CN107931805A - 一种钛合金和铝合金的等离子焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种钛合金和铝合金异种金属的等离子焊接方法，待焊试件接头为在I型接头两个对接面上分别设置一个沿焊接件厚度方向的凸起平台，两个平台在焊接件长度及宽度方向等长，在厚度方向的高度之和为对接试板厚度。其次，进行焊前处理并优化等离子焊接参数，完成第一次熔钎焊接；之后，在熔钎焊缝相邻的钛侧，进行第二次改性焊接，两焊缝相近但不交叉。本发明的连接方法利用异种金属高熔点差异特点，在高熔点钛侧相邻熔钎焊道旁进行第二次焊接，通过第二次焊接温度场对钛铝结合界面进行重熔改性，优化结合界面处相结构，减弱接头脆性，同时采用特殊的接头结构，提高焊缝根部结合强度，增加接头可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及异种金属连接领域，具体涉及Ti-6Al-4V钛合金与6061铝合金的等离子熔化连接方法。
背景技术
科学技术的不断进步对各类工程机械结构的性能提出了更高的要求，金属材料在结构设计与制造上正面临着新的挑战，多层次、轻量化、功能一体化、和低成本设计与制造正成为了当下材料研究的前沿。然而单一结构材料在经过不断优化改进的同时也逐渐面临性能的瓶颈。除了满足常规的力学性能之外，还有如高温强度、耐磨性、耐腐蚀性、低温韧性等多方面的性能要求。鉴于此，异种材料连接正得到越来越广泛的重视，异种金属的复合结构可以兼有多种金属的优点，通过整合不同材料之间的性能优势，将具有不同特性和功能的材料连接为一个完整单元，从而匹配工业生产应用，提升产品综合性能，所以，异种结构的综合性能将超过单一的金属结构。目前，异种金属的复合结构在航空航天、造船、电力工业等领域应用越来越广泛。
钛合金因其耐热性强、比强度高、具有良好的塑性、韧性以及耐蚀性，广泛应用于航空航天、石油化工等领域。铝及铝合金由于具有低密度、高强度等优点成为工业中应用量最大的有色金属，在航空，汽车，机械等行业中得到了广泛应用。但两种金属存在各自的短板，价格昂贵和比强度不足分别限制了钛合金和铝合金的广泛应用。因此，将该两种材料进行优势整合，形成复合结构并保证高强的连接强度将推动钛铝更广泛的商业应用，同时，该结构更加节能环保，在航空航天、汽车、电力工业具有很好的应用前景。
对于异种金属材料的焊接，无论从焊接技术操作和机理研究都比同种金属材料的焊接要难很多，物理性质和化学性质是决定了异种金属材料的焊接性，一方面，金属材料的物理性质(包括热膨胀系数、熔点及沸点、热导率，原子相容性等)对焊接本身的焊接影响就很大，不同的金属材料的不同物理性质对异种金属的焊接就会产生巨大影响。例如：材料热膨胀系数差异大，导致金属材料的焊接变形不一样，焊缝会产生较大的残余应力，导致焊缝的整体性能较差；熔点及沸点差异较大，会导致焊接过程当中元素的损失，力学性能难以控制，有色金属焊接这一现象尤其容易出现等；另一方面，金属材料的化学性质差异对焊缝的性能影响也很大，当化学性质相差较大时，不同的合金元素在相变过程中会产生金属间化合物脆性相，如果脆性金属间化合物是以极细夹杂物弥散在合金晶粒之间，则可能无害，但是如果金属间化物以针状或者带状在晶界间生长，或者两种合金间出现较厚的金属间化合物过渡层，则对焊接接头会产生巨大的影响，焊接接头极易发生脆断。
对于铝/钛异种金属组合，由于其物理性质相差较大，在焊接中主要存在以下问题：
a.铝与钛极易氧化，合金元素容易烧损蒸发；b.铝与钛在不同温度、不同组分下发生反应，生成多种脆性化合物；c.铝与钛的焊接变形大，铝的导热率和线性膨胀系数分别约是钛的16倍和3倍，在焊接应力作用下容易产生热裂纹。其中，最关键的问题在于金属间化合物的控制问题，它是由温度-时间-成分关系共同决定的。伴随着金属间相的形成，焊接区域变脆，性能恶化。从钛铝二元相图可以看出钛铝体系中的相结构，铝钛之间溶解度很小。当钛铝液相中铝元素质量分数在13％左右时，会形成Ti3Al。随着液相中铝含量的增加，凝固后会形成TiAl、TiAl2、Ti2Al5。当液相中主要成分为铝元素时，液相会形成TiAl3。钛铝体系中复杂的金属间化合物使得钛铝的连接接头性能难以控制，极易脆断。
发明内容
