本發(fā)明涉及異種金屬焊接領(lǐng)域，具體涉及一種鋁鋰合金和鈦合金電子束焊接方法。

背景技術(shù)：

隨著航空航天工業(yè)的發(fā)展，對(duì)結(jié)構(gòu)材料的綜合性能要求不斷提高，單一合金的結(jié)構(gòu)材料已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，為了滿足結(jié)構(gòu)輕型化、結(jié)構(gòu)功能一體化和低成本設(shè)計(jì)與制造的發(fā)展要求，綜合利用不同材料的性能優(yōu)勢(shì)，將具有不同特性的材料組合在一起已經(jīng)變成應(yīng)有的趨勢(shì)。鈦合金具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕、中溫性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，鋁鋰合金則具有低密度、高比強(qiáng)度、良好的耐腐蝕性耐損傷、良好的抗疲勞性和良好的超塑成形等特點(diǎn)，而且如果取代常規(guī)的鋁合金，可以使構(gòu)件質(zhì)量減輕10％～15％，剛度提高15％～20％，所以鋁鋰合金和鈦合金異種金屬焊接的應(yīng)用在航空航天工業(yè)具有很好的應(yīng)用前景。真空電子束焊接具有熱量集中、深寬比較大、熱輸入小、功率密度大、熱影響區(qū)小等特點(diǎn)，所以很好控制熔池的尺寸、形狀和束斑的位置，真空條件下還提供了金屬不受空氣污染等條件，保證了焊縫質(zhì)量。

針對(duì)鋁鋰合金和鈦合金的焊接，傳統(tǒng)熔焊時(shí)兩種金屬液相混合會(huì)生成大量的脆硬金屬間化合物，過(guò)飽和的脆性金屬間化合物具有較大的組織內(nèi)應(yīng)力，組織具有很大的脆性，嚴(yán)重降低接頭性能。對(duì)于擴(kuò)散焊，由于擴(kuò)散焊的性質(zhì)導(dǎo)致擴(kuò)散焊的結(jié)合強(qiáng)度有限，擴(kuò)散焊的使用在強(qiáng)度較高的異種金屬焊接受到限制。鑒于熔焊和擴(kuò)散焊的缺點(diǎn)，所以采用了熔釬焊的方法對(duì)鋁鋰合金和鈦合金進(jìn)行焊接，熔釬焊的方法同時(shí)具有熔焊和釬焊的性質(zhì)，熱源一般加在低熔點(diǎn)金屬上，自熔或者熔化焊絲釬焊到高熔點(diǎn)金屬上實(shí)現(xiàn)焊接。理論上能實(shí)現(xiàn)熔釬焊的焊接方法很多，但是對(duì)于鋁鋰合金和鈦合金焊接特殊性，常規(guī)的熱輸入較高的TIG,MIG等焊接方法極不容易控制金屬間化合物過(guò)渡層的厚度，而且焊接試板厚度較薄，所以在易形成脆性金屬間化合物異種金屬不宜采取。由于高能束流具有能量集中，深寬比較大、熱輸入小、功率密度大、熱影響區(qū)小等特點(diǎn)，而其中的電子束又獨(dú)有在真空下焊接的特點(diǎn)，不受空氣污染，而且深寬比更大，能量更集中，熱影響區(qū)更小，保證了焊接質(zhì)量。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)陳樹(shù)海曾研究并發(fā)表《鋁-鈦異種合金激光熔釬焊接頭界面特性》(陳樹(shù)海,李俐群,陳彥賓.鋁/鈦異種合金激光熔釬焊接頭界面特性[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào),2008,06:991-996.)，實(shí)現(xiàn)了鋁鈦異種合金激光填絲熔釬焊接，但是焊接焊板厚度僅有1.5mm，且界面厚度方向溫度場(chǎng)差異明顯，導(dǎo)致界面金屬間化合物生長(zhǎng)不均勻。中國(guó)工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所的王亞榮等人曾研究并發(fā)表《鋁/鈦異種金屬的電子束熔釬焊》(王亞榮,滕文華,余洋,樊亞麗.鋁/鈦異種金屬的電子束熔釬焊[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2012,20:91-95.)，但該工藝方法并沒(méi)有完全形成熔釬焊接，界面部分鈦合金微熔導(dǎo)致界面金屬間化合物形成較多，且依然存在界面厚度方向溫度場(chǎng)很不均勻的缺點(diǎn)，最終力學(xué)性能較差，拉伸強(qiáng)度僅有180Mpa。

