CN101284323A - 钛合金与铝合金或铝基复合材料超声预涂覆钎焊方法 - Google Patents
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Abstract
钛合金与铝合金或铝基复合材料超声预涂覆钎焊方法，它涉及一种钛合金与铝合金或铝基复合材料的焊接方法。它解决现有的钛合金与铝合金或铝基复合材料焊接方法存在在界面处产生的质硬而脆并厚的金属间化合物、产生裂纹或断续微裂纹、接头结合强度很低、连接设备昂贵和生产周期长的技术缺陷。方法：首先对钛板表面清理，然后进行表面超声预涂覆，再对涂覆层打磨、处理，然后分别对钛和铝板材进行超声涂覆钎料，最后超声钎焊。本发明工艺方法简单、制造成本低、生产周期短，力学性能高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种钛合金与铝合金或铝基复合材料的焊接方法。
背景技术
钛合金、铝合金及铝基复合材料是现今新型材料中最具发展潜力的材料。由于钛合金具有熔点高、线膨胀系数和弹性模量小、耐蚀性优良等特性，在航空、航天、核能、船舶、电子和化学精练等工业中有广泛的应用前景。铝合金及铝基复合材料的密度小、比强度高、塑性好、耐腐蚀性能优良，所以在飞机制造中用做于制造机翼、外壳、尾翼等。但由于钛合金与铝合金或铝基复合材料的熔点、导热系数、线膨胀系数等物理性能相差悬殊，所以现有的焊接方法如熔焊、真空扩散焊和激光熔钎焊都无法解决钛合金与铝合金或铝基复合材料的物理性能相差悬殊所导致的问题。
1、采用“熔焊”方法焊接钛合金与铝合金或铝基复合材料存在的问题：在熔化焊接过程中，形成大量层状的质硬而脆的Ti3Al，使焊缝脆化或产生裂纹。
2、采用“真空扩散焊”(包括直接真空扩散焊和加中间层的真空扩散焊)方法焊接钛合金与铝合金或铝基复合材料存在的问题：直接真空扩散焊，将扩散反应形成Ti-Al的二元金属间化合物或更复杂多元金属间化合物，因金属间化合物与母材元素的晶格匹配性很差，使焊缝化学成分不均匀，导致焊缝结合性能差，力学性能也非常低；加铝合金中间层的真空扩散焊，会在钛基体一侧生成TiAl和Ti3Al，在过渡区则会大量形成Ti3Al、TiAl和TiAl3等金属间化合物，由于这些化合物都比较脆，从而造成扩散结合界面处存在断续微裂纹，破坏焊缝力学性能。另外真空扩散焊接还存在保温时间长，扩散连接设备昂贵，生产周期长等缺点。
3、采用“激光熔钎焊”方法焊接钛合金与铝合金或铝基复合材料存在的问题：首先，钛合金侧与焊缝为钎焊连接，如若激光加热线能量增大，易造成钛母材熔化，生成大量脆性金属间化合物，接头性能将急剧下降，甚至无法实现焊接。其次，激光加热中心温度高，但热循环迅速，作用时间短，导致原子扩散驱动力很大但扩散时间有限。由于不同区域的各元素浓度存在差异，使得最终形成的金属间化合物层不但组成复杂，而且同一界面不同部位金属间化合物的形态差异也较大。所以焊缝接头易断裂于金属间化合物区。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的钛合金与铝合金或铝基复合材料直接进行焊接的方法，在界面处产生的质硬而脆并厚的金属间化合物、产生裂纹或断续微裂纹、接头结合强度很低、连接设备昂贵和生产周期长的技术问题，而提出钛合金与铝合金或铝基复合材料超声预涂覆钎焊方法。
钛合金与铝合金或铝基复合材料超声预涂覆钎焊方法通过以下步骤实现：一、对钛合金板与铝合金或铝基复合材料板进行表面清理；二、将钛合金板的待焊部位浸入温度为750～800℃、熔融状态的铝合金中，保持恒温进行超声涂覆；三、将涂覆于钛合金板表面的铝合金层进行打磨，打磨后的铝合金层厚度均匀、平滑；四、将磨好的钛合金板待焊部位放入钎料池中，在超声频率为20～100kHz、振幅为1～50μm、温度为200～650℃的条件下振动处理1～25s；五、将铝合金或铝基复合材料板的待焊部分放入钎料池中，在超声波频率为20～100kHz、振幅为1～50μm、温度为200～650℃的条件下超声振动处理1～25s；六、分别对钛合金板和铝合金或铝基复合材料板上涂覆的钎料层进行打磨，打磨后的钎料层厚度均匀、平滑；七、分别在钛合金板及铝合金或铝基复合材料板的钎料层上放置耐高温金属搅拌摩擦头，将耐高温金属搅拌摩擦头升温至200～650℃、在压力为0.1～1MPa/mm2的条件下进行旋转摩擦；八、将钛合金板与铝合金或铝基复合材料板待焊部位搭接在一起，在超声频率为20～100kHz、振幅为1～50μm、温度为200～700℃条件下进行超声振动0.5～6s，即完成焊接；其中步骤二中超声频率为20～100kHz、振幅为1～50μm、振动时间为0.5～3min；步骤三中打磨后的铝合金层的厚度为0.05～3mm；步骤六中钛合金板与铝合金或铝基复合材料打磨后的钎料层的厚度都为0.05～1mm。