本发明目的在于提供一种Ti-6Al-4V钛合金与6061铝合金异种金属的等离子连接方法，通过设置特殊的焊接温度场和接头结构对钛铝结合界面局域区域进行重熔改性，优化结合界面处相结构，减弱接头脆性，提高根部结合强度以解决Ti-6Al-4V钛合金与6061铝合金异种金属结合强度低的问题。
实现本发明目的采用如下技术方案：
一种钛合金和铝合金的等离子焊接方法，具体步骤如下：
步骤1，制备Ti-6Al-4V钛合金板与6061铝合金板接头结构，在Ti-6Al-4V钛合金板与6061铝合金板接头形成的I型接头的两个对接面上分别切割出一个沿焊接件厚度方向的凸起平台，两对接试板形成的台阶状接头结构相互对接并契合形成待焊接头，所述的凸起平台在焊接件长度及宽度方向等长，在厚度方向的高度之和为对接试板厚度；
步骤2，将Ti-6Al-4V钛合金板与6061铝合金板进行焊前处理，包括去油、去污、去除氧化膜、工装；
步骤3，按照对接试板中心线轨迹，示校编程，设定等离子运动路径，并设置等离子焊接参数：钨极材料及直径、内缩量、喷嘴与工件距离，保护气和离子气；
步骤4，采用变极性等离子焊接模式，设定等离子正半波焊接电流：50-90A，负半波焊接电流：100-140A，焊接速度200-300mm/min，调节程序，使钨极偏置于铝板上，新轨迹与对接接头中心线的垂直偏置距离a1：4-8mm，开始焊接，等离子束与工件作用并形成完整熔池后，等离子束沿X轴水平运动，完成Ti-6Al-4V钛合金板与6061铝合金板的第一道熔钎焊接，焊缝宽度记为C1；
步骤5，清理工件表面，调整等离子束焊接模式，采用直流焊接，设置等离子束焊接电流：120-180A，焊接速度200-300mm/min，调节程序，使钨极偏置在钛板上，新轨迹与对接接头中心线的垂直偏置距离a1：3-6mm，开始焊接，等离子束与工件作用并形成完整熔池后，等离子束沿X轴水平运动，完成Ti-6Al-4V钛合金板与6061铝合金板的第二道重熔改性焊接，焊缝宽度记为C2，该焊缝不与前一熔钎焊缝交叉。
进一步的，步骤2中，焊前准备具体步骤为：
步骤2.1，Ti-6Al-4V钛合金板与6061铝合金板待焊位置及相邻50mm区域表面采用纸砂轮和钢丝刷机械打磨，露出金属光泽，再使用280#、400#、600#砂纸精细打磨，得到平整待焊面，再使用丙酮进行表面油污清理；
步骤2.2，清理完成的待焊工件在2小时内完成焊接；
步骤2.3，Ti-6Al-4V钛合金板与6061铝合金板设置在不锈钢垫板上，垫板表面开有直径6-16mm半圆弧形槽，以保证焊缝背面成型；
步骤2.4，Ti-6Al-4V钛合金板与6061铝合金板对接接头的工装间隙范围b设置为：小于0.8mm。
步骤2.5，Ti-6Al-4V钛合金板与6061铝合金板对接接头的工装设置铝侧试板平台在上。
进一步的，步骤3中，设定的焊接参数为：钨极材料及直径：3.6mm铈钨极，内缩量：2-3mm、喷嘴与工件距离：3-8mm。
进一步的，步骤3中，保护气采用99.999％氩气保护，保护气流量为18-25L/min，吹气管与焊接平面保持30-60°，离子气采用99.99％氩气，气体流量：2.0-2.5L/min。
进一步的，步骤3，4，5中，对接接头中心线为焊接试板正面的钛铝交接线。
进一步的，步骤4和5中，形成完整熔池后，等离子束沿X轴水平运动，等离子驻留时间设定为0.5-1.5s。
进一步的，步骤5中，第二道焊缝与第一道熔钎焊缝相近但不交叉，1/2(C1+C2)+3mm≥a2+a2+b＞1/2(C1+C2)。
进一步的，Ti-6Al-4V钛合金板合金质量百分组成为：Ti：89.12％、Al：6.42％、V：4.30％、Fe：0.05％、C：0.03％；6061铝合金板质量百分组成为:Si 0.4％、Fe 0.7％、Cu0.15-0.4％、Mn 0.15％、Mg 0.8-1.2％、Cr 0.08-0.35％、Zn 0.25％、Ti 0.15％、Al余量。
本发明相对于现有技术相比，具有显著优点如下：
1、本发明在钛铝异种金属焊接过程中，基于异种金属连接常规的熔钎焊接工艺，采用第一道等离子束稍微偏置铝侧的焊接方法完成连接，通过控制焊接工艺，有效控制了初生的不利取向金属间化合物的分布及含量。
