CN210731343U

CN210731343U - 异种金属板连接构造

Info

Publication number: CN210731343U
Application number: CN201821731882.9U
Authority: CN
Inventors: 罗曦芃
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2018-10-25
Filing date: 2018-10-25
Publication date: 2020-06-12
Anticipated expiration: 2028-10-25

Abstract

本实用新型公开了一种异种金属板连接构造，包括T2紫铜板和40Cr合金钢板，所述T2紫铜板和40Cr合金钢板通过搅拌摩擦铆焊连接，所述40Cr合金钢板上设置有若干个铆孔，所述铆孔内设置有用于增强T2紫铜板与40Cr合金钢板铆焊强度的环形槽，本技术方案实现合金和钢异种金属材料高质量的连接，在冶金结合和机械结合的共同作用下，形成牢固的T2紫铜板和钢异种金属材料复合构件，满足关键零部件的使用要求，解决T2紫铜板和40Cr合金钢板之间连接的难题。

Description

异种金属板连接构造

技术领域

本实用新型涉及焊接领域，具体涉及一种异种金属板连接构造。

背景技术

异种金属的焊接主要是指不同化学成分、不同组织性能的两种或两种以上金属，在限定的施工条件下焊接成符合规定设计要求的构件，并满足预定服役要求的能力。异种金属材料的焊接性包括结合性能和使用性能。异种金属焊接的结合性能，也称为工艺焊接性，指在给定的焊接工艺条件下，能够形成致密结合的焊接接头的能力；异种金属材料焊接的使用性能，也称使用焊接性，指焊后焊接接头在长期使用条件下满足使用要求的程度。合金和钢异种金属焊接中，由于合金与钢这两种异种金属材料物理化学性质的差异，导致传统的熔化焊接方法很难实现合金与钢的有效连接。

影响异种金属焊接性的主要因素有：金属的熔点、金属的线膨胀系数、金属的导热率和比热容、金属的电磁性、接头中的金属间化合物、金属的表面状态及金属之间的相溶性等。除此之外，异种金属的焊接性还与焊接工艺有关，包括焊接接头的尺寸、坡口形式、施焊方位、焊接工艺参数以及焊接过程的操作。

搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding，简称FSW)是英国焊接研究所(TWI)在1991年发明的一种新型的金属材料固相连接方法，它是一种在机械力和摩擦热共同作用下连续、纯机械的新型固相连接技术。在搅拌摩擦焊过程中，一个柱形轴肩和搅拌针旋转着缓慢插入被焊工件，搅拌头和被焊接材料之间摩擦剪切力产生摩擦热，使搅拌头邻近区域的材料热塑化，使金属发生软化，软化后的金属发生塑性流动，在轴肩与工件表层的摩擦热和锻压力的共同作用下，使两块板搅拌混合，依靠搅拌、重结晶作用使之熔为一体，在低于熔点的焊接温度条件下，形成致密固相焊接接头。其主要特点是焊接温度明显低于熔化焊，能够有效控制界面处金属间化合物的生长，同时相比于其他焊接方式，能够降低焊接应力，减小裂纹产生的倾向，是T2紫铜板与钢异种金属材料连接的有效方法。基于这种固相连接技术的明显优越性，使搅拌摩擦焊接技术成为世界范围内得到快速发展的焊接技术之一，尤其是应用在T2紫铜板、T2紫铜板、锌合金、铜合金等低熔点的有色金属焊接方面，这些金属焊接接头力学性能优良，不需要填充焊接材料，没有焊接烟尘和飞溅，焊接变形小，焊接缺陷少，接头的焊接质量高。为此这种焊接方法在世界范围内得到了快速的利用，在工程应用中带来了巨大的经济效益和社会效益。

但是，目前T2紫铜板和40Cr合金钢板的焊接技术还不完善，有一些技术缺陷需要改进，T2紫铜板和40Cr合金钢板间连接强度仍然存在较低的问题，当接头为纯机械连接时，无冶金结合，接头强度较低，气密性差，尤其是疲劳性能也较弱。而T2紫铜板和40Cr合金钢板间单纯依靠搅拌摩擦铆焊无法满足所需要的刚度强度，为此需要一种异种金属板连接构造，提升其结构的刚度强度，达到所需的技术要求。

发明内容

有鉴于此，本实用新型提出大塑性变形加上铆孔加工增强连接结构的方法以及增加过渡层的搅拌摩擦铆焊新方法满足制造要求，实现T2紫铜板和40Cr合金钢板异种金属材料高质量的连接，在冶金结合和机械结合的共同作用下，形成牢固的T2紫铜和40Cr合金异种金属材料复合构件，满足关键零部件的使用要求，解决T2紫铜和40Cr合金之间连接的难题。