利用本发明的钛合金与铝合金或铝基复合材料超声预涂覆钎焊方法，在钎料作用下，通过超声钎焊和界面扩散圆满实现了钛合金与铝合金或铝基复合材料板材的高强度焊接，并且形成的钛合金与铝合金或铝基复合材料板材搭接接头界面不会产生金属间化合物、连接可靠不断裂，能够进一步满足工程上对钛合金与铝合金或铝基复合材料连接接头的各种需要。
本发明涉及的钛合金与铝合金或铝基复合材料超声预涂覆钎焊方法具有工艺方法简单、制造成本低、生产周期短等优点。
附图说明
图1是具体实施方式二十四步骤八焊接操作的示意图；图2是TC4钛合金与SiCp增强铝基复合材料采用现有焊接方法钎焊板界面金相组织图；图3是TC4钛合金与SiCp增强铝基复合材料采用具体实施方式二十四的方法焊接板界面金相组织图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式中钛合金与铝合金或铝基复合材料超声预涂覆钎焊方法通过以下步骤实现：一、对钛合金板与铝合金或铝基复合材料板进行表面清理；二、将钛合金板的待焊部位浸入温度为750～800℃、熔融状态的铝合金中，保持恒温进行超声涂覆；三、将涂覆于钛合金板表面的铝合金层进行打磨，打磨后的铝合金层厚度均匀、平滑；四、将磨好的钛合金板待焊部位放入钎料池中，在超声频率为20～100kHz、振幅为1～50μm、温度为200～650℃的条件下振动处理1～25s；五、将铝合金或铝基复合材料板的待焊部分放入钎料池中，在超声波频率为20～100kHz、振幅为1～50μm、温度为200～650℃的条件下超声振动处理1～25s；六、分别对钛合金板和铝合金或铝基复合材料板上涂覆的钎料层进行打磨，打磨后的钎料层厚度均匀、平滑；七、分别在钛合金板及铝合金或铝基复合材料板的钎料层上放置耐高温金属搅拌摩擦头，将耐高温金属搅拌摩擦头升温至200～650℃、在压力为0.1～1MPa/mm2的条件下进行旋转摩擦；八、将钛合金板与铝合金或铝基复合材料板待焊部位搭接在一起，在超声频率为20～100kHz、振幅为1～50μm、温度为200～700℃条件下进行超声振动0.5～6s，即完成焊接；其中步骤二中超声频率为20～100kHz、振幅为1～50μm、振动时间为0.5～3min；步骤三中打磨后的铝合金层的厚度为0.05～3mm；步骤六中钛合金板与铝合金或铝基复合材料打磨后的钎料层的厚度都为0.05～1mm。
本实施方式步骤一中铝基复合材料的增强相为颗粒增强与晶须增强的复合材料。
本实施方式步骤二中熔融状态的铝合金为质量纯度为50～99.5％的铝。
本实施方式步骤二中的超声振动采用的是中国专利号为200710071744.2中的铝、铝合金及其复合材料超声振动液相焊接设备完成的。
本实施方式步骤四中钎料为Zn-Al合金，Al-Si系列合金、Al-Cu-Ag-Zn合金、Al-Zn合金、Zn-Sn合金、纯Zn、Sn-Cu合金、纯Sn或Sn-Pb合金。
本实施方式步骤七中旋转摩擦是按中国专利号为200710072613.6中的铝合金及其复合材料旋转摩擦表面涂覆钎料方法操作的。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤一中钛合金板中的钛合金为TA、TB或TC系列合金。其它步骤与参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤一中铝合金及其复合材料板中的铝合金为LY、LF或LD系列合金。其它步骤与参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤一中在表面清理的钛合金板的非待焊部位进行电蚀保护处理。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
