一种采用自铆接预制孔构型轧制铆接制备层状异质金属复合板的方法

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 110064658 A(43)申请公布日 2019.07.30

(21)申请号 201910471120.2(22)申请日 2019.05.31

(71)申请人 哈尔滨工业大学

地址 150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区西

大直街92号(72)发明人 宗影影　唐伟　邵斌　徐振海　

单德彬　郭斌　(74)专利代理机构 哈尔滨市松花江专利商标事

务所 23109

代理人 岳泉清(51)Int.Cl.

B21B 1/38(2006.01)

权利要求书1页 说明书4页 附图5页

CN 110064658 A(54)发明名称

一种采用自铆接预制孔构型轧制铆接制备层状异质金属复合板的方法(57)摘要

一种采用自铆接预制孔构型轧制铆接制备层状异质金属复合板的方法。本发明涉及一种采用自铆接预制孔构型轧制铆接制备层状异质金属复合板的方法。本发明是为了解决现有层状异质金属板大面积连接所采用的轧制铆接复合法中预制孔孔型单一、金属流动不畅、填充率低和应力集中大的问题。方法：通过在金属板上加工构型优化后的预制孔，包括简单孔型尖角处的圆

再通过单道角优化，导流结构设计，异形孔设计，

次大压下量同步热轧制方法，使得异质金属在热轧制冶金结合的同时，金属充分填充预制孔，形成高质量的机械铆接，实现机械铆接和冶金结合的高性能双重连接。从而实现大面积层状异质金属复合板的均匀和高强度连接，提高复合板材的使用性能。

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权　利　要　求　书

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1.一种采用自铆接预制孔构型轧制铆接制备层状异质金属复合板的方法，其特征在于采用自铆接预制孔构型轧制铆接制备层状异质金属复合板的方法按以下步骤进行：

一、板材前加工：在基板上均匀加工出若干个特定形状的预制孔；二、板材表面处理：对基板和覆板的接触面进行机械或手工打磨处理后利用超声波清洗仪清洗，去除接触面处的氧化层和油污；

三、板材复合：通过单道次同步大压下量轧制成形，得到热轧板；四、退火处理：对热轧板进行退火处理，消除残余应力，获得异质层状金属复合板。2.根据权利要求1所述的一种采用自铆接预制孔构型轧制铆接制备层状异质金属复合板的方法，其特征在于步骤一所述特定形状的预制孔为圆形孔、椭圆形孔、圆角矩形孔、跑道形孔、V形孔或H形孔。

3.根据权利要求2所述的一种采用自铆接预制孔构型轧制铆接制备层状异质金属复合板的方法，其特征在于当基板厚度为2～5mm时，预制孔加工为通孔；当基板厚度为5～50mm时加工为盲孔。

4.根据权利要求2所述的一种采用自铆接预制孔构型轧制铆接制备层状异质金属复合板的方法，其特征在于当特定形状的预制孔为圆形孔、椭圆形孔、圆角矩形孔或跑道形孔时，在预制孔端口处向内机械加工导流槽。

5.根据权利要求4所述的一种采用自铆接预制孔构型轧制铆接制备层状异质金属复合板的方法，其特征在于所述导流槽的倾斜角为30～60°。

6.根据权利要求5所述的一种采用自铆接预制孔构型轧制铆接制备层状异质金属复合板的方法，其特征在于所述导流槽的加工深度为孔深的一半以上。

7.根据权利要求1所述的一种采用自铆接预制孔构型轧制铆接制备层状异质金属复合板的方法，其特征在于步骤四得到的异质层状金属复合板为Al合金/Mg合金复合板、Ti合金/Al合金复合板、Ti合金/Mg合金复合板、Al合金/Al合金复合板或Mg合金/Mg合金复合板。

8.根据权利要求1所述的一种采用自铆接预制孔构型轧制铆接制备层状异质金属复合板的方法，其特征在于步骤四得到的异质层状金属复合板的厚度为2～100mm，其中覆板与基板的厚度比为1:(1～5)。

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一种采用自铆接预制孔构型轧制铆接制备层状异质金属复合

板的方法

技术领域

[0001]本发明涉及一种采用自铆接预制孔构型轧制铆接制备层状异质金属复合板的方法。

背景技术

[0002]随着航空航天、海洋、军工和交通等行业的快速发展，对金属结构材料性能的要求也日益提高。在复杂苛刻的服役环境下，单一的金属已经难以满足高强度、高刚度、轻量化、耐蚀和耐高温等综合性能要求。因此，层状异质金属复合板材成了解决该问题的重要途径。层状异质金属复合板的轧制铆接制备工艺是通过金属基板上的预制孔实现机械与冶金的双重结合，以达到基板与覆板的大面积高性能连接。但目前该方法的预制孔孔型单一，使得轧制过程中金属流动不畅，填充率低，应力集中较大，最终导致异质金属复合板的连接界面耐疲劳性能差、孔型填充率低、结合面积小和结合强度低等问题。发明内容

