CN106270876B - 一种铝锂合金和钛合金电子束熔钎焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铝锂合金和钛合金电子束焊接方法，该焊接方法包括以下具体步骤：(1)焊前材料准备；(2)焊前清理；(3)焊板角度调整；(4)抽取真空；(5)焦点调试；(6)试板预热；(7)熔钎焊接；(8)焊缝背面补焊。本发明的焊接方法采用电子束熔钎焊具有能量集中，深宽比较大、热输入小、功率密度大、热影响区小等特点，减少了界面反应不均匀性。该方法通过改变试板的焊接角度，钛合金坡口的角度设置，铝锂合金和钛合金的高度差，钛合金试板的预热方法，电子束偏束距离，电子束下焦点深度，优化电子束焊接时的技术参数、以及焊缝背部补焊等来优化铝锂合金和钛合金接头强度，从而获得优质的焊接接头。

Description

一种铝锂合金和钛合金电子束熔钎焊接方法

技术领域

本发明涉及异种金属焊接领域，具体涉及一种铝锂合金和钛合金电子束焊接方法。

背景技术

随着航空航天工业的发展，对结构材料的综合性能要求不断提高，单一合金的结构材料已经不能满足现代工业的发展，为了满足结构轻型化、结构功能一体化和低成本设计与制造的发展要求，综合利用不同材料的性能优势，将具有不同特性的材料组合在一起已经变成应有的趋势。钛合金具有比强度高、耐腐蚀、中温性能稳定等特点，铝锂合金则具有低密度、高比强度、良好的耐腐蚀性耐损伤、良好的抗疲劳性和良好的超塑成形等特点，而且如果取代常规的铝合金，可以使构件质量减轻10％～15％，刚度提高 15％～20％，所以铝锂合金和钛合金异种金属焊接的应用在航空航天工业具有很好的应用前景。真空电子束焊接具有热量集中、深宽比较大、热输入小、功率密度大、热影响区小等特点，所以很好控制熔池的尺寸、形状和束斑的位置，真空条件下还提供了金属不受空气污染等条件，保证了焊缝质量。

针对铝锂合金和钛合金的焊接，传统熔焊时两种金属液相混合会生成大量的脆硬金属间化合物，过饱和的脆性金属间化合物具有较大的组织内应力，组织具有很大的脆性，严重降低接头性能。对于扩散焊，由于扩散焊的性质导致扩散焊的结合强度有限，扩散焊的使用在强度较高的异种金属焊接受到限制。鉴于熔焊和扩散焊的缺点，所以采用了熔钎焊的方法对铝锂合金和钛合金进行焊接，熔钎焊的方法同时具有熔焊和钎焊的性质，热源一般加在低熔点金属上，自熔或者熔化焊丝钎焊到高熔点金属上实现焊接。理论上能实现熔钎焊的焊接方法很多，但是对于铝锂合金和钛合金焊接特殊性，常规的热输入较高的TIG,MIG等焊接方法极不容易控制金属间化合物过渡层的厚度，而且焊接试板厚度较薄，所以在易形成脆性金属间化合物异种金属不宜采取。由于高能束流具有能量集中，深宽比较大、热输入小、功率密度大、热影响区小等特点，而其中的电子束又独有在真空下焊接的特点，不受空气污染，而且深宽比更大，能量更集中，热影响区更小，保证了焊接质量。

哈尔滨工业大学陈树海曾研究并发表《铝-钛异种合金激光熔钎焊接头界面特性》(陈树海,李俐群,陈彦宾.铝/钛异种合金激光熔钎焊接头界面特性[J].中国有色金属学报,2008,06:991-996.)，实现了铝钛异种合金激光填丝熔钎焊接，但是焊接焊板厚度仅有1.5mm，且界面厚度方向温度场差异明显，导致界面金属间化合物生长不均匀。中国工程物理研究院机械制造工艺研究所的王亚荣等人曾研究并发表《铝/钛异种金属的电子束熔钎焊》(王亚荣,滕文华,余洋,樊亚丽.铝/钛异种金属的电子束熔钎焊[J].机械工程学报,2012,20:91-95.)，但该工艺方法并没有完全形成熔钎焊接，界面部分钛合金微熔导致界面金属间化合物形成较多，且依然存在界面厚度方向温度场很不均匀的缺点，最终力学性能较差，拉伸强度仅有180MPa。

