异种合金复合结构连接方法与流程

本发明涉及焊接技术领域，特别是涉及异种合金复合结构连接方法。

背景技术：

飞机结构在强度满足使用要求的前提下，减重对提高飞机的机动性和灵活性具有非常重要的战略意义，轻量化的结构设计是研究的热点，在轻量化结构设计当中，铝合金和钛合金以其高比强度、耐高温、抗腐蚀及很高的断裂韧性等优点而被广泛采用。出于减轻重量、降低成本以及特殊使用性能考虑，使铝和钛“物尽其用”，优势互补，达到材料使用性能、减重和经济效益的平衡。

线性摩擦焊为固相连接方法，其焊接原理如图1所示，焊接过程中，其中一个工件高频往复振动，另一工件在一定摩擦压力作用下与振动工件接触并发生相互摩擦并产生摩擦热，界面温度快速升高，界面近域两侧基体金属软化并发生塑性流动，在摩擦压力作用下被挤出界面形成飞边；当焊接区的温度分布、变形达到一定程度后，振动工件快速停止振动，工件对齐并施加顶锻压力，界面两侧金属通过相互扩散与再结晶连接在一起，进而完成整个焊接过程。

飞机结构上铝合金/钛合金复合构件中，钛合金部分主要作用是承力，铝合金部分主要起间隔作用。目前，钛合金/铝合金异材复合结构通常采用机械连接或者熔焊连接的方法，其中机械连接存在结构设计复杂，结构重量大及焊接密封不严等问题，用于油箱结构中时，其密封性较差，易出现漏油等问题，且螺栓连接结构导致结构复杂，重量增加同时结构可靠性低。铝合金/钛合金异种材料由于两种材料物性参数差别较大，直接焊接难度极大，采用熔焊连接方法时，在焊缝处容易形成脆性化合物导致接头残余应力大以及焊缝开裂等问题，接头质量难以控制。

因此，针对强度、热物理性能差别较大的不同种材料的连接，发明人提供了异种合金复合结构连接方法，可用于钛合金与铝合金的线性摩擦焊接。

技术实现要素：

本发明实施例提供的异种合金复合结构连接方法，解决了异种合金连接困难，以及在异种合金连接性能差，接头可靠性低的问题。

本发明的实施例提出了异种合金复合结构连接方法，该方法包括：

在第一种合金结构体上的连接部位加工出凸起结构；

在第二种合金结构体上的连接部位加工出与所述第一种合金结构体上的凸起结构相适配的凹槽结构，其中，所述第一种合金结构体的强度比所述第二种合金结构体的强度大；

在所述第一种合金结构体上的凸起结构的适配连接面上加工出多个细槽；

采用线性摩擦焊接方法，将所述凸起结构与所述凹槽结构连接，使所述第二种合金结构体上的金属材料挤入所述第一种合金结构体上的细槽中。

优选地，所述第一种合金结构体为钛合金材质。

优选地，所述第二种合金结构体为铝合金材质。

优选地，所述凸起结构的表面粗糙度为3.2～25。

优选地，在所述第一种合金结构体上加工所述凸起结构时，预留有2～5mm的加工余量，用于补偿线性摩擦焊接时的缩短量。

优选地，所述第一种合金结构体上的凸起结构为v型凸起结构，所述第二种合金结构体上的凹槽结构为相适配的v型凹槽结构。

优选地，所述第一种合金结构体上的凸起结构为梯型凸起结构，所述第二种合金结构体上的凹槽结构为相适配的梯型凹槽结构。

优选地，在所述凸起结构的适配连接面上沿其厚度方向，线切割加工出多个所述细槽，所述细槽槽宽为0.2～1mm，槽深为0.2～1mm。

优选地，相邻两个所述细槽之间的槽距为2～3mm。

优选地，所述第二种合金结构体上的凹槽结构预留有5～10mm的加工余量，且所述凹槽结构的槽口两侧平面宽度均大于5mm。

综上，本发明的异种合金复合结构连接方法，相比现有技术的机械连接方法，本发明利用了异种合金之间的热物理化学性能之间的差异特性，将连接部位设计成凹凸结构，并在强度较大的结构体上设计细槽，采用线性摩擦方式，将异种合金的结构体连接，连接部位的凹凸结构设计简单有效，不需要添加其他连接附件，有效减轻了异种合金复合结构的整体重量。此外，采用本发明的连接方法，连接接头的密封性好，强度高，可靠性高，无需添加其他辅助材料即可实现有效密封，可用于批量异种合金结构体的连接。该连接方法不限于钛合金材质和铝合金材质的结构体连接，还适用于其他强度、热物理性能差别较大的不同种材料的连接。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述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是线性摩擦焊接原理示意图。

图2是本发明一种实施例的异种合金复合结构连接方法示意图。

图3是图2中v型的第一种合金结构体表面加工细槽的示意图。

图4是本发明另一种实施例的异种合金复合结构连接方法示意图。

图5是图4中梯型的第一种合金结构体表面加工细槽的示意图。

图中：

10-v型的第二种合金结构体；11-v型的第一种合金结构体；

20-梯型的第二种合金结构体；21-梯型的第一种合金结构体。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。

