專利名稱：一種預(yù)鍍層鈦合金與鋁合金電弧熔釬焊方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及焊接技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種預(yù)鍍層鈦合金與鋁合金電弧熔釬焊方法。
背景技術(shù)：
鈦合金具有密度小、比強(qiáng)度高，耐蝕性、耐熱性好等一系列優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過多年的發(fā)展，已在在航空航天、海洋工程、汽車和化工等領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。中國鈦產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，限制鈦合金應(yīng)用最大的問題在于高成本。鋁及其鋁合金的強(qiáng)度雖然不及鈦合金，但是其低廉的價(jià)格和較小的密度更多的滿足了市場的需要，尤其是一些高強(qiáng)鋁合金的出現(xiàn)，使得鋁合金在一些構(gòu)件中成為代替鈦合金最理想的材料。作為另一種輕質(zhì)高強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料，鋁合金在飛機(jī)汽車等鈦合金應(yīng)用領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。近些年發(fā)展起來的新型高強(qiáng)鋁合金具有較高的斷裂韌度和抗疲勞特性，可滿足航空航天等領(lǐng)域?qū)p質(zhì)、高強(qiáng)度和長期耐用方面的要求，而相對(duì)于鈦合金，鋁合金在重量和成本上均具有明顯的優(yōu)勢(shì)。鈦合金和鋁合金組合成的鈦、鋁復(fù)合構(gòu)件具備多方面的優(yōu)勢(shì):1)比強(qiáng)度高；2)優(yōu)異的低溫韌性和抗腐蝕性能；3)具有鋁合金重量輕成本低等優(yōu)勢(shì)，可最大限度地利用T1、Al各自的功能特點(diǎn)并降低結(jié)構(gòu)重量和成本，以滿足航空航天、汽車艦船等領(lǐng)域輕質(zhì)化、結(jié)構(gòu)功能一體化和低成本設(shè)計(jì)要求?，F(xiàn)今，在民用的大飛機(jī)上使用Al合金制造飛機(jī)座椅的底座部分，用鈦合金制造導(dǎo)軌，以防止機(jī)艙內(nèi)液體的腐蝕；化工領(lǐng)域常用氨氣氣提法制備尿毒，由于尿素具有腐蝕性，設(shè)備主體采用抗腐蝕性好的鈦材，為降低成本，設(shè)備封頭大多采用工業(yè)純鋁；飛機(jī)的機(jī)翼即是由鈦合金的蒙皮和鋁合金的蜂窩狀?yuàn)A層連接而成的復(fù)合結(jié)構(gòu)。連接鈦合金和鋁合金可以用機(jī)械連接或者鉚接的方法，成本低廉，連接質(zhì)量也較高，但就連接強(qiáng)度和靈活性來說，焊接還是最有優(yōu)勢(shì)的連接方法。異種材料焊接性的好壞主要取決于兩種材料間物理、化學(xué)性能的差異，以及能否通過合理的工藝減小這些差異。然而，通過傳統(tǒng)的熔焊方法連接異種材料是很困難的，熔焊過程中，兩種母材都會(huì)熔化，溫度高，原子擴(kuò)散劇烈，在界面處發(fā)生反應(yīng)并生成大量金屬間化合物。T1、Al熔點(diǎn)相差1000°C左右，熔化焊過程中當(dāng)鈦熔化時(shí)液態(tài)鋁嚴(yán)重過熱，合金元素嚴(yán)重蒸發(fā)和燒損；鋁的密度低，熔池中浮在鈦液上方，冷卻結(jié)晶后形成不均勻組織；鈦合金的線膨脹系數(shù)較鋁合金低2.5倍以上，導(dǎo)熱率也相差近15倍，線脹系數(shù)和導(dǎo)熱率的差異以及焊接高溫會(huì)使接頭內(nèi)產(chǎn)生嚴(yán)重的內(nèi)應(yīng)力，容易導(dǎo)致接頭的低應(yīng)力破壞。