CN102528243A

CN102528243A - 钛-铝异种合金tig电弧预热的电弧熔钎焊焊接方法

Info

Publication number: CN102528243A
Application number: CN2011104559800A
Authority: CN
Inventors: 吕世雄; 敬小军; 黄永宪; 于冲冲; 徐永强; 郑传奇
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2011-12-15
Filing date: 2011-12-15
Publication date: 2012-07-04

Abstract

本发明提供一种钛-铝异种合金TIG电弧预热的电弧熔钎焊焊接方法。在普通电弧焊的基础上引入了TIG预热焊枪，通过TIG预热电弧加热铜垫板对钛-铝接头部位进行局部预热，钛合金和铝合金板材两侧均加工带钝边的V形坡口，在接头对接处加垫铜垫板，采用TIG电弧加热铜垫板背部，通过铜垫板导热对钛-铝接头附近区域实施预热，焊接过程中保证TIG预热电弧与主电弧等速运动。本发明选用电弧作为加热源，电弧的阴极雾化作用可降低对工件表面清理的要求，电弧本身所具备的电磁搅拌作用可阻碍钛-铝钎焊界面金属间化合物的生长，并改善其形貌、分布，有利于形成高强度的钛-铝焊接接头，设备成本低，实用性强，便于推广应用。

Description

钛-铝异种合金TIG电弧预热的电弧熔钎焊焊接方法

(一)技术领域

本发明涉及焊接技术，具体说就是一种钛-铝异种合金TIG电弧预热的电弧熔钎焊焊接方法。

(二)背景技术

钛合金和铝合金作为轻质高强材料广泛应用于航空、航天、汽车等领域。钛合金具有比强度高、低温韧性好、耐腐蚀等优异性能，但其成本高，极大地限制了钛合金的应用。随着新型高强铝合金的发展，铝合金在某些承载结构方面可替代钛合金，而其在减轻重量、控制生产成本方面优势明显。钛-铝异种合金复合构件既具备钛合金在比强度、断裂韧性、防腐等方面的优势，又减轻了结构重量，降低了结构成本，起到了“物尽其用”的效果，对现代工业所要求的轻量化、结构功能一体化和低成本设计与制造具有重要意义。相对于胶接、铆接等连接方法，焊接在连接强度、耐高温等方面具备明显的优势。然而，Ti和Al在原子序数、晶体结构、电负性等方面存在巨大的差异，即存在冶金学上的不相容性，焊接过程中易形成金属间化合物脆性相。另外，钛合金和铝合金在熔点、导热系数、比热和线膨胀系数等方面差异显著，焊接过程中易产生较大的焊接应力，从而导致接头的低应力破坏。就目前掌握的文献数据来看，可实现钛和铝焊接的方法较多，包括钎焊、扩散焊、摩擦焊、激光焊。真空条件采用铝硅钎料钎焊钛合金和铝合金时，界面形成了层状的金属间化合物，钎料中的Si元素可以抑制Ti-Al系金属间化合物的生长，其接头强度低于50MPa，仅能用作密封焊缝。作为固相连接方法，扩散焊和摩擦焊在控制金属间化合物生长方面具有较大的优势，但扩散焊通常需添加中间层，且中间层的厚度和种类对连接质量影响较大，摩擦焊对于结构件的尺寸形状也有严格的限制。激光焊接可以较好地实现钛合金和铝合金的连接，但其对接头适应性较差，接头质量稳定性一般，高成本也是限制推广应用的主要原因。

焊接电弧作为传统的加热源广泛应用于工业生产中。传统熔焊焊接钛-铝异种合金接头时，由于合金元素挥发、大量金属间化合物生成等原因难以实现钛和铝的焊接。熔钎焊作为新兴的热门技术，在异种材料的连接方面具有独特的优势。其原理是利用两种材料之间的熔点差异，将接头加热到材料熔点之间的温度，填充材料和低熔点母材之间形成熔焊连接，高熔点母材不熔化而与填充材料之间形成钎焊连接，从而可控制焊接接头输入的线能量大小。熔钎焊的加热源通常包括激光束、电子束和等离子弧。电弧熔钎焊中阴极雾化效应可去除高熔点的铝合金氧化膜，电磁搅拌作用可改变金属间化合物在接头界面的分布，电弧熔钎焊方法对于钛-铝异种合金的焊接具有明显的优势。

