本發(fā)明屬于材料連接技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種鋁合金與不銹鋼特種型面回轉(zhuǎn)體構(gòu)件的連接方法。

背景技術(shù)：

在航天運(yùn)載火箭的輸送管路是直接接觸推進(jìn)劑的管路產(chǎn)品，該管路的連接可靠性非常重要。由于輸送管的氧補(bǔ)償器是不銹鋼材料，貯箱是鋁合金材料，存在異種金屬焊接問(wèn)題，為了進(jìn)一步提高輸送管路元器件在放置及使用過(guò)程中的密封可靠性，輸送管路異種接頭采用了法蘭加外密封罩(以下簡(jiǎn)稱(chēng)外罩)的結(jié)構(gòu)形式。外罩多為非規(guī)則形狀回轉(zhuǎn)體構(gòu)件，且規(guī)格尺寸各異，管壁很薄。

由于鋁合金與不銹鋼巨大物化性能差異以及鋁合金表面氧化膜難以去除的特點(diǎn)，鋁鋼連接具有較大難度，尤其是對(duì)于外罩類(lèi)薄壁鋁鋼構(gòu)件，確保接頭密封可靠應(yīng)用是連接關(guān)鍵。

目前，能夠?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用的鋁及鋁合金和鋼的焊接技術(shù)有擴(kuò)散焊、釬焊、熔釬焊及摩擦焊等。擴(kuò)散焊加工效率低，且擴(kuò)散焊接工藝控制較復(fù)雜，焊接過(guò)程中易形成金屬間化合物，導(dǎo)致接頭性能的降低；釬接接頭中釬料的作用使鋁和鋼形成連接，但同時(shí)使其耐蝕性能大幅降低，不易滿(mǎn)足武器長(zhǎng)期貯存的條件，目前釬焊接頭僅實(shí)現(xiàn)了Φ320mm以下管徑的鋁鋼連接，接頭強(qiáng)度大約在100Mpa左右；熔釬焊技術(shù)如CMT等由于接頭采用鍍鋅或其它中間層防止金屬間化合物的產(chǎn)生，鋅的加入使得接頭的耐蝕性不良，鋁鋼熔釬焊接頭僅限于小尺寸的管接頭；因此，采用常規(guī)的焊接方法焊接的鋁鋼接頭具有接頭強(qiáng)度低，接頭耐蝕性能不良，焊接質(zhì)量差，工藝控制復(fù)雜等特點(diǎn)。

慣性摩擦焊技術(shù)通過(guò)在待焊材料之間摩擦，產(chǎn)生熱量，在頂鍛力的作用下材料發(fā)生塑性變形與流動(dòng)，進(jìn)而連接母材。慣性摩擦焊接技術(shù)作為一種先進(jìn)固相焊接技術(shù)，具有工藝控制參數(shù)少、熱輸入小、變形小、焊縫窄的特點(diǎn)，是一種近無(wú)缺陷的連接工藝。對(duì)于特種型面鋁鋼回轉(zhuǎn)體構(gòu)件焊接，慣性摩擦焊接的摩擦擠壓作用使鋁合金表面的氧化膜很容易去除，且慣性摩擦焊接過(guò)程中，母材不熔化和摩擦擴(kuò)散原理最大程度減少了異種金屬焊接過(guò)程中金屬間化合物的生成，慣性摩擦焊接接頭的可加工性等特點(diǎn)使慣性摩擦焊接技術(shù)在實(shí)現(xiàn)薄壁特種型面鋁鋼回轉(zhuǎn)體構(gòu)件方面具有較大優(yōu)勢(shì)。

但是，目前還沒(méi)有關(guān)于能夠?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用的鋁及鋁合金和鋼的慣性摩擦焊連接方法的相關(guān)技術(shù)方案，亟需開(kāi)展相關(guān)工作。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是在于提供一種鋁合金與不銹鋼特種型面回轉(zhuǎn)體構(gòu)件的連接方法，通過(guò)采用慣性摩擦焊接技術(shù)實(shí)現(xiàn)特種型面鋁合金與不銹鋼回轉(zhuǎn)體連接構(gòu)件，通過(guò)焊接工藝控制及加工工藝控制保障獲得綜合性能良好的鋁鋼連接接頭。

為了實(shí)現(xiàn)這一目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：

一種鋁合金與不銹鋼特種型面回轉(zhuǎn)體構(gòu)件的連接方法，適用于鋁合金與不銹鋼的慣性摩擦焊接，具體包括如下步驟：

(1)焊前準(zhǔn)備

(1.1)設(shè)計(jì)焊接接頭：

焊件包括不銹鋼焊件和鋁合金焊件，二者組成的慣性摩擦焊接接頭選用80°～100°的斜接接頭結(jié)構(gòu)，采用鋁包鋼的結(jié)構(gòu)形式，焊前預(yù)留加工量，焊后去除余量；

