CN103111726A - 一种钛合金与纯铝板的镀层激光预处理脉冲焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种钛合金与纯铝板的镀层激光预处理脉冲焊接方法，先对钛合金板和铝板进行清洗，然后对钛合金板待焊接部分进行液浸处理，然后采用激光器对钛合金板待焊接的经过渗铝的侧边表面进行预处理，形成稳定更易结合的中间层，同时，激光处理后钛合金的待焊接表面进行自冷淬火，最后采用特定配比的焊丝将钛与纯铝板进行钨极氩弧焊，通过焊接使得在钛合金板和铝板通过中间层从而实现连接。本发明提高了焊缝的塑性和韧性。操作简单，成本低，连接效果好。

Description

一种钛合金与纯铝板的镀层激光预处理脉冲焊接方法

技术领域

本发明属于异种材料的焊接技术领域，特别涉及一种钛合金与纯铝板的镀层激光预处理脉冲焊接方法。 

背景技术

钛合金具有重量轻、强度大、耐热性强、耐腐蚀等许多优特性，被誉为“未来的金属”，是具有发展前途的新型结构材料。钛合金的应用涉及到许多领域，以在航空航天领域中的应用最突出。铝及其合金在飞机制造中是主要的结构材料，大部分关键承载部件(如机翼、外壳、尾翼等)由铝及其合金制造，钛及其合金不仅在航空、宇宙航行工业中有着十分重要的应用，而且已经开始在化工、石油、轻工、冶金、发电等许多工业部门中广泛应用。铝具有比强度高、加工性好、物理、力学性能优越、抗腐蚀等优点，在很多应用领域中被认为是最为经济实用的材料。在大多数环境条件下，包括在空气、水(或盐水)、石油化学和很多化学体系中，铝能显示出优良的抗腐蚀性。铝的表面具有高度的反射性。铝通常显示出优良的电导率和热导率，具有高电阻率的一些特定铝合金也已经研制成功，这些合金可用于如高转矩的电动机中。铝由于它的优良电导率而常被选用。在重量相等的基础上，铝的电导率近于铜的两倍。由于钛合金和铝合金具有某些特殊的性能，Ti与A1复合构件作为一种新型结构材料在航空航天领域及化工电解工业得到应用，Ti/Al复合结构具有稳定性好、隔热隔音和耐高温等性能，可以最大限度的发挥两种材料的特性潜力，钛合金和铝在工业上的应用非常重要，有很多工业交叉的领域，这使得铝和钛的连接具有重要意义。

但是，铝和钛的连接难度很大。钛与铝的物理化学性质(如熔点、晶体结构、导热系数、热膨胀系数等)相差很大，特别是钛在加热和冷却时极易发生脆化，采用常规的熔焊方法实现Ti与A1的可靠连接有一定难度，当达到Ti的熔点时，A1元素烧损蒸发。Ti是活性金属，在300℃开始强烈氧化，温度越高氧化性越严重，生成TiO₂等氧化物，在焊缝中形成脆硬的Ti-A1金属间化合物脆性层，使焊缝脆化或产生，即在焊接过程中，由于在室温条件下Ti和Al之间的溶解度极小，由于铝钛金属之间的热物理化学性能相差很大，用传统的焊接方法焊接时会产生大量的脆性的金属间化合物，从而影响接头性能。目前，Ti/Al 异种合金的传统的焊接方法主要有电弧熔钎焊、扩散焊、钎焊、摩擦焊等。

电弧加热集中，热输入量小，操作方便，节能高效又易于实现自动化，这种焊接方法钎焊后变形很小，对装配间隙不敏感，并且加热时间短，消耗小，成本低，加热区窄，加热更为集中，热输入量小，热影响区窄，钎焊后变形小。但是，在实现铝钛异种金属连接成型的过程中，如果采用一般单纯电弧钎焊方法，焊接过程有如下缺点：钛金属的散热大、现有设备昂贵、生产周期长。

李亚江等学者研究了Ti与Al的真空扩散焊，并对扩散界面附近的组织和微观相结构进行分析。然而，扩散焊是将两焊件紧密叠合，接触面积较大，而且需要在真空或保护气氛中，在一定温度和压力下保持一段时间，使接触面之间的原子相互扩散完成焊接。但是这种方法对焊接工艺和参数要求比较高，容易造成焊接处的化合物组分及组织大小不一致，而且该焊接方法要求真空环境下成型，从经济生产性来看，成本较大，不适合大批量铝钛材料连接成型。