由于鋁鋰合金的特殊性，在和鈦合金進(jìn)行異種金屬焊接時(shí)易出現(xiàn)的問(wèn)題如下：

(1)脆性金屬間化合物過(guò)渡層，若過(guò)渡層厚度過(guò)大易產(chǎn)生脆性斷裂；

(2)形成大量氣孔；

(3)熱裂紋嚴(yán)重；

(4)厚度方向焊接時(shí)溫度場(chǎng)不均勻，導(dǎo)致界面金屬間化合物層形態(tài)不一樣，導(dǎo)致力學(xué)性能不一樣；

(5)若板稍厚，易出現(xiàn)焊不透，從而出現(xiàn)大量未熔合；

(6)熔釬焊時(shí)焊縫塌陷，熔敷率差導(dǎo)致焊縫強(qiáng)度受到影響；

所以在工藝上如何克服上述焊接技術(shù)上的問(wèn)題成為兩種航空航天材料焊接的技術(shù)難題，現(xiàn)有研究的高能束流焊接方法大多只能解決部分技術(shù)難題，

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的就是在于克服脆性金屬間化合物厚度、金屬間化合物生長(zhǎng)形態(tài)、金屬熔敷率差、氣孔、熱裂紋、溫度場(chǎng)分布不均勻、未熔合率等問(wèn)題。提供一種鋁鋰合金和鈦合金電子束熔釬焊接方法。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，提供技術(shù)方案是：

一種鋁鋰合金和鈦合金電子束熔釬焊接方法，通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn)的：

(1)焊前材料準(zhǔn)備：對(duì)鈦合金板焊接端面加工10°-15°的坡口；

(2)焊前清理：對(duì)鋁鋰合金板和鈦合金板進(jìn)行焊前清理；

(3)焊板角度調(diào)整：鋁鋰合金板和鈦合金板放和水平面角度為10°-30°，設(shè)置鋁鋰合金板表面高出鈦合金板表面0.5-1.5mm；

(4)設(shè)置焊接參數(shù)：抽取真空，待槍真空和室真空達(dá)到槍真空標(biāo)準(zhǔn)值8E^-3，室真空標(biāo)準(zhǔn)值7E^-2，設(shè)置焊接參數(shù)；

(5)預(yù)熱：對(duì)鈦合金板進(jìn)行焊前預(yù)熱；

(6)焦點(diǎn)調(diào)試：調(diào)節(jié)焦點(diǎn)至鋁鋰合金板上厚度方向的中間位置或者靠近底部，距焊接端面水平方向1mm-1.5mm的位置；

(7)熔釬焊接：用束流為20mA-25mA，焊速為3mm/s-5mm/s對(duì)鈦合金板和鋁鋰合金板進(jìn)行熔釬焊接；

(8)焊縫背面補(bǔ)焊：調(diào)節(jié)焦點(diǎn)至鋁鋰合金板背面表面，距焊接端面水平方向0.5mm-1mm處，用束流為8mA-12mA，焊速為5m/s-10m/s完成背面補(bǔ)焊。

所用鋁鋰合金板為2195，鈦合金板為T(mén)C4，鋁鋰合金板尺寸為100mm×50mm×3mm,鈦合金尺寸為100mm×50mm×4mm。焊前清理先用攪磨機(jī)打磨焊板，再用200#、400#金相砂紙磨平，再用丙酮清洗表面。焊接參數(shù)為：電子束加速電壓60KV，聚焦電流600mA-800mA，焊接高度260mm-300mm，燈絲電流600mA-660mA，束流上升、下降時(shí)間0s-3s。焊前預(yù)熱為：距焊接端面水平方向4mm處用束流10mA-16mA，焊速為5mm/s-10mm/s。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下有益效果：