同時(shí)鈦、鋁在晶格類型、晶格常數(shù)、原子半徑、電負(fù)性等方面差異巨大，存在冶金學(xué)上的不相容性。Ti原子在Al中溶解度非常小，共晶溫度664.2°C時(shí)，Ti在Al中最大固溶度為0.6wt.%，室溫下Ti在Al中的固溶度為零。當(dāng)Ti原子和Al原子相互作用時(shí)，層狀的Ti/Al金屬間化合物例如Ti3Al, TiAl，TiAl3等極易在Ti和Al接觸的表面形成，尤其是在熔化焊過程中過剩的熱循環(huán)和熔融過程導(dǎo)致了大量的金屬間化合物反應(yīng)物在界面處生成，這些過厚的反應(yīng)層是接頭性能降低的主要原因。在使用固相連接方法時(shí)，兩種母材都不發(fā)生熔化，可以很好的控制反應(yīng)層的厚度。常用來連接Ti/Al異種合金的固相焊接方法主要有摩擦焊、擴(kuò)散焊、真空釬焊等，但是摩擦焊方法焊接Ti/Al異種合金，對(duì)焊件的形狀尺寸提出了一定的要求；擴(kuò)散焊時(shí)，反應(yīng)形成了更多也更為復(fù)雜的T1-Al系金屬間化合物，因金屬間化合物與母材元素的晶格匹配性很差，使焊縫化學(xué)成分不均勻，導(dǎo)致焊縫結(jié)合性能差；另外真空擴(kuò)散焊接還存在保溫時(shí)間長，擴(kuò)散連接設(shè)備昂貴，生產(chǎn)周期長等缺點(diǎn)。這些都限制了 Ti/Al異種合金接頭的使用。相比于固相連接或者釬焊，熔釬焊是比較新興的方法，也是非常有發(fā)展前途的連接異種合金接頭的方式，尤其在連接兩種熔點(diǎn)差異較大的金屬時(shí)，熱源作用下，通過填絲的方式，在低熔點(diǎn)金屬一側(cè)形成熔焊接頭，在高熔點(diǎn)金屬一側(cè)形成釬焊接頭。加熱的方式包括激光，電子束，電弧等。激光和電子束焊接，熱量集中，能夠有效的控制金屬間化合物的厚度，提高接頭的性能。而激光熔釬焊鈦、鋁時(shí)，不均勻的溫度場導(dǎo)致了反應(yīng)層沿著接頭厚度變化，進(jìn)而使得接頭性能的不均勻，同時(shí)在焊接鋁合金時(shí)，還極易在鋁合金焊縫中形成氣孔；電子束焊接的最大問題在于焊件的形狀尺寸受到的真空室的限制。更為重要的，在使用激光、電子束等先進(jìn)的連接方法，不可避免的帶來了高的成本。而且相比于激光和電子束等高能加熱方式，電弧熔釬焊由于應(yīng)用范圍廣、操作簡單、成本低、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，已成為異種金屬焊接的研究熱點(diǎn)，尤其在復(fù)雜結(jié)構(gòu)和設(shè)備修復(fù)等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。采用TIG電弧熔釬焊技術(shù)可以焊接Ti/Al異種合金，形成完整的接頭，但僅就單純的通過改變熱輸入和填充材料等方式仍然不能很好的控制界面金屬間化合物的生長，這些過厚的反應(yīng)層影響了接頭的性能，同時(shí)因?yàn)橐簯B(tài)Al在Ti板表面潤濕性差的問題，造成了在添加鋁合金焊絲過程中焊度緩慢。因此有必要通過其他輔助性工藝對(duì)Ti/Al電弧熔釬焊焊接過程進(jìn)一步的改善和優(yōu)化，在控制金屬間化合物厚度和形貌的同時(shí)，提高焊接效率和焊接接頭的性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有的、鈦合金與鋁合金直接進(jìn)行焊接的方法中，在界面處產(chǎn)生的較厚硬脆金屬間化合物、產(chǎn)生裂紋或斷續(xù)微裂紋、接頭結(jié)合強(qiáng)度很低、連接設(shè)備昂貴和生產(chǎn)周期長等的技術(shù)問題，同時(shí)，提高現(xiàn)有的電弧熔釬焊T1、Al異種合金焊接速度及接頭性能，而提出預(yù)鍍層鈦合金與鋁合金電弧熔釬焊方法。