CN102248315A

CN102248315A - 一种降低铝基复合材料与钛合金焊接接头残余应力的焊接方法

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Publication number: CN102248315A
Application number: CN2011101734263A
Authority: CN
Inventors: 马志鹏; 田泽; 闫久春; 李大成; 孙天娇
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2011-06-24
Filing date: 2011-06-24
Publication date: 2011-11-23
Anticipated expiration: 2031-06-24
Also published as: CN102248315B

Abstract

一种降低铝基复合材料与钛合金焊接接头残余应力的焊接方法，它涉及铝基复合材料与钛合金焊接领域。本发明要解决现有焊接技术在焊接钛合金与高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料时，所形成的纯合金焊缝与钛合金基体之间产生的比较厚的硬脆金属间化合物，造成接头结合强度很低、且残余应力大的问题。本发明的具体操作步骤为：一、钛合金板表面处理；二、生成TiAl₃金属间化合物；三、采用超声迁移和驱散；四、焊接。本发明主要用于钛合金与高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的焊接。

Description

一种降低铝基复合材料与钛合金焊接接头残余应力的焊接方法

技术领域

本发明涉及铝基复合材料与钛合金焊接领域。

背景技术

目前高体积分数碳化硅颗粒增强铝基(SiC_p/Al)复合材料主要性能优势在于能够集轻质、高模、低膨胀、高谐振频率等特点于一身，其热膨胀系数则比铝合金低60％之多，并且具有较高的耐磨性。然而，高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料在制作结构件时，不可避免与其它金属进行连接，由于钛合金的线膨胀系数只有8.8×10^-6K^-1与复合材料的系数相近，所以常常会把这两种材料连接到一起。

对于高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料而言，由于其中的SiC颗粒的体积分数超过了50％，颗粒含量过高。当这种复合材料作为结构件与钛合金连接时，如果形成纯合金焊缝，如Zn-Al合金或者是Al合金焊缝，其密度约为母材的2倍，弹性模量降为母材的三分之一，热膨胀系数约为母材的2.5倍。因为材料线膨胀系数之差合金焊缝在冷却过程中，其收缩量大大高于母材的收缩量，会引起残余应力，势必会导致整个结构件的连接强度下降，不能满足高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的使用要求。因此有必要降低接头中焊缝的线膨胀系数，缓解焊接接头的残余应力。

目前降低焊接接头残余应力的方法有机械方法、加热方法和改善焊缝组织的方法。

但高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料难于变形，在外力作用下容易产生裂纹，所以机械方法不适合钛合金与复合材料焊接接头残余应力的去除；而且高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料焊后热处理温度较低时，残余应力释放过程难于进行，温度过高又容易导致基体软化，使构件变形过大，所以也不适合采用加热方法消除残余应力。

改善焊缝组织的方法是在焊接时向钎料中直接添加增强相颗粒，如SiC颗粒、Al₂O₃颗粒等，是希望增强相在钎料中可以形成复合材料的钎缝，用以降低焊缝金属的变形，但是直接添加增强相与钎料难于润湿，在焊接温度较低时，钎料与直接添加的颗粒之间很难达到冶金结合的程度，未润湿界面成为焊缝的裂纹源，导致焊缝力学性能下降。

因此现有焊接技术在焊接钛合金与高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料时，所形成的纯合金焊缝与钛合金基体之间产生的比较厚的硬脆金属间化合物，造成接头结合强度很低、且残余应力大，所以不能满足精密结构件的使用要求。

发明内容

本发明要解决现有焊接技术在焊接钛合金与高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料时，所形成的纯合金焊缝与钛合金基体之间产生的比较厚的硬脆金属间化合物，造成接头结合强度很低、且残余应力大的问题，而提供一种降低铝基复合材料与钛合金焊接接头残余应力的焊接方法。