钛-铝异种合金电弧熔钎焊时钛合金侧顶部温度明显高于底部，而温度对液态填充材料在钛合金侧的润湿铺展具有决定性的影响，温度过高会导致界面Ti和Al的冶金反应加剧，生成大量的金属间化合物从而降低接头力学性能。同时，钛合金化学性质活泼，容易被空气污染，铝合金熔焊过程中易产生下塌等成形缺陷。基于以上分析，改善温度在钛合金厚度方向分布的不均匀性对促进液态填充材料的润湿铺展、改善接头反面成形和控制钎焊界面金属间化合物的生长及改善接头组织性能的不均匀性具有重要的意义。焊接过程中加强钛合金的保护，防止空气污染焊缝，保证铝合金侧熔焊连接质量，也是形成良好的钛-铝熔钎焊接头的关键。基于此，开发新型的钛-铝电弧熔钎焊方法，提高熔钎焊接头的焊接质量和稳定性，对钛-铝复合构件在工业生产中的推广应用具有重要意义。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种钛-铝异种合金TIG电弧预热的电弧熔钎焊焊接方法。

本发明的目的是这样实现的：步骤如下：

步骤一：试验设备与工件准备：交直流两用TIG焊机2台、氩气2瓶、自动行走机构1套、底部挖空的刚性夹具1套、带充氩成形槽的铜垫板1块、工件：侧边开等尺寸Y型坡口的等厚度的钛合金板和铝合金板；

步骤二：用刚性夹具和铜垫板夹紧侧边开等尺寸Y型坡口的等厚度的钛合金板和铝合金板；

步骤三：将主焊枪和TIG预热焊枪分别垂直安置于工件正反面的坡口位置，并与自动行走机构连接，TIG预热焊枪位于主焊枪前方沿焊接方向20-80mm；

步骤四：在充氩成形槽内通入氩气，氩气流量为5-10L/min；

步骤五：启动TIG预热电源，率先对坡口反面铜垫板进行加热，经过0.5-2min后启动主TIG电源，电弧稳定后立即启动自动行走机构，带动主焊枪和TIG预热焊枪等速前进，焊枪行走速度为1-5mm/s，同时在坡口内部靠近钛合金板一侧的位置填充铝基焊丝；

步骤六：焊接完毕后首先关掉主TIG电源，0.5-1min后即关掉TIG预热焊机；

步骤七：待工件完全冷却后关闭充氩成形槽内的氩气。

本发明改善了钛-铝电弧熔钎焊过程中温度在厚度方向的不均匀性，解决了钛合金板侧底部润湿铺展与顶部线能量过大的矛盾，有利于形成一致的钎焊界面组织结构和性能稳定的钛-铝熔钎焊接头。另外，背部TIG电弧的预热作用减少了铝合金板侧未熔合、气孔等熔焊缺陷，降低了熔钎焊接头成形对接头间隙和坡口条件的敏感性。铜垫板带有充满氩气的成形槽，成形槽的宽度和深度需与工件板厚、接头间隙相配合，熔钎焊过程中在成形槽内氩气保护和背部TIG电弧的预热作用下液态填充材料在钛合金板侧底部润湿铺展，形成良好的钛合金板侧反面成形和冶金结合。铝合金侧成形槽的主要作用在于约束液态填充材料成形，并防止铝合金侧母材熔化下塌，以保证良好的熔焊结合。在主焊枪上设置保护气罩，防止焊缝冷却过程中被空气污染。本发明的优点在于：(1)选用电弧作为加热源，电弧的阴极雾化作用可降低对工件表面清理的要求，电弧本身所具备的电磁搅拌作用可阻碍钛-铝钎焊界面金属间化合物的生长，并改善其形貌、分布，有利于形成高强度的钛-铝焊接接头，设备成本低，实用性强，便于推广应用。(2)采用TIG预热电弧与铜垫板相结合预热钛-铝接头，改善了钛-铝电弧熔钎焊过程中钛合金侧厚度方向的温度不均匀性，解决了钛侧底部润湿铺展与顶部线能量过大引发的金属间化合物生长控制困难的矛盾，有利于形成一致的接头界面组织结构和性能稳定的钛-铝熔钎焊接头。(3)通过成形槽控制成形技术与正反面氩气保护工艺，促使液态填充材料在钛合金侧底部自由润湿铺展，铝合金侧强制约束成形以防止焊缝下塌，可获得成形良好的钛-铝熔钎焊接头。

