一种铝合金与不锈钢特种型面回转体构件的连接方法技术领域
本发明属于材料连接技术领域，具体涉及一种铝合金与不锈钢特种型面回
转体构件的连接方法。
背景技术
在航天运载火箭的输送管路是直接接触推进剂的管路产品，该管路的连接
可靠性非常重要。由于输送管的氧补偿器是不锈钢材料，贮箱是铝合金材料，
存在异种金属焊接问题，为了进一步提高输送管路元器件在放置及使用过程中
的密封可靠性，输送管路异种接头采用了法兰加外密封罩(以下简称外罩)的
结构形式。外罩多为非规则形状回转体构件，且规格尺寸各异，管壁很薄。
由于铝合金与不锈钢巨大物化性能差异以及铝合金表面氧化膜难以去除的
特点，铝钢连接具有较大难度，尤其是对于外罩类薄壁铝钢构件，确保接头密
封可靠应用是连接关键。
目前，能够实现应用的铝及铝合金和钢的焊接技术有扩散焊、钎焊、熔钎
焊及摩擦焊等。扩散焊加工效率低，且扩散焊接工艺控制较复杂，焊接过程中
易形成金属间化合物，导致接头性能的降低；钎接接头中钎料的作用使铝和钢
形成连接，但同时使其耐蚀性能大幅降低，不易满足武器长期贮存的条件，目
前钎焊接头仅实现了Φ320mm以下管径的铝钢连接，接头强度大约在100Mpa左
右；熔钎焊技术如CMT等由于接头采用镀锌或其它中间层防止金属间化合物的
产生，锌的加入使得接头的耐蚀性不良，铝钢熔钎焊接头仅限于小尺寸的管接
头；因此，采用常规的焊接方法焊接的铝钢接头具有接头强度低，接头耐蚀性
能不良，焊接质量差，工艺控制复杂等特点。
惯性摩擦焊技术通过在待焊材料之间摩擦，产生热量，在顶锻力的作用下
材料发生塑性变形与流动，进而连接母材。惯性摩擦焊接技术作为一种先进固
相焊接技术，具有工艺控制参数少、热输入小、变形小、焊缝窄的特点，是一
种近无缺陷的连接工艺。对于特种型面铝钢回转体构件焊接，惯性摩擦焊接的
摩擦挤压作用使铝合金表面的氧化膜很容易去除，且惯性摩擦焊接过程中，母
材不熔化和摩擦扩散原理最大程度减少了异种金属焊接过程中金属间化合物的
生成，惯性摩擦焊接接头的可加工性等特点使惯性摩擦焊接技术在实现薄壁特
种型面铝钢回转体构件方面具有较大优势。
但是，目前还没有关于能够实现应用的铝及铝合金和钢的惯性摩擦焊连接
方法的相关技术方案，亟需开展相关工作。
发明内容
本发明要解决的技术问题是在于提供一种铝合金与不锈钢特种型面回转体
构件的连接方法，通过采用惯性摩擦焊接技术实现特种型面铝合金与不锈钢回
转体连接构件，通过焊接工艺控制及加工工艺控制保障获得综合性能良好的铝
钢连接接头。
为了实现这一目的，本发明采取的技术方案是：
一种铝合金与不锈钢特种型面回转体构件的连接方法，适用于铝合金与不
锈钢的惯性摩擦焊接，具体包括如下步骤：
(1)焊前准备
(1.1)设计焊接接头：
焊件包括不锈钢焊件和铝合金焊件，二者组成的惯性摩擦焊接接头选用
80°～100°的斜接接头结构，采用铝包钢的结构形式，焊前预留加工量，焊后
去除余量；
(1.2)设计焊接夹具：
焊接夹具包括分瓣夹紧夹具和刚性夹紧装置；
采用整体加工、分瓣切割、过盈锁紧、液压制动的分瓣夹紧夹具，将焊件
装入惯性摩擦焊接设备中；
分别在惯性摩擦焊设备的主轴端与尾座部分设计刚性夹紧装置；
(1.3)焊接前清洗
为了保证焊接质量，对焊件的焊接面进行机械加工后，焊前采用打磨方式
去除焊接表面氧化皮，并用酒精或丙酮进行擦拭；
(1.4)焊前装配：
铝合金焊件与焊接夹具装配后，装入惯性摩擦焊设备主轴端的飞轮侧，不
锈钢试件与焊接夹具装配后装入惯性摩擦焊设备尾座部分的顶锻侧；
通过惯性摩擦焊接设备液压制动夹紧焊接夹具，通过机械调整的方式，控
制铝合金焊件和不锈钢焊件的同轴度＜0.5mm；
(2)焊接
焊接工艺参数：
焊接转速为1600～1800RPM；
压力为1500～2000b/in2；
转动惯量为800～900b×in2；
(3)焊后加工
焊后根据图纸尺寸要求去除焊接余量；
从铝合金一侧开始加工进行焊后加工，首先进行粗加工，壁厚留量达到系
统设定的厚度时开始精加工，在精加工过程中控制进刀量＜0.1mm。
进一步的，如上所述的一种铝合金与不锈钢特种型面回转体构件的连接方
法，铝合金与不锈钢分别为2219铝合金和1Cr18Ni9Ti不锈钢。
进一步的，如上所述的一种铝合金与不锈钢特种型面回转体构件的连接方
法，步骤(3)之后继续进行步骤(4)：焊后接头的性能检测
①无损测试：采用扫描超声检测、X光检测、工业CT中的至少一种方式进
