CN103084716A

CN103084716A - 钛-铝微叠层复合材料的脉冲熔化极气体保护焊工艺

Info

Publication number: CN103084716A
Application number: CN2013100650679A
Authority: CN
Inventors: 李亚江; 王娟; 魏守征
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2013-02-28
Filing date: 2013-02-28
Publication date: 2013-05-08
Anticipated expiration: 2033-02-28
Also published as: CN103084716B

Abstract

本发明公开了一种钛-铝微叠层复合材料的脉冲熔化极气体保护焊工艺，步骤如下：（1）焊接前将钛-铝微叠层复合材料的待连接表面以及Al-Si合金系焊丝表面彻底清理干净，或打磨露出金属光泽；（2）将待焊接的钛-铝微叠层复合材料水平对接放置；（3）采用脉冲熔化极混合气体保护焊施焊；（4）焊接结束后被焊工件在气体保护下自然冷却。本发明提出的钛-铝微叠层复合材料脉冲熔化极混合气体保护焊工艺具有操作方便、焊接效率高、成本低、便于推广应用等特点，采用该项技术可获得无裂纹、无脆性化合物的焊接接头，接头性能稳定，焊接接头抗拉强度不低于纯铝母材的抗拉强度，能够满足生产中对钛-铝微叠层复合材料焊接构件的使用要求。

Description

钛-铝微叠层复合材料的脉冲熔化极气体保护焊工艺

技术领域

本发明涉及一种钛-铝微叠层复合材料的脉冲熔化极混合气体保护焊（P-GMAW）工艺，属于叠层复合材料的焊接技术领域。

背景技术

微叠层复合材料是通过在硬性材料层间加入韧性材料层交互重叠制成，利用韧性金属作韧化层。这种将硬性与韧性材料交互重叠真空压制成的微叠层复合材料一出现就受到欧美、俄罗斯等发达国家的重视。但是，这种新型结构材料在焊接性方面与复层板材或常规叠层材料有本质的不同。实现微叠层复合材料焊接的主要困难在于：

1）钛与铝的相互溶解度低，熔点和线胀系数相差大，采用熔焊连接方法时，钛与铝合金的熔化混合将导致在熔合区生成脆性的金属间化合物。

2）微叠层基体韧、脆材料交互重叠，界面结构复杂，采用常规的焊接方法极易导致产生裂纹或未熔合，对焊接参数控制的要求非常严格。

3）焊接接头区具有较大的热脆性，产生的脆性金属间化合物引起焊接区应力集中，产生的热应力或受到冲击易导致产生裂纹。

从轻量化、节能环保等方面考虑，扩大轻金属钛、铝及其合金的应用已迫在眉睫。作为极具发展潜力的轻金属材料，实现钛-铝微叠层复合材料焊接的难度很大，使其应用受到限制。我国是世界上钛、铝资源丰富的国家之一，但对钛、铝及其合金复合结构的焊接应用还处于起步阶段。

目前，针对钛-铝微叠层复合材料可以采用的焊接方法有激光焊、电子束焊、扩散焊和钎焊等。采用钎焊方法连接钛-铝微叠层复合材料时，需要严格控制合金钎料的成分和钎焊温度；扩散连接钛-铝微叠层复合材料时，需要连接前在母材表面进行预先处理，工序复杂。钎焊和扩散焊获得的微叠层复合材料接头适用于对接头强度要求不高的场合。采用激光焊和电子束焊连接钛-铝微叠层复合材料时，对焊件的装配精度要求严格，并且设备成本较高。

实现微叠层复合材料的连接，将为这种新型材料的应用提供技术支持，可加速航空航天、舰船等领域现代制造技术的发展，有助于推进实现结构轻量化的战略目标。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明根据钛-铝微叠层复合材料组织与性能特点，提供了一种钛-铝微叠层复合材料的脉冲熔化极混合气体保护焊（P-GMAW）工艺，该项技术采用Al-Si合金系焊丝对微叠层复合材料进行焊接，不仅避免了钎焊和扩散焊涉及的焊前预处理，又降低了对真空环境的要求或激光焊、电子束焊的成本，具有操作灵活简便、成本低、便于推广应用等特点，适用于钛-铝微叠层复合材料的焊接。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种钛-铝微叠层复合材料的脉冲熔化极混合气体保护焊工艺，步骤如下：

（1）焊接前将加工平整的钛-铝微叠层复合材料的待连接表面以及填充用Al-Si合金系焊丝表面彻底清理干净，或打磨露出金属光泽；

（2）将待焊接的尺寸规格相当的钛-铝微叠层复合材料水平对接放置，装配间隙为0mm～0.2mm，用不锈钢制夹具固定以防止工件变形；

（3）采用脉冲熔化极混合气体保护焊（P-GMAW）施焊，通过脉冲电流控制熔池温度分布；所述脉冲熔化极混合气体保护焊的焊接参数为：基值电流40A～80A，脉冲电流35A～60A，脉冲持续时间4s～10s，脉冲频率35Hz～65Hz，焊接电压10V～16V，混合气体流量10L/min～18L/min，焊枪喷嘴端部离工件的距离8mm～12mm，焊枪钨极与焊件之间的夹角是75°～85°；

