CN104625331B - 一种钛合金与纯铝的加助熔剂三元气体保护焊方法 - Google Patents

一种钛合金与纯铝的加助熔剂三元气体保护焊方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种钛合金与纯铝的加助熔剂三元气体保护焊方法，将钛合金一侧接头处打磨出倒角，然后涂覆助熔剂，冷风吹干；将涂覆助熔剂的钛合金与纯铝平板对接，放置在充惰性气体的保护罩中，以Al‑Si‑Cu合金焊丝作为填充材料进行脉冲焊接，焊接结束后，将被焊件放置在烘箱或保温箱中缓慢冷却至室温，冷却之后的被焊件用50℃～70℃温水清洗后自然晾干。本发明提出的加助熔剂的钛合金与纯铝异种金属焊接工艺的电弧稳定性明显提高，特别是助熔剂促使钛与铝的熔合，Ar+He惰性气体中加入少量CO2气体有利于增大熔深，促进钛与铝的熔合，焊接接头抗拉强度不低于纯铝母材的抗拉强度。

Description

一种钛合金与纯铝的加助熔剂三元气体保护焊方法
技术领域
本发明属于焊接技术领域，涉及一种异种有色金属的焊接方法，尤其涉及一种钛合金与纯铝加助熔剂的脉冲三元混合气体保护焊方法。
背景技术
现代工程中单独使用一种材料常常不能满足实际应用中的各种要求。从节能减排角度出发，在不同的工作条件下使用不同性能的材料，可满足不同材料的性能优势，异种轻金属焊接结构越来越受到人们的重视。铝具有比强度高、密度小、耐蚀性好、导热和导电性好等特点，是主要的轻量化结构材料。钛合金具有线胀系数和弹性模量小、耐蚀性优良等特性，已大量应用于重要承力构件。将钛和铝连接形成异种轻金属结构可以发挥两种材料的性能潜力，在舰船、车辆、现代交通等领域有很好的应用前景。
但是实现钛合金与铝的焊接难度很大。1)钛合金的熔点达到1400℃，纯铝的熔点只有660℃，当温度达到钛的熔点时，铝大量烧损蒸发；2)钛合金与铝的导热系数和线胀系数相差很大，铝的导热系数和线胀系数分别约是钛合金的导热系数和线胀系数的16倍和3倍，在焊接应力的作用下易产生裂纹；3)钛与铝都极易氧化，钛在600℃以上生成TiO2，铝和氧作用生成Al2O3氧化膜(熔点2050℃)，在焊缝及界面形成脆性层，增加金属的脆性。4)钛与铝的晶格结构不同，属于难熔合的材质，不采用非常规手段难以实现二者的熔焊连接。
国家发明专利(ZL200610068957.5)提出一种钛与铝异种有色金属的扩散连接方法，可以实现钛与铝的扩散焊接。但采用这项技术属固相连接，要求有性能良好的真空扩散焊装备，对被连接件的表面加工、装配和洁净度有很高的要求，而且加热、保温、冷却需要较长的时间，焊接效率低，特别是受设备限制难以实现现场焊接。因此，若能在电弧熔焊条件下实现对钛合金与铝异种轻金属的焊接，对简化焊接工艺、扩大应用场合、提高钛与铝焊接效率和降低生产成本将有重要的意义。
发明内容
本发明为解决现有技术的不足，提出一种钛合金与纯铝的加助熔剂三元气体保护焊方法。采用这种方法能够获得钛与铝熔合良好、无裂纹的焊接接头，能够满足钛合金与纯铝异种金属结构在生产中的使用要求。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种钛合金与纯铝的加助熔剂三元气体保护焊方法，包括如下步骤：
(1)将钛合金一侧接头处打磨出倒角，然后涂覆助熔剂，冷风吹干；所用的助熔剂为粒度200-300目的混合物粉末，混合物粉末由下述组分组成：NaF 10％～20％、B2O3 18％～24％、Cr2O3 10％～18％、Fe2O3 5％～10％、TiO2 5％～10％、MnO 5％～8％，其余为SiO2，以质量百分比计，使用时加溶剂调成糊状；
