CN103143803B - 一种预镀层钛合金与铝合金电弧熔钎焊方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种预镀层钛合金与铝合金电弧熔钎焊方法，如下：首先对钛板表面清理，然后进行表面镀铝，然后使用电弧熔钎焊的方法，添加铝合金焊丝，通过控制焊接速度和热输入量，在铝合金侧形成熔焊接头，钛合金侧形成钎焊接头，实现对钛合金与铝合金的连接。浸镀和焊接两个过程控制金属间化合物生长，提高接头的机械性能，连接可靠未发生断裂，能够进一步满足工程上对钛合金与铝合金复合结构的各种需要。本方法具有工艺方法简单、制造成本低、生产周期短等优点。

Description

一种预镀层钛合金与铝合金电弧熔钎焊方法

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，具体涉及一种预镀层钛合金与铝合金电弧熔钎焊方法。

背景技术

钛合金具有密度小、比强度高，耐蚀性、耐热性好等一系列优点，经过多年的发展，已在在航空航天、海洋工程、汽车和化工等领域得到了越来越广泛的应用。中国钛产业发展迅猛，限制钛合金应用最大的问题在于高成本。铝及其铝合金的强度虽然不及钛合金，但是其低廉的价格和较小的密度更多的满足了市场的需要，尤其是一些高强铝合金的出现，使得铝合金在一些构件中成为代替钛合金最理想的材料。作为另一种轻质高强结构材料，铝合金在飞机汽车等钛合金应用领域得到了广泛的应用。近些年发展起来的新型高强铝合金具有较高的断裂韧度和抗疲劳特性，可满足航空航天等领域对轻质、高强度和长期耐用方面的要求，而相对于钛合金，铝合金在重量和成本上均具有明显的优势。

钛合金和铝合金组合成的钛、铝复合构件具备多方面的优势：1)比强度高；2)优异的低温韧性和抗腐蚀性能；3)具有铝合金重量轻成本低等优势，可最大限度地利用Ti、Al各自的功能特点并降低结构重量和成本，以满足航空航天、汽车舰船等领域轻质化、结构功能一体化和低成本设计要求。现今，在民用的大飞机上使用Al合金制造飞机座椅的底座部分，用钛合金制造导轨，以防止机舱内液体的腐蚀；化工领域常用氨气气提法制备尿毒，由于尿素具有腐蚀性，设备主体采用抗腐蚀性好的钛材，为降低成本，设备封头大多采用工业纯铝；飞机的机翼即是由钛合金的蒙皮和铝合金的蜂窝状夹层连接而成的复合结构。

连接钛合金和铝合金可以用机械连接或者铆接的方法，成本低廉，连接质量也较高，但就连接强度和灵活性来说，焊接还是最有优势的连接方法。异种材料焊接性的好坏主要取决于两种材料间物理、化学性能的差异，以及能否通过合理的工艺减小这些差异。然而，通过传统的熔焊方法连接异种材料是很困难的，熔焊过程中，两种母材都会熔化，温度高，原子扩散剧烈，在界面处发生反应并生成大量金属间化合物。

Ti、Al熔点相差1000℃左右，熔化焊过程中当钛熔化时液态铝严重过热，合金元素严重蒸发和烧损；铝的密度低，熔池中浮在钛液上方，冷却结晶后形成不均匀组织；钛合金的线膨胀系数较铝合金低2.5倍以上，导热率也相差近15倍，线胀系数和导热率的差异以及焊接高温会使接头内产生严重的内应力，容易导致接头的低应力破坏。

同时钛、铝在晶格类型、晶格常数、原子半径、电负性等方面差异巨大，存在冶金学上的不相容性。Ti原子在Al中溶解度非常小，共晶温度664.2℃时，Ti在Al中最大固溶度为0.6wt.％，室温下Ti在Al中的固溶度为零。当Ti原子和Al原子相互作用时，层状的Ti/Al金属间化合物例如Ti₃Al，TiAl，TiAl₃等极易在Ti和Al接触的表面形成，尤其是在熔化焊过程中过剩的热循环和熔融过程导致了大量的金属间化合物反应物在界面处生成，这些过厚的反应层是接头性能降低的主要原因。

在使用固相连接方法时，两种母材都不发生熔化，可以很好的控制反应层的厚度。常用来连接Ti/Al异种合金的固相焊接方法主要有摩擦焊、扩散焊、真空钎焊等，但是摩擦焊方法焊接Ti/Al异种合金，对焊件的形状尺寸提出了一定的要求；扩散焊时，反应形成了更多也更为复杂的Ti-Al系金属间化合物，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；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。这些都限制了Ti/Al异种合金接头的使用。

相比于固相连接或者钎焊，熔钎焊是比较新兴的方法，也是非常有发展前途的连接异种合金接头的方式，尤其在连接两种熔点差异较大的金属时，热源作用下，通过填丝的方式，在低熔点金属一侧形成熔焊接头，在高熔点金属一侧形成钎焊接头。加热的方式包括激光，电子束，电弧等。激光和电子束焊接，热量集中，能够有效的控制金属间化合物的厚度，提高接头的性能。而激光熔钎焊钛、铝时，不均匀的温度场导致了反应层沿着接头厚度变化，进而使得接头性能的不均匀，同时在焊接铝合金时，还极易在铝合金焊缝中形成气孔；电子束焊接的最大问题在于焊件的形状尺寸受到的真空室的限制。更为重要的，在使用激光、电子束等先进的连接方法，不可避免的带来了高的成本。