（4）焊接结束后被焊工件在气体保护下自然冷却，焊枪冷却方式优选水冷。

所述步骤（1）中，对钛-铝微叠层复合材料的待连接表面以及填充用Al-Si合金系焊丝表面进行清理的步骤是：用丙酮除去焊丝表面油污；针对微叠层材料以质量百分数为15%NaOH的水溶液在不低于20℃的室温条件下清洗10min～15min，之后用水冲洗，然后在体积百分比数30%的硝酸水溶液中清洗，再用水冲洗后，在40℃～60℃条件下烘干；清理后的板材、焊丝在10h内使用。

所述步骤（1）中，对钛-铝微叠层复合材料的待连接表面以及填充用Al-Si合金系焊丝表面进行打磨的步骤是：采用金相砂纸打磨，使待连接表面的粗糙度达到Ra1.6～3.2；接头处和焊丝用砂纸打磨干净、直至完全露出金属光泽。

所述步骤（1）中，Al-Si合金系焊丝的成分为（质量分数）：Si 4.5～6.0%，Mg 0.06～0.10%，Cu 0.03～0.05%，Fe 0.02～0.04%，Cr 0.1～0.2%，Mn 0.10～0.15%，Ti 0.1～0.2%，余量为Al；焊丝的直径为1.0～2.0mm。

所述步骤（2）中，待焊接的钛-铝微叠层复合材料为厚度1.5mm～3.0mm的板材，钛与铝微叠层交互重叠。

所述步骤（3）中，脉冲熔化极混合气体保护焊采用高频脉冲引弧，引弧前先打开保护气体，保持流通20s～30s，在接头处引燃电弧；所述保护气体是是体积百分数为80%Ar+20%CO₂的混合气体；焊接过程中，焊丝与对接焊件表面保持75°～85°夹角，焊丝沿着熔池前端平稳、均匀的送入熔池，不得将焊丝端部移出气体保护区；焊缝收尾熄弧后，应继续通气保护0.5min～2min，直到焊缝及热影响区冷却到200℃以下时方可移开焊枪喷嘴。

本发明的针对钛-铝微叠层复合材料的脉冲熔化极混合气体保护焊（P-GMAW）方法，采用可控脉冲电流控制焊接熔池温度，使低熔点的铝合金完全熔化，而高熔点的钛合金局部熔化甚至保持固态，以避免两种金属液相Ti、Al混合而生成大量脆性的Ti-Al金属间化合物。采用该项技术能够获得无裂纹、无脆性相、焊缝成形良好的焊接接头，能够满足钛-铝微叠层复合材料在生产中的使用要求。

本发明提出的钛-铝微叠层复合材料脉冲熔化极混合气体保护焊工艺具有操作方便、焊接效率高、成本低、便于推广应用等特点，采用该项技术可获得无裂纹、无脆性化合物的焊接接头，接头性能稳定，焊接接头抗拉强度不低于纯铝母材的抗拉强度，能够满足生产中对钛-铝微叠层复合材料焊接构件的使用要求。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

钛-铝微叠层复合材料的脉冲熔化极混合气体保护焊（P-GMAW），被焊母材的厚度为1.5mm，被焊板材尺寸为180mm×120mm，两板对接焊。

具体的脉冲熔化极混合气体保护焊的工艺步骤如下：

（1）采用直径为1.0mm的铝硅合金焊丝作为填充金属，焊前用砂纸将焊丝表面打磨至露出金属光泽。所用的铝硅合金焊丝的化学成分（质量分数）为：Si 5.0%，Mg 0.06%，Cu0.03%，Fe 0.02%，Cr 0.15%，Mn 0.12%，Ti 0.15%，余为Al。

（2）将钛-铝微叠层复合材料板材的对接接头处用砂纸打磨干净，使待焊接头处露出金属光泽；将被焊板材水平放置，用钢制夹具固定，不留间隙，对接点固焊。

（3）对点固后的钛-铝微叠层复合材料进行连续焊接，80%Ar+20%CO₂混合气体流量为14L/min。脉冲熔化极混合气体保护焊的焊接参数为：基值电流50A，脉冲电流45A，脉冲持续时间6s，脉冲频率45Hz，焊接电压13V，焊枪喷嘴端面离工件的距离10mm。焊丝与焊件表面之间保持80°夹角。焊丝沿着熔池前端平稳、均匀的送入熔池，不得将焊丝端部移出气体保护区。

（4）焊缝收尾处熄弧后，继续通保护气体1.5min，直到焊缝及热影响区冷却到200℃以下时方可移开焊枪喷嘴。

获得的微叠层复合材料焊接接头成形良好。经过金相显微镜观察没有发现裂纹、气孔等微观缺陷，满足被连接件的使用要求。

实施例2

钛-铝微叠层复合材料箱形体角接头的脉冲熔化极混合气体保护焊（P-GMAW），被焊母材的厚度为2.0mm，被焊板材尺寸为140mm×140mm，4快板角接成箱体形。