2、本发明在第一次熔钎焊缝相邻的钛侧，利用该异种金属组合之间熔点的巨大差异，进行第二次稍微偏置钛侧的等离子焊接，该焊道与一次熔钎焊道相接近但不交叉，通过该焊接温度场，构建了一种作用于异种金属焊接结合界面的金属间化合物层的微区局域重熔，紊乱定向结晶并实现反向结晶和界面形态重构的连接工艺。
3、本发明通过特殊的接头设计，有效的解决了重熔改性的焊接工艺下，由于铝合金侧较小的热输出和短的高温停留时间，从而难以实现很好的钛铝根部连接的问题。
4、本发明的工艺能够明显提高钛铝异种接头的强韧性，抗拉强度相比常规熔钎焊接接头提升约20％，接头表现部分韧性断裂。
附图说明
图1是本发明的特殊接头的横截面示意图。
图2是完成第一次熔钎焊接的结构示意图。
图3是完成第二次钛侧偏置焊接的结构示意图。
图4是本发明的焊接结构示意图。
图5是偏置铝侧的熔钎焊接断口扫描电镜图。
图6是基于第一次铝侧熔钎焊接，再偏置钛侧重构焊接的断口扫描电镜图。
具体实施方式
本发明技术方法不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。
采用变极性等离子焊机进行Ti-6Al-4V钛合金与6061铝合金板的等离子焊接，图4为焊接结构示意图。
实施例1
本实施方式中对Ti-6Al-4V钛合金和6061铝合金的等离子焊接方法按以下步骤进行：
第一步：准备100*50*4mm规格的Ti-6Al-4V钛合金板和6061铝合金板材试样，采用线切割方式在焊接面切出100*3*1mm钛侧平台和100*3*3mm铝侧平台。待焊位置及相邻50mm区域表面采用纸砂轮和钢丝刷机械打磨，露出金属光泽，使用280#、400#、600#目数砂纸精细打磨，去除钛铝待焊面及周边50mm区域表面氧化层，得到平整待焊面，再使用丙酮进行表面油污清理。
钛铝材料分别是Ti-6Al-4V钛合金和6061铝合金，其中，所述的Ti-6Al-4V钛合金板合金质量百分组成为：Ti：89.12％、Al：6.42％、V：4.30％、Fe：0.05％、C：0.03％；6061铝合金板质量百分组成为:Si 0.4％、Fe 0.7％、Cu 0.15-0.4％、Mn 0.15％、Mg 0.8-1.2％、Cr 0.08-0.35％、Zn 0.25％、Ti 0.15％、Al余量。
第二步：对焊接试板进行装配，铝侧平台位于上端，无间隙紧密对接，间隙误差b≤0.3mm。Ti-6Al-4V钛合金板与6061铝合金板设置在不锈钢垫板上，垫板表面开有直径6mm半圆弧形槽，使焊接位置与之对齐并固定。
第三步：按照对接试板中心线轨迹，示校编程，设定等离子运动路径，并设置等离子焊接参数：钨极材料及直径：3.6mm铈钨极，内缩量：3mm、喷嘴与工件距离：6mm。采用99.999％氩气保护，保护气流量为20L/min，吹气管与焊接平面保持45°，离子气采用99.99％氩气，气体流量：2.0L/min。
第四步：调整等离子钨极对准位置，使其聚焦于铝侧，并设定偏离对接接头中心线的偏置距离a1：5.0mm，等离子起弧后驻留时间设定为1s，采用变极性等离子焊接模式，设定等离子正半波焊接电流：80A，负半波焊接电流：120A，焊接速度200mm/min。
第五步：打开气压阀，调整保护气体出气位置，使其跟随焊接熔池，并位于熔池后退侧。
第六步：打开保护气体限制开关，保护气正常打开后，开启等离子焊接程序完成第一次偏置铝侧等离子熔钎焊接。
第七步：调整程序，使钨极对准位置偏置于钛侧，调节偏置距离为4mm，调整等离子焊接模式为直流焊接，重新设定等离子电流为160A。打开保护气体限制开关，保护气正常打开后，开启等离子焊接程序完成第二次偏置钛侧等离子重熔焊接。
第八步：取下加工试件，表面清理后进行拉伸测试及微观接头结合界面观察，金属间化合物层存在部分重熔，该层厚度减薄。
第九步：接头的拉伸强度为185Mpa，断口未发现二次裂纹，有部分韧断区。
实施例2
本实施方式中对Ti-6Al-4V钛合金和6061铝合金的等离子焊接方法按以下步骤进行：
第一步：准备100*50*4mm规格的Ti-6Al-4V钛合金板和6061铝合金板材试样，采用线切割方式在焊接面切出100*3*1mm钛侧平台和100*3*3mm铝侧平台。待焊位置及相邻50mm区域表面采用纸砂轮和钢丝刷机械打磨，露出金属光泽，使用280#、400#、600#目数砂纸精细打磨，去除钛铝待焊面及周边50mm区域表面氧化层，得到平整待焊面，再使用丙酮进行表面油污清理。