本实施方式中对钛合金板进行电蚀保护处理，由于非待焊部位表面有电蚀保护层，所以非待焊部位表面将无法涂覆铝合金层和钎料层。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤二中浸入温度为760～790℃。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤二中浸入温度为780℃。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤二中超声频率为40～80kHz、振幅为10～30μm、振动时间为1～2.5min。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤二中超声频率为60kHz、振幅为20μm、振动时间为2min。其它步骤与参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤三中打磨后的铝合金层的厚度为0.5～2mm。其它步骤与参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤三中打磨后的铝合金层的厚度为1～1.5mm。其它步骤与参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤三中打磨后的铝合金层的厚度为1.25mm。其它步骤与参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤四中在超声频率为40～80kHz、振幅为10～30μm、温度为300～550℃的条件下振动5～20s。其它步骤与参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤四中在超声频率为60kHz、振幅为20μm、温度为450℃的条件下振动10s。其它步骤与参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤五中在超声频率为40～80kHz、振幅为10～30μm、温度为300～550℃的条件下超声振动处理5～20s。其它步骤与参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式十五：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤五中在超声频率为60kHz、振幅为20μm、温度为450℃的条件下超声振动处理10s。其它步骤与参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式十六：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤六中钛合金板与铝合金或铝基复合材料打磨后的钎料层的厚度都为0.2～0.8mm。其它步骤与参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式十七：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤六中钛合金板与铝合金或铝基复合材料板打磨后的钎料层的厚度都为0.4～0.6mm。其它步骤与参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式十八：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤六中钛合金板与铝合金或铝基复合材料板打磨后的钎料层的厚度都为0.5mm。其它步骤与参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式十九：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤七中将耐高温金属搅拌摩擦头升温至350～500℃、在压力为0.3～0.7Mpa/mm2的条件下进行旋转摩擦。其它步骤与参数与具体实施方式一相同。
本实施方式中对钛合金板与铝合金或铝基复合材料板的钎料层上进行旋转摩擦的目的是为了去除脆性化合物和氧化膜。