(2)对纯铝一侧接头处用刮刀进行刮削，将Al-Si-Cu合金填充焊丝用金相砂纸打磨光洁，将涂覆助熔剂的钛合金与纯铝平板对接，放置在充惰性气体的保护罩中，以Al-Si-Cu合金焊丝作为填充材料进行脉冲焊接，焊接参数为：基值电流50A～90A、脉冲电流48A～80A、脉冲持续时间5s～10s、脉冲频率35Hz～65Hz，焊接电压12V～24V，三元混合气体流量12L/min～20L/min；
(3)焊接结束后，将被焊件放置在烘箱或保温箱中缓慢冷却至室温，冷却至室温的被焊件再用50℃～70℃温水清洗后自然晾干。
上述保护焊方法，步骤(1)中助熔剂混合物粉末，用丙酮或无水乙醇调成糊状涂覆在钛合金一侧的接头处，涂覆厚度0.4mm～0.6mm，用电吹风的冷风吹干。
步骤(2)所述的Al-Si-Cu合金填充焊丝的化学成分为：Si 4.5％～6.0％，Fe 0.8％～0.9％，Cu 0.3％～0.4％,Mn 0.05％～0.08％，Mg 0.05％～0.10％，Zn 0.1％～0.2％，Ti 0.2％～0.3％，余为Al，以质量百分比计。
步骤(2)所述的焊接焊枪喷嘴离工件的距离10mm～14mm，焊枪钨极与焊件之间的夹角是70°～85°，焊接电弧稍偏向钛合金一侧。
步骤(2)中可以将打磨后的Al-Si-Cu合金填充焊丝用碱洗法清洗，清洗后的焊丝在8h内使用；碱洗法清洗步骤是，先用丙酮除去焊丝表面油污，再以体积百分比为15％NaOH溶液的水溶液，在不低于15℃的室温条件下清洗10min～15min，之后用清水冲洗，然后在体积百分比为30％的硝酸水溶液中清洗，再用水冲洗后，在40℃～60℃条件下烘干。
步骤(2)所述三元混合气体是Ar 60％～68％、He 25％～32％与CO2 4～8％，体积百分比，其中Ar和He的纯度均大于99.9％。在Ar+He惰性气体中加入少量CO2气体有利于增大熔深，促进钛与铝的熔合。
步骤(2)所述的保护罩由隔热的钢纸板做成方锥形，上部有观察窗，下部有输入惰性气体的通孔，整个焊接过程在保护罩内进行。保护焊时，采用高频脉冲引弧，引弧前先对焊枪输入氩气，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，然后输入Ar-He-CO2三元混合保护气体，在钛合金与纯铝接头处引燃电弧，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。在所述脉冲三元混合气体保护焊接中，采用快送和少加焊丝的填丝方法，焊丝端部要始终处于氩气的保护范围之内，防止氧化膜形成。
所述钛合金优选为Ti-6Al-4V，填充焊丝与焊件之间的夹角为15°～25°，所述钨极与焊件之间的夹角优选为75°～85°。填充焊丝直径为1.0mm～1.2mm，钨极直径为1.0mm～2.0mm，端部为锥形。被焊接Ti-6Al-4V钛合金板的厚度1.0mm～4.0mm，纯铝板厚度2.0mm～8.0mm。
步骤(3)保温箱或烘箱的温度在250℃～350℃，然后断电自然冷却。
采用本发明涉及的加助熔剂的钛合金与纯铝异种金属的脉冲三元混合气体保护焊方法，焊接应用方便灵活，可获得无裂纹、无脆性化合物的焊接接头。与常规钨极惰性气体保护焊方法相比，本发明提出的加助熔剂的钛合金与纯铝异种金属焊接工艺的电弧稳定性明显提高，特别是助熔剂促使钛与铝的熔合，惰性气体中加入少量CO2气体有利于增大熔深，促进钛与铝的熔合，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合金与纯铝焊接构件的使用要求。
