CN101015876A - 铝、钛及其合金异种金属交流钨极氩弧焊电弧微熔钎焊方法 - Google Patents

铝、钛及其合金异种金属交流钨极氩弧焊电弧微熔钎焊方法 Download PDF

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Abstract

铝、钛及其合金异种金属交流钨极氩弧焊电弧微熔钎焊方法，它涉及焊接方法。它针对钛的散热问题，及现有设备昂贵、生产周期长的缺点，提出本方法：一：将钛或钛合金板对接处开坡口和钝边，其下部固定在带有循环冷却水装置的铜卡具上，其上部安有振动装置，将它们置充满惰性气体的焊接舱中；二：启动循环冷却水装置和振动装置并焊接，利用交流钨极氩弧焊电弧微熔钎焊方法在钛或钛合金板的坡口处堆敷铝合金，完成后将铝合金开成1cm～5cm厚的铝合金层，并开坡口和钝边；三：将另一块待焊的铝或铝合金板的对接处开坡口和钝边，置焊接舱中，启动循环冷却水装置和振动装置并焊接，焊件在焊接舱中冷却至室温。所开的坡口和钝边都为30°～55°的坡口和1～3mm的钝边。

Description

铝、钛及其合金异种金属交流钨极氩弧焊电弧微熔钎焊方法
技术领域
本发明涉及一种焊接方法。
背景技术
铝及铝合金、钛及钛合金都具有密度小、比强度高的特点，而且对钛合金而言还具有耐蚀性及耐热性好等优点，因此铝及铝合金、钛及钛合金大量应用于运输系统，以减轻载体自重，提高有效载重量，进而节省能耗，据统计汽车工业每减重1kg其成本增值10欧元，而航天工业中则成本增值1000欧元，在太空应用中，单位质量减重成本增值10000欧元以上，有着很大的经济优势。与此伴随的出现了钛及钛合金、铝及铝合金异种材料的连接问题，铝及铝合金与钛及钛合金异种材料焊接主要有以下几点困难：
(1)互溶性及金属间化合物问题，获得异种金属的焊接接头的主要条件是：他们之间有完全的互溶性；能够形成间隙时连续系列的固溶体。当不具备这些条件和物理化学性能相差很大时，会产生脆性的金属间化合物和共晶体，而难以焊接。如果金属间化合物以极细的夹杂物形式弥散的分布在合金晶粒之间，则可能完全无害；而如果呈带状或针状出现在晶界之间，或两种金属之间出现中间过渡层，就有造成金属脆性断裂的危险。从元素周期表和铝和钛相图可见，两种金属物理化学性质差别很大，在室温下不满足互溶性条件，在焊接时，在钛及钛合金与铝及铝合金的接触线上要形成金属间化合物。所形成的化合物有Ti3Al、TiAl、TiAl2和TiAl3等多种，而且化合物生长速度很快，控制不当将布满整个接头，使焊缝化学成分不均匀，大多数金属间化合物具有和陶瓷一样的脆性，它们在600℃以下具有低的延伸性和易断裂，金属间化合物表现出强烈的应力集中倾向，会导致迅速脆性断裂。
(2)钛及钛合金的散热问题。钛的导热系数λ＝15.24W/(m.K)，约是铝的1/14，而各种钛合金的导热系数比钛的导热系数约下降50％，工业上常用的钛合金TC4导热系数为6.8W/(m.K)。当钛及钛合金与铝及铝合金异种金属焊接时，钛及钛合金侧熔合区金属长时间保持液态而无法凝固，使钛及钛合金母材过量溶解于熔池中并造成焊缝中脆性金属间化合物大量生长，而且所生成的化合物呈层状位于钛及钛合金母材与熔合区界面处，因此接头的破坏常发生于此处，使得焊接产生困难。
目前，在国内对铝及铝合金与钛及钛合金异种材料焊接方法主要有扩散连接。扩散连接是在温度、压力的联合作用下，使被连接的两种材料的界面紧密接触，或通过液相填充间隙，在通过一定时间的原子扩散实现冶金连接的一种连接方法。目前钛及钛合金、铝及铝合金等异种金属的复合连接结构常用这种方法进行生产。为解决去氧化膜及化合物生长的问题，通常采用焊前去膜、真空环境下施焊的方法，并采用加中间阻挡层的方法，限制钛及钛合金与铝及铝合金之间的原子扩散形成化合物层。然而，扩散连接的设备昂贵、生产周期长。
发明内容
本发明针对钛及钛合金、铝及铝合金异种金属焊接过程中互溶性及金属间化合物产生的弊端和钛的散热问题，及其现有扩散连接设备昂贵、生产周期长的缺点，而提出了铝、钛及其合金异种金属交流钨极氩弧焊电弧微熔钎焊方法。
本发明方法步骤如下：
步骤一：将钛板或钛合金板1的对接处开出30°～55°的坡口和1～3mm的钝边，将钛板或钛合金板1的下表面固定在带有循环冷却水装置2的铜卡具3上，并在钛板或钛合金板1的上部安装有振动装置4，之后将钛板或钛合金板1、铜卡具3和振动装置4置于空气排净并充入惰性气体的焊接舱5中；
步骤二：启动循环冷却水装置2和振动装置4，在钛板或钛合金板1上一侧施加降温和超声振动或机械振动，并进行焊接，利用交流钨极氩弧焊电弧微熔钎焊方法在钛板或钛合金板1的坡口处堆敷一定厚度的铝合金，堆敷完成后将铝合金开成1cm～5cm厚的铝合金层6，并开出30°～55°的坡口和1～3mm的钝边；
步骤三：将另一块待焊的铝板或铝合金板7的对接处开出30°～55°的坡口和1～3mm的钝边，之后也置于焊接舱5中，启动循环冷却水装置2和振动装置4，在钛板或钛合金板1上一侧施加降温和超声振动或机械振动，并进行焊接，焊件焊接完成后在焊接舱5中冷却至室温。
本发明在焊接过程中保证铝及铝合金母材熔化而钛及钛合金母材不熔或微熔，在钛及钛合金侧利用带有循环冷却水的卡具对其进行强制冷却，使熔合区液态金属冷却速度加快，减少脆性金属间化合物生成，而且采用振动头使金属间化合物以极细的夹杂物形式弥散的分布在合金晶粒之间，经过冶金反应形成性能优良的接头，而且本方法具有装置简单，成本低的优点。经过初步的试验，已经得到了一些非常有价值的结果：填充焊丝在钛表面充分润湿，接头强度达到母材强度的60％(实验用铝合金为LF6铝合金，断裂强度220MPa)，断裂发生在铝母材热影响区部位。
附图说明
图1是本发明焊接示意图；图2是铝合金与钛合金异种金属复合接头微观组织结构图；图3是图2中E处的局部放大图；图4是本发明焊接圆环形焊件图；图5是本发明焊接平面焊件图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，方法步骤如下：
步骤一：将钛板或钛合金板1的对接处开出30°～55°的坡口和1～3mm的钝边，将钛板或钛合金板1的下表面固定在带有循环冷却水装置2的铜卡具3上，并在钛板或钛合金板1的上部安装有振动装置4，之后将钛板或钛合金板1、铜卡具3和振动装置4置于空气排净并充入惰性气体的焊接舱5中；
步骤二：启动循环冷却水装置2和振动装置4，在钛板或钛合金板1上一侧施加降温和超声振动或机械振动，并进行焊接，利用交流钨极氩弧焊电弧微熔钎焊方法在钛板或钛合金板1的坡口处堆敷一定厚度的铝合金，堆敷完成后将铝合金开成1cm～5cm厚的铝合金层6，并开出30°～55°的坡口和1～3mm的钝边；
步骤三：将另一块待焊的铝板或铝合金板7的对接处开出30°～55°的坡口和1～3mm的钝边，之后也置于焊接舱5中，启动循环冷却水装置2和振动装置4，在钛板或钛合金板1上一侧施加降温和超声振动或机械振动，并进行焊接，焊件焊接完成后在焊接舱5中冷却至室温。
惰性气体的作用是防止在焊接中焊接金属产生氧化反应影响焊接质量和产生金属间化合物；采用振动头使金属间化合物以极细的夹杂物形式弥散的分布在合金晶粒之间。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点在于振动装置4为超声振动装置或机械振动装置，超声振动装置的频率在18K～120K赫兹、振幅在10μm～1000μm的范围；机械振动装置的频率在25～4000赫兹、振幅在的10μm～1mm范围；其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。
材料用TC4钛合金和LF6铝合金，焊机为COMPA500P型TIG焊机，振动头采用YX-2805超声焊接设备振动头，焊接得到钛合金与铝合金的接头拉伸强度200MPa，断裂位置位于LF6铝合金的热影响区。图2是铝合金与钛合金异种金属复合接头微观组织结构图，我们可以从中看到金属间化合物层比较薄，而且是不连续的，这样达到韧性好的要求。本发明适用于焊接大型焊件，用现有扩散焊接方法焊接价格昂贵，而使用本方法焊接焊接效果可达到同等水平，而且成本低，步骤简单、方便。