(1.2)設(shè)計(jì)焊接夾具：

焊接夾具包括分瓣夾緊夾具和剛性?shī)A緊裝置；

采用整體加工、分瓣切割、過(guò)盈鎖緊、液壓制動(dòng)的分瓣夾緊夾具，將焊件裝入慣性摩擦焊接設(shè)備中；

分別在慣性摩擦焊設(shè)備的主軸端與尾座部分設(shè)計(jì)剛性?shī)A緊裝置；

(1.3)焊接前清洗

為了保證焊接質(zhì)量，對(duì)焊件的焊接面進(jìn)行機(jī)械加工后，焊前采用打磨方式去除焊接表面氧化皮，并用酒精或丙酮進(jìn)行擦拭；

(1.4)焊前裝配：

鋁合金焊件與焊接夾具裝配后，裝入慣性摩擦焊設(shè)備主軸端的飛輪側(cè)，不銹鋼試件與焊接夾具裝配后裝入慣性摩擦焊設(shè)備尾座部分的頂鍛側(cè)；

通過(guò)慣性摩擦焊接設(shè)備液壓制動(dòng)夾緊焊接夾具，通過(guò)機(jī)械調(diào)整的方式，控制鋁合金焊件和不銹鋼焊件的同軸度＜0.5mm；

(2)焊接

焊接工藝參數(shù)：

焊接轉(zhuǎn)速為1600～1800RPM；

壓力為1500～2000b/in²；

轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為800～900b×in²；

(3)焊后加工

焊后根據(jù)圖紙尺寸要求去除焊接余量；

從鋁合金一側(cè)開(kāi)始加工進(jìn)行焊后加工，首先進(jìn)行粗加工，壁厚留量達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的厚度時(shí)開(kāi)始精加工，在精加工過(guò)程中控制進(jìn)刀量＜0.1mm。

進(jìn)一步的，如上所述的一種鋁合金與不銹鋼特種型面回轉(zhuǎn)體構(gòu)件的連接方法，鋁合金與不銹鋼分別為2219鋁合金和1Cr18Ni9Ti不銹鋼。

進(jìn)一步的，如上所述的一種鋁合金與不銹鋼特種型面回轉(zhuǎn)體構(gòu)件的連接方法，步驟(3)之后繼續(xù)進(jìn)行步驟(4)：焊后接頭的性能檢測(cè)

①無(wú)損測(cè)試：采用掃描超聲檢測(cè)、X光檢測(cè)、工業(yè)CT中的至少一種方式進(jìn)行鋁合金與不銹鋼特種型面回轉(zhuǎn)體構(gòu)件的連接結(jié)構(gòu)的缺陷檢測(cè)；

②采用與實(shí)際工況相同的液壓、氣密、爆破、振動(dòng)指標(biāo)對(duì)鋁合金與不銹鋼特種型面回轉(zhuǎn)體構(gòu)件的連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試；

③破壞性測(cè)試：金相分析、拉伸彎曲性能測(cè)試。

進(jìn)一步的，如上所述的一種鋁合金與不銹鋼特種型面回轉(zhuǎn)體構(gòu)件的連接方法，

本發(fā)明技術(shù)方案的有益效果在于：

(1)采用鋁包鋼斜接方式的慣性摩擦焊接接頭，焊后金相觀察整個(gè)焊接界面的焊合情況良好，整個(gè)焊接端面不同程度地呈現(xiàn)出互相吻合的條帶狀形貌。焊接界面存在明顯的濃度梯度，符合擴(kuò)散特征。焊后接頭進(jìn)行液壓、氣密試驗(yàn)，未發(fā)生泄露現(xiàn)象，爆破測(cè)試超過(guò)設(shè)計(jì)指標(biāo)。

(2)剛性?shī)A緊裝置采用液壓裝夾方式，并且確保試件裝夾后對(duì)中偏差在0.5mm內(nèi)，這樣的結(jié)構(gòu)及良好的對(duì)中保證了焊接接頭的焊接質(zhì)量與焊合率。

(3)采用優(yōu)化慣性摩擦焊接工藝規(guī)范實(shí)現(xiàn)了鋁合金與不銹鋼的連接，接頭質(zhì)量良好，接頭性能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，拉伸強(qiáng)度達(dá)到300Mpa，是常規(guī)連接技術(shù)的2倍以上，其它性能如液壓、氣密、爆破測(cè)試等均優(yōu)于常規(guī)焊接方法。

(4)接頭焊后加工采用小進(jìn)刀量的工藝及以鋁側(cè)為基準(zhǔn)進(jìn)行加工的順序可控制應(yīng)力及接頭的焊接變形，保證接頭焊接質(zhì)量及圖紙尺寸要求。

附圖說(shuō)明

圖1是特種型面的鋁鋼接頭示意圖；

圖2是鋁合金與不銹鋼慣性摩擦焊接接頭焊前結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是鋁鋼慣性摩擦焊接工裝夾具及裝配示意圖。

