CN103143804B - 一种钛、铝异种金属超声辅助火焰钎焊方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种钛、铝异种金属超声辅助火焰钎焊方法，如下：在钎焊之前首先对钛板进行热浸镀铝，在钛板表面形成一定厚度的镀铝层，用可燃性气体火焰加热使NOCOLOK钎剂和铝硅钎料先后熔化，将超声振动施于接头搭接部分至铝硅钎料凝固，得到钛、铝搭接接头。本发明的要点在于使后续的钛、铝钎焊过程转变为铝板与镀铝层的钎焊，本方法提高了铝硅钎料在镀铝钛板表面的润湿铺展能力，解决了钎焊过程中铝硅钎料难以润湿钛母材的难题，同时利用超声振动的声流效应和空化作用破碎接头钎焊界面反应层金属间化合物的层状连续分布并使其颗粒化、弥散化，有利于得到高质量的钛、铝异种金属钎焊接头。
Description
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，具体地说是一种钛、铝异种金属超声辅助火焰钎焊方法。
背景技术
钛合金和铝合金作为轻质高强材料已被广泛应用于航空、航天及汽车等领域。钛合金具有高比强度和优良的低温韧性，耐腐蚀性好，然而其高成本严重限制了钛合金的大量应用。铝合金塑韧性良好，比重轻，且相对于钛合金，铝合金在成本方面均具有明显的优势，然而铝合金强度和耐热性不佳，也限制了其进一步应用。钛铝异种金属复合构件既可以兼顾两种金属各自的特性，收到物尽其用的效果，又在很大程度上降低了成本，同时有助于实现现代工业的轻量化、结构功能一体化要求。因此，钛铝复合构件在上述领域具有非常广阔的应用前景，近年来钛铝异种金属的连接问题也引起了业内学者们的高度重视和广泛关注。
如何实现钛铝异种金属的可靠连接是扩大其应用领域、充分发挥其独特优势的关键，也是一直困扰着业内学者的的主要问题和困难所在。由于钛、铝异种金属在晶格类型、晶格常数、原子序数、电负性等方面差异巨大，存在冶金上的不形容性，室温下钛原子在铝晶格内的固溶度很小，焊接过程中易生成多种脆性的金属间化合物，并且二者热导率、线膨胀系数等物理化学性能差异也很大，容易导致钛铝连接接头存在较大残余应力，使接头易产生低应力破坏，降低了接头的使用性能。
就目前所掌握的文献内容而言，钛、铝异种金属的连接方法主要有钎焊、扩散焊、激光焊、摩擦焊及熔钎焊等，其中熔钎焊按照采用的热源不同可分为激光熔钎焊、电子束熔钎焊和电弧熔钎焊等，而普通的熔焊方法由于连接过程中母材的大量熔化致使焊缝内生成大量脆性金属间化合物而使接头性能严重恶化，已不适用于钛、铝异种金属的连接。在上述方法中，钎焊钛、铝异种金属时存在铝硅钎料难以润湿铺展的问题，扩散焊虽可较好地实现其连接，但依靠原子相互扩散使得连接周期较长，且真空钎焊及扩散焊设备对工件结构和尺寸有较大限制，激光焊对工件装配间隙及表面状态要求较高。搅拌摩擦焊属固态连接范畴，连接过程中钛铝母材均为固态，可大大减少金属间化合物的生成数量，被认为是连接钛、铝的优选方法，但其仍受到工件形状及尺寸的较大限制。
火焰钎焊是利用可燃性气体火焰加热熔点低于被连接母材的钎料至熔化，使其在固态母材表面润湿铺展并与母材发生一系列物化反应最终实现其连接的方法。火焰钎焊钛、铝异种金属，由于钎焊温度较低，低于铝母材的熔点，钎焊过程中钛、铝母材均保持固态，仅钎料发生熔化，可以在一定程度上降低金属间化合物的生成数量，并且可通过调整火焰加热位置使接头均匀加热，使接头温度分布均匀有助于组织和性能的一致性，且火焰钎焊简单方便，实用性强，适于工程现场应用。目前钎焊钛、铝异种金属的难点在于，铝基钎料在钛母材表面难以润湿铺展，钎焊后难以得到完整无缺陷的接头。因此，如何解决铝基钎料对钛母材的润湿铺展问题是成功钎接钛铝异种金属的关键。