本发明的有益效果是，该焊接工艺具有操作灵活简单、成本低、便于现场应用等特点，适用于钛合金与纯铝及铝合金异种接头的焊接。
附图说明
图1为实施例1制得的试样形貌；a端为钛合金，b端为纯铝；
图2为本发明制得的试样形貌及拉伸断裂后的钛合金与铝合金焊接接头试样；a端为钛合金，b端为纯铝。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：
Ti-6Al-4V钛合金与1060工业纯铝的加助熔剂的脉冲三元混合气体保护焊。Ti-6Al-4V钛合金板尺寸为180mm×120mm，厚度为2.5mm；1060工业纯铝板尺寸为160mm×120mm，厚度为2.5mm。
具体的工艺步骤如下：
(1)采用直径为1.0mm的Al-SiCu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Al-Si-Cu合金焊丝的化学成分(质量分数)为：Si 5.5％，Fe 0.8％，Cu 0.3％,Mn 0.05％，Mg 0.05％，Zn 0.10％，Ti 0.25％，余为Al。
(2)将Ti-6Al-4V钛合金与1060工业纯铝的对接接头处用砂纸打磨干净，使待焊面露出金属光泽，表面粗糙度达到Ra1.6～3.2；Ti-6Al-4V钛合金接头处用细砂轮打磨单面倒角。
(3)在钛合金一侧涂覆助熔剂，助熔剂成分为：NaF 16％、B2O3 22％、Cr2O3 12％、Fe2O36％、TiO2 8％、MnO 5％，余量为SiO2，以质量百分比计。将助熔剂粉末用丙酮调成糊状涂覆在钛合金一侧，涂覆后的助焊剂用电吹风冷风吹干。
(4)将涂覆助熔剂的Ti-6Al-4V钛合金板与1060纯铝板水平对接点固，不留间隙，放置在充氩保护罩内，充氩气流量12L/min。
(5)在充氩保护罩内进行脉冲三元混合气体保护焊，所用的焊接参数为：65％Ar+28％He+7％CO2三元混合气体保护，基值电流65A、脉冲电流75A、脉冲持续时间9s、脉冲频率45Hz，焊接电压18V，三元混合气体流量18L/min，焊枪喷嘴离工件的距离10mm。钨极与焊件之间保持80°夹角，电弧稍偏向钛合金一侧。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。
(6)焊接结束后将被焊件放置在300℃烘箱中缓慢冷却。冷却之后的被焊件用60℃温水清洗后自然晾干。
获得的Ti-6Al-4V钛合金与1060纯铝焊接接头成形良好。经过外观检测和金相显微镜观察没有发现裂纹、气孔等缺陷，满足被连接件的使用要求。采用本发明提出的焊接工艺焊制的钛合金与铝合金的焊接接头试样如图1所示。
实施例2：
Ti-6Al-4V钛合金与1060工业纯铝箱形体角接头的脉冲三元混合气体保护焊。Ti-6Al-4V钛合金板尺寸为160mm×160mm，厚度为2.0mm；1060工业纯铝板尺寸为160mm×160mm，厚度为3.0mm。
具体的工艺步骤如下：
(1)采用直径为1.2mm的Al-Si-Cu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Al-Si-Cu合金焊丝的化学成分(质量分数)为：Si 5.5％，Fe 0.8％，Cu 0.3％,Mn 0.05％，Mg 0.05％，Zn 0.10％，Ti 0.25％，余为Al。
