所述第一异材结构件的待焊端面匹配对接，形成待焊对接缝。

上述不同熔点的第一异材结构件1和第二异材结构件2为材料不同、且第一异材结构件1的熔点大于第二异材结构件2，在本实施例中，将熔点较低材料的第二异材结构件2与步骤S100中的第一异材结构件1按照图1所示形式装配，在装配前可在熔点较高材料的第一异材结构件1的焊接位置加工一个或数个填充孔1-1，如图1和2所示，数个填充孔1-1之间可等间距或非等间距排布，数个填充孔1-1的形状可以为圆形、方形、长条形、棱形、梅花形或它们的组合，数个填充孔1-1的总面积为搭接区域总面积的10％-80％，如图2所示。

步骤S300：将熔点低于所述第一异材结构件的辅助板覆盖于所述待焊对接缝和所述填充孔。

在本实施例中，按照图1所示形式继续装配，采用熔点较低材料的辅助板3覆盖焊接区域，辅助板3厚度范围优选为1.5mm-10mm。

然后将步骤S300中的装配体，即第一异材结构件1、第二异材结构件2、辅助板3，装配到焊接工装4上，搭接区域宽度5mm-50mm，使之压紧不能产生移动，图3为装配体熔钎焊装置的结构示意图。

在图3示的熔钎焊装置实施方式中，熔钎焊装置包括焊接工装4、冷却装置5、焊接热源装置6、热电偶7、温度控制装置8等。本领域技术人员可以理解，图3中示出的熔钎焊装置的具体结构并不构成对本实施例焊接方法的限定，熔钎焊装置可以包括比图示更多或更少的部件，某些部件也并不属于熔钎焊装置的必须构成，完全可以根据需要在不改变发明的本质的范围内而省略，或者组合某些部件。

请继续参照图3，两组冷却装置8分别安装在焊接工装4与第一异材结构件1、第二异材结构件2的接触面之间，将临近焊接区域的焊接热量快速散热带走，冷却参数与焊接热源参数可实现协调配合。

上述至少一种焊接热源装置6的例子，可包括激光热源装置、电弧焊热源装置、等离子焊热源装置、感应加热热源装置等的一种热源或几种复合热源，但不限于此，其目的用于加热低熔点材料的辅助板3。

步骤S400：使用焊接热源装置加热所述辅助板和所述第二异材结构件，以熔化所述辅助板和第二异材结构件，使得熔化的材料填充所述待焊对接缝和填充孔，并且包覆所述第一异材结构件，以形成所述接头。

在焊接加热过程中，通过放置在临近焊接区域的热电偶7测量该区域的热量值，将热量值实时反馈给温度控制装置8，温度控制装置根据反馈的热量值，调整焊接热源装置6的焊接参数，使得焊接区域的温度控制在两种材料的熔点之间，可以是第一异材结构件1与第二异材结构件2之间，也可以是第一异材结构件2与辅助板3之间。

于本实施例的一个优选熔点的例子，其中，辅助板3的熔点不低于第二异材结构件2的熔点，当第一异材结构件1的熔点大于辅助板3，且辅助板3的熔点不低于第二异材结构件2的熔点时，将温度加热至第一异材结构件1与辅助板3之间，同时避开脆性金属间化合物析出峰值，从而使得熔点较低材料辅助板3和第二异材结构件2熔焊填充满待焊对接缝和填充孔1-1，并且包覆不熔化的较高熔点材料基体(即第一异材结构件1)，形成了高质量焊接接头，如图4所示。

于上述实施例制备异材金属复杂结构接头的方法中，将第一异材结构件1用高熔点材料表示，第二异材结构件2和辅助板3用低熔点材料表示，可以显著减少熔点较低材料与熔点较高材料异材焊接接头中的连接界面的脆性金属间化合物相含量，增强界面连接强度。同时，在异材焊接接头中，通过熔点较低材料熔化流入填充孔1-1，凝固形成承力柱3-1结构，与焊接区域熔点较低材料形成整体结构，并与接头区熔点较高材料区域焊接为整体。与仅仅依赖于异材界面连接强度的传统焊接接头相比，利用本实施例方法制得的焊接接头在承受拉伸载荷时，除了异材连接界面参与承载外，承力柱结构也对附近熔点较高材料产生反向作用力，从而大幅提高焊接接头的抗拉伸性能，如图4所示；当构件承受弯曲载荷时，承力柱3-1结构可以对附近的熔点较高材料产生反向力矩，以增强接头区域的抗侧向弯曲性能和结构刚性，如图5、图6所示。与传统的机械连接方式相比，利用本实施例方法制得的焊接接头中，异材连接位置均焊接为整体，使得连接结构的刚性和配合稳固性更高。本发明中接头区域的承力柱结构的尺寸和分布可以根据构件承载受力分布情况，进行设计，在受力较大区域采用较大面积的承力柱结构，在受力较小区域采用较小面积的承力柱结构，如图7所示。本发明所形成的焊接接头具有更高的抗拉伸、抗弯曲承载能力以及更高的结构稳固性，能够应用于承力结构制造。

在本发明又另一方面中，提供一种异材焊接接头，采用上述的一种异材金属接头焊接方法制成，其由不同熔点的材料结合在一起，包括：

成对接设置形成对接缝的第一异材结构件1和第二异材结构件2，所述第一异材结构件1上至少具有一个填充孔1-1；

以及搭接覆盖所述对接缝和所述填充孔1-1的辅助板3，所述辅助板3和所述第二异材结构件2具有填充所述对接缝和所述填充孔1-1的熔接材料以及具有包覆部分所述第一异材结构件1的熔接材料，其中，所述熔接材料的熔点低于所述第一异材结构件1。