钛铝材料分别是Ti-6Al-4V钛合金和6061铝合金，其中，所述的Ti-6Al-4V钛合金板合金质量百分组成为：Ti：89.12％、Al：6.42％、V：4.30％、Fe：0.05％、C：0.03％；6061铝合金板质量百分组成为:Si 0.4％、Fe 0.7％、Cu 0.15-0.4％、Mn 0.15％、Mg 0.8-1.2％、Cr 0.08-0.35％、Zn 0.25％、Ti 0.15％、Al余量。
第二步：对焊接试板进行装配，铝侧平台位于上端，无间隙紧密对接，间隙误差b≤0.3mm。Ti-6Al-4V钛合金板与6061铝合金板设置在不锈钢垫板上，垫板表面开有直径6mm半圆弧形槽，使焊接位置与之对齐并固定。
第三步：按照对接试板中心线轨迹，示校编程，设定等离子运动路径，并设置等离子焊接参数：钨极材料及直径：3.6mm铈钨极，内缩量：3mm、喷嘴与工件距离：6mm。采用99.999％氩气保护，保护气流量为20L/min，吹气管与焊接平面保持45°，离子气采用99.99％氩气，气体流量：2.0L/min。
第四步：调整等离子钨极对准位置，使其聚焦于铝侧，并设定偏离对接接头中心线的偏置距离a1：5.0mm，等离子起弧后驻留时间设定为1s，采用变极性等离子焊接模式，设定等离子正半波焊接电流：80A，负半波焊接电流：120A，焊接速度200mm/min。
第五步：打开气压阀，调整保护气体出气位置，使其跟随焊接熔池，并位于熔池后退侧。
第六步：打开保护气体限制开关，保护气正常打开后，开启等离子焊接程序完成第一次偏置铝侧等离子熔钎焊接。
第七步：调整程序，使钨极对准位置偏置于钛侧，调节偏置距离为5mm，调整等离子焊接模式为直流焊接，重新设定等离子电流为160A。打开保护气体限制开关，保护气正常打开后，开启等离子焊接程序完成第二次偏置钛侧等离子重熔焊接。
第八步：取下加工试件，表面清理后进行拉伸测试及微观接头结合界面观察，金属间化合物层存在部分重熔，该层厚度减薄。
第九步：接头的拉伸强度为180Mpa，断口未发现二次裂纹，有部分韧断区。
实施例3
本实施方式中对Ti-6Al-4V钛合金和6061铝合金的等离子焊接方法按以下步骤进行：
第一步：准备100*50*4mm规格的Ti-6Al-4V钛合金板和6061铝合金板材试样，采用线切割方式在焊接面切出100*3*1mm钛侧平台和100*3*3mm铝侧平台。待焊位置及相邻50mm区域表面采用纸砂轮和钢丝刷机械打磨，露出金属光泽，使用280#、400#、600#目数砂纸精细打磨，去除钛铝待焊面及周边50mm区域表面氧化层，得到平整待焊面，再使用丙酮进行表面油污清理。
钛铝材料分别是Ti-6Al-4V钛合金和6061铝合金，其中，所述的Ti-6Al-4V钛合金板合金质量百分组成为：Ti：89.12％、Al：6.42％、V：4.30％、Fe：0.05％、C：0.03％；6061铝合金板质量百分组成为:Si 0.4％、Fe 0.7％、Cu 0.15-0.4％、Mn 0.15％、Mg 0.8-1.2％、Cr 0.08-0.35％、Zn 0.25％、Ti 0.15％、Al余量。
第二步：对焊接试板进行装配，铝侧平台位于上端，无间隙紧密对接，间隙误差b≤0.3mm。Ti-6Al-4V钛合金板与6061铝合金板设置在不锈钢垫板上，垫板表面开有直径6mm半圆弧形槽，使焊接位置与之对齐并固定。
第三步：按照对接试板中心线轨迹，示校编程，设定等离子运动路径，并设置等离子焊接参数：钨极材料及直径：3.6mm铈钨极，内缩量：3mm、喷嘴与工件距离：6mm。采用99.999％氩气保护，保护气流量为20L/min，吹气管与焊接平面保持45°，离子气采用99.99％氩气，气体流量：2.0L/min。
第四步：调整等离子钨极对准位置，使其聚焦于铝侧，并设定偏离对接接头中心线的偏置距离a1：6.0mm，等离子起弧后驻留时间设定为1s，采用变极性等离子焊接模式，设定等离子正半波焊接电流：80A，负半波焊接电流：140A，焊接速度200mm/min。
第五步：打开气压阀，调整保护气体出气位置，使其跟随焊接熔池，并位于熔池后退侧。
第六步：打开保护气体限制开关，保护气正常打开后，开启等离子焊接程序完成第一次偏置铝侧等离子熔钎焊接。