(四)附图说明

图1钛-铝异种合金TIG电弧预热的电弧熔钎焊焊接方法操作正面示意图；

图2钛-铝异种合金TIG电弧预热的电弧熔钎焊焊接方法操作侧面示意图。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明作进一步说明。

实施例1：结合图1、图2，本发明一种钛-铝异种合金TIG电弧预热的电弧熔钎焊焊接方法，其特征在于：步骤如下：

步骤四：在充氩成形槽内通入氩气，氩气流量为5-10L/min；

步骤七：待工件完全冷却后关闭充氩成形槽内的氩气。

实施例2：结合图1、图2，本发明钛-铝异种合金TIG电弧预热的电弧熔钎焊焊接方法，主要通过背部TIG电弧加热铜垫板，依靠铜垫板传热预热钛-铝接头的对接部位，并通过成形槽约束成形和正反面氩气保护，实现钛-铝异种合金电弧熔钎焊的优质连接，解决了钛合金侧线能量控制与底部润湿铺展难以兼顾的矛盾，保证了钛合金和液态填充材料之间形成理想的钎焊界面结构。同时，通过成形槽约束铝合金侧形成良好的熔焊结合，对钛-铝异种合金优质熔钎焊接头的制备和应用具有重要的意义。采用电弧作为加热源进行钛-铝异种合金的熔钎焊，区别于传统的钛-铝电弧熔钎焊，其技术特征在于：在普通电弧焊的基础上引入了TIG预热焊枪，通过TIG预热电弧加热铜垫板对钛-铝接头部位进行局部预热，解决了传统的钛-铝电弧熔钎焊引发的钛侧厚度方向温度不均匀性。钛合金和铝合金板材两侧均加工带钝边的V形坡口，在接头对接处加垫铜垫板，采用TIG电弧加热铜垫板背部，通过铜垫板导热对钛-铝接头附近区域实施预热，焊接过程中需保证TIG预热电弧与主电弧等速运动。TIG预热电弧的线能量需控制在合适的范围内，过大会引起铜垫板变形或熔化，不宜重复使用，过小则达不到理想的预热效果。TIG预热电弧的线能量选择需保证预热温度控制在200-500℃，采用独立的TIG电源供电，TIG预热焊枪置于铜垫板背部，其钨极垂直于铜垫板并指向钛合金坡口钝边位置，如图1所示。TIG预热焊枪与主焊枪前后平行布置于焊缝方向，前后距离在20-80mm范围内。主焊枪位于接头对接间隙中偏钛侧的位置，以平衡钛合金和铝合金两侧的能量分配，如图2所示。本发明采用TIG电弧背部预热进行钛-铝异种合金熔钎焊，区别于传统的预热弧焊技术，采用充满氩气的成形槽控制接头的反面成形，相对于预热弧焊的背部自然成形技术，该方法在铝侧通过成形槽强制约束成形，防止铝合金熔焊时下塌。相比于成形槽的强制约束成形，该方法通过背部TIG电弧预热和成形槽内氩气的保护，促进液态填充材料在钛合金侧坡口底部自由润湿铺展，形成良好的反面成形。成形槽的宽度和深度需与工件板厚、接头间隙相配合，其装配需保证接头间隙正好位于成形槽正中位置，如图1所示。熔钎焊过程中液态填充材料在成形槽内氩气保护和背部TIG电弧的预热作用下在钛合金坡口底部润湿铺展，形成良好的钛侧反面成形和冶金结合。铝合金侧成形槽的主要作用在于强制约束液态填充材料成形，防止铝合金侧母材熔化下塌，以保证良好的熔焊结合。同时在主焊枪上设置保护气罩，防止焊缝冷却过程中被空气污染。实际熔钎焊参数：工件为2mm厚的TC4钛合金和LF6铝合金板材，开带0.5mm钝边的V形坡口，坡口角度为90°，对接间隙为1.5mm，成形槽为宽3mm深3mm的弧形凹槽，采用ER4047焊丝为填充材料。主电弧为TIG电弧，焊接电流为110A，背部TIG预热电弧电流为50A，主焊枪和预热TIG焊枪行走速度均为2mm/s，获得了正反面成形良好的熔钎焊接头，组织分析发现钛侧钎焊界面在厚度方向组织结构差异不明显，接头抗拉强度达130MPa。