(1)本發(fā)明采用電子束熔釬焊具有能量集中，深寬比較大、熱輸入小、功率密度大、熱影響區(qū)小等特點(diǎn)，相比于其他焊接方法，減少了界面反應(yīng)不均勻性。

(2)該方法通過(guò)改變?cè)嚢宓暮附咏嵌?，鈦合金坡口的角度設(shè)置，鋁鋰合金和鈦合金的高度差，鈦合金試板的預(yù)熱方法，電子束偏束距離，電子束下焦點(diǎn)深度，優(yōu)化電子束焊接時(shí)的技術(shù)參數(shù)、以及焊縫背部補(bǔ)焊等技術(shù)方面來(lái)優(yōu)化鋁鋰合金和鈦合金接頭強(qiáng)度，從而獲得優(yōu)質(zhì)的焊接接頭。

(3)本發(fā)明提供的焊接方法能夠減小金屬間化合物厚度，盡量降低金屬間化合物生長(zhǎng)的連續(xù)性，降低氣孔率，減少熱裂紋，焊縫厚度方向溫度場(chǎng)均勻化，以及降低未熔合率。

附圖說(shuō)明

圖1是待焊試板裝配到夾具示意圖；

圖2是本發(fā)明鋁鋰合金和鈦合金電子束熔釬焊接方法的焊接示意圖；

圖3是焊接接頭宏觀形貌圖；

圖4是實(shí)施例1中焊縫中部SEM微觀組織圖；(a)表示在開(kāi)坡口焊縫中部SEM下3000倍的組織形貌，(b)表示在開(kāi)坡口焊縫中部SEM下12000倍的組織形貌

圖5是實(shí)施例3中鈦合金未開(kāi)坡口焊縫中部SEM微觀組織圖；(a)表示在未開(kāi)坡口焊縫中部SEM下8000倍的組織形貌,(b)表示在未開(kāi)坡口焊縫中部另外一處8000倍的組織形貌。

圖6是實(shí)施例4中焊接接頭背部未補(bǔ)焊的金相圖。(a)表示在沒(méi)有底部補(bǔ)焊的情況下焊縫頂部的200倍金相圖，(b)表示在沒(méi)有底部補(bǔ)焊的情況下焊縫底部的500倍金相圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。

本發(fā)明的鋁鋰合金和鈦合金電子束熔釬焊接方法通過(guò)設(shè)置如下夾具實(shí)現(xiàn)焊接，鋁鋰合金板和鈦合金板的夾具裝配圖如圖1所示，其中：1、2195鋁鋰合金；2、TC4鈦合金；3、角度旋轉(zhuǎn)副；4、散熱銅板；5、銅制底板；6、轉(zhuǎn)動(dòng)副。焊接示意圖如圖2所示，其中：1、2195鋁鋰合金；2、TC4鈦合金；3、角度旋轉(zhuǎn)副；4、散熱銅板；5、銅制底板；6、轉(zhuǎn)動(dòng)副；7、電子束流。

實(shí)施例1

(1)焊前材料準(zhǔn)備：2195鋁鋰合金試板尺寸為100mm×50mm×3mm,TC4鈦合金尺寸為100mm×50mm×4mm，對(duì)鈦合金板焊接端面加工15°的坡口；

在電子束熔釬焊設(shè)置焊接角度的目的在于改善界面反應(yīng)溫度的差異，因?yàn)榧词故请娮邮附?，在相?duì)較厚的試板焊接時(shí)，試板厚度方向也為有溫度差異，從上到下溫度依次降低，加上試板厚度方向散熱快慢不同，增加了試板厚度方向的溫度差異。改變了試板的焊接角度，這樣就可以在厚度方向束流能量集中的地方離界面距離越來(lái)越小，從而減小了界面溫度的差異，從而改善了界面結(jié)合強(qiáng)度。