在异种合金复合构件的结构设计当中，焊接技术以其自身的优势开始逐步得到应用。然而，在工程实践中，由于钛/铝异种合金之间的热物理化学性能之间的巨大差异，导致了二者之间的焊接存在着极大的困难，熔焊接头中容易产生脆性化合物及裂纹，限制了其进一步应用。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种异种合金复合结构连接方法。参见图2～图5所示，异种合金复合结构连接方法至少包括以下步骤s110～步骤s140：

步骤s110，在第一种合金结构体上的连接部位加工出凸起结构。

步骤s120，在第二种合金结构体上的连接部位加工出与所述第一种合金结构体上的凸起结构相适配的凹槽结构，其中，所述第一种合金结构体的强度比所述第二种合金结构体的强度大。

步骤s130，在所述第一种合金结构体上的凸起结构的适配连接面上加工出多个细槽。

步骤s140，采用线性摩擦焊接方法，将所述凸起结构与所述凹槽结构连接，使所述第二种合金结构体上的金属材料挤入所述第一种合金结构体上的细槽中。

优选地，本发明中的第一种合金结构体为钛合金材质，第二种合金结构体为铝合金材质。需要说明的是，本发明的异种合金复合结构连接方法不仅适用于钛合金材质和铝合金材质的结构体的连接，还适用于其他强度、热物理性能差别较大的不同种材料的连接。

以钛合金材质和铝合金材质的结构体的连接为例说明，由于钛合金的热涨系数小于铝合金，钛合金强度大于铝合金，因此在强度较大的钛合金的第一种合金结构体的连接部位加工出凸起结构，在强度较小的铝合金的第二种合金结构体的连接部位加工出与其相配合的凹槽结构，并在凸起结构加工出具有一定长度和深度的细槽，然后通过线性摩擦焊机的线性振动，在摩擦压力作用下，第二种合金结构体产生高温粘塑性的铝合金，大部分的该金属被挤出摩擦面，焊接振动停止后钛合金与铝合金贴合紧密且钛合金侧细槽内填满铝合金塑性金属，冷却后铝合金收缩，在焊接接头内部形成压应力，可有效提高接头性能，且结构内部连接面积增大，接头的可靠性高。

参见图2和图3所示，是一种v型的第一种合金结构体11与v型的第二种合金结构体10的连接方法。在该实施例中，v型的第一种合金结构体11可以是钛合金材质，v型的第二种合金结构体10可以是铝合金材质。通过在强度较大的第一种合金结构体的连接部位加工出v型凸起结构，形成图2所示的v型的第一种合金结构体11，然后在强度较低的第二种合金结构体的连接部位加工出与v型凸起结构相适配的v型凹槽结构，形成图2所示的v型的第二种合金结构体10。由于焊接过程中，钛合金材质的v型的第一种合金结构体11侧缩短量很小，因此在v型凸起结构预留2～5mm加工余量，v型凸起结构的表面粗糙度在3.2～25之间。如图3所示，在v型凸起结构的凸起型面两侧斜面上用线切割加工出槽宽为0.2～1mm，槽深为0.2～1mm的数个细槽，细槽的长度沿凸起结构的厚度方向，并且相邻两个细槽之间的距离在2～3mm之间，目的是增加第一种合金结构体与第二种合金结构体的连接面积，提高接头强度。在线性摩擦焊接时，铝合金材质的v型的第二种合金结构体10的缩短量较大，加工凹槽结构时需留5～10mm加工余量，v型的第二种合金结构体10的槽口左右两侧平面宽度大于5mm。

参见图4和图5所述，是一种梯型的第一种合金结构体21与梯型的第二种合金结构体20的连接方法。在该实施例中，梯型的第一种合金结构体21可以是钛合金材质，梯型的第二种合金结构体20可以是铝合金材质。通过在强度较大的第一种合金结构体的连接部位加工出梯型凸起结构，形成图4所示的梯型的第一种合金结构体21，然后在强度较低的第二种合金结构体的连接部位加工出与梯型凸起结构相适配的梯型凹槽结构，形成图4所示的梯型的第二种合金结构体20。由于焊接过程中，钛合金材质的梯型的第一种合金结构体21侧缩短量很小，因此在梯型凸起结构预留2～5mm加工余量，梯型凸起结构的表面粗糙度在3.2～25之间。如图5所示，在梯型凸起结构的凸起型面两侧的斜面上用线切割加工出槽宽为0.2～1mm，槽深为0.2～1mm的数个细槽，细槽的长度沿凸起结构的厚度方向，并且相邻两个细槽之间的距离在2～3mm之间，目的是增加第一种合金结构体与第二种合金结构体的连接面积，提高接头强度。在线性摩擦焊接时，铝合金材质的梯型的第二种合金结构体20的缩短量较大，加工凹槽结构时需留5～10mm加工余量，梯型的第二种合金结构体20的槽口左右两侧平面宽度大于5mm。

需要明确的是，本说明书中的各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。