实施例3：结合图1、图2，本发明一种钛-铝异种合金TIG电弧预热的电弧熔钎焊焊接方法，步骤如下：

(1)试验设备与工件准备：交直流两用TIG焊机2台、氩气2瓶、自动行走机构1套，底部挖空的刚性夹具1套、带充氩成形槽的铜垫板1块，工件：侧边开等尺寸Y型坡口的等厚度的钛合金板和铝合金板；

(2)采用刚性夹具和铜垫板夹紧工件，将主焊枪和TIG预热焊枪分别垂直安置于工件正反面的坡口位置，并与同一套自动行走机构连接，TIG预热焊枪位于主焊枪前方沿焊接方向20-80mm。

(3)在充氩成形槽内通入氩气，氩气流量为5-10L/min；

(4)启动TIG预热电源，率先对坡口反面铜垫板进行加热，经过0.5-2min后启动主TIG电源，电弧稳定后立即启动行走机构，带动主焊枪和TIG预热焊枪等速前进，焊枪行走速度为1-5mm/s，同时在坡口内部靠近钛侧的位置填充铝基焊丝；

(5)焊接完毕后首先关掉主TIG电源，0.5-1min后即关掉TIG预热焊机；

(6)待工件完全冷却后关闭充氩成形槽内的氩气。

一个利用该方法的钛-铝异种合金TIG电弧熔钎焊过程如下：

工件为100mm×60mm×2mm的TC4钛合金和等尺寸的LF6铝合金板材，侧边加工成带0.4mm钝边的V形坡口，坡口角度为90°。铜垫板表面加工宽3mm深3mm的弧形凹槽，铜垫板尺寸为120mm×60mm×10mm，内部镂空4mm，整个铜垫板为铜板焊接结构，成形槽内均匀加工直径1mm的圆孔。氩气从铜垫板侧边的通气孔通入，从成形槽内部圆孔均匀导出，对接头背部进行保护。通过刚性夹具夹紧工件，接头对接间隙为2mm，主焊枪钨极端部距工件表面2-3mm，且钨极正对钛侧坡口钝边位置。TIG热丝焊枪距工件表面4-5mm，主焊枪与热丝TIG焊枪沿焊接方向上相距40mm。

焊接时首先启动背面TIG热丝电弧，热丝电流为60A。加热1min左右后引燃主焊接电弧，待电弧稳定后启动焊枪行走机构，行走速度为2mm/s，主焊枪焊接电流为110A。熔钎焊过程中沿钛合金板侧坡口面手动填充ER4047焊丝。焊接完成后首先关闭主焊接电弧，1min后关闭背面TIG热丝电弧，待工件完全冷却后关闭背面成形槽内的氩气。最终获得了正反面成形良好的熔钎焊接头，组织分析发现钛合金板侧钎焊界面在厚度方向组织结构差异不明显，接头抗拉强度达130MPa。

Claims

1.一种钛-铝异种合金TIG电弧预热的电弧熔钎焊焊接方法，其特征在于：步骤如下：

步骤一：试验设备与工件准备：交直流两用TIG焊机2台、氩气2瓶、自动行走机构1套、底部挖空的刚性夹具1套、带充氩成形槽的铜垫板1块，工件：侧边开等尺寸Y型坡口的等厚度的钛合金板和铝合金板；

步骤四：在充氩成形槽内通入氩气，氩气流量为5-10L/min；

步骤七：待工件完全冷却后关闭充氩成形槽内的氩气。