[0003]本发明是为了解决现有层状异质金属板大面积连接所采用的轧制铆接复合法中预制孔孔型单一、金属流动不畅、填充率低和应力集中大的问题，而提供一种采用自铆接预制孔构型轧制铆接制备层状异质金属复合板的方法。

[0004]本发明一种采用自铆接预制孔构型轧制铆接制备层状异质金属复合板的方法按以下步骤进行：[0005]一、板材前加工：在基板上均匀加工出若干个特定形状的预制孔；[0006]二、板材表面处理：对基板和覆板的接触面进行机械或手工打磨处理后利用超声波清洗仪清洗，去除接触面处的氧化层和油污；[0007]三、板材复合：通过单道次同步大压下量轧制成形，得到热轧板；[0008]四、退火处理：对热轧板进行退火处理，消除残余应力，获得异质层状金属复合板。[0009]本发明的有益效果：

[0010]本发明通过对轧制铆接制备层状异质金属复合板过程中的自铆接预制孔构型进行优化设计，以改善金属填充性和降低应力集中。传统的自铆接孔型以圆形和矩形为主，以及少量异形孔型。单一的孔型功能化特点较差，不能同时兼顾良好金属填充性和较小的应力集中。因此，对自铆接构型的优化主要集中在三方面：[0011]1、简单孔型尖角处的圆角优化。以矩形孔为例，传统的矩形孔边角处为直角或极小的锐角，在金属填充过程中易成为填充死角和应力集中，并切割金属，造成复合板材性能低下，因此采用圆角化设计可以有效降低金属流动阻力，改善金属填充效果，降低应力集中。

[0012]2、导流结构设计。传统的简单孔型中，覆板金属填充基板预制孔时，受轧制压力和剪应力的影响，在预制孔的一侧因正压了较小，不能良好的填充，而预制孔的另一侧因剪应

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力较大而剪切板材，导致覆板剪裂，严重影响板材质量。因此引入导流机构设计，减小剪切角度，使覆板金属以较大的流入角度进入预制孔内部，降低剪切力，改善金属孔型内填充性。

[0013]3、异形孔优化设计。传统异形孔孔型复杂，一方面不利于孔内金属流动，另一方面轧制过程中孔型发生变形，导致部分区域出现焊合的现象，覆板金属无法流入，形成孔型内空腔，严重影响板材质量。异形孔优化设计一方面增大孔内型腔体积，另一方面降低孔型复杂程度。以H形孔为例，金属从边槽流入，同时通过横槽进行相互补料，改善孔型内腔金属填充率。

附图说明

[0014]图1为实施例一中加工的圆形孔的构型示意图；[0015]图2为实施例一中加工的圆形孔的放大图；

[0016]图3为实施例二中加工的椭圆形孔的构型示意图；[0017]图4为实施例二中加工的椭圆形孔的放大图；

[0018]图5为实施例三中加工的圆角矩形孔的构型示意图；[0019]图6为实施例三中加工的圆角矩形孔的放大图；[0020]图7为实施例四中加工的跑道形孔的构型示意图；[0021]图8为实施例四中加工的跑道形孔的放大图；[0022]图9为实施例五中加工的V形孔的构型示意图；[0023]图10为实施例五中加工的V形孔的放大图；

[0024]图11为实施例六中加工的H形孔的构型示意图；[0025]图12为实施例六中加工的H形孔的放大图；

[0026]图13为实施例七中加工的V形孔轧铆复合板的照片；[0027]图14为实施例八中加工的H形孔轧铆复合板的照片。

具体实施方式

[0028]具体实施方式一：本实施方式的一种采用自铆接预制孔构型轧制铆接制备层状异质金属复合板的方法按以下步骤进行：[0029]一、板材前加工：在基板上均匀加工出若干个特定形状的预制孔；[0030]二、板材表面处理：对基板和覆板的接触面进行机械或手工打磨处理后利用超声波清洗仪清洗，去除接触面处的氧化层和油污；[0031]三、板材复合：通过单道次同步大压下量轧制成形，得到热轧板；[0032]四、退火处理：对热轧板进行退火处理，消除残余应力，获得异质层状金属复合板。[0033]本实施方式对原有的简单的圆形预制孔的孔型进行了优化设计，引入了多种尺寸和形状的导流槽，以及异形预制孔，改善覆板金属在预制孔内流动性，提高覆板金属在预制孔中的填充率，增加机械连接强度，降低局部区域的应力集中。本发明的预制孔形状有圆形、椭圆形、圆角矩形、跑道形、V字形和H形。为减小覆板金属在圆形孔、椭圆形孔、圆角矩形孔边缘所受的剪切力，改善覆板金属在孔内的填充性，在预制孔的边缘加工出金属导流结构，导流结构的形状有槽形，导流孔形。而对于复杂孔型，考虑到形状复杂性带来的应力集

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中问题和可加工性，不加工导流槽。[0034]具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一所述特定形状的预制孔为圆形孔、椭圆形孔、圆角矩形孔、跑道形孔、V形孔或H形孔。其他步骤及参数与具体实施方式一相同。