給TC4鈦合金加上一個(gè)坡口，可以在熔釬焊接中，熔化的金屬流動(dòng)性好，改善提高釬料的潤(rùn)濕鋪展性能，熔敷面積也相對(duì)增加，因此改善了接頭力學(xué)性能。

(2)焊前清理：對(duì)鋁鋰合金板和鈦合金板進(jìn)行焊前清理；先用攪磨機(jī)打磨焊板，使其呈現(xiàn)金屬光澤，去除表面氧化膜，然后用200#、400#金相砂紙磨平，然后用丙酮清洗表面油污待焊。

(3)焊板角度調(diào)整：將焊板裝配在特制夾具上放進(jìn)真空室，調(diào)整焊板板和水平面夾角為25°，設(shè)置鋁鋰合金板表面高出鈦合金板表面1mm。

2195鋁鋰合金和TC4鈦合金的高度差。目的是焊縫填充效果好，焊縫飽滿，增加熔敷面積，提高焊接性能。

(4)抽取真空：設(shè)置焊接參數(shù)：待槍真空和室真空達(dá)到槍真空標(biāo)準(zhǔn)值8E-3，室真空標(biāo)準(zhǔn)值7E-2，設(shè)置焊接參數(shù)，其中，電子束加速電壓：60KV，聚焦電流678mA，焊接高度295mm，燈絲電流650mA；束流上升、下降時(shí)間：1s。

(5)預(yù)熱：對(duì)鈦合金板進(jìn)行焊前預(yù)熱，距焊接端面水平方向4mm處用束流13mA，焊速為5mm/s。

(6)焦點(diǎn)調(diào)試：調(diào)節(jié)焦點(diǎn)至鋁鋰合金板上厚度方向的中間位置或者靠近底部，距焊接端面水平方向1mm的位置；電子束偏鋁側(cè)距離的調(diào)整可以調(diào)整界面金屬間化合物過(guò)渡層厚度，以及可以直接調(diào)整界面的反應(yīng)溫度。下焦點(diǎn)的方法改變了傳統(tǒng)能量的集中位置，采用下焦點(diǎn)的方法可以將能量盡可能往厚度方向調(diào)整，從而可以改善界面反應(yīng)溫度的不均勻性。

(7)熔釬焊接：在偏鋁鋰合金端面1.4mm處，用束流為25mA，焊速為4.5mm/s，對(duì)鈦合金板和鋁鋰合金板進(jìn)行熔釬焊接；

(8)焊縫背面補(bǔ)焊：調(diào)節(jié)焦點(diǎn)至鋁鋰合金板背面表面，距焊接端面水平方向1mm處，用束流為12mA，焊速為5m/s完成背面補(bǔ)焊。

采用背部補(bǔ)焊的方法可以改善界面方向因?yàn)榉磻?yīng)溫度的不同而導(dǎo)致的界面力學(xué)性能不均的影響，也可以改善背部未熔合率，從而提高整體的力學(xué)性能。

如圖3是焊接接頭整體形貌圖，如圖4(a)(b)所示為本發(fā)明實(shí)施例1中焊縫中部區(qū)域的SEM微觀組織圖。如圖所示焊縫成型良好，無(wú)裂紋，無(wú)氣孔，界面金屬間化合物過(guò)渡層形成良好，沒(méi)有較厚的連續(xù)金屬間化合物，對(duì)界面結(jié)合強(qiáng)度起到良好作用的棒狀和鋸齒狀金屬間化合物形成較多，接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)到了260MPa。

實(shí)施例2

(1)焊前材料準(zhǔn)備：2195鋁鋰合金試板尺寸為100mm×50mm×3mm,TC4鈦合金尺寸為100mm×50mm×4mm，對(duì)鈦合金板焊接端面加工15°的坡口；