第七步：调整程序，使钨极对准位置偏置于钛侧，调节偏置距离为4mm，调整等离子焊接模式为直流焊接，重新设定等离子电流为150A。打开保护气体限制开关，保护气正常打开后，开启等离子焊接程序完成第二次偏置钛侧等离子重熔焊接。
第八步：取下加工试件，表面清理后进行拉伸测试及微观接头结合界面观察，金属间化合物层存在部分重熔，该层厚度减薄。
第九步：接头的拉伸强度为171Mpa，断口发现二次裂纹，有部分韧断区。
实施例4
本实施方式中对Ti-6Al-4V钛合金和6061铝合金的等离子焊接方法按以下步骤进行：
第一步：准备100*50*4mm规格的Ti-6Al-4V钛合金板和6061铝合金板材试样，采用线切割方式在焊接面切出100*3*1mm钛侧平台和100*3*3mm铝侧平台。待焊位置及相邻50mm区域表面采用纸砂轮和钢丝刷机械打磨，露出金属光泽，使用280#、400#、600#目数砂纸精细打磨，去除钛铝待焊面及周边50mm区域表面氧化层，得到平整待焊面，再使用丙酮进行表面油污清理。
钛铝材料分别是Ti-6Al-4V钛合金和6061铝合金，其中，所述的Ti-6Al-4V钛合金板合金质量百分组成为：Ti：89.12％、Al：6.42％、V：4.30％、Fe：0.05％、C：0.03％；6061铝合金板质量百分组成为:Si 0.4％、Fe 0.7％、Cu 0.15-0.4％、Mn 0.15％、Mg 0.8-1.2％、Cr 0.08-0.35％、Zn 0.25％、Ti 0.15％、Al余量。
第二步：对焊接试板进行装配，铝侧平台位于上端，无间隙紧密对接，间隙误差b≤0.3mm。Ti-6Al-4V钛合金板与6061铝合金板设置在不锈钢垫板上，垫板表面开有直径6mm半圆弧形槽，使焊接位置与之对齐并固定。
第三步：按照对接试板中心线轨迹，示校编程，设定等离子运动路径，并设置等离子焊接参数：钨极材料及直径：3.6mm铈钨极，内缩量：3mm、喷嘴与工件距离：6mm。采用99.999％氩气保护，保护气流量为20L/min，吹气管与焊接平面保持45°，离子气采用99.99％氩气，气体流量：2.0L/min。
第四步：调整等离子钨极对准位置，使其聚焦于铝侧，并设定偏离对接接头中心线的偏置距离a1：6.0mm，等离子起弧后驻留时间设定为1s，采用变极性等离子焊接模式，设定等离子正半波焊接电流：70A，负半波焊接电流：120A，焊接速度200mm/min。
第五步：打开气压阀，调整保护气体出气位置，使其跟随焊接熔池，并位于熔池后退侧。
第六步：打开保护气体限制开关，保护气正常打开后，开启等离子焊接程序完成第一次偏置铝侧等离子熔钎焊接。
第七步：调整程序，使钨极对准位置偏置于钛侧，调节偏置距离为4mm，调整等离子焊接模式为直流焊接，重新设定等离子电流为150A。打开保护气体限制开关，保护气正常打开后，开启等离子焊接程序完成第二次偏置钛侧等离子重熔焊接。
第八步：取下加工试件，表面清理后进行拉伸测试及微观接头结合界面观察，金属间化合物层存在部分重熔，该层厚度减薄。
第九步：接头的拉伸强度为163Mpa，断口发现二次裂纹，有部分韧断区。
实施例5
本实施方式中对Ti-6Al-4V钛合金和6061铝合金的等离子焊接方法按以下步骤进行：
第一步：准备100*50*4mm规格的Ti-6Al-4V钛合金板和6061铝合金板材试样，采用线切割方式在焊接面切出100*3*1mm钛侧平台和100*3*3mm铝侧平台。待焊位置及相邻50mm区域表面采用纸砂轮和钢丝刷机械打磨，露出金属光泽，使用280#、400#、600#目数砂纸精细打磨，去除钛铝待焊面及周边50mm区域表面氧化层，得到平整待焊面，再使用丙酮进行表面油污清理。
钛铝材料分别是Ti-6Al-4V钛合金和6061铝合金，其中，所述的Ti-6Al-4V钛合金板合金质量百分组成为：Ti：89.12％、Al：6.42％、V：4.30％、Fe：0.05％、C：0.03％；6061铝合金板质量百分组成为:Si 0.4％、Fe 0.7％、Cu 0.15-0.4％、Mn 0.15％、Mg 0.8-1.2％、Cr 0.08-0.35％、Zn 0.25％、Ti 0.15％、Al余量。
第二步：对焊接试板进行装配，铝侧平台位于上端，无间隙紧密对接，间隙误差b≤0.3mm。Ti-6Al-4V钛合金板与6061铝合金板设置在不锈钢垫板上，垫板表面开有直径6mm半圆弧形槽，使焊接位置与之对齐并固定。