一種預(yù)鍍層鈦合金與鋁合金電弧熔釬焊方法，步驟如下:(I)、對(duì)鈦合金板與鋁合金板進(jìn)行表面清理，并在焊接位置加工出45°坡口 ；(2)、將鋁合金釬劑溶于丙酮形成懸濁液，均勻涂刷在鈦板浸鍍位置的正反面，形成釬劑層；(3)、將涂有釬劑的鈦合金板浸入到溫度為750-800°C、熔融狀態(tài)的純鋁或者鋁合金中，保持恒溫l_3min，然后以勻速2cm/s速度拔出鈦板,實(shí)現(xiàn)熱浸鍍；(4)、將涂覆于鈦合金板表面的鋁合金層進(jìn)行打磨，打磨后的鋁合金層厚度均勻、平滑；(5)、將浸鍍過后的鈦合金板與鋁合金板待焊部位對(duì)接形式固定在焊接操作臺(tái)上，坡口對(duì)接間距2mm,電弧高度固定在5mm,成形槽寬4mm深3mm,鶴極置于鈦合金鈍邊,焊接電流70-110A，焊接速度l-2mm/s，采用鋁合金焊絲填充，成形槽內(nèi)通氬氣保護(hù)，即完成焊接。本發(fā)明還具有如下特征:
1、以上所述的鋁合金釬劑nocolok釬劑、鋁合金釬劑QJ201或者氟和氯化物混合釬劑。2、以上所述的鋁合金焊絲為AlSil2或者純鋁。3、以上所述的形成釬劑層的厚度0.2-0.5mm。4、以上所述的步驟(3)中浸鍍使用鋁合金AlSil2、AlSi5、Al-Cu系，Al-Mg系或Al-Mg-Si系鋁合金。5、以上所述的鈦合金板為TA、TB或TC系鈦合金板；鋁合金板為Al-Cu系、Al-Mg系或Al-Mg-Si系招合金板。6、以上所述的步驟(4)中打磨后招合金層厚度為20-30 μ m。7、以上所述的步驟(2)中釬焊層的厚度為0.2-0.5mm。本發(fā)明通過在鈦合金表面浸鍍鋁合金，再通過電弧熔釬焊的方法將其與鋁合金板焊接，通過控制焊接速度和熱輸入量，在鈦合金側(cè)形成釬焊接頭，在鋁合金側(cè)形成熔焊接頭。浸鍍和焊接兩個(gè)過程控制金屬間化合物生長，提高接頭的機(jī)械性能，連接可靠未發(fā)生斷裂，能夠進(jìn)一步滿足工程上對(duì)鈦合金與鋁合金復(fù)合結(jié)構(gòu)的各種需要。本發(fā)明涉及的鈦合金與鋁合金電弧熔釬焊方法，具有工藝方法簡單、制造成本低、生產(chǎn)周期短等優(yōu)點(diǎn)。


圖1是具體實(shí)施方式
中步驟三鈦板熱浸鍍鋁合金過程示意圖；圖2是具體實(shí)施方式
中步驟五焊接操作的示意圖；圖3是TC4鈦合金浸鍍純鋁后的Ti/Al界面；圖4是浸鍍鈦板與鋁板焊接后的Ti/Al界面反應(yīng)層形貌。
具體實(shí)施例方式下面根據(jù)說明書附圖舉例進(jìn)一步說明:實(shí)施例1:(I)、對(duì)鈦合金板與鋁合金板進(jìn)行表面清理，并在焊接位置加工出45°坡口 ；(2)、將鋁合金釬劑溶于丙酮形成懸濁液，均勻涂刷在鈦板浸鍍位置的正反面，形成一薄層釬劑層，厚度0.2-0.5mm ；(3)、將涂有釬劑的鈦合金板浸入到溫度為750-800°C、熔融狀態(tài)的純鋁中，保持恒溫l_3min，然后以勻速2cm/s速度拔出鈦板,實(shí)現(xiàn)熱浸鍍；(4)、將浸鍍?cè)阝伜辖鸢灞砻娴匿X合金層進(jìn)行打磨，打磨后的鋁合金層厚度均勻、平滑，厚度20-30 μ m ；(5)、將浸鍍過后的鈦合金板與鋁合金板待焊部位，對(duì)接形式固定在焊接操作臺(tái)上，坡口對(duì)接間距2mm,電弧高度固定在5mm,成形槽寬4mm深3mm,鶴極置于鈦合金鈍邊,焊接電流70-110A，焊接速度l-2mm/s，采用鋁合金填充，成形槽內(nèi)通氬氣保護(hù)，即完成焊接。本實(shí)施方式步驟一中鈦合金為TC4(T1-6Al_4V)，鋁合金板為LF6。本實(shí)施方式步驟二中的招合金釬劑nocolok釬劑。本實(shí)施方式步驟三中熔融狀態(tài)的鋁合金為質(zhì)量純度99.5%的鋁。本實(shí)施方式步驟五中添加的鋁合金焊絲為AlSil2鋁合金。