而且相比于激光和电子束等高能加热方式，电弧熔钎焊由于应用范围广、操作简单、成本低、环境适应性强，已成为异种金属焊接的研究热点，尤其在复杂结构和设备修复等方面具有明显的优势。采用TIG电弧熔钎焊技术可以焊接Ti/Al异种合金，形成完整的接头，但仅就单纯的通过改变热输入和填充材料等方式仍然不能很好的控制界面金属间化合物的生长，这些过厚的反应层影响了接头的性能，同时因为液态Al在Ti板表面润湿性差的问题，造成了在添加铝合金焊丝过程中焊度缓慢。因此有必要通过其他辅助性工艺对Ti/Al电弧熔钎焊焊接过程进一步的改善和优化，在控制金属间化合物厚度和形貌的同时，提高焊接效率和焊接接头的性能。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的、钛合金与铝合金直接进行焊接的方法中，在界面处产生的较厚硬脆金属间化合物、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等的技术问题，同时，提高现有的电弧熔钎焊Ti、Al异种合金焊接速度及接头性能，而提出预镀层钛合金与铝合金电弧熔钎焊方法。

一种预镀层钛合金与铝合金电弧熔钎焊方法，步骤如下：

(1)、对钛合金板与铝合金板进行表面清理，并在焊接位置加工出45°坡口；

(2)、将铝合金钎剂溶于丙酮形成悬浊液，均匀涂刷在钛板浸镀位置的正反面，形成钎剂层；

(3)、将涂有钎剂的钛合金板浸入到温度为750-800℃、熔融状态的纯铝或者铝合金中，保持恒温1-3min，然后以匀速2cm/s速度拔出钛板，实现热浸镀；

(4)、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；

(5)、将浸镀过后的钛合金板与铝合金板待焊部位对接形式固定在焊接操作台上，坡口对接间距2mm，电弧高度固定在5mm，成形槽宽4mm深3mm，钨极置于钛合金钝边，焊接电流70-110A，焊接速度1-2mm/s，采用铝合金焊丝填充，成形槽内通氩气保护，即完成焊接。

本发明还具有如下特征：

1、以上所述的铝合金钎剂nocolok钎剂、铝合金钎剂QJ201或者氟和氯化物混合钎剂。

2、以上所述的铝合金焊丝为AlSi12或者纯铝。

3、以上所述的形成钎剂层的厚度0.2-0.5mm。

4、以上所述的步骤(3)中浸镀使用铝合金AlSi12、AlSi5、Al-Cu系，Al-Mg系或Al-Mg-Si系铝合金。

5、以上所述的钛合金板为TA、TB或TC系钛合金板；铝合金板为Al-Cu系、Al-Mg系或Al-Mg-Si系铝合金板。

6、以上所述的步骤(4)中打磨后铝合金层厚度为20-30μm。

7、以上所述的步骤(2)中钎焊层的厚度为0.2-0.5mm。

本发明通过在钛合金表面浸镀铝合金，再通过电弧熔钎焊的方法将其与铝合金板焊接，通过控制焊接速度和热输入量，在钛合金侧形成钎焊接头，在铝合金侧形成熔焊接头。浸镀和焊接两个过程控制金属间化合物生长，提高接头的机械性能，连接可靠未发生断裂，能够进一步满足工程上对钛合金与铝合金复合结构的各种需要。本发明涉及的钛合金与铝合金电弧熔钎焊方法，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是具体实施方式中步骤三钛板热浸镀铝合金过程示意图；

图2是具体实施方式中步骤五焊接操作的示意图；

图3是TC4钛合金浸镀纯铝后的Ti/Al界面；

图4是浸镀钛板与铝板焊接后的Ti/Al界面反应层形貌。

具体实施方式

下面根据说明书附图举例进一步说明：

实施例1：

(1)、对钛合金板与铝合金板进行表面清理，并在焊接位置加工出45°坡口；

(2)、将铝合金钎剂溶于丙酮形成悬浊液，均匀涂刷在钛板浸镀位置的正反面，形成一薄层钎剂层，厚度0.2-0.5mm；

(3)、将涂有钎剂的钛合金板浸入到温度为750-800℃、熔融状态的纯铝中，保持恒温1-3min，然后以匀速2cm/s速度拔出钛板，实现热浸镀；

(4)、将浸镀在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，厚度20-30μm；

(5)、将浸镀过后的钛合金板与铝合金板待焊部位，对接形式固定在焊接操作台上，坡口对接间距2mm，电弧高度固定在5mm，成形槽宽4mm深3mm，钨极置于钛合金钝边，焊接电流70-110A，焊接速度1-2mm/s，采用铝合金填充，成形槽内通氩气保护，即完成焊接。