发明内容
本发明的目的在于提供一种钛、铝异种金属的超声辅助火焰钎焊方法，解决普通钎焊过程中铝基钎料难以润湿钛母材的问题，实现钛、铝异种金属的可靠钎接。
为实现上述目的，本发明提供了一种钛、铝异种金属超声辅助火焰钎焊方法，具体包括以下步骤：
(1)钛板表面热浸镀铝
将表面处理干净的纯铝焊丝截成段，放入石墨坩埚，将石墨坩埚加热至700℃～750℃使纯铝焊丝熔化，保温半小时以上以保证铝液温度均匀化；将被连接钛板端部去除氧化膜及油污；将NOCOLOK钎剂溶于丙酮形成悬浊液，刷涂于钛板的端部10～20mm宽度的正反表面；待丙酮挥发后将涂有钎剂一侧的钛板垂直浸入铝液中，保持0.5～3min后以2cm/s～3cm/s的速度匀速抽出，完成热浸镀，形成镀铝层；
(2)镀铝钛板与铝板的超声辅助火焰钎焊
将铝板搭接部分去除表面氧化膜和油污，将NOCOLOK钎剂涂于搭接部分，将完成热浸镀铝后的钛板与铝板装配成搭接接头，搭接宽度小于镀铝层宽度，将铝硅钎料放置于搭接部分一侧，用可燃性气体火焰加热使NOCOLOK钎剂和铝硅钎料先后熔化，将超声振动施于接头搭接部分至铝硅钎料凝固，得到钛、铝搭接接头，焊后得到钎焊质量良好的钛/铝搭接接头。
本发明还具有如下特征：
1、以上所述的NOCOLOK钎剂或为活性较强的氯化物和氟化物混合钎剂。
2、以上所述的可燃性气体火焰为乙炔和氧气火焰。
3、以上所述的步骤(1)中将表面处理干净的纯铝焊丝为采用丙酮擦拭去除纯铝焊丝表面油污。
4、以上所述的步骤(2)中将铝板搭接部分去除表面氧化膜和油污为采用砂纸和丙酮清理去除油污。
本发明的效果在于：
(1)在钛板表面热浸镀铝作为前处理工艺，使钛板表面形成一定厚度的纯铝层，由于铝硅钎料与镀铝层无冶金不相容等问题，大大提高了铝硅钎料在镀铝钛板表面的润湿铺展能力，使后续的钛-铝异种金属的钎焊过程变为铝板与铝镀层的钎焊过程，降低了钎焊难度。
(2)采用氟化物、氯化物混合钎剂作为助镀剂，提高了铝液对钛基体的润湿能力，且由于热浸镀过程温度及浸镀时间可控，易于获得与基体冶金结合良好的镀层，且镀层厚度可变。
(3)由于浸镀温度远低于钛熔点，热浸镀时间较短，且铝液中温度分布较均匀，限制了热浸镀过程中钛与镀铝层界面上钛铝系金属间化合物的大量生长，并使之薄化。
(4)钎焊过程中铝板和钛板均为固相，未发生熔化，减少了铝原子和钛原子向界面反应层的大量溶解，同时钎焊温度较低使镀铝时形成的金属间化合物层不至过分长大。铝硅钎料中的硅元素能够取代Ti-Al系金属间化合物铝原子的位置从而抑制脆性金属间化合物的大量生长。
(5)对钛板与铝板搭接部分施以超声振动，利用声波的声流效应和空化作用能够破碎接头金属间化合物的连续层状分布，使其颗粒化、弥散化，有助于提高接头性能，同时超声振动的施加对接头有挤压作用，有利于提高钎焊接头的致密性，减少缺陷的产生。
本发明所提供的钛-铝异种金属超声辅助火焰钎焊方法，简单易行，受工件尺寸及形状复杂性等限制小，适于工程实际应用，有很大的实际应用价值。
附图说明
图1电阻炉中热浸镀铝过程示意图；
图2镀铝钛板与铝板超声辅助火焰钎焊示意图；
图3镀铝钛板与铝板火焰钎焊接头拉伸断裂后形貌图；
图中，1、钛板，2、石墨坩埚，3、铝液，4、电热丝，5、铝硅钎料，6、镀铝层，7、铝板，8、火焰炬，9、超声振动发生装置。
具体实施方式
下面结合说明书附图举例对本发明作进一步说明：
实施例1
