CN104801848A - 一种调控钛/铝异种金属搅拌摩擦焊接头中脆性相的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种调控钛/铝异种金属搅拌摩擦焊接头中脆性相的方法，其原理是通过添加锌基中间层引入第三种合金元素，阻隔钛/铝原子的直接接触，进而干扰Ti-Al系脆性相的生成，具体步骤包括：安装自制搅拌头；装夹待焊接工件和锌基中间层材料，将中间层材料放置在待焊接材料对接处位置；调整搅拌头的位置使其处于起始位置；设定焊接工艺参数，包括搅拌头的旋转速度、焊接速度、焊接倾角、下压量；搅拌针在上述工艺参数下压入待焊接材料，同时在上述焊接速度下沿平行于待焊工件接缝方向移动，完成待焊接材料的搅拌摩擦焊接。本发明实现了钛/铝异种金属材料搅拌摩擦焊接接头中脆性相的调控，有效提高了焊接接头性能。

Description

一种调控钛/铝异种金属搅拌摩擦焊接头中脆性相的方法
技术领域
    本发明涉及一种调控钛/铝异种金属搅拌摩擦焊接头中脆性相的方法，属于焊接冶金领域。
背景技术
铝合金密度低，耐蚀性及经济性好，是目前航空航天、武器装备等高新技术领域中广泛应用的金属材料；钛合金由于具有耐腐蚀、比强度高以及抗冲击等优点，成为航空航天领域发展迅速的新材料。在航空航天工业和汽车工业中，由于钛/铝异种金属复合构件满足对于“减轻重量、提高推动比、增加有效载荷”的要求，使其得到广泛的应用，如座位导轨、机翼蜂窝夹层等。
但是，由于钛、铝化学性质活泼、极易吸收空气中的氮、氢、氧等元素，加之由于这两种金属之间物理化学性质差异较大，具有“冶金不相容性”焊接过程中极易形成金属间化合物，因此，传统的焊接方法焊接钛/铝异种金属时，接头力学性能较差，远远不能满足工业中的使用要求。在焊接过程中极易形成夹杂缺陷，且两种金属物化性能相差巨大，因此钛/铝异种金属的焊接性，尤其是传统的熔化焊焊接性很差，很难获得优异的焊接接头。
搅拌摩擦焊技术由英国焊接研究所发明于1991年，与传统熔化焊相比，搅拌摩擦焊过程中，材料不发生熔化，属于固相焊接的范畴，它具有焊接变形和残余应力小、焊接缺陷少、力学性能优异等优点，是一种低能耗、效率高、质量优异的新型焊接方法。目前已在工业领域的各个方面得到快速发展，但钛/铝异种金属的搅拌摩擦焊接头中容易生成脆性相、且脆性相的分布不均匀，造成了接头性能的不稳定，严重恶化了接头的力学性能，其广泛的应用前景在一定程度上被限制。
发明内容
为了减少Ti-Al系脆性相对焊接接头性能的不利影响，提高接头的性能，本发明提供了一种调控钛/铝异种金属搅拌摩擦焊接接头中脆性相的方法，通过添加锌基中间层材料，对脆性金属间化合物的形成进行阻隔和干扰，控制接头中脆性相的数量及种类，从而到达调控脆性金属间化合物的种类和数量，实现钛/铝异种金属的有效连接。
锌基中间层调控的原理为：锌的熔点为419.5℃，在钛/铝异种金属搅拌摩擦焊接过程中，当熔化的锌冷却到382℃时，锌的质量分数在80.2％～94.9％时发生共晶反应生成γ+β共晶体，γ相在275℃时发生共析反应生成共析体α(Al)+β(Zn)，冷却到室温过程中分别析出稳定的固溶体β(Zn)和α(Al)。由Al-Zn二元相图可知，无论是温度的变化，还是Zn含量的变化，均不会产生Al-Zn金属间化合物。由Zn/Ti二元相图可知，Zn和Ti在各个温度的反应简洁明了，在不同的Zn含量下所生成的Zn-Ti金属间化合物较单一，易于控制，因此通过添加锌基中间层材料引入第三种元素Zn在理论上可以达到调控Ti-Al系脆性相的目的。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案具体包括如下步骤：
第一步，安装自制搅拌头，将一定厚度的条状锌基中间层材料固定在钛/铝待焊材料的接缝处，焊接过程中，铝及铝合金置于返回侧，钛及钛合金置于前进侧，所述返回侧和所述前进侧材料接触处为接缝。
第二步，调整搅拌头的位置使其处于焊接起始位置，并将所述搅拌针与接缝对中。
第三步，设置焊接过程中的工艺参数，所述工艺参数包括搅拌头旋转速度、焊接速度、焊接倾角和下压量。
第四步，搅拌针在上述工艺参数下压入待焊接材料，同时在上述焊接速度下沿平行于待焊材料接缝方向移动，完成对待焊接材料进行搅拌摩擦焊接。
进一步地，所述锌基中间层材料的厚度范围在0.05-0.2毫米之间。
进一步地，所述搅拌头旋转速度为300-1000转/分钟，焊接速度为50-100毫米/分钟，下压量为0.1-0.4毫米，焊接倾角为1-3.5度。               
进一步地，所述铝或铝合金放置在返回侧，钛或钛合金放置于前进侧。
进一步地，所述搅拌摩擦焊接为单道次对接焊。
研究结果表明，当接头添加锌基中间层材料以后，焊缝显微硬度下降，在一定程度上能够减少Ti-Al系脆性相的生成，促使接头由脆性断裂向韧性+脆性复合断裂的方式转变。达到了调控脆性相的目的，改变了接头的强度。
本发明具有以下主要优点：
1、搅拌摩擦焊是一种固相焊接技术，焊接过程热循环中最高温度低于异种金属中较低熔点母材的熔点，相比于其他焊接方法，此技术能在较低的温度下发生待焊金属间的冶金结合，所以能够为脆性相的调控提供条件。
2、基于现有钛/铝异种金属搅拌摩擦焊焊接接头中存在的不足，通过加入中间层材料引入第三种合金元素对影响接头性能的脆性相进行调控，在不增加工艺过程复杂性的基础上，提高接头性能。
附图说明
图1为钛/铝异种金属搅拌摩擦焊焊接过程示意图。
图2为钛/铝异种金属搅拌摩擦焊焊接接头焊缝横截面宏观形貌。
图1中：1-钛或钛合金母材，2-铝或铝合金母材，3-锌基中间层材料，4-搅拌头，5-焊缝，图2中：A-钛或钛合金母材，B-铝或铝合金母材，C-钛/铝连接界面。
具体实施方式
下面举例详细说明本发明的具体实施方式。
所述的一种调控钛/铝异种金属搅拌摩擦焊接头中脆性相的方法，具体包括以下步骤：
第一步，将搅拌头4安装在搅拌摩擦焊接设备上，将待焊接钛或钛合金工件1放置在前进侧，将待焊接铝或铝合金工件2放置在返回侧。将锌基中间层材料3放置在接缝处，之后将工件1，工件2和中间层材料3固定在工装夹具上。
第二步，调节搅拌头4的起始位置，并将搅拌头轴线对准待焊工件1、2的接缝位置。
第三步，设置焊接工艺参数，包括搅拌头4的旋转速度300-1000转/分钟，焊接速度50-100毫米/分钟，下压量为0.1-0.4毫米，焊接倾角为1-3.5度。
第四步，搅拌头4在设定的参数下缓缓压入待焊母材，调整下压量后，控制搅拌头4平行于接缝方向向前移动，形成焊缝5。
本发明较佳案例中采用的搅拌头，其搅拌针为圆柱形，轴肩直径为18mm，搅拌针直径为6mm，针长为2.6mm。
实施例：
本实施例提供一种TC4钛合金与2A14铝合金异种金属搅拌摩擦焊接头中脆性相的调控方法，使用厚度为0.05mm的锌基中间层材料。具体包括以下步骤：
第一步，将搅拌针直径为6mm的搅拌头安装在搅拌摩擦焊设备上，将厚度为0.05mm的锌基中间层材料放置于3mm厚的TC4钛合金与3mm厚的2A14铝合金的接缝处，之后将其固定于工装夹具上。
第二步，调节搅拌头使之处于焊接开始位置， 并将搅拌头上搅拌针中心线对准TC4钛合金与2A14铝合金的接缝位置。
第三步，设置工艺参数，旋转速度设置为600转/分钟，焊接速度设置为60毫米/分钟，焊接倾角调整为2度。
第四步，参数设定完成以后，搅拌头以TC4钛合金为前进侧，以2A12铝合金为返回侧，以0.2mm的下压量，对待焊接TC4钛合金与2A14铝合金进行焊接。
其他焊接条件同等情况下，相对于不添加锌基中间层的焊接接头，本实例所得到焊缝显微硬度下降，Ti-Al系脆性相生成量减少，特别是TiAl3和TiAl相的含量减少，而且相较于不添加锌基中间层时，接头中生成了TiAl2、 Zn16Ti、Ti3Al和TiAl2等新相。Ti-Al系脆性相总量的减少以及新相的产生，促使接头由脆性断裂向韧性+脆性复合断裂的方式转变。达到了调控脆性相的目的，改变了接头的强度。