降低铝基复合材料与钛合金焊接接头残余应力的焊接方法是按以下步骤完成的：一、钛合金板表面处理：对钛合金板表面进行抛光处理，至表面粗糙度Ra＜3.2，然后放入丙酮中超声清洗10～30min；二、生成TiAl₃金属间化合物：将经过步骤一中处理的钛合金板与厚度为3～100mm的纯铝板重叠放在一起，以钛合金板在下、厚度为3～100mm的纯铝板在上的形式用夹具压紧，放入电阻炉中，将电阻炉从室温加热至680～1200℃，并在680～1200℃下持续加热10～60min，即在钛合金板上生成TiAl₃金属间化合物；三、采用超声迁移和驱散：保持步骤二加热后的状态不变的情况下，在加热的钛合金板上施加频率为20～100kHz、振幅为10～30μm的超声波，可以采用间歇性或者连续性两种方式施加超声波，间歇性施加超声波的施加方式为每间隔1s的时间施加0.5s超声波，总共超声时间为1～5min；连续性施加超声波的施加方式为不间断的施加超声波1～5min；四、焊接：取出步骤三施加超声波后的钛合金板，然后在钛合金板附着TiAl₃金属间化合物的一侧放置合金钎料，并加热至550℃使钎料全部融化，然后以频率为20～100kHz、振幅为10～30μm的超声波连续性施加超声1～10s使TiAl₃金属间化合物与合金钎料充分混和，最后将高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料与钛合金板放置钎料的一侧搭接在一起，并调整钎缝间隙为10～500μm，加热至200～700℃后在钛合金侧放置合金钎料，并将频率为20～100kHz、振幅为30～80μm的超声波施加在钛合金板上，连续性施加超声10～20s后即完成焊接；步骤一所述的钛合金板中Al元素的质量分数为0.001％-7％，V元素的质量分数为0.001％～5％，Mn元素的质量分数为0.001％～3％，Ti元素的质量分数为85％～99.997％；步骤二中所述的夹具间隙精确可调，且下方带有凹槽，可以将钛合金板直接放入，压紧程度通过夹具上的楔形块调整；步骤四中所述的合金钎料为熔点在700℃以下的铝基合金钎料、熔点在700℃以下的锌基合金钎料或者熔点在700℃以下的锡基合金钎料；步骤四中所述的高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料按体积分数是由50％～75％SiC颗粒和25％～50％铝基体制备而成，其中铝基体中Si元素的质量分数为3％～8％，Mg元素的质量分数为0.1％～4％，Ti元素的质量分数为0.01％～3％，Al元素的质量分数为85％～96.89％。

本发明的优点：一、让钛合金与熔融纯铝加热到高温后，会在钛合金表面原位生成颗粒状TiAl₃金属间化合物；二、采用超声迁移和驱散可以使熔融钎料充分溶解钛合金表面的铝层，有利于界面的TiAl₃相以小颗粒的形式迁移到焊缝中，起到降低接头残余应力的效果，达到强化焊接接头力学性能的目的，且形成颗粒增强的复合焊缝，提高焊缝的强度；三、超声波的振动把大量的界面处TiAl₃相迁移到焊缝中的同时，也减薄了界面化合物层的厚度，达到提高界面接合强度的目的；四、在焊接时加入合金钎料可以得到颗粒增强的复合焊缝；五、超声波的振动可以使焊缝的成分均匀化，避免钎料中的成分和TiAl₃颗粒的偏聚，进一步提高焊缝的力学性能；六、形成颗粒增强的复合焊缝后，接头的残余应力可以下降50％，接头强度可以从110MPa提高到190MPa；七、对于同一种接头采用本专利焊接不需要向焊缝中添加增强相颗粒，只需要使用价格低廉的Al基、Zn基和Sn基钎料就可达到颗粒增强焊缝的目的，显著降低焊接成本。

发明内容

本发明的优点：一、让钛合金与熔融纯铝加热到高温后，会在钛合金表面原位生成颗粒状TiAl₃金属间化合物；二、采用超声迁移和驱散可以使熔融钎料充分溶解钛合金表面的铝层，有利于界面的TiAl₃相以小颗粒的形式迁移到焊缝中，起到降低接头残余应力的效果，达到强化焊接接头力学性能的目的，且形成颗粒增强的复合焊缝，提高焊缝的强度；三、超声波的振动把大量的界面处TiAl₃相迁移到焊缝中的同时，也减薄了界面化合物层的厚度，达到提高界面接合强度的目的；四、在焊接时加入合金钎料可以得到颗粒增强的复合焊缝；五、超声波的振动可以使焊缝的成分均匀化，避免钎料中的成分和TiAl₃颗粒的偏聚，进一步提高焊缝的力学性能；六、形成颗粒增强的复合焊缝后，接头的残余应力可以下降30％～80％，接头强度也可以从90～110MPa提高到170～190MPa；七、对于同一种接头采用本专利焊接不需要向焊缝中添加增强相颗粒，只需要使用价格低廉的Al基、Zn基和Sn基钎料就可达到颗粒增强焊缝的目的，显著降低焊接成本。

附图说明

图1是具体实施方式十六对步骤二完成后钛合金板和其表面生成TiAl₃金属间化合物的XRD测试图；图2是具体实施方式十六进行步骤三1min后带有TiAl₃金属间化合物钛合金板的扫描电镜图。图3是具体实施方式十六没有经过骤三中采用超声迁移和驱散的带有TiAl₃金属间化合物钛合金板的扫描电镜图；