行铝合金与不锈钢特种型面回转体构件的连接结构的缺陷检测；
②采用与实际工况相同的液压、气密、爆破、振动指标对铝合金与不锈钢特
种型面回转体构件的连接结构进行测试；
③破坏性测试：金相分析、拉伸弯曲性能测试。
进一步的，如上所述的一种铝合金与不锈钢特种型面回转体构件的连接方
法，
本发明技术方案的有益效果在于：
(1)采用铝包钢斜接方式的惯性摩擦焊接接头，焊后金相观察整个焊接界
面的焊合情况良好，整个焊接端面不同程度地呈现出互相吻合的条带状形貌。
焊接界面存在明显的浓度梯度，符合扩散特征。焊后接头进行液压、气密试验，
未发生泄露现象，爆破测试超过设计指标。
(2)刚性夹紧装置采用液压装夹方式，并且确保试件装夹后对中偏差在
0.5mm内，这样的结构及良好的对中保证了焊接接头的焊接质量与焊合率。
(3)采用优化惯性摩擦焊接工艺规范实现了铝合金与不锈钢的连接，接头
质量良好，接头性能满足设计要求，拉伸强度达到300Mpa，是常规连接技术的
2倍以上，其它性能如液压、气密、爆破测试等均优于常规焊接方法。
(4)接头焊后加工采用小进刀量的工艺及以铝侧为基准进行加工的顺序可
控制应力及接头的焊接变形，保证接头焊接质量及图纸尺寸要求。
附图说明
图1是特种型面的铝钢接头示意图；
图2是铝合金与不锈钢惯性摩擦焊接接头焊前结构示意图；
图3是铝钢惯性摩擦焊接工装夹具及装配示意图。
图中：1-不锈钢焊件，2-铝合金焊件，3-焊缝，4-惯性摩擦焊设备，5-分
瓣夹紧夹具，6-刚性夹紧装置，7-飞轮侧，8-顶锻侧。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案进行详细说明。
本发明一种铝合金与不锈钢特种型面回转体构件的连接方法，适用于铝合
金与不锈钢的惯性摩擦焊接，在航天运载火箭的输送管路中铝钢外罩接头的惯
性摩擦焊接按工艺流程分为焊接前，焊接过程，以及焊接后三部分，每个部分
都有一些关键点，需要对这些关键点进行综合控制，才能获得质量优良的惯性
摩擦焊接接头。在本实施例中，以型面为图1所示的双L形结构，大端直径Φ
200mm，加工后的焊接接头尺寸即壁厚δ为2mm的2219铝合金与1Cr18Ni9Ti不
锈钢的惯性摩擦焊接过程为例分别说明：
(1)焊前准备
(1.1)设计焊接接头：
焊件包括不锈钢焊件和铝合金焊件，二者组成的惯性摩擦焊接接头选用如
图1、2所示的80°～100°的斜接接头结构；为保证焊接过程焊件强度，采用
铝包钢的结构形式，焊前预留加工量，焊后去除余量；
(1.2)设计焊接夹具：
焊接夹具包括分瓣夹紧夹具和刚性夹紧装置；
采用整体加工、分瓣切割、过盈锁紧、液压制动的分瓣夹紧夹具，将焊件
装入惯性摩擦焊接设备中；
分别在惯性摩擦焊设备的主轴端与尾座部分设计刚性夹紧装置；
(1.3)焊接前清洗
焊前采用打磨方式去除焊接表面氧化皮，并用酒精或丙酮进行擦拭；
(1.4)焊前装配：
如图3所示，铝合金焊件与焊接夹具装配后，装入惯性摩擦焊设备主轴端
的飞轮侧，不锈钢试件与焊接夹具装配后装入惯性摩擦焊设备尾座部分的顶锻
侧；
通过惯性摩擦焊接设备液压制动夹紧焊接夹具，通过机械调整的方式，控
制铝合金焊件和不锈钢焊件的同轴度＜0.5mm；
(2)焊接
焊接工艺参数：
焊接转速为1600～1800RPM；
压力为1500～2000b/in2；
转动惯量为800～900b×in2；
(3)焊后加工
焊后根据图纸尺寸要求去除焊接余量；
为了控制应力释放带来的影响，从铝合金一侧开始加工进行焊后加工，首
先进行粗加工，壁厚留量达到系统设定的厚度时开始精加工(在本实施例中，
壁厚留量5mm时开始精加工)，在精加工过程中控制进刀量＜0.1mm，以保证铝
钢接头承受较小的加工应力。
(4)焊后接头的性能检测
由于惯性摩擦焊接为固相焊接，即原材料不熔化的方式，因此与常规熔焊
产生的焊接缺陷有所不同，除少数体积性缺陷，如夹杂，金属间化合物等，大
多焊接缺陷为面积型缺陷，如未焊和，裂纹等。因此，铝钢惯性摩擦焊接接头
的性能检测可通过以下检测手段：
①无损测试：采用扫描超声检测、X光检测、工业CT中的至少一种方式进
行铝合金与不锈钢特种型面回转体构件的连接结构的缺陷检测；
②采用与实际工况相同的液压、气密、爆破、振动指标对铝合金与不锈钢特
种型面回转体构件的连接结构进行测试；
③破坏性测试：金相分析、拉伸弯曲性能测试。