實(shí)施例2:本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同點(diǎn)是:步驟一中鈦合金板中的鈦合金為TA、TB系列合金。其它步驟與參數(shù)與具體實(shí)施方式
一相同。實(shí)施例3:本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同點(diǎn)是:步驟一中鋁合金及其復(fù)合材料板中的鋁合金為LY、LD系列合金或者純鋁。其它步驟與參數(shù)與具體實(shí)施方式
一相同。實(shí)施例4:本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同點(diǎn)是:步驟二使用的nocolok釬劑用氯化物鋁合金釬劑代替。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
一相同。實(shí)施例5:本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同點(diǎn)是:步驟三中浸鍍使用的鋁合金AlSil2，或者AlSi5，或者其他Al-Cu系，Al-Mg系、Al-Mg-Si系鋁合金。其它步驟與參數(shù)與具體實(shí)施方式
一相同。實(shí)施例6:本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同點(diǎn)是:步驟三中浸鍍溫度為800-850°C。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
一相同。實(shí)施例7:本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同點(diǎn)是:步驟五中添加鋁合金焊絲為LY、LD系列合金或者純招。實(shí)施例8:結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，將預(yù)浸鍍的TC4鈦合金與LF6鋁鋁合金板通過以下步驟實(shí)現(xiàn):(I)、將2mm厚的TC4鈦合金與LF6鋁合金材料板材進(jìn)行表面清理，并在焊接邊緣加工成45°坡口 ；(2)、將商用鋁合金釬劑QJ201溶于丙酮，形成懸濁液，均勻涂刷在鈦板坡口附近15mm范圍內(nèi)，釬劑層厚度0.5mm。(3)、將純度99.5 %的純鋁焊絲融化在長條形的石墨坩堝中，在電阻加熱爐中750°C保溫lh，待TC4鈦合金板表面的釬劑晾干后，迅速的插入到溫度為750°C、熔融狀態(tài)的液態(tài)鋁中，并保溫lmin，然后以勻速2cm/s速度拔出鈦板；(4)、將浸鍍于TC4鈦合金板表面的純鋁層進(jìn)行打磨，打磨后的鋁合金層厚度均勻、平滑，厚度25ym；(5)、將浸鍍過后的鈦合金板與LF6鋁合金板待焊部位對(duì)接形式固定在焊接操作臺(tái)上，坡口對(duì)接間距2mm,電弧高度固定在5mm,成形槽寬4mm深3mm,鶴極置于鈦合金側(cè)2mm,焊接電流110A,焊接速度2mm/s,采用AlSil2焊絲填充,成形槽內(nèi)通IS氣保護(hù)，即完成焊接。采用上述實(shí)施方法，步驟三中TC4鈦合金浸鍍后Ti/Al界面顯微結(jié)構(gòu)如圖3所示；步驟五完成焊接后，接頭Ti/Al界面如圖4所示。如圖3所示，浸鍍后反應(yīng)層厚度約為I μ m,進(jìn)過焊接后，反應(yīng)層長大，厚度約為3 μ m，利用預(yù)鍍層TIG電弧熔釬焊焊接鈦合金和鋁合金可以取得很好的效果。
權(quán)利要求