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式提供一种降低铝基复合材料与钛合金焊接接头残余应力的焊接方法，具体是按以下步骤完成的：

一、钛合金板表面处理：对钛合金板表面进行抛光处理，至表面粗糙度Ra＜3.2，然后放入丙酮中超声清洗10～30min；二、生成TiAl₃金属间化合物：将经过步骤一处理的钛合金板与厚度为3～100mm的纯铝板重叠放在一起，以钛合金板在下、厚度为3～100mm的纯铝板在上的形式用夹具压紧，放入电阻炉中，将电阻炉从室温加热至680～1200℃，并在680～1200℃下持续加热10～60min，即在钛合金板上生成TiAl₃金属间化合物；三、采用超声迁移和驱散：保持步骤二加热后的状态不变的情况下，在加热的钛合金板上施加频率为20～100kHz、振幅为10～30μm的超声波，可以采用间歇性或者连续性两种方式施加超声波，间歇性施加超声波的施加方式为每间隔1s的时间施加0.5s超声波，共超声时间为1～5min；连续性施加超声波的施加方式为不间断的施加超声波1～5min；四、焊接：取出步骤三施加超声波后的钛合金板，然后在钛合金板附着TiAl₃金属间化合物的一侧放置合金钎料，并加热至550℃使钎料全部融化，然后以频率为20～100kHz、振幅为10～30μm的超声波连续性施加超声1～10s使TiAl₃金属间化合物与合金钎料充分混和，最后将高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料与钛合金板放置钎料的一侧搭接在一起，并调整钎缝间隙为10～500μm，加热至200～700℃后在钛合金侧放置合金钎料，并将频率为20～100kHz、振幅为30～80μm的超声波施加在钛合金板上，连续性施加超声10～20s后即完成焊接。

本实施方式步骤一中所述的钛合金板中Al元素的质量分数为0.001％～7％，V元素的质量分数为0.001％～5％，Mn元素的质量分数为0.001％～3％，Ti元素的质量分数为85％～99.997％。

本实施方式步骤二中所述的夹具间隙精确可调，且下方带有凹槽，可以将钛合金板直接放入，压紧程度通过夹具上的楔形块调整。

本实施方式步骤四中所述的合金钎料为熔点在700℃以下的铝基合金钎料、熔点在700℃以下的锌基合金钎料或者熔点在700℃以下的锡基合金钎料。

本实施方式步骤四中所述的高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料按体积分数由50％～75％SiC颗粒和25％～50％铝基体制备而成，其中铝基体中Si元素的质量分数为3％～8％，Mg元素的质量分数为0.1％～4％，Ti元素的质量分数为0.01％～3％，Al元素的质量分数为85％～96.89％。

本实施方式的步骤二中让钛合金与熔融纯铝加热到高温后，会在钛合金表面原位生成颗粒状TiAl₃金属间化合物。

本实施方式的步骤三中采用超声迁移和驱散可以使熔融钎料充分溶解钛合金表面的铝层，有利于界面的TiAl₃相以小颗粒的形式迁移到焊缝中，起到降低接头残余应力的效果，强化焊接接头力学性能的目的，且形成颗粒增强的复合焊缝，提高焊缝的强度；同时也减薄了界面化合物层的厚度，达到提高界面接合强度的目的。

本实施方式步骤四中在焊接时加入合金钎料可以得到颗粒增强的复合焊缝；超声波的振动可以使焊缝的成分均匀化，避免钎料中的成分和TiAl₃颗粒的偏聚，进一步提高焊缝的力学性能。

应用本实施方式焊接形成颗粒增强的复合焊缝后，接头的残余应力可以下降30％～80％，接头强度也可以从90～110MPa提高到170～190MPa。

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：步骤一中放入丙酮中超声清洗20min。其它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或二之一不同点是：步骤二中采用的纯铝板的厚度为20～80mm。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同点是：步骤二中采用的纯铝板的厚度为40～60mm。其它与具体实施方式一或三相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同点是：步骤二中采用的纯铝板的厚度为50mm。其它与具体实施方式一或四相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同点是：步骤二中将电阻炉从室温加热至800～1000℃，并在800～1000℃下持续加热30～50min。其它与具体实施方式一或五相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同点是：步骤二中将电阻炉从室温加热至900℃，并在900℃下持续加热40min。其它与具体实施方式一或六相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同点是：步骤三中在加热的钛合金板上施加频率为40～80kHz、振幅为15～25μm的超声波。其它与具体实施方式一或七相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同点是：步骤三中在加热的钛合金板上施加频率为60kHz、振幅为20μm的超声波。其它与具体实施方式一或八相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同点是：步骤三中采用间歇性施加超声波的总时间为2～4min；采用连续性施加超声波的总时间为2～4min。其它与具体实施方式一或九相同。

