一种钛和铝异种金属厚板搭接结构的制备方法与流程

本发明属于异种金属焊接技术领域，尤其涉及一种钛和铝异种金属厚板搭接结构的制备方法。

背景技术：

异种金属焊接接头兼具两种金属的性能，达到异种金属间优势互补、扬长避短的效果，应用广泛。如，在汽车工业领域中，当汽车自重每减轻25%，能够节省50%的燃油损耗，采用铝/钢双金属接头能够在保证接头承载能力的前提下，实现了大幅度的降低结构的自身重量，为减轻车身重量，降低油耗奠定基础；在航空工业领域中，“减轻重量，提高推重比”成为降低飞行成本的重要设计措施，在飞机座椅导轨中，采用钛/铝复合结构代替了全钛合金结构，能够在保证结构强度的条件下，大幅度地降低结构的自身重量。

但是，在异种金属搭接结构的焊接过程中，存在由于两种金属的理化性质存在差异，导致无法形成焊缝或者焊后接头存在焊接残余应力导致开裂和变形以及接头中的脆性金属间化合物导致接头脆化等问题。

目前，国内外常用的异种金属搭接结构的焊接方法主要有熔化焊、钎焊、扩散焊、搅拌摩擦焊、爆炸焊。采用熔化焊对异种金属搭接结构进行焊接时，由于异种金属材料的熔点相差较大，低熔点材料熔化时高熔点材料尚未达到熔点，难以形成焊缝；或者两种材料热膨胀系数相差较大，导致焊缝区域变形不协调，容易产生焊接变形和应力集中，焊缝容易开裂；或者两种材料相互溶解易形成脆性金属间化合物，化合物在焊缝中大量存在会使得焊缝脆化，承载力低。钎焊的优点是焊接效率高，能够实现批量生产。缺点是由于钎料的存在，导致接头耐腐蚀性及承载能力较低，无法在高于钎料熔点的温度下使用，降低了结构的使用范围。扩散焊能够获得质量较高的焊接接头，但是由于扩散的速度较慢、焊前清理要求较高，导致了扩散焊的效率低，成本较高，不适合大批量的生产。搅拌摩擦焊在焊接异种金属时由于被焊材料不发生熔化，焊缝中金属间化合物的量较少；焊缝热输入较低，焊后焊缝的残余应力小，焊接变形较小，对于异种金属的焊接具有一定的优势。但是，采用搅拌摩擦焊焊接钛和铝异种金属结构时，由于钛合金硬度较大，塑化温度高，焊接时容易磨损搅拌头，对于搅拌头材料的选择要求高。

爆炸焊是一种在异种金属焊接过程中常用连接方法，特别是制备大面积双金属复合板材时，具有其他方法无可比拟的优势。爆炸焊适合于几乎所有的金属材料的焊接。但是，基于爆炸焊接的原理，当焊接的覆板厚度越大时，所需要的炸药量越多；并且，一般当厚度超过20mm时，由于过量的炸药，容易导致覆板开裂和焊合困难问题。所以，采用常规爆炸焊难以得到覆板厚度大于20mm的异种金属结构。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种钛和铝异种金属厚板搭接结构的制备方法，本发明提供的方法制备得到的钛和铝异种金属搭接结构中钛和铝合金板的厚度超过20 mm，能得钛合金和铝合金异种金属大厚度结构。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：一种钛和铝异种金属厚板搭接结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）采用爆炸焊连接钛合金基板和薄铝合金覆板，得到复合板，所述薄铝合金覆板的厚度为1.5~3mm；

（2）采用搅拌摩擦焊连接所述步骤（1）得到的复合板与厚铝合金覆板，得到钛和铝异种金属厚板搭接结构；

所述厚铝合金板与所述复合板中的薄铝合金覆板层相接。

优选的，所述搅拌摩擦焊具体为：将搅拌针压入铝合金层，所述铝合金层包括薄铝合金覆板和厚铝合金板。

优选的，所述压入的深度小于所述铝合金层厚度1~2.5mm。

优选的，所述钛合金基板的厚度为20~50 mm。

优选的，所述厚板铝合金的厚度为20~50 mm。

优选的，所述步骤（1）得到复合板后还包括对所述复合板的清理，具体为：采用线切割方法去除所述步骤（1）得到的复合板的未焊合区域。

优选的，所述搅拌摩擦焊的搅拌速率为1000~1500 r/min。

优选的，所述搅拌摩擦焊的搅拌针的长度为20~50 mm。

本发明还提供了一种以上技术方案制备得到的钛和铝异种金属厚板搭接结构，其特征在于，包括钛合金基板、厚铝合金板以及所述钛合金基板和厚铝合金板之间的薄铝合金覆板；所述薄铝合金覆板的厚度为1.5~3mm。