由于铝锂合金的特殊性，在和钛合金进行异种金属焊接时易出现的问题如下：

(1)脆性金属间化合物过渡层，若过渡层厚度过大易产生脆性断裂；

(2)形成大量气孔；

(3)热裂纹严重；

(4)厚度方向焊接时温度场不均匀，导致界面金属间化合物层形态不一样，导致力学性能不一样；

(5)若板稍厚，易出现焊不透，从而出现大量未熔合；

(6)熔钎焊时焊缝塌陷，熔敷率差导致焊缝强度受到影响；

所以在工艺上如何克服上述焊接技术上的问题成为两种航空航天材料焊接的技术难题，现有研究的高能束流焊接方法大多只能解决部分技术难题。

发明内容

本发明目的就是在于克服脆性金属间化合物厚度、金属间化合物生长形态、金属熔敷率差、气孔、热裂纹、温度场分布不均匀、未熔合率等问题。提供一种铝锂合金和钛合金电子束熔钎焊接方法。

为解决上述技术问题，提供技术方案是：

一种铝锂合金和钛合金电子束熔钎焊接方法，通过以下步骤实现的：

(1)焊前材料准备：对钛合金板焊接端面加工10°-15°的坡口；

(2)焊前清理：对铝锂合金板和钛合金板进行焊前清理；

(3)焊板角度调整：铝锂合金板和钛合金板放和水平面角度为10°-30°，设置铝锂合金板表面高出钛合金板表面0.5-1.5mm；

(4)设置焊接参数：抽取真空，待枪真空和室真空达到枪真空标准值和室真空标准值，设置焊接参数；

(5)预热：对钛合金板进行焊前预热；

(6)焦点调试：调节焦点至铝锂合金板上厚度方向的中间位置或者靠近底部，距焊接端面水平方向1mm-1.5mm的位置；

(7)熔钎焊接：用束流为20mA-25mA，焊速为3mm/s-5mm/s对钛合金板和铝锂合金板进行熔钎焊接；

(8)焊缝背面补焊：调节焦点至铝锂合金板背面表面，距焊接端面水平方向0.5mm-1mm处，用束流为8mA-12mA，焊速为5m/s-10m/s完成背面补焊。

所用铝锂合金板为2195，钛合金板为TC4，铝锂合金板尺寸为100mm×50mm×3mm,钛合金尺寸为100mm×50mm×4mm。焊前清理先用搅磨机打磨焊板，再用200#、400# 金相砂纸磨平，再用丙酮清洗表面。焊接参数为：电子束加速电压60kV，聚焦电流 600mA-800mA，焊接高度260mm-300mm，灯丝电流600mA-660mA，束流上升、下降时间0s-3s。焊前预热为：距焊接端面水平方向4mm处用束流10mA-16mA，焊速为 5mm/s-10mm/s。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明采用电子束熔钎焊具有能量集中，深宽比较大、热输入小、功率密度大、热影响区小等特点，相比于其他焊接方法，减少了界面反应不均匀性。

(2)该方法通过改变试板的焊接角度，钛合金坡口的角度设置，铝锂合金和钛合金的高度差，钛合金试板的预热方法，电子束偏束距离，电子束下焦点深度，优化电子束焊接时的技术参数、以及焊缝背部补焊等技术方面来优化铝锂合金和钛合金接头强度，从而获得优质的焊接接头。

(3)本发明提供的焊接方法能够减小金属间化合物厚度，尽量降低金属间化合物生长的连续性，降低气孔率，减少热裂纹，焊缝厚度方向温度场均匀化，以及降低未熔合率。

附图说明

图1是待焊试板装配到夹具示意图；

图2是本发明铝锂合金和钛合金电子束熔钎焊接方法的焊接示意图；

图3是焊接接头宏观形貌图；

图4是实施例1中焊缝中部SEM微观组织图；(a)表示在开坡口焊缝中部SEM下 3000倍的组织形貌，(b)表示在开坡口焊缝中部SEM下12000倍的组织形貌

图5是实施例3中钛合金未开坡口焊缝中部SEM微观组织图；(a)表示在未开坡口焊缝中部SEM下8000倍的组织形貌,(b)表示在未开坡口焊缝中部另外一处8000 倍的组织形貌。