一种异种金属板连接构造，包括T2紫铜板和40Cr合金钢板，所述T2紫铜板和40Cr合金钢板通过搅拌摩擦铆焊连接，所述40Cr合金钢板上设置有若干个铆孔，所述铆孔内设置有用于增强T2紫铜板与40Cr合金钢板铆焊强度的环形槽。

进一步，所述铆孔呈等距离折线排布，铆孔与铆孔之间的间距为4-5mm，所述铆孔直径为3-4mm。

进一步，所述铆孔为锥形孔。

进一步，所述T2紫铜板与40Cr合金钢板之间设置有过渡层。

进一步，所述过渡层为金属材料，或者金属基复合材料，或者纳米材料，或者颗粒增强材料。

本实用新型的有益效果是：

一、针对异种金属材料连接的目前存在的主要问题，将快速大塑性变形技术、焊接结构界面造型技术、过渡层、增强相、中间层、添加微量元素等技术有机融合，形成了一种快速塑性变形+界面造型+过渡层+增强相的高效、优质、高性能的T2紫铜板与40Cr合金钢异种金属材料搅拌摩擦铆焊新构造。

二、利用这种搅拌摩擦铆焊新工艺所具有的快速大变形的强化效应，界面造型钉扎固定效应，增强相的强化效应，中间层的光滑过渡固连效应，添加微量元素控制金属间化合物效应，解决搅拌摩擦铆焊和搅拌摩擦焊接连接强度低、焊接质量差的问题和对异种金属材料焊接的局限性，能够明显提高接头强度等综合机械与力学性能，改善构件的质量，延长零部件的使用寿命，满足器件、部件或者装备的苛刻的工作环境和服役要求。

三、通过快速大塑性变形(变形速度最高可达20m/s)的搅拌摩擦铆焊具有塑变效应和金属强化作用，能够改变搅拌摩擦铆焊过程中焊接流场、应力场、温度场、温度梯度和冷却速度，进而影响铆焊焊缝金属的凝固组织，对T2紫铜板与40Cr合金钢异种金属铆焊的微观结构与性能产生正面的的影响作用，在这种条件下可以细化晶粒，改变晶粒取向，均匀成分，减少杂质，降低缺陷，提焊接接头的韧塑性，消减粗大组织，改善界面结合强度等特性。

四、快速大塑性变形技术、界面造型技术、中间层技术、过渡层技术、增强相技术、添加微量元素控制金属间化合物技术，能够提高T2紫铜板与钢异种金属复合材料关键零部件性能和寿命，使接头同时具有机械结合和冶金结合的作用效果，其效果不是简单的1+1＝2，而是呈现1+1>2的综合有利作用。

五、本新型技术可以减少搅拌头摩擦埙耗，提高搅拌头的使用寿命，降低了搅拌摩擦铆焊的工艺度，可以提高铆焊速度和铆焊质量，改善接头的力学性能。降低了搅拌摩擦铆焊的缺陷，所需设备简单，生产成本较低，易于推广应用。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步描述：

图1为本实用新型的异种金属板连接构造示意图；

图2为搅拌摩擦铆焊的示意图；

图3为带中间层的搅拌摩擦铆焊的示意图。

附图标记：

40Cr合金钢板1；铆孔2；T2紫铜板3；搅拌头4；搅拌针5；40Cr合金钢板与T2紫铜板界面6；过渡层7。

具体实施方式

图1为本实用新型的异种金属板连接构造示意图，图2为搅拌摩擦铆焊的示意图，图3为带中间层的搅拌摩擦铆焊的示意图，如图所示，一种异种金属板连接构造，包括T2紫铜板3和40Cr合金钢板1，所述T2紫铜板3和40Cr合金钢板1通过搅拌摩擦铆焊连接，所述40Cr合金钢板1上设置有若干个铆孔2，所述铆孔2内设置有用于增强T2紫铜板3与40Cr合金钢板1铆焊强度的环形槽，当T2紫铜板3进行摩擦铆焊时，在搅拌头4的搅拌、挤压和摩擦作用下，软化的T2紫铜板3金属材料流入铆孔2中，形成T2紫铜板自铆钉结构，由于铆孔2内部设置有环槽结构，软化的T2紫铜板流入铆孔22中，与环槽结构适形结合形成嵌入环槽中的凸环结构，环槽与凸环相互作用进一步的提升了部件之间的连接强度。

本实施例中，搅拌摩擦铆焊的搅拌头4采用转速为600-2000r/min，搅拌头4倾角为1.0-3.0度，压下量为0.1-0.8mm，搅拌摩擦焊接速度为80-500mm/min。针对2mmGH4169钢板1和4mmAZ61T2紫铜板3而言，优选的，搅拌头4转速为1600r/min，搅拌摩擦焊接速度为300mm/min，搅拌头4倾角为3°，压下量为0.5mm，焊接部位以及铆钉的刚度强度更好，焊接的整体性能更佳，克服传统工艺的不足，同时保证了所需要的性能。