本发明提供了一种钛和铝异种金属厚板搭接结构的制备方法，首先采用爆炸焊连接钛合金基板和薄铝合金覆板，得到复合板，所述薄铝合金覆板的厚度为1.5~3mm；然后采用搅拌摩擦焊连接得到的复合板与厚铝合金板，得到钛和铝异种金属厚板搭接结构，厚铝合金板与复合板中的薄铝合金覆板层相接。本发明提供的制备方法通过分步连接方法，避免钛和铝厚板直接爆炸焊时使用较多的炸药所导致的覆板开裂和焊合困难的问题，并且避免钛和铝厚板直接搅拌摩擦焊时搅拌针与钛合金基板的直接接触，充分利用爆炸焊和搅拌摩擦焊接各自的优势，实现钛合金和铝合金异种金属厚板搭接结构的成功制备。本发明制备过程简单可控，得到的结构质量可靠，是大厚度铝合金和钛合金搭接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 为本发明实施例提供的复合板的结构示意图。

图2 为本发明实施例提供的钛和铝异种金属搭接结构示意图。

在图中，1、钛合金基板，2、薄铝合金覆板，厚铝合金板3，搅拌头4。

具体实施方式

如图1-2所示，本发明提供了一种钛和铝异种金属厚板搭接结构的制备方法，包括以下步骤：

（1）采用爆炸焊连接钛合金基板1和薄铝合金覆板2，得到复合板，所述薄铝合金覆板的厚度为1.5~3mm；

（2）采用搅拌摩擦焊连接所述步骤（1）得到的复合板与厚铝合金覆板3，得到钛和铝异种金属厚板搭接结构；标号4为搅拌头。

所述厚铝合金板与所述复合板中的薄铝合金覆板层相接。

本发明通过采用搅拌摩擦焊连接所述步骤（1）得到的复合板与厚铝合金板，得到钛和铝异种金属厚板搭接结构的分步连接方法，避免钛和铝厚板直接爆炸焊时使用较多的炸药所导致的覆板开裂和焊合困难的问题，并且避免钛和铝厚板直接搅拌摩擦焊时搅拌针与钛合金基板的直接接触，充分利用爆炸焊和搅拌摩擦焊接各自的优势，实现钛合金和铝合金异种金属厚板结构的成功制备。

本发明采用爆炸焊连接钛合金基板和薄铝合金覆板，得到复合板。在本发明中，所述钛合金基板的厚度优选为20~50mm，进一步优选为25~45 mm，更优选为30~40 mm。在本发明中，所述薄铝合金覆板的厚度为1.5~3mm，优选为2~2.5 mm，最优选为2 mm。本发明对所述钛合金基板和所述薄铝合金覆板的来源没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的钛合金板材和铝合金板材均可。在本发明实施例中，所述钛合金基板具体为TC4钛合金，所述薄铝合金覆板和厚铝合金板具体为2Al2铝合金。

本发明进行爆炸焊连接所述钛合金基板和薄铝合金覆板前，优选预处理所述钛合金基板和所述薄铝合金覆板。在本发明中，所述预处理优选为：将所述钛合金基板和所述薄铝合金覆板打磨后清洗。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；本发明优选分别对所述钛合金基板的待连接面和所述薄铝合金覆板的待连接面进行打磨；在本发明实施例中，所述打磨具体为钢丝刷打磨后砂纸打磨，所述钢丝刷打磨以能去除氧化膜为准；在本发明中，所述砂纸打磨的砂纸型号为800目，所述砂纸打磨提高所述钛合金基板和所述薄铝合金覆板的表面平整度，在本发明中，所述钛合金基板和所述薄铝合金基板的表面的粗糙度优选为1.25~2.5μm，更优选为1.5~2.0μm。