1.一種預(yù)鍍層鈦合金與鋁合金電弧熔釬焊方法，其特征在于，步驟如下: (1)、對(duì)鈦合金板與鋁合金板進(jìn)行表面清理，并在焊接位置加工出45°坡口； (2)、將鋁合金釬劑溶于丙酮形成懸濁液，均勻涂刷在鈦板浸鍍位置的正反面，形成釬劑層； (3)、將涂有釬劑的鈦合金板浸入到溫度為750-800°C、熔融狀態(tài)的純鋁或者鋁合金中，保持恒溫l_3min，然后以勻速2cm/s速度拔出鈦板,實(shí)現(xiàn)熱浸鍍； (4)、將涂覆于鈦合金板表面的鋁合金層進(jìn)行打磨，打磨后的鋁合金層厚度均勻、平滑； (5)、將浸鍍過后的鈦合金板與鋁合金板待焊部位對(duì)接形式固定在焊接操作臺(tái)上，坡口對(duì)接間距2mm,電弧高度固定在5mm,成形槽寬4mm深3mm,鶴極置于鈦合金鈍邊,焊接電流70-110A，焊接速度l-2mm/s，采用鋁合金焊絲填充，成形槽內(nèi)通氬氣保護(hù)，即完成焊接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種預(yù)鍍層鈦合金與鋁合金電弧熔釬焊方法，其特征在于:所述的招合金釬劑nocolok釬劑、招合金釬劑QJ201或或者氟和氯化物混合釬劑。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種預(yù)鍍層鈦合金與鋁合金電弧熔釬焊方法，其特征在于:所述的鋁合金焊絲為AlSil2或者純鋁。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種預(yù)鍍層鈦合金與鋁合金電弧熔釬焊方法，其特征在于:所述的形成釬劑層的厚度0.2-0.5_。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種預(yù)鍍層鈦合金與鋁合金電弧熔釬焊方法，其特征在于:所述的步驟⑶中浸鍍使用鋁合金AlSil2、AlSi5、Al-Cu系，Al-Mg系或Al-Mg-Si系鋁合金。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種預(yù)鍍層鈦合金與鋁合金電弧熔釬焊方法，其特征在于:所述的鈦合金板為TA、TB或TC系鈦合金板；鋁合金板為Al-Cu系、Al-Mg系或Al-Mg-Si系招合金板。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種預(yù)鍍層鈦合金與鋁合金電弧熔釬焊方法，其特征在于:所述的步驟(4)中打磨后鋁合金層厚度為20-30 μ m。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種預(yù)鍍層鈦合金與鋁合金電弧熔釬焊方法，其特征在于:所述的步驟(2)中釬焊層的厚度為0.2-0.5mm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種預(yù)鍍層鈦合金與鋁合金電弧熔釬焊方法，如下首先對(duì)鈦板表面清理，然后進(jìn)行表面鍍鋁，然后使用電弧熔釬焊的方法，添加鋁合金焊絲，通過控制焊接速度和熱輸入量，在鋁合金側(cè)形成熔焊接頭，鈦合金側(cè)形成釬焊接頭，實(shí)現(xiàn)對(duì)鈦合金與鋁合金的連接。浸鍍和焊接兩個(gè)過程控制金屬間化合物生長，提高接頭的機(jī)械性能，連接可靠未發(fā)生斷裂，能夠進(jìn)一步滿足工程上對(duì)鈦合金與鋁合金復(fù)合結(jié)構(gòu)的各種需要。本方法具有工藝方法簡單、制造成本低、生產(chǎn)周期短等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)B23K9/167GK103143803SQ20131008220
公開日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2013年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月15日
發(fā)明者呂世雄, 崔慶龍, 黃永憲, 鄭傳奇, 徐永強(qiáng), 鄭祖金, 曲杰 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)