(2)焊前清理：對(duì)鋁鋰合金板和鈦合金板進(jìn)行焊前清理；先用攪磨機(jī)打磨焊板，使其呈現(xiàn)金屬光澤，去除表面氧化膜，然后用200#、400#金相砂紙磨平，然后用丙酮清洗表面油污待焊。

(3)焊板角度調(diào)整：將焊板裝配在特制夾具上放進(jìn)真空室，調(diào)整焊板板和水平面夾角為15°,設(shè)置鋁鋰合金板表面高出鈦合金板表面1mm。

(4)抽取真空：設(shè)置焊接參數(shù)：待槍真空和室真空達(dá)到槍真空標(biāo)準(zhǔn)值8E^-3，室真空標(biāo)準(zhǔn)值7E^-2，設(shè)置焊接參數(shù)，其中，電子束加速電壓：60KV，聚焦電流678mA，焊接高度295mm，燈絲電流650mA；束流上升、下降時(shí)間：1s。

(5)預(yù)熱：對(duì)鈦合金板進(jìn)行焊前預(yù)熱，距焊接端面水平方向4mm處用束流13mA，焊速為5mm/s。

(6)焦點(diǎn)調(diào)試：調(diào)節(jié)焦點(diǎn)至鋁鋰合金板上厚度方向的中間位置或者靠近底部，距焊接端面水平方向1mm的位置；

(7)熔釬焊接：在偏鋁鋰合金端面1.4mm處，用束流為25mA，焊速為4.5mm/s，對(duì)鈦合金板和鋁鋰合金板進(jìn)行熔釬焊接；

(8)焊縫背面補(bǔ)焊：調(diào)節(jié)焦點(diǎn)至鋁鋰合金板背面表面，距焊接端面水平方向1mm處，用束流為12mA，焊速為5m/s完成背面補(bǔ)焊。

由于焊板和水平面的夾角由實(shí)施例1中的25°變?yōu)榱?5°，焊接偏束距離及其他參數(shù)均未沒(méi)變，電子束的對(duì)焊縫的焊接角度產(chǎn)生了變化，電子束在靠近界面處的鋁鋰合金熔化量變多，所以導(dǎo)致界面溫度場(chǎng)較實(shí)施例1不均勻性變大，力學(xué)性能測(cè)試也證明了不同，接頭拉伸強(qiáng)度為240MPa。

實(shí)施例3

(1)焊前材料準(zhǔn)備：2195鋁鋰合金試板尺寸為100mm×50mm×3mm,TC4鈦合金尺寸為100mm×50mm×4mm，沒(méi)有對(duì)鈦合金板焊接端面加工坡口；

(2)焊前清理：對(duì)鋁鋰合金板和鈦合金板進(jìn)行焊前清理；先用攪磨機(jī)打磨焊板，使其呈現(xiàn)金屬光澤，去除表面氧化膜，然后用200#、400#金相砂紙磨平，然后用丙酮清洗表面油污待焊。

(3)焊板角度調(diào)整：將焊板裝配在特制夾具上放進(jìn)真空室，調(diào)整焊板板和水平面夾角為25°,設(shè)置鋁鋰合金板表面高出鈦合金板表面1mm。

(4)抽取真空：設(shè)置焊接參數(shù)：待槍真空和室真空達(dá)到槍真空標(biāo)準(zhǔn)值8E^-3，室真空標(biāo)準(zhǔn)值7E^-2，設(shè)置焊接參數(shù)，其中，電子束加速電壓：60KV，聚焦電流678mA，焊接高度295mm，燈絲電流650mA；束流上升、下降時(shí)間：1s。