完成打磨后，本发明优选采用丙酮或无水乙醇对所述钛合金基板和所述薄铝合金覆板进行清洗。

本发明完成对所述钛合金基板和所述薄铝合金覆板的预处理后，采用爆炸焊连接所述钛合金基板和所述薄铝合金覆板。本发明对所述爆炸焊没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的爆炸焊工艺即可。在本发明中，所述爆炸焊具体为：

（1）将所述钛合金基板放置于地基上；

（2）将所述薄铝合金覆板放置于所述钛合金基板上，所述钛合金基板的待连接面朝上；

（3）将预制的角部固定有电雷管的炸药框放置于所述薄铝合金覆板上；

（4）采用电雷管引爆的方式进行爆炸焊，得到复合板。

本发明将待焊接的钛合金基板放置于地基上，在本发明中，所述地基优选为松软平整的沙土地基。

在本发明中，所述炸药框内炸药的厚度优选为20mm。

得到复合板后，本发明优选采用超声波探伤仪对所述复合板的焊接头进行检测，以便能够发现未焊合区域，从而能够对未焊合区域进行处理。检测发现有未焊合区域后，本发明优选采用线切割方法去除所述复合板的未焊合区域，以使得所述复合板的结合率达到100%，从而提高后续与厚铝合金板的连接牢固度。本发明对所述线切割方法没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的线切割方法即可。

去除所述复合板的未焊合区域后，本发明优选对所述复合板进行加工，形成适合搅拌摩擦焊的待焊件规格为长200-300mm、宽度50-100mm，厚度方向不加工。本发明对所述加工方式没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的加工工艺即可，本发明实施例中，所述加工方式具体为线切割加工方式。在本发明中，采用爆炸焊连接钛合金基板和薄铝合金覆板，加工而成的适合搅拌摩擦焊的复合板如图1所示。如图1所示待焊件的结构为钛合金基板上覆盖有薄铝合金覆板，所示待焊件的覆盖面完全结合，无边缘未焊合区。

完成对所述复合板的加工后，本发明优选对所述复合板和厚铝合金板进行清洗，所述清洗剂优选为无水乙醇。在本发明中，所述厚铝合金板的厚度优选为20~50 mm，进一步优选为22~48 mm，更优选为25~45 mm，在本发明实施例中，所述厚铝合金板的厚度具体为28 mm、30 mm、32 mm、36 mm、38 mm或40 mm。

完成对所述复合板和所述厚铝合金板的清洗后，本发明优选采用搅拌摩擦焊连接所述复合板和所述厚铝合金板，得到钛和铝异种金属搭接结构。在本发明中，所述钛铝异种金属搭接结构优选为所述厚铝合金板和所述复合板中的薄铝合金覆板层相接。

在本发明中，所述搅拌摩擦焊优选为将搅拌针压入铝合金层，所述铝合金层包括薄铝合金覆板和厚铝合金板。在本发明中，所述搅拌针优选从所述铝合金层的一侧的中间位置压入所述铝合金层；在本发明中，所述搅拌摩擦焊的焊接方向优选为从所述铝合金层的一侧的中间位置到所述铝合金层的另一侧的中间位置。在本发明中，所述压入的深度优选小于所述铝合金层厚度1~2.5mm，进一步优选为1.0~2.0 mm，在本发明的实施例中，所述压入的深度小于所述铝合金层的厚度具体为1.2 mm、1.6 mm、1.8 mm或2.0 mm。本发明对所述搅拌针压入深度的限定，确保搅拌针不进入钛合金基板层，通过采用搅拌摩擦焊连接薄铝合金覆板和厚铝合金板，实现所述复合板和厚铝合金板的连接，避免搅拌摩擦焊焊接异种金属时，钛合金硬度大且塑化温度高导致的对搅拌头的损害，降低对搅拌头材质的要求。

在本发明中，所述搅拌摩擦焊优选将所述复合板安装在搅拌摩擦焊夹具上后，将所述厚铝合金覆板放置在所述复合板上。

在本发明中，所述搅拌摩擦焊优选采用轴肩直径为20~30mm的搅拌头，所述搅拌头的轴肩直径进一步优选为22~25 mm；本发明中，所述搅拌摩擦焊的搅拌针的长度根据厚铝合金板的厚度来确定，一般大于厚铝合金板厚度1～2mm；在本发明中，所述搅拌摩擦焊的搅拌头旋转速率优选为1000~1500 r/min，进一步优选为1050 ~1450 r/min，更优选为1200~1300 r/min；在本发明中，所述搅拌摩擦焊的搅拌头的行进速度优选为100~150 mm/min，进一步优选为115~135 mm/min。在本发明中，控制搅拌针的压入深度确保所述搅拌针进入所述复合板的薄铝合金覆板层，但是不进入所述复合板的钛合金基板层为准。在本发明中，采用搅拌摩擦焊连接所述复合板和所述厚铝合金板，得到如图2所示的包括钛合金基板、厚铝合金板以及所述钛合金基板和厚铝合金板之间的薄铝合金覆板的钛和铝异种金属搭接结构。

