CN105195897A - 一种钛合金固相连接工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钛合金固相连接工艺，其特征在于通过对钛合金的热处理、粗加工后，采用激光焊和电弧焊的复合焊接技术，然后对钛合金经过后续精加工，最终成型，包括：模锻件——热处理——粗车——平磨——超声波清洗——热处理——激光焊和电弧焊复合焊接——机械清理焊缝——精加工——成型。激光_电弧复合焊接的工艺参数包括激光器功率2KW——6KW，离焦量-0.8--1.5mm，激光热源和电弧热源之间的距离0.5-3mm，焊接速度为500-800mm/min，填丝速度为2-5mm/min，焊接电流100A-160A，保护气体为高纯氩气，流量为10-13L/min。该发明也用于焊接钛合金板材、管件和锥形件等其他异形件，焊接效率高，焊点处的力学性能好，适合于大规模批量生产。

Description

一种钛合金固相连接工艺

技术领域

本发明涉及一种钛合金固相连接工艺。

背景技术

钛合金作为一种新型结构材料，近年来得到普遍重视，用量呈现大幅度增加的趋势，被广泛应用于航天航空、石油化工、舰船、汽车、医疗、文体等领域。在先进飞机上，钛合金获得了大量应用。目前，世界各国的高速飞机都广泛地采用钛合金作为结构材料。各种飞机零件，小至螺钉、螺母等连接件，大至机身骨架、隔框等结构件，部可以用钛合金来制造。甚至，长达6米、重达2吨的飞机起落架主支撑梁也可以用钛合金制造。如苏一27飞机上各种钛合金零件占飞机结构重量的15％，美国第三代战斗机F-14和F-15上钛合金零件的总重量占飞机结构莺鼍的比例分别高达24％和27％，第四代战斗机F-22上钛合金用量已达41％，而素有“全钛飞机”之称的美国YF-12A战斗机是当前世界上应用钛合金数量最多的机种，全机结构的93％用钛合金制造。钛合金的优点也适合航空发动机设计的需要。在航空发动机上，钛合金已部分取代铝合金、镁合金及钢铁材料。目前，先进航空发动机的压气机盘、压气机叶片和风扇叶片以及机匣等均由钛合金制造，已实现压气机全钛化方案。随着飞机性能的不断提高与钛合金零件加工工艺的不断改进，可以预料钛合金在航空航天材料中将占有更加重要的位置。

除航天航空领域外，钛及钛合金应用最广泛并且已见成效的地方主要是石油化工行业，特别是对纯钛的应用。应用范围包括各类储运容器、反应釜、过滤器、分离器、换热器、塔器、搅拌器及各种管、泵、阀、板、件等。在欧洲几个主要的发达国家，钛合金在化工领域的用量占到钛合金生产总量的40％左右，而在日本，约80％以上的钛合金应用于该领域。

在舰船领域，由于钛合金优良的耐海水腐蚀性能、无磁性等特点，其应用十分广泛。俄罗斯采用钛合金作为核潜艇的耐压材料，使潜艇的安全可靠性得以大大提高、设备体积缩小、重最减轻，从而增加了潜艇的有效载重鼍，减小了海水系统设备破损事故和维修保养次数，延长了使用寿命，提高战术技术性能。美国也成功地将钛合金用于各种动力的潜艇、水面艇、民用船，其船用部位有海水管路系统、冷凝器和热交换器、排风扇的叶片、推进器和轴、弹簧、航母上的消防设备等。我国也已成功地将钛合金应用在鱼雷发射装置液压水缸、危急冷却器、泵、阀及管道系统等方面。

在新一代汽车设计中，减轻重量、降低燃料消耗、降低发动机噪音和振动是设计者们考虑的藿要因素。作为轻合金的钛合金由于其密度小、比强度和比刚度高，将会被更多的设计人员选用。预计，到2006年，我国仅汽车、摩托车用钛总量就将达到5000吨。随着钛合金的成本降低(连铸、连轧等低成本工艺的开发和应用)，钛合金将在汽车工业中占有越来越重要的地位。