Claims (6)

1.一种调控钛/铝异种金属搅拌摩擦焊接头中脆性相的方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步，安装自制搅拌头，将一定厚度的锌基中间层材料固定在待焊接钛/铝异种工件的接缝处，焊接过程中，铝及铝合金置于返回侧，钛及钛合金置于前进侧，所述返回侧和所述前进侧工件接触处为接缝；
第二步，调整搅拌头的位置使其处于焊接起始位置，并将所述搅拌针与接缝对中；
第三步，设置焊接过程中的工艺参数，所述工艺参数包括搅拌头旋转速度、焊接速度、焊接倾角和下压量；
第四步，搅拌针在上述工艺参数下压入待焊接材料，同时在上述焊接速度下沿平行于待焊工件接缝方向移动，完成对待焊接材料进行搅拌摩擦焊接。
2.如权利要求1所述的一种调控钛/铝异种金属搅拌摩擦焊接接头中脆性相的方法，其特征在于，所述锌基中间层材料的厚度范围在0.05mm-0.1mm之间。
3.如权利要求1所述的一种调控钛/铝异种金属搅拌摩擦焊接接头中脆性相的方法，其特征在于，搅拌头旋转速度为300-1000转/分钟，焊接速度为50-100毫米/分钟，下压量为0.1-0.4毫米，焊接倾角为1-3.5度。
4.如权利要求1所述的一种调控钛/铝异种金属搅拌摩擦焊接接头中脆性相的方法，其特征在于，所述铝及铝合金放置在返回侧，钛及钛合金放置于前进侧。
5.如权利要求1所述的一种调控钛/铝异种金属搅拌摩擦焊接头中脆性相的方法，其特征在于，所述搅拌摩擦焊接为单道次对接焊。
6.如权利要求1所述的一种调控钛/铝异种金属搅拌摩擦焊接头中脆性相的方法，其特征在于，锌基中间层材料的加入能减少Ti-Al系脆性相的生成，促使接头由脆性断裂向韧性+脆性复合断裂的方式转变，提高了接头的性能。
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