具体实施方式二十：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤七中将耐高温金属搅拌摩擦头升温至450℃、在压力为0.5MPa/mm2的条件下进行旋转摩擦。其它步骤与参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式二十一：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤八中在超声频率为40～80kHz、振幅为10～30μm、温度为350～550℃条件下进行超声振动1～4s。其它步骤与参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式二十二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤八中在超声波频率为60kHz、振幅为20μm、温度为400℃条件下进行超声振动2s。其它步骤与参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式二十三：本实施方式钛合金与铝合金或铝基复合材料超声预涂覆钎焊方法通过以下步骤实现：一、对钛合金为TA、TB或TC系列合金的板材与铝合金为LY、LF或LD系列合金的板材及其铝基复合材料为颗粒增强与晶须增强的板材进行表面清理；二、将钛合金板的待焊部位浸入温度为780℃、熔融状态的质量纯度为50～100％的铝的铝合金中，保持恒温进行超声；三、将涂覆于钛合金板表面的铝合金层进行打磨，打磨后的铝合金层厚度均匀、平滑；四、将磨好的钛合金板的待焊部位放入钎料为Zn-Al合金，Al-Si系列合金、Al-Cu-Ag-Zn合金、Al-Zn合金、Zn-Sn合金、纯Zn、Sn-Cu合金、纯Sn或Sn-Pb合金的池中，在超声频率为60kHz、振幅为20μm、温度为450℃的条件下振动处理10s；五、将铝板或铝合金板的待焊部分放入钎料池中，在超声波频率为60kHz、振幅为20μm、温度为450℃的条件下超声振动处理10s；六、分别对钛合金板和铝合金或铝基复合材料板材上涂覆的钎料层进行打磨，打磨后的钎料层厚度均匀、平滑；七、分别在钛合金板及铝合金或铝基复合材料板的钎料层上放置耐高温金属搅拌摩擦头，将耐高温金属搅拌摩擦头升温至450℃、在压力为0.5MPa/mm2的条件下进行旋转摩擦；八、将钛合金板与铝合金或铝基复合材料板待焊部位搭接在一起，进行超声频率为60kHz、振幅为20μm、温度为400℃条件下超声振动2s，即完成焊接；其中步骤二中超声频率为60kHz、振幅为20μm、振动时间为2min；步骤三中打磨后的铝合金层的厚度为1.25mm；步骤六中钛合金板与铝合金或铝基复合材料打磨后的钎料层的厚度都为0.5mm。
具体实施方式二十四：结合图1说明本实施方式，本实施方式TC4钛合金与SiCp增强铝基复合材料超声预涂覆钎焊方法通过以下步骤实现：一、对TC4钛合金与SiCp增强铝基复合材料板材进行表面清理；二、将TC4钛合金板的待焊部位浸入温度为780℃、熔融状态的质量纯度为98％的铝的铝合金中，保持恒温进行超声；三、将涂覆于TC4钛合金板表面的铝合金层进行打磨，打磨后的铝合金层厚度均匀、平滑；四、将磨好的TC4钛合金板的待焊部位放入钎料为Zn-Al合金的池中，在超声频率为60kHz、振幅为20μm、温度为450℃的条件下振动处理10s；五、将SiCp增强铝基复合材料板的待焊部分放入钎料池中，在超声波频率为60kHz、振幅为20μm、温度为450℃的条件下超声振动处理10s；六、分别对TC4钛合金板和SiCp增强铝基复合材料板材上涂覆的钎料层进行打磨，打磨后的钎料层厚度均匀、平滑；七、分别在钛合金板及铝基复合材料板的钎料层上放置耐高温金属搅拌摩擦头，将耐高温金属搅拌摩擦头升温至450℃、在压力为0.5MPa/mm2的条件下进行旋转摩擦；八、将钛合金板3与铝基复合材料板1待焊部位搭接在一起，在超声头2下进行超声频率为60kHz、振幅为20μm、采用电阻加热装置4使温度为400℃条件下超声振动2s，即完成焊接；其中步骤二中超声频率为60kHz、振幅为20μm、振动时间为2min；步骤三中打磨后的铝合金层的厚度为1.25mm；步骤六中钛合金板与铝基复合材料打磨后的钎料层的厚度都为0.5mm。