第三步：按照对接试板中心线轨迹，示校编程，设定等离子运动路径，并设置等离子焊接参数：钨极材料及直径：3.6mm铈钨极，内缩量：3mm、喷嘴与工件距离：6mm。采用99.999％氩气保护，保护气流量为20L/min，吹气管与焊接平面保持45°，离子气采用99.99％氩气，气体流量：2.0L/min。
第四步：调整等离子钨极对准位置，使其聚焦于铝侧，并设定偏离对接接头中心线的偏置距离a1：4.0mm，等离子起弧后驻留时间设定为1s，采用变极性等离子焊接模式，设定等离子正半波焊接电流：70A，负半波焊接电流：120A，焊接速度200mm/min。
第五步：打开气压阀，调整保护气体出气位置，使其跟随焊接熔池，并位于熔池后退侧。
第六步：打开保护气体限制开关，保护气正常打开后，开启等离子焊接程序完成第一次偏置铝侧等离子熔钎焊接。
第七步：调整程序，使钨极对准位置偏置于钛侧，调节偏置距离为5mm，调整等离子焊接模式为直流焊接，重新设定等离子电流为170A。打开保护气体限制开关，保护气正常打开后，开启等离子焊接程序完成第二次偏置钛侧等离子重熔焊接。
第八步：取下加工试件，表面清理后进行拉伸测试及微观接头结合界面观察，金属间化合物层存在部分重熔，该层厚度减薄。
第九步：接头的拉伸强度为175Mpa，断口发现二次裂纹，有部分韧断区。
实施例6
本实施方式中对Ti-6Al-4V钛合金和6061铝合金的等离子焊接方法按以下步骤进行：
第一步：准备100*50*4mm规格的Ti-6Al-4V钛合金板和6061铝合金板材试样，采用线切割方式在焊接面切出100*3*1mm钛侧平台和100*3*3mm铝侧平台。待焊位置及相邻50mm区域表面采用纸砂轮和钢丝刷机械打磨，露出金属光泽，使用280#、400#、600#目数砂纸精细打磨，去除钛铝待焊面及周边50mm区域表面氧化层，得到平整待焊面，再使用丙酮进行表面油污清理。
钛铝材料分别是Ti-6Al-4V钛合金和6061铝合金，其中，所述的Ti-6Al-4V钛合金板合金质量百分组成为：Ti：89.12％、Al：6.42％、V：4.30％、Fe：0.05％、C：0.03％；6061铝合金板质量百分组成为:Si 0.4％、Fe 0.7％、Cu 0.15-0.4％、Mn 0.15％、Mg 0.8-1.2％、Cr 0.08-0.35％、Zn 0.25％、Ti 0.15％、Al余量。
第二步：对焊接试板进行装配，铝侧平台位于上端，无间隙紧密对接，间隙误差b≤0.3mm。Ti-6Al-4V钛合金板与6061铝合金板设置在不锈钢垫板上，垫板表面开有直径6mm半圆弧形槽，使焊接位置与之对齐并固定。
第三步：按照对接试板中心线轨迹，示校编程，设定等离子运动路径，并设置等离子焊接参数：钨极材料及直径：3.6mm铈钨极，内缩量：3mm、喷嘴与工件距离：6mm。采用99.999％氩气保护，保护气流量为20L/min，吹气管与焊接平面保持45°，离子气采用99.99％氩气，气体流量：2.0L/min。
第四步：调整等离子钨极对准位置，使其聚焦于铝侧，并设定偏离对接接头中心线的偏置距离a1：5.0mm，等离子起弧后驻留时间设定为1s，采用变极性等离子焊接模式，设定等离子正半波焊接电流：70A，负半波焊接电流：140A，焊接速度200mm/min。
第五步：打开气压阀，调整保护气体出气位置，使其跟随焊接熔池，并位于熔池后退侧。
第六步：打开保护气体限制开关，保护气正常打开后，开启等离子焊接程序完成第一次偏置铝侧等离子熔钎焊接。
第七步：调整程序，使钨极对准位置偏置于钛侧，调节偏置距离为4mm，调整等离子焊接模式为直流焊接，重新设定等离子电流为170A。打开保护气体限制开关，保护气正常打开后，开启等离子焊接程序完成第二次偏置钛侧等离子重熔焊接。
第八步：取下加工试件，表面清理后进行拉伸测试及微观接头结合界面观察，金属间化合物层存在部分重熔，该层厚度减薄。
第九步：接头的拉伸强度为180Mpa，断口未发现二次裂纹，有部分韧断区。
实施例7
本实施方式中对Ti-6Al-4V钛合金和6061铝合金的等离子焊接方法按以下步骤进行：