图6是实施例4中焊接接头背部未补焊的金相图。(a)表示在没有底部补焊的情况下焊缝顶部的200倍金相图，(b)表示在没有底部补焊的情况下焊缝底部的500倍金相图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明的铝锂合金和钛合金电子束熔钎焊接方法通过设置如下夹具实现焊接，铝锂合金板和钛合金板的夹具装配图如图1所示，其中：1、2195铝锂合金；2、TC4钛合金； 3、角度旋转副；4、散热铜板；5、铜制底板；6、转动副。焊接示意图如图2所示，其中：1、2195铝锂合金；2、TC4钛合金；3、角度旋转副；4、散热铜板；5、铜制底板； 6、转动副；7、电子束流。

实施例1

(1)焊前材料准备：2195铝锂合金试板尺寸为100mm×50mm×3mm,TC4钛合金尺寸为100mm×50mm×4mm，对钛合金板焊接端面加工15°的坡口；

在电子束熔钎焊设置焊接角度的目的在于改善界面反应温度的差异，因为即使是电子束焊接，在相对较厚的试板焊接时，试板厚度方向也为有温度差异，从上到下温度依次降低，加上试板厚度方向散热快慢不同，增加了试板厚度方向的温度差异。改变了试板的焊接角度，这样就可以在厚度方向束流能量集中的地方离界面距离越来越小，从而减小了界面温度的差异，从而改善了界面结合强度。

给TC4钛合金加上一个坡口，可以在熔钎焊接中，熔化的金属流动性好，改善提高钎料的润湿铺展性能，熔敷面积也相对增加，因此改善了接头力学性能。

(2)焊前清理：对铝锂合金板和钛合金板进行焊前清理；先用搅磨机打磨焊板，使其呈现金属光泽，去除表面氧化膜，然后用200#、400#金相砂纸磨平，然后用丙酮清洗表面油污待焊。

(3)焊板角度调整：将焊板装配在特制夹具上放进真空室，调整焊板和水平面夹角为25°，设置铝锂合金板表面高出钛合金板表面1mm。

2195铝锂合金和TC4钛合金的高度差。目的是焊缝填充效果好，焊缝饱满，增加熔敷面积，提高焊接性能。

(4)抽取真空：设置焊接参数：待枪真空和室真空达到枪真空标准值和室真空标准值，设置焊接参数，其中，电子束加速电压：60kV，聚焦电流678mA，焊接高度295mm，灯丝电流650mA；束流上升、下降时间：1s。

(5)预热：对钛合金板进行焊前预热，距焊接端面水平方向4mm处用束流13mA，焊速为5mm/s。

(6)焦点调试：调节焦点至铝锂合金板上厚度方向的中间位置或者靠近底部，距焊接端面水平方向1mm的位置；电子束偏铝侧距离的调整可以调整界面金属间化合物过渡层厚度，以及可以直接调整界面的反应温度。下焦点的方法改变了传统能量的集中位置，采用下焦点的方法可以将能量尽可能往厚度方向调整，从而可以改善界面反应温度的不均匀性。

(7)熔钎焊接：在偏铝锂合金端面1.4mm处，用束流为25mA，焊速为4.5mm/s，对钛合金板和铝锂合金板进行熔钎焊接；

(8)焊缝背面补焊：调节焦点至铝锂合金板背面表面，距焊接端面水平方向1mm处，用束流为12mA，焊速为5m/s完成背面补焊。

采用背部补焊的方法可以改善界面方向因为反应温度的不同而导致的界面力学性能不均的影响，也可以改善背部未熔合率，从而提高整体的力学性能。

如图3是焊接接头整体形貌图，如图4(a)(b)所示为本发明实施例1中焊缝中部区域的SEM微观组织图。如图所示焊缝成型良好，无裂纹，无气孔，界面金属间化合物过渡层形成良好，没有较厚的连续金属间化合物，对界面结合强度起到良好作用的棒状和锯齿状金属间化合物形成较多，接头抗拉强度达到了260MPa。