采用现有直接钎焊的方法对TC4钛合金与SiCp增强铝基复合材料进行钎焊，TC4钛合金与SiCp增强铝基复合材料板界面金相组织图如图2所示；采用本实施方式方法对TC4钛合金与SiCp增强铝基复合材料焊接，TC4钛合金与SiCp增强铝基复合材料板界面金相组织图如图3所示。对比图2与图3可以说明现有方法直接进行钎焊的焊缝与母材界面金属间化合物层厚度为1～3μm，而采用本实施方式方法的金属间化合物层明显薄于1μm。
Claims (10)
1、钛合金与铝合金或铝基复合材料超声预涂覆钎焊方法，其特征是钛合金与铝合金或铝基复合材料超声预涂覆钎焊方法通过以下步骤实现：一、对钛合金板与铝合金或铝基复合材料板进行表面清理；二、将钛合金板的待焊部位浸入温度为750～800℃、熔融状态的铝合金中，保持恒温进行超声涂覆；三、将涂覆于钛合金板表面的铝合金层进行打磨，打磨后的铝合金层厚度均匀、平滑；四、将磨好的钛合金板待焊部位放入钎料池中，在超声频率为20～100kHz、振幅为1～50μm、温度为200～650℃的条件下振动处理1～25s；五、将铝合金或铝基复合材料板的待焊部分放入钎料池中，在超声波频率为20～100kHz、振幅为1～50μm、温度为200～650℃的条件下超声振动处理1～25s；六、分别对钛合金板和铝合金或铝基复合材料板上涂覆的钎料层进行打磨，打磨后的钎料层厚度均匀、平滑；七、分别在钛合金板及铝合金或铝基复合材料板的钎料层上放置耐高温金属搅拌摩擦头，将耐高温金属搅拌摩擦头升温至200～650℃、在压力为0.1～1MPa/mm2的条件下进行旋转摩擦；八、将钛合金板与铝合金或铝基复合材料板待焊部位搭接在一起，在超声频率为20～100kHz、振幅为1～50μm、温度为200～700℃条件下进行超声振动0.5～6s，即完成焊接；其中步骤二中超声频率为20～100kHz、振幅为1～50μm、振动时间为0.5～3min；步骤三中打磨后的铝合金层的厚度为0.05～3mm；步骤六中钛合金板与铝合金或铝基复合材料打磨后的钎料层的厚度都为0.05～1mm。
2、根据权利要求1所述的钛合金与铝合金或铝基复合材料超声预涂覆钎焊方法，其特征在于步骤一中对表面清理后钛合金板的非待焊部位进行电蚀保护处理。
3、根据权利要求1所述的钛合金与铝合金或铝基复合材料超声预涂覆钎焊方法，其特征在于步骤二将以熔融温度为760～790℃，超声频率为40～80kHz、振幅为10～30μm、时间为1～2.5min的条件下超声振动。
4、根据权利要求1所述的钛合金与铝合金或铝基复合材料超声预涂覆钎焊方法，其特征在于步骤三中打磨后的铝合金层的厚度为1～1.5mm。
5、根据权利要求1所述的钛合金与铝合金或铝基复合材料超声预涂覆钎焊方法，其特征在于步骤四中钎料为Zn-Al合金，Al-Si系列合金、Al-Cu-Ag-Zn合金、Al-Zn合金、Zn-Sn合金、纯Zn、Sn-Cu合金、纯Sn或Sn-Pb合金。
6、根据权利要求1所述的钛合金与铝合金或铝基复合材料超声预涂覆钎焊方法，其特征在于步骤四中在超声频率为40～80kHz、振幅为10～30μm、温度为300～550℃的条件下振动处理5～20s。
7、根据权利要求1所述的钛合金与铝合金或铝基复合材料超声预涂覆钎焊方法，其特征在于步骤五中在超声频率为40～80kHz、振幅为10～30μm、温度为300～550℃的条件下振动处理5～20s。
8、根据权利要求1所述的钛合金与铝合金或铝基复合材料超声预涂覆钎焊方法，其特征在于步骤六中钛合金板与铝合金或铝基复合材料打磨后的钎料层的厚度都为0.2～0.8mm。
9、根据权利要求1所述的钛合金与铝合金或铝基复合材料超声预涂覆钎焊方法，其特征在于步骤七中将耐高温金属搅拌摩擦头升温至350～500℃、在压力为0.3～0.7Mpa/mm2的条件进行旋转摩擦。
10、根据权利要求1所述的钛合金与铝合金或铝基复合材料超声预涂覆钎焊方法，其特征在于步骤八中将以超声频率为40～80kHz、振幅为10～30μm、温度为350～550℃的条件下超声振动1～4s。
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