在生物医学上，由于钛合金无毒、耐蚀、质轻且强度高，是{乍常理想的医用金属材料，被广泛用作手术器械和植入人体的植入物，如人造髋关节、膝关节等”。

在文体用品领域，钛合金正以极高的速度进入市场，并已经形成一定的规模。其中以比赛用自行车和高尔夫球头最具代表性。钛制自行车质轻、强度高且防震性能优越，几乎所有的比赛用自行车都已采用钛材。而高尔夫球头选用钛合金制造后，具有接触球面大、重量轻、易于控制、易击中目标等优点。

对电子行业而言，钛合金无磁性、无毒，是传感器的理想材料。此外，笔记本电脑、手机、照相机、钓鱼用具、眼镜架等己越来越多地采用钛合金材料。钛足我国矿藏资源较为丰富的元素。开发钛金属的应用领域，对提高我国的资源利用率和国际地位，具有十分蘑要的意义。多年来，我国海绵钛和钛加工材的产能和产量均在3000吨/年以下，与美、日、俄等国有数级的差距，仅占世界总产量的3％～5％。这种状况与中国作为世界钢铁大国的状况相比，形成了鲜明的反差，我国的钛/钢比、钛，有色金属比，均低于世界平均水平。因此。尽快解决钛合金材料表面性能较低的缺陷，将极大地推动钛合金的应用，其意义十分重大。

作为一种新型的结构材料，钛合金也具有一些性能上的缺点。首先，钛合金的摩擦系数高，耐磨性差，对粘着磨损和微动磨损{F常敏感，其表面容易划伤、啮合、咬死等。在550"C以下，钛合金表面能在大气中形成致密且与摹体紧密结合的氧化膜，起到良好的保护作用。但当使用温度超过550"C时，氧化膜开始被摹体金属吸收，此时基体金属钛便能与大气中的氧、氮等气体发生强烈反应，甚至着火燃烧，从而造成基体金属的严重污染，并使金属迅速脆化，使工件无法使用。此外，钛合金还具有与生物骨组织的生物相容性差以及对聚合物、金属及陶瓷涂层附着力差等缺点，这些缺点都严重制约着钛合金的应用。

材料的许多性能往律取决于材料的表面性能，钛合金亦是如此。由于摩擦、磨损、高温氧化等失效行为以及对聚合物、金属及陶瓷涂层附着力差等缺点均起源于钛合金表面，并由其表面的物理、化学性能所决定，因此，提高钛合金关键零部件的耐磨性能、抗高温氧化性能以及生物力学相容性等“表面性能”，成为钛合金应用研制进程中必须攻克的重要课题。

钛合金具有许多优异的性能，应用面越来越广，对其存在的表面性能较差的状况，

也已引起越来越多工程技术人员的高度重视，并开发了多种工艺技术以解决这一问题。

但这些方法不同程度地存在一些不足，影响了它们的应用范围。目前，钛合金常用的表面强化方法主要有以下几种：

离子注入是将注入元素离子化后，在电场中获得高能量，强行注入材料表面，从而改变其性能。钛合金表面主要的注入离子。离子注入最大的特点是原子与基材间呈原子级混合，不会出现剥落等现象；同时，离子注入可在常温下进行，工件不会发生变形。但是，因离子注入能量的制约，强化层很浅，这对该技术的应用带来许多限制。