发明内容

本发明为解决上述现有焊接技术的不足，提供一种钛合金与纯铝板的镀层激光预处理脉冲焊接方法。 

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案，本发明的钛合金与纯铝板的镀层激光预处理脉冲焊接方法，包括以下步骤：

1）选择厚度为2.5-3.5mm的等厚度的钛合金板和纯铝板，在两板的侧边开等尺寸的坡口，两板的侧边坡口对接形成的V型结构的角度为15-30度，然后分别对于钛合金板和纯铝板待焊接部分进行表面处理，处理流程为：使用砂纸打磨——金属清洗液除油——水洗——稀氢氟酸腐蚀——水洗——丙酮清洗——烘干，以去除板件表面的氧化层、杂质和油污；

2）先准备如下配比的溶液：93%-94%工业纯铝、4% Fe以及2%-3% Si，然后对钛合金板待焊接部分进行液浸处理，停留时间为22-28分钟，加热温度为690-720℃，形成的渗镀铝层厚度控制在80-130μm；

3）对钛合金板经过渗铝的侧边表面采用激光预处理，采用输出波长为1064nm的掺钕钇铝石榴石激光器，聚焦镜焦距为170-180mm，激光焦点距离钛合金板待焊接的侧边表面的绝对值为2.8-3.5 mm，输出连续波激光，预处理激光功率2~3 kW，扫描速率为1.5~2.5 m/min，预处理的钛合金板在平移的同时还在与平移垂直的方向上作往复移动，移动速率为1.2~2m/min；

4）采用直径为1.0-1.2mm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  4.9-5.8 %，Fe  0.8-0.9 %，Cu  0.3-0.4 %，Mn  0.05-0.1 %，Mg  0.06-0.09 %，Zn  0.12-0.19 %，Ti  0.22-0.28 %，余量为Al；

5）再在焊丝表面涂上活性剂，该活性剂的质量百分比组分为：SiO₂：29-31%；TiO₂：25-27%；Cr₂O₃：4.2-5%；CaF₂：9.2-10%；MnCl₂：22.5-24.3%，其余为BaCl₂；

6）将钛合金板与纯铝板水平对接放置，不留间隙；

7）先对焊件正、背面同时通氩气保护8-10min，保护气体为纯度大于99.98%的氩气；

8）采用高频脉冲引弧，引弧前先打开氩气，保持流通20s～30s，并利用氩气流带走附着在导气管内壁上的水分，在钛与铝接头处引燃电弧；工艺参数为：基值电流40A～60A、脉冲电流38A～80A、脉冲持续时间5s～10s、脉冲频率35Hz～65Hz，焊接电压8V～16V，接头正反两面填充氩气进行保护，氩气流量8L/min～16L/min，焊枪喷嘴离工件的距离8mm～12mm，焊枪钨极与焊件之间的夹角是70°～85°, 填充焊丝与焊件之间的夹角为15°～25°，焊丝沿着熔池前端平稳、均匀的送入熔池；收弧时，收弧处增加焊丝填充量直至弧坑填满，然后控制焊接电流逐渐延时衰减，断弧后氩气继续流通10s～20s，以防止钨极氧化；