(5)預(yù)熱：對(duì)鈦合金板進(jìn)行焊前預(yù)熱，距焊接端面水平方向4mm處用束流13mA，焊速為5mm/s。

(6)焦點(diǎn)調(diào)試：調(diào)節(jié)焦點(diǎn)至鋁鋰合金板上厚度方向的中間位置或者靠近底部，距焊接端面水平方向1mm的位置；

(7)熔釬焊接：在偏鋁鋰合金端面1.4mm處，用束流為25mA，焊速為4.5mm/s，對(duì)鈦合金板和鋁鋰合金板進(jìn)行熔釬焊接；

(8)焊縫背面補(bǔ)焊：調(diào)節(jié)焦點(diǎn)至鋁鋰合金板背面表面，距焊接端面水平方向1mm處，用束流為12mA，焊速為5m/s完成背面補(bǔ)焊。

如圖5(a)(b)所示為本發(fā)明實(shí)施例3中焊縫中部區(qū)域的SEM微觀組織圖。和實(shí)施例1相對(duì)比，未開(kāi)坡口焊接后的界面金屬間化合物過(guò)渡層連續(xù)性更強(qiáng)，實(shí)施例1中的金屬間化物大多是棒狀嵌入鋁鋰合金基體生長(zhǎng)，而實(shí)施例3中金屬間化合物生長(zhǎng)的連續(xù)性較強(qiáng)，金屬間化合物這種嵌入式的生長(zhǎng)方式比連續(xù)性生長(zhǎng)方式結(jié)合強(qiáng)度更大，經(jīng)過(guò)力學(xué)性能測(cè)試，接頭拉伸強(qiáng)度為200MPa。

實(shí)施例4

(1)焊前材料準(zhǔn)備：2195鋁鋰合金試板尺寸為100mm×50mm×3mm,TC4鈦合金尺寸為100mm×50mm×4mm，對(duì)鈦合金板焊接端面加工15°的坡口；

(2)焊前清理：對(duì)鋁鋰合金板和鈦合金板進(jìn)行焊前清理；先用攪磨機(jī)打磨焊板，使其呈現(xiàn)金屬光澤，去除表面氧化膜，然后用200#、400#金相砂紙磨平，然后用丙酮清洗表面油污待焊。

(3)焊板角度調(diào)整：將焊板裝配在特制夾具上放進(jìn)真空室，調(diào)整焊板板和水平面夾角為25°,設(shè)置鋁鋰合金板表面高出鈦合金板表面1mm。

(4)抽取真空：設(shè)置焊接參數(shù)：待槍真空和室真空達(dá)到槍真空標(biāo)準(zhǔn)值8E^-3，室真空標(biāo)準(zhǔn)值7E^-2，設(shè)置焊接參數(shù)，其中，電子束加速電壓：60KV，聚焦電流678mA，焊接高度295mm，燈絲電流650mA；束流上升、下降時(shí)間：1s。

(5)預(yù)熱：對(duì)鈦合金板進(jìn)行焊前預(yù)熱，距焊接端面水平方向4mm處用束流13mA，焊速為5mm/s。

(6)焦點(diǎn)調(diào)試：調(diào)節(jié)焦點(diǎn)至鋁鋰合金板上厚度方向的中間位置或者靠近底部，距焊接端面水平方向1mm的位置；

(7)熔釬焊接：在偏鋁鋰合金端面1.4mm處，用束流為25mA，焊速為4.5mm/s，對(duì)鈦合金板和鋁鋰合金板進(jìn)行熔釬焊完成焊接過(guò)程；

如圖6(a)(b)所示為本發(fā)明實(shí)施例4中方法焊接后焊接接頭的上部和底部金相圖，由圖(a)可以看出，焊縫界面上部熔敷、界面結(jié)合效果良好，界面沒(méi)有未熔合等缺陷。由圖(b)是焊接接頭底部金相圖，由于焊板較厚，即使是改良的電子束焊接方法也存在溫度場(chǎng)差異，所以在界面底部也存在很小一部分結(jié)合效果不好，部分未熔合等缺陷，這就導(dǎo)致了力學(xué)性能測(cè)試時(shí)容易在這個(gè)地方開(kāi)裂，大大降低了焊縫整體的力學(xué)性能，最終拉伸強(qiáng)度僅有180Mpa，這就證明了背部補(bǔ)焊的重要性。