具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一至十之一不同点是：步骤三中采用间歇性施加超声波的总时间为3min；采用连续性施加超声波的总时间为3min。其它与具体实施方式一或十相同。

具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式一至十一之一不同点是：步骤四中以频率为40～80kHz、振幅为10～30μm的超声波连续性施加超声2～7s使TiAl₃金属间化合物与钎料充分混和。其它与具体实施方式一或十一相同。

具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式一至十二之一不同点是：步骤四中以频率为60kHz、振幅为20μm的超声波连续性施加超声5s使TiAl₃金属间化合物与钎料充分混和。其它与具体实施方式一或十二相同。

具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式一至十三之一不同点是：步骤四中调整钎缝间隙为100～300μm，加热至400～600℃后在钛合金侧放置钎料，并将频率为40～80kHz、振幅为50～70μm的超声波施加在钛合金板上，连续性施加超声15s后即完成焊接。其它与具体实施方式一或十三相同。

具体实施方式十五：本实施方式与具体实施方式一至十四之一不同点是：步骤四中调整钎缝间隙为200μm，加热至500℃后在钛合金侧放置钎料，并将频率为60kHz、振幅为60μm的超声波施加在钛合金板上，连续性施加超声15s后即完成焊接。其它与具体实施方式一或十四相同。

具体实施方式十六：本实施方式提供一种降低铝基复合材料与钛合金焊接接头残余应力的焊接方法，具体是按以下步骤完成的：

一、钛合金板表面处理：对钛合金板表面进行抛光处理，至表面粗糙度Ra＜3.2，然后放入丙酮中超声清洗20min；二、生成TiAl₃金属间化合物：将经过步骤一中处理的钛合金板与厚度为50mm的纯铝板面对面对正，以钛合金板在下、厚度为50mm的纯铝板在上的形式用夹具压紧，放入电阻炉中，将电阻炉从室温加热至900℃，并在900℃下持续加热40min，即在钛合金板上生成TiAl₃金属间化合物；三、采用超声迁移和驱散：保持步骤一加热后的状态不变的情况下，在加热的钛合金板上施加频率为60kHz、振幅为20μm的超声波，施加超声波采用两种形式进行，一种为间歇性施加，即每间隔1s的时间施加0.5s超声波，共超声时间为3min；另一种为连续性施加，即不间断的施加超声波3min；四、焊接：取出步骤二施加超声波后的钛合金板，然后在钛合金板附着TiAl₃金属间化合物的一侧放置钎料，并加热至550℃使钎料全部融化，然后以频率为60kHz、振幅为20μm的超声波连续性施加超声5s使TiAl₃金属间化合物与钎料充分混和，最后将高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料与钛合金板放置钎料的一侧搭接在一起，并调整钎缝间隙为200μm，加热至500℃后在钛合金侧放置钎料，并将频率为60kHz、振幅为60μm的超声波施加在钛合金板上，连续性施加超声15s后即完成焊接。

本实施方式步骤一中所述的钛合金板中Al元素的质量分数为6％，V元素的质量分数为4％，Mn元素的质量分数为0.01％，Ti元素的质量分数为89.99％。

本实施方式步骤二中所述的夹具为间隙精确可调，且下方带有凹槽，可以将钛合金板直接放入，压紧程度通过夹具上的楔形块调整。

本实施方式步骤四中所述的合金钎料为熔点在550℃以下的铝基合金钎料、熔点在550℃以下的锌基合金钎料或者熔点在550℃以下的锡基合金钎料。

本实施方式步骤四中所述的高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料按体积分数是由50％～75％SiC颗粒和25％～50％铝基体制备而成，其中铝基体中Si元素的质量分数为7％，Mg元素的质量分数为0.3％，Ti元素的质量分数为0.1％，Al元素的质量分数为92.6％。

对本实施方式步骤二制备的生成TiAl₃金属间化合物进行检测，如图1所示，通过对钛合金板与铝界面进行XRD测试可知，界面只有TiAl₃金属间化合物生成，由于检测的深度比较大，也同时测到了钛合金基体。

通过对比步骤三中采用超声迁移和驱散1min后的带有TiAl₃金属间化合物钛合金板的扫描电镜图2与没有经过骤三中采用超声迁移和驱散的带有TiAl₃金属间化合物钛合金板的扫描电镜图3可知，生成的TiAl₃金属间化合物在施加超声波迁移和驱散后，随着超声时间的逐渐增加，TiAl₃开始向远处迁移，最后全部离开界面，被驱散至远处。