9）焊接结束后，继续通氩气保护2-4min。

与钛和铝表层直接叠合在一起进行焊接而在结合界面处存在断续微裂纹、接头结合强度很低不同的是，本发明先采用对钛合金板待焊接部分进行液浸处理，形成的具有优选厚度的渗铝层；然后采用激光器对钛合金板待焊接的经过渗铝的侧边表面进行预处理，使得被照射的表面温度迅速上升，从而使得渗铝层的铝被加速熔化，从而使得铝元素和钛元素相互扩散，形成稳定更易结合的中间层，为后续焊接处理创造了条件，可以不必使用过于苛刻的焊接条件和步骤；同时，激光处理后钛合金的待焊接表面进行自冷淬火，晶粒尺寸得到明显的细化，晶粒的细化意味着晶界增多，焊接热量的传导受到更大的阻碍，在相同的外部散热和焊接热输入条件下，焊接热影响区明显减小，焊接热量损失也明显减小，有助于后续焊接过程的实施，并有利于焊接接头微观组织的均匀化。最后通过焊接使得在钛合金板和铝板通过中间层从而实现连接，本发明提出具有特定配比的焊丝，与常规钨极氩弧焊方法相比，本发明提出的钛合金与纯铝异种金属氩弧焊的电弧稳定性明显提高，同时焊丝表面的活性剂能够起到增加焊接熔深的作用，从而获得焊缝成形美观、无裂纹的焊接接头。整个焊接过程中不存在熔化缺陷、焊接热裂倾向和组织热影响区，连接接头质量及其稳定性较好；克服了现有熔焊界面温度过高时容易造成高熔点母材钛合金的部分熔化从而形成过厚的金属间化合物层的缺陷，避免了裂纹的产生，从提高了焊缝的塑性和韧性。操作简单，成本低，连接效果好。

本发明的有益效果是，降低了真空环境焊接成本，而且提高了生产效率，改善接头性能，操作方便。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。 

实施例1

1）选择厚度均为2.5mm的Ti-6Al-4V钛合金板和1060纯铝板，在两板的侧边开等尺寸的坡口，两板的侧边坡口对接形成的V型结构的角度为20度，然后分别对于钛合金板和纯铝板待焊接部分进行表面处理，处理流程为：使用砂纸打磨——金属清洗液除油——水洗——稀氢氟酸腐蚀——水洗——丙酮清洗——烘干，以去除板件表面的氧化层、杂质和油污；

2）先准备如下配比的溶液：93%工业纯铝、4% Fe以及3% Si，然后对钛合金板待焊接部分进行液浸处理，停留时间为22分钟，加热温度为690℃，形成的渗镀铝层厚度控制在80μm；

3）对钛合金板经过渗铝的侧边表面采用激光预处理，采用输出波长为1064nm的掺钕钇铝石榴石激光器，聚焦镜焦距为170mm，激光焦点距离钛合金板待焊接的侧边表面的绝对值为3.2-3.5 mm，输出连续波激光，预处理激光功率2kW，扫描速率为1.5m/min，预处理的钛合金板在平移的同时还在与平移垂直的方向上作往复移动，移动速率为2m/min；

4）采用直径为1.0-1.2mm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  4.9 %，Fe  0.8 %，Cu  0.3 %, Mn  0.05 %，Mg  0.06 %，Zn  0.12 %，Ti  0.22 %，余量为Al；

5）再在焊丝表面涂上活性剂，该活性剂的质量百分比组分为：SiO₂：29%；TiO₂：25%；Cr₂O₃：4.2%；CaF₂：9.2%；MnCl₂：22.5%，其余为BaCl₂；

6）将钛合金板与纯铝板水平对接放置，不留间隙；

7）先对焊件正、背面同时通氩气保护8min，保护气体为纯度大于99.98%的氩气；

8）采用高频脉冲引弧，引弧前先打开氩气，保持流通20s，并利用氩气流带走附着在导气管内壁上的水分，在钛与铝接头处引燃电弧；工艺参数为：基值电流40A、脉冲电流38A、脉冲持续时间5s、脉冲频率35Hz，焊接电压8V，接头正反两面填充氩气进行保护，氩气流量8L/min，焊枪喷嘴离工件的距离8mm，焊枪钨极与焊件之间的夹角是70°, 填充焊丝与焊件之间的夹角为15°，焊丝沿着熔池前端平稳、均匀的送入熔池；收弧时，收弧处增加焊丝填充量直至弧坑填满，然后控制焊接电流逐渐延时衰减，断弧后氩气继续流通10s，以防止钨极氧化；

9）焊接结束后，继续通氩气保护2min。

所得到的Ti-6Al-4V钛合金与1060纯铝板对接接头焊缝成形美观。经过金相显微镜观察没有发现裂纹、气孔等微观缺陷，接头区结合良好，焊接接头的剪切强度为273MPa。  

实施例2；

1）选择厚度为3mm的等厚度的Ti-6Al-4V钛合金板和1060纯铝板，在两板的侧边开等尺寸的坡口，两板的侧边坡口对接形成的V型结构的角度为15度，然后分别对于钛合金板和纯铝板待焊接部分进行表面处理，处理流程为：使用砂纸打磨——金属清洗液除油——水洗——稀氢氟酸腐蚀——水洗——丙酮清洗——烘干，以去除板件表面的氧化层、杂质和油污；