[0035]具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：当基板厚度为2～5mm时，预制孔加工为通孔；当基板厚度为5～50mm时加工为盲孔。其他步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

[0036]具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：当特定形状的预制孔为圆形孔、椭圆形孔、圆角矩形孔或跑道形孔时，在预制孔端口处向内机械加工导流槽。其他步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。[0037]具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述导流槽的倾斜角为30～60°。其他步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。[0038]具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述导流槽的加工深度为孔深的一半以上。其他步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。[0039]具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤四得到的异质层状金属复合板为Al合金/Mg合金复合板、Ti合金/Al合金复合板、Ti合金/Mg合金复合板、Al合金/Al合金复合板或Mg合金/Mg合金复合板。其他步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。

[0040]具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤四得到的异质层状金属复合板的厚度为2～100mm，其中覆板与基板的厚度比为1:(1～5)。其他步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。[0041]用以下实施例验证本发明的有益效果：[0042]实施例一：

[0043]选取厚度分别为3mm和3mm的铝合金(6061)和镁合金(AZ31B)板材，尺寸规格为100mm×50mm。[0044]利用机械加工的方式在铝合金板上加工出直径4mm圆形预制通孔。在圆形预制孔的基础上加工出直径5mm的导流孔，深度为1mm。[0045]对铝合金板、镁合金板进行退火预处理(两块板材均在300℃加热炉中退火30min)，两块板均空冷至室温。

[0046]对两块板采用机械打磨的方式去除接触面处的氧化层，并用超声波清洗仪清洗20min去除表面油污，用吹风机吹干。[0047]将铝合金板置于底部，镁合金板叠加在上方固定，复合板坯料厚度约为6mm，将坯料推入轧辊进行单道次大压下量同步轧制。[0048]压下量为50％，轧制速率为1m/s。

[0049]轧制完成后将复合板置于300℃的退火炉中加热10min，后取出空冷至室温。最终获得厚度约为3mm的铝镁复合板产品。[0050]实施例二：

[0051]选取厚度分别为3mm和3mm的铝合金(6061)和镁合金(AZ31B)板材，尺寸规格为100mm×50mm。

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利用机械加工的方式在铝合金板上加工出长轴为4mm，短轴为3mm的椭圆形通孔。

椭圆形孔的长轴与轧制方向相互垂直。孔在板上均匀分布。在孔的边缘，加工出与轧制方向平行的一个长3mm，宽2mm，斜角为45°的长条形斜坡导槽。其他步骤及参数与实施例一相同。[0053]实施例三：

[0054]选取厚度分别为3mm和3mm的铝合金(6061)和镁合金(AZ31B)板材，尺寸规格为100mm×50mm。[0055]利用模具或硬质合金板在镁合金表面加工出均匀分布在铝合金板上加工出长4mm，宽为4mm的矩形盲孔，四个直角处加工出R＝0.5mm的圆角。矩形的长边与轧制方向平行。其他步骤及参数与实施例一相同。[0056]实施例四：

[0057]选取厚度分别为3mm和3mm的铝合金(6061)和镁合金(AZ31B)板材，尺寸规格为100mm×50mm。[0058]利用激光加工的方式在铝合金板上加工出由两段半径为3mm的半圆弧和两段长为3mm直线组成的跑道形通孔。跑道形孔的直边与轧制方向垂直。其他步骤及参数与实施例一相同。

[0059]实施例五：

[0060]选取厚度分别为3mm和3mm的铝合金(6061)和镁合金(AZ31B)板材，尺寸规格为100mm×50mm。

[0061]将铝合金加热到300℃，利用模具或硬质合金板在镁合金表面加工出均匀分布的V字形盲孔。孔深3mm。V字形孔的宽为2mm，V形角为120°，V形边长为10mm。V形孔的轴线与轧制方向平行。其他步骤及参数与实施例一相同。[0062]实施例六：

[0063]选取厚度分别为3mm和3mm的铝合金(6061)和镁合金(AZ31B)板材，尺寸规格为100mm×50mm。[0064]利用机械加工的的方式加工出H字形通孔。H形孔由两个平行于轧制方向，长10mm，宽2mm的长方形槽和一个垂直于轧制方向，长3mm，宽2mm的长方形槽组成。利用机械加工的方式在所有的直角处加工出R＝0.5mm的圆角。其他步骤及参数与实施例一相同。[0065]实施例七：

[0066]轧制铆接制备层状异质金属复合板的自铆接预制孔构型设计实施如下：[0067]在轧制铆接制备层状异质金属复合板制备步骤一中采用V形孔，获得图13所示的轧铆复合板，预制孔型填充良好，复合板机械铆接强度高。[0068]实施例八：

[0069]轧制铆接制备层状异质金属复合板的自铆接预制孔构型设计实施如下：在轧制铆接制备层状异质金属复合板制备步骤一中采用H形孔，获得图14所示的轧铆复合板，预制孔型填充良好，复合板机械铆接强度高。

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