具体的箱形体角接头脉冲熔化极混合气体保护焊的工艺步骤如下：

（1）采用直径为1.2mm的铝硅合金焊丝作为填充金属，焊前用砂纸将焊丝表面打磨至露出金属光泽。所用的铝硅合金焊丝的化学成分（质量分数）为：Si 5.5%，Mg 0.08%，Cu0.04%，Fe 0.03%，Cr 0.16%，Mn 0.15%，Ti 0.18%，余为Al。

（2）将钛-铝微叠层复合材料板材角焊缝的对接接头处用砂纸打磨干净，使待焊接头处露出金属光泽；将被焊板材成箱形体90°角接头放置，用不锈钢制夹具固定，对4处角接头处点固焊。

（3）对点固焊后的钛-铝微叠层复合材料角焊缝进行连续焊接，被焊工件呈倒船形放置，角接头在上方，被焊板材与水平面成45°角。80%Ar+20%CO₂混合气体流量为16L/min。脉冲熔化极混合气体保护焊的焊接参数为：基值电流65A，脉冲电流55A，脉冲持续时间8s，脉冲频率55Hz，焊接电压14V，焊枪喷嘴端部离工件的距离11mm。焊丝沿着熔池前端平稳、均匀的送入熔池，不得将焊丝端部移出氩气保护区。

（4）焊缝收尾处熄弧后，继续通保护气体2min，直到焊缝及热影响区冷却到200℃以下时方可移开焊枪喷嘴。

获得的微叠层复合材料角接头焊缝成形良好。经过金相显微镜观察没有发现裂纹、气孔等微观缺陷，满足箱形体被连接件的使用要求。

上述虽然结合实施例对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims

1.一种钛-铝微叠层复合材料的脉冲熔化极气体保护焊工艺，其特征在于：步骤如下：

（1）焊接前将钛-铝微叠层复合材料的待连接表面以及填充用Al-Si合金系焊丝表面彻底清理干净，或打磨露出金属光泽；

（2）将待焊接的钛-铝微叠层复合材料水平对接放置，装配间隙为0mm～0.2mm，用不锈钢制夹具固定以防止工件变形；

（3）采用脉冲熔化极混合气体保护焊施焊，通过脉冲电流控制熔池温度分布；所述脉冲熔化极混合气体保护焊的焊接参数为：基值电流40A～80A，脉冲电流35A～60A，脉冲持续时间4s～10s，脉冲频率35Hz～65Hz，焊接电压10V～16V，混合气体流量10L/min～18L/min，焊枪喷嘴端部离工件的距离8mm～12mm，焊枪钨极与焊件之间的夹角是75°～85°；

（4）焊接结束后被焊工件在气体保护下自然冷却。

2.根据权利要求1所述的钛-铝微叠层复合材料的脉冲熔化极气体保护焊工艺，其特征在于：所述步骤（1）中，对钛-铝微叠层复合材料的待连接表面以及填充用Al-Si合金系焊丝表面进行清理的步骤是：用丙酮除去焊丝表面油污；针对微叠层材料以质量百分数为15%NaOH的水溶液在不低于20℃的室温条件下清洗10min～15min，之后用水冲洗，然后在体积百分数为30%的硝酸水溶液中清洗，再用水冲洗后，在40℃～60℃条件下烘干。

3.根据权利要求1所述的钛-铝微叠层复合材料的脉冲熔化极气体保护焊工艺，其特征在于：所述步骤（1）中，对钛-铝微叠层复合材料的待连接表面以及填充用Al-Si合金系焊丝表面进行打磨的步骤是：采用金相砂纸打磨，使待连接表面的粗糙度达到Ra 1.6～3.2；接头处和焊丝用砂纸打磨干净、直至完全露出金属光泽。

4.根据权利要求1所述的钛-铝微叠层复合材料的脉冲熔化极气体保护焊工艺，其特征在于：所述步骤（1）中，Al-Si合金系焊丝的成分为：按质量分数计，Si 4.5～6.0%，Mg 0.06～0.10%，Cu 0.03～0.05%，Fe 0.02～0.04%，Cr 0.1～0.2%，Mn 0.10～0.15%，Ti 0.1～0.2%，余量为Al；焊丝的直径为1.0～2.0mm。

5.根据权利要求1所述的钛-铝微叠层复合材料的脉冲熔化极气体保护焊工艺，其特征在于：所述步骤（2）中，待焊接的钛-铝微叠层复合材料为厚度1.5mm～3.0mm的板材，钛与铝微叠层交互重叠。

6.根据权利要求1所述的钛-铝微叠层复合材料的脉冲熔化极气体保护焊工艺，其特征在于：所述步骤（3）中，脉冲熔化极混合气体保护焊采用高频脉冲引弧，引弧前先打开保护气体，保持流通20s～30s，在接头处引燃电弧；所述保护气体是是体积百分数为80%Ar+20%CO₂的混合气体。