Claims (2)

1、铝、钛及其合金异种金属交流钨极氩弧焊电弧微熔钎焊方法，其特征在于方法步骤如下：
步骤一：将钛板或钛合金板(1)的对接处开出30°～55°的坡口和1～3mm的钝边，将钛板或钛合金板(1)的下表面固定在带有循环冷却水装置(2)的铜卡具(3)上，并在钛板或钛合金板(1)的上部安装有振动装置(4)，之后将钛板或钛合金板(1)、铜卡具(3)和振动装置(4)置于空气排净并充入惰性气体的焊接舱(5)中；
步骤二：启动循环冷却水装置(2)和振动装置(4)，在钛板或钛合金板(1)上一侧施加降温和超声振动或机械振动，并进行焊接，利用交流钨极氩弧焊电弧微熔钎焊方法在钛板或钛合金板(1)的坡口处堆敷一定厚度的铝合金，堆敷完成后将铝合金开成1cm～5cm的铝合金层(6)，并开出30°～55°的坡口和1～3mm的钝边；
步骤三：将另一块待焊的铝板或铝合金板(7)的对接处开出30°～55°的坡口和1～3mm的钝边，之后也置于焊接舱(5)中，启动循环冷却水装置(2)和振动装置(4)，在钛板或钛合金板(1)上一侧施加降温和超声振动或机械振动，并进行焊接，焊件焊接完成后在焊接舱(5)中冷却至室温。
2、根据权利要求1所述的铝、钛及其合金异种金属交流钨极氩弧焊电弧微熔钎焊方法，其特征在于振动装置(4)为超声振动装置或机械振动装置，超声振动装置的频率在18K～120K赫兹、振幅在10μm～1000μm的范围；机械振动装置的频率在25～4000赫兹、振幅在的10μm～1mm范围。
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