圖中：1-不銹鋼焊件，2-鋁合金焊件，3-焊縫，4-慣性摩擦焊設(shè)備，5-分瓣夾緊夾具，6-剛性?shī)A緊裝置，7-飛輪側(cè)，8-頂鍛側(cè)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

本發(fā)明一種鋁合金與不銹鋼特種型面回轉(zhuǎn)體構(gòu)件的連接方法，適用于鋁合金與不銹鋼的慣性摩擦焊接，在航天運(yùn)載火箭的輸送管路中鋁鋼外罩接頭的慣性摩擦焊接按工藝流程分為焊接前，焊接過(guò)程，以及焊接后三部分，每個(gè)部分都有一些關(guān)鍵點(diǎn)，需要對(duì)這些關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行綜合控制，才能獲得質(zhì)量?jī)?yōu)良的慣性摩擦焊接接頭。在本實(shí)施例中，以型面為圖1所示的雙L形結(jié)構(gòu)，大端直徑Φ200mm，加工后的焊接接頭尺寸即壁厚δ為2mm的2219鋁合金與1Cr18Ni9Ti不銹鋼的慣性摩擦焊接過(guò)程為例分別說(shuō)明：

(1)焊前準(zhǔn)備

(1.1)設(shè)計(jì)焊接接頭：

焊件包括不銹鋼焊件和鋁合金焊件，二者組成的慣性摩擦焊接接頭選用如圖1、2所示的80°～100°的斜接接頭結(jié)構(gòu)；為保證焊接過(guò)程焊件強(qiáng)度，采用鋁包鋼的結(jié)構(gòu)形式，焊前預(yù)留加工量，焊后去除余量；

(1.2)設(shè)計(jì)焊接夾具：

焊接夾具包括分瓣夾緊夾具和剛性?shī)A緊裝置；

采用整體加工、分瓣切割、過(guò)盈鎖緊、液壓制動(dòng)的分瓣夾緊夾具，將焊件裝入慣性摩擦焊接設(shè)備中；

分別在慣性摩擦焊設(shè)備的主軸端與尾座部分設(shè)計(jì)剛性?shī)A緊裝置；

(1.3)焊接前清洗

焊前采用打磨方式去除焊接表面氧化皮，并用酒精或丙酮進(jìn)行擦拭；

(1.4)焊前裝配：

如圖3所示，鋁合金焊件與焊接夾具裝配后，裝入慣性摩擦焊設(shè)備主軸端的飛輪側(cè)，不銹鋼試件與焊接夾具裝配后裝入慣性摩擦焊設(shè)備尾座部分的頂鍛側(cè)；

通過(guò)慣性摩擦焊接設(shè)備液壓制動(dòng)夾緊焊接夾具，通過(guò)機(jī)械調(diào)整的方式，控制鋁合金焊件和不銹鋼焊件的同軸度＜0.5mm；

(2)焊接

焊接工藝參數(shù)：

焊接轉(zhuǎn)速為1600～1800RPM；

壓力為1500～2000b/in²；

轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為800～900b×in²；

(3)焊后加工

焊后根據(jù)圖紙尺寸要求去除焊接余量；

為了控制應(yīng)力釋放帶來(lái)的影響，從鋁合金一側(cè)開(kāi)始加工進(jìn)行焊后加工，首先進(jìn)行粗加工，壁厚留量達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的厚度時(shí)開(kāi)始精加工(在本實(shí)施例中，壁厚留量5mm時(shí)開(kāi)始精加工)，在精加工過(guò)程中控制進(jìn)刀量＜0.1mm，以保證鋁鋼接頭承受較小的加工應(yīng)力。

(4)焊后接頭的性能檢測(cè)

由于慣性摩擦焊接為固相焊接，即原材料不熔化的方式，因此與常規(guī)熔焊產(chǎn)生的焊接缺陷有所不同，除少數(shù)體積性缺陷，如夾雜，金屬間化合物等，大多焊接缺陷為面積型缺陷，如未焊和，裂紋等。因此，鋁鋼慣性摩擦焊接接頭的性能檢測(cè)可通過(guò)以下檢測(cè)手段：

①無(wú)損測(cè)試：采用掃描超聲檢測(cè)、X光檢測(cè)、工業(yè)CT中的至少一種方式進(jìn)行鋁合金與不銹鋼特種型面回轉(zhuǎn)體構(gòu)件的連接結(jié)構(gòu)的缺陷檢測(cè)；

②采用與實(shí)際工況相同的液壓、氣密、爆破、振動(dòng)指標(biāo)對(duì)鋁合金與不銹鋼特種型面回轉(zhuǎn)體構(gòu)件的連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試；

③破壞性測(cè)試：金相分析、拉伸彎曲性能測(cè)試。