本发明完成搅拌摩擦焊后，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。

本发明采用上述制备方案得到钛和铝异种金属搭接结构，包括钛合金基板、厚铝合金板以及所述钛合金基板和厚铝合金板之间的薄铝合金覆板，所述薄铝合金覆板的厚度为1.5~3 mm。

本发明提供了一种钛和铝异种金属厚板搭接结构的制备方法，首先采用爆炸焊连接钛合金基板和薄铝合金覆板，得到复合板，所述薄铝合金覆板的厚度为1.5~3mm；然后采用搅拌摩擦焊连接得到的复合板与厚铝合金板，得到钛和铝异种金属厚板搭接结构，厚铝合金板与复合板中的薄铝合金覆板层相接。本发明提供的制备方法通过分步连接方法，首先通过爆炸焊连接厚度较小的薄铝合金覆板与钛合金基板，避免爆炸焊使用较多的炸药所导致的覆板开裂和焊合困难的问题；然后采用搅拌摩擦焊连接厚铝合金板和薄铝合金覆板，避免搅拌针与钛合金基板的直接接触导致的搅拌针磨损，充分利用爆炸焊和搅拌摩擦焊接的优势，实现钛合金和铝合金异种金属厚板搭接结构的成功制备；本发明制备过程简单可控，得到的结构质量可靠，是厚板铝合金和钛合金结构异种金属搭接结构制备的有效方法。

下面结合实施例对本发明提供的钛合金和铝合金异种金属厚板搭接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

1、爆炸焊前预处理：采用钢丝刷打磨的方式将厚度为20mm的TC4钛合金基板一侧和厚度为2mm的2A12薄铝合金覆板一侧，进行充分的打磨，去除钛合金基板和铝合金覆板表层的氧化膜；再用砂纸对砂轮打磨后的表面进行打磨使表面干净平整，确保表面的粗糙度在Ra1.25-2.5μm；再用无水乙醇清洗表面，确保表面清洁。

2、进行爆炸焊：将处理好的钛合金基板放置在松软、平整的沙土地基上，待焊接连接面朝上，将处理好的薄铝合金覆板置于钛合金上方；预制的炸药框平行放在铝合金上方；在炸药框的角部安放电雷管，并固定；用电雷管引爆器将铺设好的炸药引爆，完成爆炸焊接。

3、选取搅拌摩擦焊接待焊件：用超声波探伤仪检测获得的爆炸焊接接头，将边缘未焊合的区域用线切割去除，将完全焊合的接头加工成适合搅拌摩擦焊接的复合板如图1。

4、搅拌摩擦焊前预准备：将厚度为20mm的2A12厚铝合金板待焊表面和步骤2得到的复合板的薄铝合金覆板侧用无水乙醇清洗，确保表面清洁干净；将复合板和厚铝合金板按照复合板在下，厚铝合金板在上的固定顺序安装在搅拌摩擦焊接夹具上，确保20mm厚度的第二铝合金与2mm厚度的薄铝合金覆板的搭接焊接，如图2。

5、进行搅拌摩擦焊：搅拌头轴肩直径选取20mm、搅拌针长度为21mm，控制压入深度小于铝合金厚度0.5mm，行进速度100 mm/min，旋转速度1000 r/min。焊接时保证搅拌针进入爆炸焊接接头的薄板铝合金侧、而不接触到钛合金；焊接完成后清除搅拌摩擦焊接飞边，得到钛和铝异种金属搭接结构。