(2)将Ti-6Al-4V钛合金与1060工业纯铝的对接接头处用砂纸打磨干净，使待焊面露出金属光泽，表面粗糙度达到Ra1.6～3.2；Ti-6Al-4V钛合金接头处用细砂轮打磨单面倒角。
(3)在钛合金一侧涂覆助熔剂，助熔剂成分为：助熔剂成分为：NaF 18％、B2O3 20％、Cr2O3 10％、Fe2O3 6％、TiO2 10％、MnO 6％，余量为SiO2，以质量百分比计。将助熔剂粉末用无水乙醇调成糊状涂覆在钛合金一侧，涂覆后的助焊剂用电吹风冷风吹干。
(4)将Ti-6Al-4V钛合金板与1060纯铝板90°角接点固，接缝处不留间隙。
(5)将钛合金与纯铝被焊接件放置在充氩保护罩中进行焊接，充氩气流量14L/min；Ti-6Al-4V钛合金板与1060纯铝板呈倒船形放置，角接头在上方，钛合金板和1060纯铝板与水平面成45°角。
(6)所用的脉冲三元混合气体保护焊的工艺参数为：67.5％Ar+28.5％He+4％CO2三元混合气体保护，基值电流75A、脉冲电流65A、脉冲持续时间10s、脉冲频率55Hz，焊接电压22V，三元混合气体流量18L/min，焊枪喷嘴离工件的距离11mm。钨极与角接焊缝之间保持85°夹角，电弧稍偏向钛合金一侧。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。
(7)焊接结束后将被焊件放置在300℃烘箱中缓慢冷却。冷却之后的被焊件用60℃温水清洗后自然晾干。
获得的加助熔剂的Ti-6Al-4V钛合金与1060纯铝角接接头成形良好。经过外观检查和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。经对焊接接头进行的拉伸试验结果表明，接头性能满足使用技术要求。拉伸断裂后的钛合金与铝合金焊接接头试样如图2所示，其中的3号试样断裂在铝合金一侧。
实施例3：
Ti-6Al-4V钛合金与1060工业纯铝箱形体角接头的脉冲三元混合气体保护焊。Ti-6Al-4V钛合金板尺寸为160mm×160mm，厚度为2.0mm；1060工业纯铝板尺寸为160mm×160mm，厚度为3.0mm。
具体的工艺步骤如下：
(1)采用直径为1.2mm的Al-Si-Cu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Al-Si-Cu合金焊丝的化学成分(质量分数)为：Si 5％，Fe 0.9％，Cu 0.4％,Mn 0.06％，Mg 0.06％，Zn 0.12％，Ti 0.20％，余为Al。
(2)将Ti-6Al-4V钛合金与1060工业纯铝的对接接头处用砂纸打磨干净，使待焊面露出金属光泽，表面粗糙度达到Ra1.6～3.2；Ti-6Al-4V钛合金接头处用细砂轮打磨单面倒角。
(3)在钛合金一侧涂覆助熔剂，助熔剂成分为：助熔剂成分为：NaF 20％、B2O3 18％、Cr2O3 13％、Fe2O3 8％、TiO2 8％、MnO 6％，余量为SiO2，以质量百分比计。将助熔剂粉末用无水乙醇调成糊状涂覆在钛合金一侧，涂覆后的助焊剂用电吹风冷风吹干。
(4)将Ti-6Al-4V钛合金板与1060纯铝板90°角接点固，接缝处不留间隙。
(5)将钛合金与纯铝被焊接件放置在充氩保护罩中进行焊接，充氩气流量14L/min；Ti-6Al-4V钛合金板与1060纯铝板呈倒船形放置，角接头在上方，钛合金板和1060纯铝板与水平面成45°角。