2）先准备如下配比的溶液：94%工业纯铝、4% Fe以及2% Si，然后对钛合金板待焊接部分进行液浸处理，停留时间为25分钟，加热温度为700℃，形成的渗镀铝层厚度控制在100μm；

3）对钛合金板经过渗铝的侧边表面采用激光预处理，采用输出波长为1064nm的掺钕钇铝石榴石激光器，聚焦镜焦距为175mm，激光焦点距离钛合金板待焊接的侧边表面的绝对值为3-3.3 mm，输出连续波激光，预处理激光功率2.5 kW，扫描速率为2 m/min，预处理的钛合金板在平移的同时还在与平移垂直的方向上作往复移动，移动速率为1.5m/min；

4）采用直径为1.0-1.2mm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  5.2 %，Fe  0.8 %，Cu  0.35 %, Mn  0.08 %，Mg  0.08 %，Zn  0.15 %，Ti  0.25 %，余量为Al；

5）再在焊丝表面涂上活性剂，该活性剂的质量百分比组分为：SiO₂：31%；TiO₂：26%；Cr₂O₃：4.6%；CaF₂：9.7%；MnCl₂：23.6%，其余为BaCl₂；

6）将钛合金板与纯铝板水平对接放置，不留间隙；

7）先对焊件正、背面同时通氩气保护9min，保护气体为纯度大于99.98%的氩气；

8）采用高频脉冲引弧，引弧前先打开氩气，保持流通25s，并利用氩气流带走附着在导气管内壁上的水分，在钛与铝接头处引燃电弧；工艺参数为：基值电流50A、脉冲电流55A、脉冲持续时间8s、脉冲频率50Hz，焊接电压12V，接头正反两面填充氩气进行保护，氩气流量12L/min，焊枪喷嘴离工件的距离10mm，焊枪钨极与焊件之间的夹角是75°, 填充焊丝与焊件之间的夹角为20°，焊丝沿着熔池前端平稳、均匀的送入熔池；收弧时，收弧处增加焊丝填充量直至弧坑填满，然后控制焊接电流逐渐延时衰减，断弧后氩气继续流通15s，以防止钨极氧化；

9）焊接结束后，继续通氩气保护3min。

所得到的Ti-6Al-4V钛合金与1060纯铝板对接接头焊缝成形美观。经过金相显微镜观察没有发现裂纹、气孔等微观缺陷，接头区结合良好，焊接接头的剪切强度为286MPa。  

实施例3；

1）选择厚度为3.5mm的等厚度的的Ti-6Al-4V钛合金板和1060纯铝板，在两板的侧边开等尺寸的坡口，两板的侧边坡口对接形成的V型结构的角度为10度，然后分别对于钛合金板和纯铝板待焊接部分进行表面处理，处理流程为：使用砂纸打磨——金属清洗液除油——水洗——稀氢氟酸腐蚀——水洗——丙酮清洗——烘干，以去除板件表面的氧化层、杂质和油污；

2）先准备如下配比的溶液：94%工业纯铝、4% Fe以及2%Si，然后对钛合金板待焊接部分进行液浸处理，停留时间为28分钟，加热温度为720℃，形成的渗镀铝层厚度控制在130μm；

3）对钛合金板经过渗铝的侧边表面采用激光预处理，采用输出波长为1064nm的掺钕钇铝石榴石激光器，聚焦镜焦距为180mm，激光焦点距离钛合金板待焊接的侧边表面的绝对值为2.8-3.1 mm，输出连续波激光，预处理激光功率2~3 kW，扫描速率为2.5 m/min，预处理的钛合金板在平移的同时还在与平移垂直的方向上作往复移动，移动速率为2 m/min；

4）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  5.8 %，Fe  0.9 %，Cu  0.4 %, Mn  0.1 %，Mg  0.09 %，Zn  0.19 %，Ti  0.28 %，余量为Al；

5）再在焊丝表面涂上活性剂，该活性剂的质量百分比组分为：SiO₂： 31%；TiO₂： 27%；Cr₂O₃： 5%；CaF₂： 10%；MnCl₂： 24.3%，其余为BaCl₂；