本发明提供了一种钛、铝异种金属超声辅助火焰钎焊方法，它包括以下步骤：
(1)热浸镀铝
将用丙酮擦拭去除油污的纯铝焊丝截成小段放入石墨坩埚2，将石墨坩埚2放入带有电热丝4的炉中加热至700℃使纯铝焊丝熔化，保温半小时以上，以保证铝液3温度均匀化。将被连接钛板1端部用砂纸清理并用丙酮清洗去除氧化膜及油污。将NOCOLOK钎剂溶于丙酮形成悬浊液，刷涂于钛板1端部10mm的宽度的正反表面。待丙酮挥发后将涂有钎剂一侧的钛板1垂直浸入铝液3中，保持0.5min后以2cm/s的速度匀速抽出，完成热浸镀，形成镀铝层6。
(2)镀铝钛板与铝板的超声辅助火焰钎焊
将铝板7搭接部分用砂纸及丙酮清理以去除表面氧化膜和油污，将NOCOLOK钎剂涂于搭接部分，将完成热浸镀铝后的钛板1与铝板7装配成搭接接头，搭接宽度略小于镀铝层宽度，将适量铝硅钎料5放置于搭接部分一侧，用可燃性气体火焰：乙炔和氧气，火焰炬8加热使NOCOLOK钎剂和铝硅钎料5先后熔化，将超声振动发生装置9产生的超声振动施于接头搭接部分至铝硅钎料5凝固，焊后得到钎焊质量良好的钛/铝搭接接头。
实施例2
一种钛、铝异种金属超声辅助火焰钎焊方法，它包括以下步骤：
(1)热浸镀铝
将用丙酮擦拭去除油污的纯铝焊丝截成小段放入石墨坩埚2，将石墨坩埚2放入带有电热丝4的炉中加热至750℃使纯铝焊丝熔化，保温半小时以上，以保证铝液3温度均匀化。将被连接钛板1端部用砂纸清理并用丙酮清洗去除氧化膜及油污。将NOCOLOK钎剂溶于丙酮形成悬浊液，刷涂于钛板1端部20mm的宽度的正反表面。待丙酮挥发后将涂有钎剂一侧的钛板1垂直浸入铝液3中，保持3min后以3cm/s的速度匀速抽出，完成热浸镀，形成镀铝层6。
(2)镀铝钛板与铝板的超声辅助火焰钎焊
将铝板7搭接部分用砂纸及丙酮清理以去除表面氧化膜和油污，将NOCOLOK钎剂涂于搭接部分，将完成热浸镀铝后的钛板1与铝板7装配成搭接接头，搭接宽度略小于镀铝层宽度，将适量铝硅钎料5放置于搭接部分一侧，用可燃性气体火焰：乙炔和氧气，火焰炬8加热使NOCOLOK钎剂和铝硅钎料5先后熔化，将超声振动发生装置9产生的超声振动施于接头搭接部分至铝硅钎料5凝固，焊后得到钎焊质量良好的钛/铝搭接接头。
本发明选择对钛板进行热浸镀铝作为前处理工艺，由于镀铝层与铝硅钎料无冶金不相容等问题，大大提高了铝硅钎料对镀铝钛板表面的润湿能力，解决了钎焊过程中铝硅钎料难以润湿钛母材的问题。同时在钎料熔化后对接头施以超声振动至钎料凝固，利用超声振动的声流效应和空化作用破碎钎缝结晶过程中金属间化合物的层状连续分布并使其颗粒化、弥散化，又能提高钎焊接头的致密性，易于实现钛-铝异种金属的可靠钎接，得到高质量接头。
实施例3
母材为50mm×40mm×2mm的TC4钛合金板与纯铝铝板，将清理后的纯铝焊丝截成小段放入石墨坩埚，将坩埚放入电炉中加热至750℃，保温一小时使铝液温度均匀化。将氯化物、氟化物混合钎剂或NOCOLOK钎剂溶于丙酮制成悬浊液后涂于钛板材边缘15mm范围内的正反两面，待风干后将钛板涂有钎剂的一侧垂直浸入铝液中，浸镀1min后将钛板以2cm/s的速度匀速抽出，自然冷却。将铝板搭接部分用砂纸及丙酮清理去除氧化物及油污，将氟化物钎剂涂于镀铝钛板和铝板搭接部分并装配成搭接接头，搭接长度10mm。将适量铝硅钎料放置于搭接接头一侧，用可燃性气体火焰(乙炔+氧气，碳化焰和中性焰结合)加热使钎剂和钎料先后熔化，待钎料熔化后对搭接部分施以20KHz/s超声振动至钎料凝固，焊后可得钎焊质量良好的钛、铝搭接接头。拉伸试验结果表明试件断裂于铝基体，未从钎焊界面开裂，说明钎焊界面结合良好，钎焊接头具有高于铝母材的强度，见图3。