第一步：准备100*50*4mm规格的Ti-6Al-4V钛合金板和6061铝合金板材试样，采用线切割方式在焊接面切出100*3*1mm钛侧平台和100*3*3mm铝侧平台。待焊位置及相邻50mm区域表面采用纸砂轮和钢丝刷机械打磨，露出金属光泽，使用280#、400#、600#目数砂纸精细打磨，去除钛铝待焊面及周边50mm区域表面氧化层，得到平整待焊面，再使用丙酮进行表面油污清理。
钛铝材料分别是Ti-6Al-4V钛合金和6061铝合金，其中，所述的Ti-6Al-4V钛合金板合金质量百分组成为：Ti：89.12％、Al：6.42％、V：4.30％、Fe：0.05％、C：0.03％；6061铝合金板质量百分组成为:Si 0.4％、Fe 0.7％、Cu 0.15-0.4％、Mn 0.15％、Mg 0.8-1.2％、Cr 0.08-0.35％、Zn 0.25％、Ti 0.15％、Al余量。
第二步：对焊接试板进行装配，铝侧平台位于上端，无间隙紧密对接，间隙误差b≤0.3mm。Ti-6Al-4V钛合金板与6061铝合金板设置在不锈钢垫板上，垫板表面开有直径6mm半圆弧形槽，并使焊接位置与之对齐。同时，固定对接试板于等离子表面焦点或下焦点位置，对接面平行于水平导轨运动方向。
第三步：按照对接试板中心线轨迹，示校编程，设定等离子运动路径，并设置等离子焊接参数：钨极材料及直径：3.6mm铈钨极，内缩量：3mm、喷嘴与工件距离：6mm。采用99.999％氩气保护，保护气流量为20L/min，吹气管与焊接平面保持45°，离子气采用99.99％氩气，气体流量：2.0L/min。
第四步：调整等离子钨极对准位置，使其聚焦于铝侧，并设定偏离对接接头中心线的偏置距离a1：5.0mm，等离子起弧后驻留时间设定为1s，采用变极性等离子焊接模式，设定等离子正半波焊接电流：80A，负半波焊接电流：120A，焊接速度200mm/min。
第五步：打开气压阀，调整保护气体出气位置，使其跟随焊接熔池，并位于熔池后退侧。
第六步：打开保护气体限制开关，保护气正常打开后，开启等离子焊接程序完成第一次偏置铝侧等离子熔钎焊接。
第七步：将焊接试板于固定夹具上拆卸，调换背面作为焊接面，重新固定，保持原始焊接高度不变并使对接面平行于水平移动导轨。使用丙酮对焊接面进行清理。
第八步：调整程序，使钨极对准对接试板中心稍偏置铝侧，重新设定等离子正半波焊接电流：10A，负半波焊接电流：18A，焊接速度200mm/min。打开保护气体限制开关，保护气正常打开后，开启等离子焊接程序完成第二次根部强化焊接。
第九步：调整程序，使钨极对准位置偏置于钛侧，调节偏置距离为4mm，调整等离子焊接模式为直流焊接，重新设定等离子电流为160A。打开保护气体限制开关，保护气正常打开后，开启等离子焊接程序完成第三次偏置钛侧等离子重熔焊接。
第十步：取下加工试件，表面清理后进行拉伸测试及微观接头结合界面观察，金属间化合物层存在部分重熔，该层厚度减薄。
第十一步：接头的拉伸强度为190Mpa，断口未发现二次裂纹，有部分韧断区，根部强化对焊接试样强度具有提升效果。
上述实施例的焊接参数及拉伸强度如表所述：
焊接实验记录数据表：
图1中：1.Ti-6Al-4V钛合金板，2.6061铝合金板，3.铝侧平台高度d1，4.钛侧平台高度d2，5.对接试板厚度d。
图2中：1.Ti-6Al-4V钛合金板，2.6061铝合金板，3.第一次偏置铝侧熔钎焊接焊缝，4.对接接头中心线，5.第一次偏置铝侧熔钎焊接焊缝中心线，6.对接试板厚度d。
图3中：1.Ti-6Al-4V钛合金板，2.6061铝合金板，3.第一次偏置铝侧熔钎焊接焊缝，4.对接接头中心线，5.第一次偏置铝侧熔钎焊接焊缝中心线，6.对接试板厚度d，7.第二次偏置钛侧焊缝，8.偏置钛侧焊缝中心线。
图4中：1.偏铝侧等离子焊枪，2.偏钛侧等离子束焊枪，3.6061铝合金，4.Ti-6Al-4V钛合金板，5.第一次焊接铝侧偏置距离，6.第二次焊接钛侧偏置距离，7.试板对接中心线，8.焊缝中心线。
Claims (10)
1.一种钛合金和铝合金的等离子焊接方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1，制备Ti-6Al-4V钛合金板与6061铝合金板接头结构，在Ti-6Al-4V钛合金板与6061铝合金板接头形成的I型接头的两个对接面上分别切割出一个沿焊接件厚度方向的凸起平台，两对接试板形成的台阶状接头结构相互对接并契合形成待焊接头，所述的凸起平台在焊接件长度及宽度方向等长，在厚度方向的高度之和为对接试板厚度；