实施例2

(1)焊前材料准备：2195铝锂合金试板尺寸为100mm×50mm×3mm,TC4钛合金尺寸为100mm×50mm×4mm，对钛合金板焊接端面加工15°的坡口；

(2)焊前清理：对铝锂合金板和钛合金板进行焊前清理；先用搅磨机打磨焊板，使其呈现金属光泽，去除表面氧化膜，然后用200#、400#金相砂纸磨平，然后用丙酮清洗表面油污待焊。

(3)焊板角度调整：将焊板装配在特制夹具上放进真空室，调整焊板和水平面夹角为15°,设置铝锂合金板表面高出钛合金板表面1mm。

(4)抽取真空：设置焊接参数：待枪真空和室真空达到枪真空标准值和室真空标准值，设置焊接参数，其中，电子束加速电压：60kV，聚焦电流678mA，焊接高度295mm，灯丝电流650mA；束流上升、下降时间：1s。

(5)预热：对钛合金板进行焊前预热，距焊接端面水平方向4mm处用束流13mA，焊速为5mm/s。

(6)焦点调试：调节焦点至铝锂合金板上厚度方向的中间位置或者靠近底部，距焊接端面水平方向1mm的位置；

(7)熔钎焊接：在偏铝锂合金端面1.4mm处，用束流为25mA，焊速为4.5mm/s，对钛合金板和铝锂合金板进行熔钎焊接；

(8)焊缝背面补焊：调节焦点至铝锂合金板背面表面，距焊接端面水平方向1mm处，用束流为12mA，焊速为5m/s完成背面补焊。

由于焊板和水平面的夹角由实施例1中的25°变为了15°，焊接偏束距离及其他参数均未没变，电子束的对焊缝的焊接角度产生了变化，电子束在靠近界面处的铝锂合金熔化量变多，所以导致界面温度场较实施例1不均匀性变大，力学性能测试也证明了不同，接头拉伸强度为240MPa。

实施例3

(1)焊前材料准备：2195铝锂合金试板尺寸为100mm×50mm×3mm,TC4钛合金尺寸为100mm×50mm×4mm，没有对钛合金板焊接端面加工坡口；

(2)焊前清理：对铝锂合金板和钛合金板进行焊前清理；先用搅磨机打磨焊板，使其呈现金属光泽，去除表面氧化膜，然后用200#、400#金相砂纸磨平，然后用丙酮清洗表面油污待焊。

(3)焊板角度调整：将焊板装配在特制夹具上放进真空室，调整焊板和水平面夹角为25°,设置铝锂合金板表面高出钛合金板表面1mm。

(4)抽取真空：设置焊接参数：待枪真空和室真空达到枪真空标准值和室真空标准值，设置焊接参数，其中，电子束加速电压：60kV，聚焦电流678mA，焊接高度295mm，灯丝电流650mA；束流上升、下降时间：1s。

(5)预热：对钛合金板进行焊前预热，距焊接端面水平方向4mm处用束流13mA，焊速为5mm/s。

(6)焦点调试：调节焦点至铝锂合金板上厚度方向的中间位置或者靠近底部，距焊接端面水平方向1mm的位置；

(7)熔钎焊接：在偏铝锂合金端面1.4mm处，用束流为25mA，焊速为4.5mm/s，对钛合金板和铝锂合金板进行熔钎焊接；

(8)焊缝背面补焊：调节焦点至铝锂合金板背面表面，距焊接端面水平方向1mm处，用束流为12mA，焊速为5m/s完成背面补焊。

如图5(a)(b)所示为本发明实施例3中焊缝中部区域的SEM微观组织图。和实施例1相对比，未开坡口焊接后的界面金属间化合物过渡层连续性更强，实施例1中的金属间化物大多是棒状嵌入铝锂合金基体生长，而实施例3中金属间化合物生长的连续性较强，金属间化合物这种嵌入式的生长方式比连续性生长方式结合强度更大，经过力学性能测试，接头拉伸强度为200MPa。