6）将钛合金板与纯铝板水平对接放置，不留间隙；

7）先对焊件正、背面同时通氩气保护8-10min，保护气体为纯度大于99.98%的氩气；

8）采用高频脉冲引弧，引弧前先打开氩气，保持流通30s，并利用氩气流带走附着在导气管内壁上的水分，在钛与铝接头处引燃电弧；工艺参数为：基值电流60A、脉冲电流80A、脉冲持续时间10s、脉冲频率65Hz，焊接电压16V，接头正反两面填充氩气进行保护，氩气流量16L/min，焊枪喷嘴离工件的距离12mm，焊枪钨极与焊件之间的夹角是85°, 填充焊丝与焊件之间的夹角为25°，焊丝沿着熔池前端平稳、均匀的送入熔池；收弧时，收弧处增加焊丝填充量直至弧坑填满，然后控制焊接电流逐渐延时衰减，断弧后氩气继续流通20s，以防止钨极氧化；

9）焊接结束后，继续通氩气保护4min。

所得到的Ti-6Al-4V钛合金与1060纯铝板对接接头焊缝成形美观。经过金相显微镜观察没有发现裂纹、气孔等微观缺陷，接头区结合良好，焊接接头的剪切强度为291 MPa。 

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种钛合金与纯铝板的镀层激光预处理脉冲焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）选择厚度为2.5-3.5mm的等厚度的钛合金板和纯铝板，在两板的侧边开等尺寸的坡口，两板的侧边坡口对接形成的V型结构的角度为15-30度，然后分别对于钛合金板和纯铝板待焊接部分进行表面处理，处理流程为：使用砂纸打磨——金属清洗液除油——水洗——稀氢氟酸腐蚀——水洗——丙酮清洗——烘干，以去除板件表面的氧化层、杂质和油污；

2）先准备如下配比的溶液：93%-94%工业纯铝、4% Fe以及2%-3% Si，然后对钛合金板待焊接部分进行液浸处理，停留时间为22-28分钟，加热温度为690-720℃，形成的渗镀铝层厚度控制在80-130μm；

3）对钛合金板经过渗铝的侧边表面采用激光预处理，采用输出波长为1064nm的掺钕钇铝石榴石激光器，聚焦镜焦距为170-180mm，激光焦点距离钛合金板待焊接的侧边表面的绝对值为2.8-3.5 mm，输出连续波激光，预处理激光功率2~3 kW，扫描速率为1.5~2.5 m/min，预处理的钛合金板在平移的同时还在与平移垂直的方向上作往复移动，移动速率为1.2~2m/min；

4）采用直径为1.0-1.2mm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  4.9-5.8 %，Fe  0.8-0.9 %，Cu  0.3-0.4 %，Mn  0.05-0.1 %，Mg  0.06-0.09 %，Zn  0.12-0.19 %，Ti  0.22-0.28 %，余量为Al；

5）再在焊丝表面涂上活性剂，该活性剂的质量百分比组分为：SiO₂：29-31%；TiO₂：25-27%；Cr₂O₃：4.2-5%；CaF₂：9.2-10%；MnCl₂：22.5-24.3%，其余为BaCl₂；

6）将钛合金板与纯铝板水平对接放置，不留间隙；

7）先对焊件正、背面同时通氩气保护8-10min，保护气体为纯度大于99.98%的氩气；

8）采用高频脉冲引弧，引弧前先打开氩气，保持流通20s～30s，并利用氩气流带走附着在导气管内壁上的水分，在钛与铝接头处引燃电弧；工艺参数为：基值电流40A～60A、脉冲电流38A～80A、脉冲持续时间5s～10s、脉冲频率35Hz～65Hz，焊接电压8V～16V，接头正反两面填充氩气进行保护，氩气流量8L/min～16L/min，焊枪喷嘴离工件的距离8mm～12mm，焊枪钨极与焊件之间的夹角是70°～85°, 填充焊丝与焊件之间的夹角为15°～25°，焊丝沿着熔池前端平稳、均匀的送入熔池；收弧时，收弧处增加焊丝填充量直至弧坑填满，然后控制焊接电流逐渐延时衰减，断弧后氩气继续流通10s～20s，以防止钨极氧化；

9）焊接结束后，继续通氩气保护2-4min。