按照《GB/T7124-2008》对制备得到的钛和铝异种金属搭接结构进行拉伸剪切力学性能测试，测定其拉伸剪切强度为347MPa，达到铝合金母材的83%。

实施例2

1、爆炸焊前预处理：采用钢丝刷打磨的方式将厚度为30mm的TC4钛合金基板一侧和厚度为2mm的2A12薄铝合金覆板一侧，进行充分的打磨，去除钛合金基板和铝合金覆板表层的氧化膜；再用砂纸对砂轮打磨后的表面进行打磨使表面干净平整，确保表面的粗糙度在Ra1.25-2.5μm；再用无水乙醇清洗表面，确保表面清洁。

2、进行爆炸焊：将处理好的钛合金基板放置在松软、平整的沙土地基上，待焊接连接面朝上，将处理好的薄铝合金覆板置于钛合金上方；预制的炸药框平行放在铝合金上方；在炸药框的角部安放电雷管，并固定；用电雷管引爆器将铺设好的炸药引爆，完成爆炸焊接。

3、选取搅拌摩擦焊接待焊件：用超声波探伤仪检测获得的爆炸焊接接头，将边缘未焊合的区域用线切割方式去除，将完全焊合的接头加工成适合搅拌摩擦焊接的复合板如图1。

4、搅拌摩擦焊前预准备：将厚度为25mm的2A12厚铝合金覆板待焊表面和步骤2得到的复合板的薄铝合金覆板侧用无水乙醇清洗，确保表面清洁干净；将复合板和厚铝合金板按照复合板在下，厚铝合金板在上的固定顺序安装在搅拌摩擦焊接夹具上，确保25mm厚度的厚铝合金板与2mm厚度的薄铝合金覆板的搭接焊接，如图2。

5、进行搅拌摩擦焊：搅拌头轴肩直径选取20mm、搅拌针长度为26mm，控制压入深度小于铝合金厚度1.0mm，行进速度100 mm/min，搅拌头旋转速度1000 r/min。焊接时保证搅拌针进入爆炸焊接接头的薄板铝合金侧、而不接触到钛合金；焊接完成后清除搅拌摩擦焊接飞边，得到钛和铝异种金属搭接结构。

按照《GB/T7124-2008》对制备得到的钛和铝异种金属搭接结构进行拉伸剪切力学性能测试，测定其拉伸剪切强度为340MPa，达到铝合金母材的81%。

实施例3

1、爆炸焊前预处理：采用钢丝刷打磨的方式将厚度为40mm的TC4钛合金基板一侧和厚度为3mm的2A12薄铝合金覆板一侧，进行充分的打磨，去除钛合金基板和铝合金覆板表层的氧化膜；再用砂纸对砂轮打磨后的表面进行打磨使表面干净平整，确保表面的粗糙度在Ra1.25-2.5μm；再用无水乙醇清洗表面，确保表面清洁。

2、进行爆炸焊：将处理好的钛合金基板放置在松软、平整的沙土地基上，待焊接连接面朝上，将处理好的薄铝合金覆板置于钛合金上方；预制的炸药框平行放在铝合金上方；在炸药框的角部安放电雷管，并固定；用电雷管引爆器将铺设好的炸药引爆，完成爆炸焊接。

3、选取搅拌摩擦焊接待焊件：用超声波探伤仪检测获得的爆炸焊接接头，将边缘未焊合的区域用线切割方式去除，将完全焊合的接头加工成适合搅拌摩擦焊接的复合板如图1。

4、搅拌摩擦焊前预准备：将厚度为30mm的2A12厚铝合金板待焊表面和步骤2得到的复合板的薄铝合金覆板侧用无水乙醇清洗，确保表面清洁干净；将复合板和厚铝合金板按照复合板在下，厚铝合金板在上的固定顺序安装在搅拌摩擦焊接夹具上，确保50mm厚度的厚铝合金板与3mm厚度的薄铝合金覆板的搭接焊接，如图2。

5、进行搅拌摩擦焊：搅拌头轴肩直径选取20mm、搅拌针长度为32mm，控制压入深度小于铝合金厚度1mm，行进速度150 mm/min，搅拌头旋转速度1500 r/min。焊接时保证搅拌针进入爆炸焊接接头的薄板铝合金侧、而不接触到钛合金；焊接完成后清除搅拌摩擦焊接飞边，得到钛和铝异种金属搭接结构。

按照《GB/T7124-2008》对制备得到的钛和铝异种金属搭接结构进行拉伸剪切力学性能测试，测定其拉伸剪切强度为350MPa，达到铝合金母材的83.7%。

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。