本实施方式步骤一中钛合金为TC4(Ti-6Al-4V)，铝合金板为LF6。

本实施方式步骤二中的铝合金钎剂nocolok钎剂。

本实施方式步骤三中熔融状态的铝合金为质量纯度99.5％的铝。

本实施方式步骤五中添加的铝合金焊丝为AlSi12铝合金。

实施例2：

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系列合金。其它步骤与参数与具体实施方式一相同。

实施例3：

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、LD系列合金或者纯铝。其它步骤与参数与具体实施方式一相同。

实施例4：

本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤二使用的nocolok钎剂用氯化物铝合金钎剂代替。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

实施例5：

本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤三中浸镀使用的铝合金AlSi12，或者AlSi5，或者其他Al-Cu系，Al-Mg系、Al-Mg-Si系铝合金。其它步骤与参数与具体实施方式一相同。

实施例6：

本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤三中浸镀温度为800-850℃。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

实施例7：

本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤五中添加铝合金焊丝为LY、LD系列合金或者纯铝。

实施例8：

结合图1说明本实施方式，将预浸镀的TC4钛合金与LF6铝铝合金板通过以下步骤实现：

(1)、将2mm厚的TC4钛合金与LF6铝合金材料板材进行表面清理，并在焊接边缘加工成45°坡口；

(2)、将商用铝合金钎剂QJ201溶于丙酮，形成悬浊液，均匀涂刷在钛板坡口附近15mm范围内，钎剂层厚度0.5mm。

(3)、将纯度99.5％的纯铝焊丝融化在长条形的石墨坩埚中，在电阻加热炉中750℃保温1h，待TC4钛合金板表面的钎剂晾干后，迅速的插入到温度为750℃、熔融状态的液态铝中，并保温1min，然后以匀速2cm/s速度拔出钛板；

(4)、将浸镀于TC4钛合金板表面的纯铝层进行打磨，打磨后的铝合金层厚度均匀、平滑，厚度25μm；

(5)、将浸镀过后的钛合金板与LF6铝合金板待焊部位对接形式固定在焊接操作台上，坡口对接间距2mm，电弧高度固定在5mm，成形槽宽4mm深3mm，钨极置于钛合金侧2mm，焊接电流110A，焊接速度2mm/s，采用AlSi12焊丝填充，成形槽内通氩气保护，即完成焊接。

采用上述实施方法，步骤三中TC4钛合金浸镀后Ti/Al界面显微结构如图3所示；步骤五完成焊接后，接头Ti/Al界面如图4所示。如图3所示，浸镀后反应层厚度约为1μm，进过焊接后，反应层长大，厚度约为3μm，利用预镀层TIG电弧熔钎焊焊接钛合金和铝合金可以取得很好的效果。

Claims (7)

1.一种预镀层钛合金与铝合金电弧熔钎焊方法，其特征在于，步骤如下：

(1)、对钛合金板与铝合金板进行表面清理，并在焊接位置加工出45°坡口；

(2)、将铝合金钎剂溶于丙酮形成悬浊液，均匀涂刷在钛合金板浸镀位置的正反面，形成钎剂层；

(3)、将涂有钎剂的钛合金板浸入到温度为750-800℃、熔融状态的纯铝或者铝合金中，保持恒温1-3min，然后以匀速2cm/s速度拔出钛合金板，实现热浸镀；

(4)、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；

(5)、将浸镀过后的钛合金板与铝合金板待焊部位对接形式固定在焊接操作台上，坡口对接间距2mm，电弧高度固定在5mm，成形槽宽4mm深3mm，钨极置于钛合金钝边，焊接电流70-110A，焊接速度1-2mm/s，采用铝合金焊丝填充，成形槽内通氩气保护，即完成焊接。

2.根据权利要求1所述的一种预镀层钛合金与铝合金电弧熔钎焊方法，其特征在于：所述的铝合金钎剂nocolok钎剂、铝合金钎剂QJ201或者氟和氯化物混合钎剂。

3.根据权利要求1所述的一种预镀层钛合金与铝合金电弧熔钎焊方法，其特征在于：所述的铝合金焊丝为AlSi12或者纯铝。

4.根据权利要求1所述的一种预镀层钛合金与铝合金电弧熔钎焊方法，其特征在于：所述的形成钎剂层的厚度0.2-0.5mm。

5.根据权利要求1所述的一种预镀层钛合金与铝合金电弧熔钎焊方法，其特征在于：所述的步骤(3)中浸镀使用铝合金AlSi12、AlSi5、Al-Cu系，Al-Mg系或Al-Mg-Si系铝合金。

6.根据权利要求1所述的一种预镀层钛合金与铝合金电弧熔钎焊方法，其特征在于：所述的钛合金板为TA、TB或TC系钛合金板；铝合金板为Al-Cu系、Al-Mg系或Al-Mg-Si系铝合金板。

7.根据权利要求1所述的一种预镀层钛合金与铝合金电弧熔钎焊方法，其特征在于：所述的步骤(4)中打磨后铝合金层厚度为20-30μm。