实施例4

(1)焊前材料准备：2195铝锂合金试板尺寸为100mm×50mm×3mm,TC4钛合金尺寸为100mm×50mm×4mm，对钛合金板焊接端面加工15°的坡口；

(2)焊前清理：对铝锂合金板和钛合金板进行焊前清理；先用搅磨机打磨焊板，使其呈现金属光泽，去除表面氧化膜，然后用200#、400#金相砂纸磨平，然后用丙酮清洗表面油污待焊。

(3)焊板角度调整：将焊板装配在特制夹具上放进真空室，调整焊板和水平面夹角为25°,设置铝锂合金板表面高出钛合金板表面1mm。

(4)抽取真空：设置焊接参数：待枪真空和室真空达到枪真空标准值和室真空标准值，设置焊接参数，其中，电子束加速电压：60kV，聚焦电流678mA，焊接高度295mm，灯丝电流650mA；束流上升、下降时间：1s。

(5)预热：对钛合金板进行焊前预热，距焊接端面水平方向4mm处用束流13mA，焊速为5mm/s。

(6)焦点调试：调节焦点至铝锂合金板上厚度方向的中间位置或者靠近底部，距焊接端面水平方向1mm的位置；

(7)熔钎焊接：在偏铝锂合金端面1.4mm处，用束流为25mA，焊速为4.5mm/s，对钛合金板和铝锂合金板进行熔钎焊完成焊接过程；

如图6(a)(b)所示为本发明实施例4中方法焊接后焊接接头的上部和底部金相图，由图(a)可以看出，焊缝界面上部熔敷、界面结合效果良好，界面没有未熔合等缺陷。由图(b)是焊接接头底部金相图，由于焊板较厚，即使是改良的电子束焊接方法也存在温度场差异，所以在界面底部也存在很小一部分结合效果不好，部分未熔合等缺陷，这就导致了力学性能测试时容易在这个地方开裂，大大降低了焊缝整体的力学性能，最终拉伸强度仅有180MPa，这就证明了背部补焊的重要性。

Claims (6)

1.一种铝锂合金和钛合金电子束熔钎焊接方法，其特征在于,具体步骤如下：

(1)焊前材料准备：对钛合金板焊接端面加工10°-15°的坡口；

(2)焊前清理：对铝锂合金板和钛合金板进行焊前清理；

(3)焊板角度调整：铝锂合金板与钛合金板均放和水平面角度为10°-30°，设置铝锂合金板表面高出钛合金板表面0.5-1.5mm；

(4)设置焊接参数：抽取真空，待枪真空和室真空达到枪真空标准值和室真空标准值，设置焊接参数；

(5)预热：对钛合金板进行焊前预热；

(6)焦点调试：调节焦点至铝锂合金板上厚度方向的中间位置或者靠近底部，距焊接端面水平方向1mm-1.5mm的位置；

(7)熔钎焊接：用束流为20mA-25mA，焊速为3mm/s-5mm/s对钛合金板和铝锂合金板进行熔钎焊接；

(8)焊缝背面补焊：调节焦点至铝锂合金板背面表面，距焊接端面水平方向0.5mm-1mm处，用束流为8mA-12mA，焊速为5m/s-10m/s完成背面补焊。

2.根据权利要求1所述的铝锂合金和钛合金电子束熔钎焊接方法，其特征在于，所述的铝锂合金板为2195，钛合金板为TC4。

3.根据权利要求1所述的铝锂合金和钛合金电子束熔钎焊接方法，其特征在于，步骤(2)中，焊前清理先用搅磨机打磨焊板，再用200#、400#金相砂纸磨平，再用丙酮清洗表面。

4.根据权利要求1所述的铝锂合金和钛合金电子束熔钎焊接方法，其特征在于，步骤(4)中，焊接参数为：电子束加速电压60kV，聚焦电流600mA-800mA，焊接高度260mm-300mm，灯丝电流600mA-660mA，束流上升、下降时间0s-3s。

5.根据权利要求1所述的铝锂合金和钛合金电子束熔钎焊接方法，其特征在于，所述的焊前预热为：距焊接端面水平方向4mm处用束流10mA-16mA，焊速为5mm/s-10mm/s。

6.根据权利要求1所述的铝锂合金和钛合金电子束熔钎焊接方法，其特征在于，所述的铝锂合金板尺寸为100mm×50mm×3mm,钛合金尺寸为100mm×50mm×4mm。