离子渗氮是钛合金表面改性的一种较好工艺。通过4h左右的离子渗氮处理，可在钛材表面获得一层0.2～0.3mm的渗氮层，表面硬度可达1000HV以上。钛合金离子渗氮层硬度高、抗疲劳性能好，但离子渗氮处理温度较高，一般都超过了800"C，因而工件的变形在所难免，对薄壁件、长杆件和大型件较难实施。双层辉光离子渗金属是利用离子轰击的原理，将一种或多种金属元素渗入工件表层的工艺技术，通过2～4h的处理，可获得合金化层，有效地提高钛合金表面的耐磨、耐蚀及疲劳性能。但是，由于金属元素向内扩散的需要，双层辉光离子渗金属处理必须在830～1000℃的高温下进行，必然会引起工件变形，而较薄的合金化层，不可能留出后续机加工的余量；其次，受渗入元素在钛基体中溶解度的影响，合金成分的设计受到限制，从而影响性能的进一步提高；另外，双层辉光离子渗金属处理的金属元素来源于金属靶(源极)，加工过程中存在明显的视线效应，对形状较复杂的工件难以做到所有面均匀强化，对内孔还会产生空心阴极效应，使工件过热。

发明内容

本发明的目的在于提出一种钛合金固相连接工艺。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种钛合金固相连接工艺，其特征在于通过对钛合金的热处理、粗加工后，采用激光焊和电弧焊的复合焊接技术，然后对钛合金经过后续精加工，最终成型，包括：模锻件——热处理——粗车——平磨——超声波清洗——热处理——激光焊和电弧焊复合焊接——机械清理焊缝——精加工——成型。激光_电弧复合焊接的工艺参数包括激光器功率2KW——6KW，离焦量-0.8——-1.5mm，激光热源和电弧热源之间的距离0.5——3mm，焊接速度为500——800mm/min，填丝速度为2——5mm/min，焊接电流100A——160A，保护气体为高纯氩气，流量为10——13L/min。

具体实施方式

实施例1

一种钛合金固相连接工艺，其特征在于通过对钛合金的热处理、粗加工后，采用激光焊和电弧焊的复合焊接技术，然后对钛合金经过后续精加工，最终成型，包括：模锻件——热处理——粗车——平磨——超声波清洗——热处理——激光焊和电弧焊复合焊接——机械清理焊缝——精加工——成型。钛合金为TC4，形状为100mm×200mm×7mm板材，激光_电弧复合焊接的工艺参数包括激光器功率5KW，离焦量-1.5mm，激光热源和电弧热源之间的距离1.2mm，焊接速度为500mm/min，填丝速度为5mm/min，焊接电流130A，保护气体为高纯氩气，流量为13L/min。

实施例2

一种钛合金固相连接工艺，其特征在于通过对钛合金的热处理、粗加工后，采用激光焊和电弧焊的复合焊接技术，然后对钛合金经过后续精加工，最终成型，包括：模锻件——热处理——粗车——平磨——超声波清洗——热处理——激光焊和电弧焊复合焊接——机械清理焊缝——精加工——成型。钛合金为TC18，形状为30mm管材，厚度为4mm，激光_电弧复合焊接的工艺参数包括激光器功率2KW，离焦量-0.9mm，激光热源和电弧热源之间的距离1.2mm，焊接速度为300mm/min，填丝速度为3mm/min，焊接电流1000A，保护气体为高纯氩气，流量为10L/min，经过该工艺处理后，焊点处的结合强度高，钛合金的总体力学性能良好。

Claims (2)

1.一种钛合金固相连接工艺，其特征在于通过对钛合金的热处理、粗加工后，采用激光焊和电弧焊的复合焊接技术，然后对钛合金经过后续精加工，最终成型，包括：模锻件——热处理——粗车——平磨——超声波清洗——热处理——激光焊和电弧焊复合焊接——机械清理焊缝——精加工——成型。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的激光_电弧复合焊接的工艺参数包括激光器功率500W——1.5KW，离焦量-0.8——-1.5mm，激光热源和电弧热源之间的距离0.5——3mm，焊接速度为500——800mm/min，填丝速度为2——5mm/min，焊接电流100A——160A，保护气体为高纯氩气，流量为10——13L/min。