本实施例中，所述铆孔呈等距离折线排布，铆孔与铆孔之间的间距为4-5mm，所述铆孔直径为3-4mm。在40Cr合金钢板1上表面即钢板与T2紫铜板接触的面即(40Cr合金钢板与T2紫铜板界面6)设置有沟槽结构，沟槽结构设置在以铆孔2圆心直径为10mm的圆环区域内，沟槽结构可设置为环形的齿状结构或者螺旋结构或者其他表面造型结构均可。优选的，铆孔2采用折线排布的方式设置，孔与孔之间的间距设置为4mm，方便于整体进行摩擦铆焊，折线排布的方式对金属板之间还具有一定的抗扭矩的作用，4mm的孔距方便于搅拌针5与金属板之间进行搅拌摩擦，加工更加方便，当然，本实用新型提供的T2紫铜板3和40Cr合金钢板1异种金属材料搅拌摩擦铆焊方法，铆孔2设计为通孔或者盲孔均可，铆孔2可以全部为通孔，或者全部为盲孔；或者盲孔和通孔的混合孔；铆孔2选择为通孔具有更好的连接强度，加工更为方便；铆孔2的排布方式可设计成曲线排列，或者按照几何规律排列；T2紫铜板3放在40Cr合金钢板1上方，铆孔2为锥形孔的设计结构，方便于搅拌摩擦软化的T2紫铜金属流入铆孔2内；铆孔2周围的40Cr合金钢板1表面可设计为锯齿状造型，铆孔2内表面也可以选择设计为密距螺纹造型，进一步加强部件之间的连接强度；通过铆孔2造型特别适用于T2紫铜板和钢这类铆焊较困难的异种金属，可更有效地改善有色金属与黑色金属的搅拌摩擦铆焊强度和质量，从而实现T2紫铜板和钢异种金属材料搅拌摩擦铆焊焊接。

本实施例中，所述T2紫铜板3和40Cr合金钢板1之间设置有过渡层7。过渡层7采用电镀、熔覆、喷涂、渗透、冲击、碾压、包覆、堆焊、压制工艺制备，该过渡层与T2紫铜板和钢均有良好的亲和力，能够与钢和T2紫铜板互溶，对于钢和T2紫铜板的连接起到良好的桥梁作用，过渡层的元素、T2紫铜板和钢元素能够相互扩散融合形成牢固的冶金结合或者金属间化合物，形成牢固的T2紫铜板和钢异种金属搅拌摩擦铆焊接头，满足工程使用的强度要求。

本实施例中，所述过渡层为金属材料，或者金属基复合材料，或者纳米材料，或者颗粒增强材料。搅拌针5对T2紫铜板3和40Cr合金钢板1界面金属的搅拌摩擦作用，促进界面处过渡层金属元素与基体元素的相互混合和扩散，产生冶金结合，形成牢固的T2紫铜板3和40Cr合金钢板1异种金属接头，满足构件的使用强度要求，从而实现T2紫铜板和钢异种金属材料搅拌摩擦铆焊。

本实用新型提出搅拌摩擦铆焊结构界面造型设计及其优化技术，利用焊接结构界面造型钉扎固定效应，可有效克服现有技术的不足，提供另一种有效改善径向载荷分布状态与有效传递的手段，提高焊接接头力学性能，延长构件的使用寿命。

本实用新型采用搅拌摩擦铆焊过渡层与增强相方法，通过过渡层与增强的作用，使得互溶困难的T2紫铜板与钢异种材料搅拌摩擦铆焊接头同时存在着机械结合和冶金结合，接头承载能力得到较大的提升，解决T2紫铜板与钢异种材料因互溶困难导致界面弱结合的问题，形成牢固的界面结合，全面提升铆焊质量。同时，采用预镀层、表面堆焊、加入中间层或添加微量元素的方法制备中间层也是为了抑制T2紫铜板与钢异种材料熔钎焊过程中金属间化合物的产生，以控制金属间化合物的厚度，可以改善焊接接头的力学性能，提高焊接质量。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims

1.一种异种金属板连接构造，其特征在于：包括T2紫铜板和40Cr合金钢板，所述T2紫铜板和40Cr合金钢板通过搅拌摩擦铆焊连接，所述40Cr合金钢板上设置有若干个铆孔，所述铆孔内设置有用于增强T2紫铜板与40Cr合金钢板铆焊强度的环形槽；所述铆孔呈等距离折线排布，铆孔与铆孔之间的间距为4-5mm，所述铆孔直径为3-4mm；所述铆孔为锥形孔；在40Cr合金钢板上表面设置有沟槽结构，沟槽结构可设置为环形的齿状结构或者螺旋结构；所述T2紫铜板与40Cr合金钢板之间设置有过渡层；所述过渡层为金属材料，或者金属基复合材料，或者纳米材料，或者颗粒增强材料。