(6)所用的脉冲三元混合气体保护焊的工艺参数为：62％Ar+30％He+8％CO2三元混合气体保护，基值电流75A、脉冲电流65A、脉冲持续时间10s、脉冲频率55Hz，焊接电压22V，三元混合气体流量18L/min，焊枪喷嘴离工件的距离11mm。钨极与角接焊缝之间保持85°夹角，电弧稍偏向钛合金一侧。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。
(7)焊接结束后将被焊件放置在300℃烘箱中缓慢冷却。冷却之后的被焊件用60℃温水清洗后自然晾干。

Claims (9)

1.一种钛合金与纯铝的加助熔剂三元气体保护焊方法，其特征是，包括如下步骤：
(1)将钛合金一侧接头处打磨出倒角，然后涂覆助熔剂，冷风吹干；所用的助熔剂为粒度200-300目的混合物粉末，混合物粉末由下述组分组成：NaF 10％～20％、B2O3 18％～24％、Cr2O3 10％～18％、Fe2O3 5％～10％、TiO2 5％～10％、MnO 5％～8％，其余为SiO2，以质量百分比计，使用时加溶剂调成糊状；
(2)对纯铝一侧接头处用刮刀进行刮削，将Al-Si-Cu合金填充焊丝用金相砂纸打磨光洁，将涂覆助熔剂的钛合金与纯铝平板对接，放置在充惰性气体的保护罩中，以Al-Si-Cu合金焊丝作为填充材料进行脉冲焊接，焊接参数为：基值电流50A～90A、脉冲电流48A～80A、脉冲持续时间5s～10s、脉冲频率35Hz～65Hz，焊接电压12V～24V，三元混合气体流量12L/min～20L/min；
(3)焊接结束后，将被焊件放置在250℃～350℃烘箱或保温箱中缓慢冷却至室温，冷却至室温的被焊件用50℃～70℃温水清洗后自然晾干。
2.根据权利要求1所述的一种钛合金与纯铝的加助熔剂三元气体保护焊方法，其特征是，步骤(1)中助熔剂混合物粉末，用丙酮或无水乙醇调成糊状涂覆在钛合金一侧的接头处，涂覆厚度0.4mm～0.6mm，用电吹风的冷风吹干。
3.根据权利要求1所述的一种钛合金与纯铝的加助熔剂三元气体保护焊方法，其特征是，步骤(2)所述的Al-Si-Cu合金填充焊丝的化学成分为：Si 4.5％～6.0％，Fe 0.8％～0.9％，Cu0.3％～0.4％,Mn 0.05％～0.08％，Mg 0.05％～0.10％，Zn 0.1％～0.2％，Ti 0.2％～0.3％，余为Al，以质量百分比计。
4.根据权利要求1所述的一种钛合金与纯铝的加助熔剂三元气体保护焊方法，其特征是，步骤(2)所述三元混合气体的体积百分比是Ar 60％～68％、He 25％～32％与CO2 4～8％。
5.根据权利要求1所述的一种钛合金与纯铝的加助熔剂三元气体保护焊方法，其特征是，填充焊丝直径为1.0mm～1.2mm，钨极直径为1.0mm～2.0mm，端部为锥形。
6.根据权利要求1所述的一种钛合金与纯铝的加助熔剂三元气体保护焊方法，其特征是，被焊接Ti-6Al-4V钛合金板的厚度1.0mm～4.0mm，纯铝板厚度2.0mm～8.0mm。
7.根据权利要求1所述的一种钛合金与纯铝的加助熔剂三元气体保护焊方法，其特征是，步骤(2)所述的保护罩由隔热的钢纸板做成方锥形，上部有观察窗，下部有输入惰性气体的通孔，整个焊接过程在保护罩内进行。
8.根据权利要求1所述的一种钛合金与纯铝的加助熔剂三元气体保护焊方法，其特征是，步骤(3)中保温箱或烘箱的温度在250℃～350℃，然后断电自然冷却至室温。
9.根据权利要求1所述的一种钛合金与纯铝的加助熔剂三元气体保护焊方法，其特征是，填充焊丝与焊件之间的夹角为15°～25°，钨极与焊件之间的夹角为75°～85°。
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