实施例4
母材为50mm×40mm×2mm的TC4钛合金板与纯铝铝板，将清理后的纯铝焊丝截成小段放入石墨坩埚，将坩埚放入电炉中加热至700℃，保温一小时使铝液温度均匀化。将NOCOLOK钎剂溶于丙酮制成悬浊液后涂于钛板材边缘10mm范围内的正反两面，待风干后将钛板涂有钎剂的一侧垂直浸入铝液中，浸镀2min后将钛板以2.5cm/s的速度匀速抽出，自然冷却。将铝板搭接部分用砂纸及丙酮清理去除氧化物及油污，将NOCOLOK钎剂涂于镀铝钛板和铝板搭接部分并装配成搭接接头，搭接长度8mm。将适量铝硅钎料(取决于搭接面积)放置于搭接接头一侧，用可燃性气体火焰(乙炔+氧气，碳化焰和中性焰结合)加热使钎剂和钎料先后熔化，待钎料熔化后对搭接部分施以20KHz/s超声振动至钎料凝固，焊后可得钎焊质量良好的钛、铝搭接接头。
实施例5
母材为50mm×40mm×2mm的TC4钛合金板与纯铝铝板，将清理后的纯铝焊丝截成小段放入石墨坩埚，将坩埚放入电炉中加热至700℃，保温一小时使铝液温度均匀化。将NOCOLOK钎剂溶于丙酮制成悬浊液后涂于钛板材边缘20mm范围内的正反两面，待风干后将钛板涂有钎剂的一侧垂直浸入铝液中，浸镀3min后将钛板以2cm/s的速度匀速抽出，自然冷却。将铝板搭接部分用砂纸及丙酮清理去除氧化物及油污，将NOCOLOK钎剂涂于镀铝钛板和铝板搭接部分并装配成搭接接头，搭接长度18mm。将适量铝硅钎料(取决于搭接面积)放置于搭接接头一侧，用可燃性气体火焰(乙炔+氧气，碳化焰和中性焰结合)加热使钎剂和钎料先后熔化，待钎料熔化后对搭接部分施以20KHz/s超声振动至钎料凝固，焊后可得钎焊质量良好的钛、铝搭接接头。
本发明的要点是在钎焊之前首先对钛板进行热浸镀铝，使后续的钛、铝钎焊过程转变为铝板与镀铝层的钎焊，本方法提高了铝硅钎料在镀铝钛板表面的润湿铺展能力，解决了钎焊过程中铝硅钎料难以润湿钛母材的难题，同时利用超声振动的声流效应和空化作用破碎接头钎焊界面反应层金属间化合物的层状连续分布并使其颗粒化、弥散化，有利于得到高质量的钛-铝异种金属钎焊接头，本发明适于实际工程应用，对扩大钛-铝异种金属复合构件在航空航天领域的进一步应用具有重要意义。
Claims (1)
1.一种钛、铝异种金属超声辅助火焰钎焊方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
(1)热浸镀铝
将用丙酮擦拭去除油污的纯铝焊丝截成小段放入石墨坩埚，将石墨坩埚放入带有电热丝的炉中加热至700℃使纯铝焊丝熔化，保温半小时以上，以保证铝液温度均匀化，将被连接钛板端部用砂纸清理并用丙酮清洗去除氧化膜及油污，将NOCOLOK钎剂溶于丙酮形成悬浊液，刷涂于钛板端部10mm的宽度的正反表面；待丙酮挥发后将涂有钎剂一侧的钛板垂直浸入铝液中，保持0.5min后以2cm/s的速度匀速抽出，完成热浸镀，形成镀铝层；
(2)镀铝钛板与铝板的超声辅助火焰钎焊
将铝板搭接部分用砂纸及丙酮清理以去除表面氧化膜和油污，将NOCOLOK钎剂涂于搭接部分，将完成热浸镀铝后的钛板与铝板装配成搭接接头，搭接宽度略小于镀铝层宽度，将适量铝硅钎料放置于搭接部分一侧，用可燃性气体火焰：乙炔和氧气，火焰炬加热使NOCOLOK钎剂和铝硅钎料先后熔化，将超声振动发生装置产生的超声振动施于接头搭接部分至铝硅钎料凝固，焊后得到钎焊质量良好的钛/铝搭接接头。
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