下面将结合具体示例进行详细说明。

实施例1：5A06铝合金工字梁构件(上下板和腹板厚度10mm)和TC4钛合金工字梁构件(上下板和腹板厚度10mm)异材熔钎焊接。

步骤1：在钛合金工字梁上下板加工如图8所示的圆形填充孔，在腹板上加工如图8所示的方形填充槽，使得填充孔总面积占焊接区域总面积的40％；

步骤2：将铝合金工字梁和钛合金工字梁如图8所示以插接形式装配在一起；

步骤3：将铝辅助板3如图8所示覆盖装配在焊接位置；

步骤4：将步骤3的装配体安装在特殊焊接工装上，使之压紧不能移动；

步骤5：采用激光热源加热铝辅助板3，使得焊接区域的温度控制660℃-1100℃之间，使铝辅助板3熔化流入填充孔1-1，凝固形成承力柱结构，同时包覆不熔化的钛合金构件，形成了高质量焊接接头。

实施例2：6061铝合金板(厚度5mm)和A3钢板(厚度1.2mm)异材熔钎焊接，拉伸性能测试，焊接接头断于铝合金母材区域。

步骤1：在钢板上与铝合金板连接区域加工填充孔，填充孔的形状为圆形，尺寸为Φ20mm，等间距分布，孔间距15mm，填充孔总面积占焊接区面积的30％；

步骤2：将铝辅助板覆盖装配在焊接位置；

步骤3：将步骤2的装配体安装在焊接工装上，使之压紧不能移动；

步骤4：采用电弧热源按正面和反面先后顺序加热铝辅助板，使得焊接区域的温度控制660℃-1100℃之间，从而使得铝辅助板熔化流入填充孔，并包覆不熔化的钢板，形成了高质量焊接接头。

实施例3：悬臂工字梁承载，铝合金工字梁构件和钛合金工字梁构件异材熔钎焊接，如图9。工字梁的上下板厚度10mm，腹板厚度20mm。

步骤1：在钛合金工字梁的腹板上加工方形填充槽，按照受力分布情况设计填充槽的尺寸和分布，如图10所示，受力较大的区域的填充槽面积较大，受力较小的区域的填充槽面积较小；

步骤2：将铝合金工字梁和钛合金工字梁以插接形式装配在一起；

步骤3：将铝辅助板覆盖装配在焊接位置；

步骤4：将步骤3的装配体安装在特殊焊接工装上，使之压紧不能移动；

步骤5：采用激光热源加热铝辅助板，使得焊接区域的温度控制660℃-1100℃之间，使铝辅助板熔化流入填充孔，凝固形成承力柱结构，同时包覆不熔化的钛合金构件，形成了高质量焊接接头。

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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种异材金属接头焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：

在第一异材结构件的焊接位置加工至少一个填充孔；

将熔点低于所述第一异材结构件的第二异材结构件与所述第一异材结构件的待焊端面匹配对接，形成待焊对接缝；

将熔点低于所述第一异材结构件的辅助板覆盖于所述待焊对接缝和所述填充孔；

使用焊接热源装置加热所述辅助板和所述第二异材结构件，以熔化所述辅助板和所述第二异材结构件，使得熔化的材料填充所述待焊对接缝和所述填充孔，并且包覆所述第一异材结构件，以形成所述接头。

2.如权利要求1所述的一种异材金属接头焊接方法，其特征在于，所述填充孔的数量为若干，若干所述填充孔之间等间距或非等间距排布。

3.如权利要求1所述的一种异材金属接头焊接方法，其特征在于，所述填充孔的形状包括：圆形、方形、长条形、棱形及梅花形中的一种或多种。

4.如权利要求1所述的一种异材金属接头焊接方法，其特征在于，所述填充孔的总面积为所述辅助板搭接区域总面积的10％-80％。

5.如权利要求1所述的一种异材金属接头焊接方法，其特征在于，在使用焊接热源装置加热所述辅助板之前，还包括：

将所述第一异材结构件、第二异材结构件以及辅助板的装配体装配到焊接工装上，压紧固定；

在所述焊接工装与所述第一异材结构件和所述第二异材结构件的接触面之间安装冷却装置。

6.如权利要求1所述的一种异材金属接头焊接方法，其特征在于，所述焊接热源装置为激光热源装置、电弧焊热源装置、等离子焊热源装置、感应加热热源装置中的一种热源装置或几种复合热源装置。

7.如权利要求1所述的一种异材金属接头焊接方法，其特征在于，还包括由放置在临近焊接区域的热电偶来测量该区域的热量值；将所述热量值实时反馈给温度控制装置；所述温度控制装置根据反馈的所述热量值，调整焊接热源装置的焊接参数，使得所述焊接区域的温度控制在两种材料的熔点之间。

8.一种异材焊接接头，其特征在于，采用如权利要求1-7任一项所述的一种异材金属接头焊接方法制成，其由不同熔点的材料结合在一起，包括：

成对接设置形成对接缝的第一异材结构件和第二异材结构件，所述第一异材结构件上至少具有一个填充孔；

以及搭接覆盖所述对接缝和所述填充孔的辅助板，所述辅助板和所述第二异材结构件具有填充所述填充孔的熔接材料以及具有包覆部分所述第一异材结构件的熔接材料，其中，所述熔接材料的熔点低于所述第一异材结构件。

9.如权利要求8所述的一种异材焊接接头，其特征在于，所述填充孔的形状包括：圆形、方形、长条形、棱形及梅花形中的一种或多种。

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