对本实施方式形成颗粒增强的复合焊缝后，经检测整个接头的残余应力可以下降30％～80％，接头强度也可以从90～110MPa提高到170～190MPa，大大提高了结构件使用的可靠性和扩大了应用范围。

Claims

1.一种降低铝基复合材料与钛合金焊接接头残余应力的焊接方法，其特征在于降低铝基复合材料与钛合金焊接接头残余应力的焊接方法是按以下步骤完成的：一、钛合金板表面处理：对钛合金板表面进行抛光处理，至表面粗糙度Ra＜3.2，然后放入丙酮中超声清洗10～30min；二、生成TiAl₃金属间化合物：将经过步骤一处理的钛合金板与厚度为3～100mm的纯铝板重叠放在一起，以钛合金板在下、厚度为3～100mm的纯铝板在上的形式用夹具压紧，放入电阻炉中，将电阻炉从室温加热至680～1200℃，并在680～1200℃下持续加热10～60min，即在钛合金板上生成TiAl₃金属间化合物；三、采用超声迁移和驱散：保持步骤二加热后的状态不变的情况下，在加热的钛合金板上施加频率为20～100kHz、振幅为10～30μm的超声波，可以采用间歇性或者连续性两种方式施加超声波，间歇性施加超声波的施加方式为每间隔1s的时间施加0.5s超声波，共超声时间为1～5min；连续性施加超声波的施加方式为不间断的施加超声波1～5min；四、焊接：取出步骤三施加超声波后的钛合金板，然后在钛合金板附着TiAl₃金属间化合物的一侧放置合金钎料，并加热至550℃使钎料全部融化，然后以频率为20～100kHz、振幅为10～30μm的超声波连续性施加超声1～10s使TiAl₃金属间化合物与合金钎料充分混和，最后将高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料与钛合金板放置钎料的一侧搭接在一起，并调整钎缝间隙为10～500μm，加热至200～700℃后在钛合金侧放置合金钎料，并将频率为20～100kHz、振幅为30～80μm的超声波施加在钛合金板上，连续性施加超声10～20s后即完成焊接；步骤一所述的钛合金板中Al元素的质量分数为0.001％～7％，V元素的质量分数为0.001％～5％，Mn元素的质量分数为0.001％～3％，Ti元素的质量分数为85％～99.997％；步骤二中所述的夹具间隙精确可调，且下方带有凹槽，可以将钛合金板直接放入，压紧程度通过夹具上的楔形块调整；步骤四中所述的合金钎料为熔点在700℃以下的铝基合金钎料、熔点在700℃以下的锌基合金钎料或者熔点在700℃以下的锡基合金钎料；步骤四中所述的高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料按体积分数由50％～75％SiC颗粒和25％～50％铝基体制备而成，其中铝基体中Si元素的质量分数为3％～8％，Mg元素的质量分数为0.1％～4％，Ti元素的质量分数为0.01％～3％，Al元素的质量分数为85％～96.89％。

2.根据权利要求1所述的一种降低铝基复合材料与钛合金焊接接头残余应力的焊接方法，其特征在于步骤一中放入丙酮中超声清洗20min。

3.根据权利要求2所述的一种降低铝基复合材料与钛合金焊接接头残余应力的焊接方法，其特征在于步骤二中采用的纯铝板的厚度为50mm。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种降低铝基复合材料与钛合金焊接接头残余应力的焊接方法，其特征在于步骤二中将电阻炉从室温加热至900℃，并在900℃下持续加热40min。

5.根据权利要求4所述的一种降低铝基复合材料与钛合金焊接接头残余应力的焊接方法，其特征在于步骤三中在加热的钛合金板上施加频率为60kHz、振幅为20μm的超声波。

6.根据权利要求5所述的一种降低铝基复合材料与钛合金焊接接头残余应力的焊接方法，其特征在于步骤三中采用间歇性方式施加超声波的总时间为3min；采用连续性方式施加超声波的总时间为3min。

7.根据权利要求6所述的一种降低铝基复合材料与钛合金焊接接头残余应力的焊接方法，其特征在于步骤四中以频率为60kHz、振幅为20μm的超声波连续性施加超声5s使TiAl₃金属间化合物与钎料充分混和。

8.根据权利要求7所述的一种降低铝基复合材料与钛合金焊接接头残余应力的焊接方法，其特征在于步骤四中调整钎缝间隙为200μm，加热至500℃后在钛合金侧放置钎料，并将频率为60kHz、振幅为60μm的超声波施加在钛合金板上，连续性施加超声15s后即完成焊接。