步骤2，将Ti-6Al-4V钛合金板与6061铝合金板进行焊前处理，包括去油、去污、去除氧化膜、工装；
步骤3，按照对接试板中心线轨迹，示校编程，设定等离子运动路径，并设置等离子焊接参数：钨极材料及直径、内缩量、喷嘴与工件距离，保护气和离子气；
步骤4，采用变极性等离子焊接模式，设定等离子正半波焊接电流：50-90A，负半波焊接电流：100-140A，焊接速度200-300mm/min，调节程序，使钨极偏置于铝板上，新轨迹与对接接头中心线的垂直偏置距离a1：4-8mm，开始焊接，等离子束与工件作用并形成完整熔池后，等离子束沿X轴水平运动，完成Ti-6Al-4V钛合金板与6061铝合金板的第一道熔钎焊接，焊缝宽度记为C1；
步骤5，清理工件表面，调整等离子束焊接模式，采用直流焊接，设置等离子束焊接电流：120-180A，焊接速度200-300mm/min，调节程序，使钨极偏置在钛板上，新轨迹与对接接头中心线的垂直偏置距离a1：3-6mm，开始焊接，等离子束与工件作用并形成完整熔池后，等离子束沿X轴水平运动，完成Ti-6Al-4V钛合金板与6061铝合金板的第二道重熔改性焊接，焊缝宽度记为C2，该焊缝不与前一熔钎焊缝交叉。
2.根据权利要求1所述的钛合金与铝合金的焊接方法，其特征在于，步骤1中，所述的凸起平台宽度范围a：0＜a＜C1。
3.根据权利要求1所述的钛合金与铝合金的焊接方法，其特征在于，步骤1中，在厚度方向的高度之和为对接试板厚度即钛侧平台高度d1，铝侧平台高度d2和试板厚度d关系为：d1+d2＝d。
4.根据权利要求1所述的钛合金与铝合金的焊接方法，其特征在于，步骤2中，所述的焊前准备步骤为：
步骤2.1，Ti-6Al-4V钛合金板与6061铝合金板待焊位置及相邻50mm区域表面采用纸砂轮和钢丝刷机械打磨，露出金属光泽，再使用280#、400#、600#砂纸精细打磨，得到平整待焊面，再使用丙酮进行表面油污清理；
步骤2.2，清理完成的待焊工件在2小时内完成焊接；
步骤2.3，Ti-6Al-4V钛合金板与6061铝合金板设置在不锈钢垫板上，垫板表面开有直径6-16mm半圆弧形槽，以保证焊缝背面成型；
步骤2.4，Ti-6Al-4V钛合金板与6061铝合金板对接接头的工装间隙范围b设置为：小于0.8mm；
步骤2.5，Ti-6Al-4V钛合金板与6061铝合金板对接接头的工装设置铝侧试板凸起平台在上。
5.根据权利要求1所述的钛合金板与铝合金板的焊接方法，其特征在于，步骤3，4，5中的对接接头中心线为焊接试板正面的钛铝交接线。
6.根据权利要求1所述的钛合金板与铝合金板的焊接方法，其特征在于，步骤3中，设定的焊接参数为：钨极材料及直径：3.6mm铈钨极，内缩量：2-3mm、喷嘴与工件距离：3-8mm。
7.根据权利要求1所述的钛合金板与铝合金板的焊接方法，其特征在于，步骤3中，所述的保护气采用99.999％氩气保护，保护气流量为18-25L/min，吹气管与焊接平面保持30-60°，离子气采用99.99％氩气，气体流量：2.0-2.5L/min。
8.根据权利要求1所述的钛合金板与铝合金板的焊接方法，其特征在于，步骤4和5中，所述的形成完整熔池后，等离子束沿X轴水平运动，等离子束驻留时间设定为0.5-1.5s。
9.根据权利要求1所述的钛合金板与铝合金板的焊接方法，其特征在于，步骤5中，第二道焊缝与第一道熔钎焊缝相近但不交叉，1/2(C1+C2)+5mm≥a2+a2+b＞1/2(C1+C2)。
10.根据权利要求1所述的钛合金板与铝合金板的焊接方法，其特征在于，所述的Ti-6Al-4V钛合金板合金质量百分组成为：Ti：89.12％、Al：6.42％、V：4.30％、Fe：0.05％、C：0.03％；6061铝合金板质量百分组成为:Si 0.4％、Fe 0.7％、Cu 0.15-0.4％、Mn 0.15％、Mg 0.8-1.2％、Cr 0.08-0.35％、Zn 0.25％、Ti 0.15％、Al余量。
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