CN109226951A

CN109226951A - 钛合金精密复杂结构件的连接方法

Info

Publication number: CN109226951A
Application number: CN201811330554.2A
Authority: CN
Inventors: 徐海升; 肖志兵; 吴钦; 李青艳; 唐伟; 熊贺芹
Original assignee: Hubei Sanjiang Space Jiangbei Mechanical Engineering Co Ltd
Current assignee: Hubei Sanjiang Space Jiangbei Mechanical Engineering Co Ltd
Priority date: 2018-11-09
Filing date: 2018-11-09
Publication date: 2019-01-18

Abstract

本发明公开了一种钛合金精密复杂结构件的连接方法，将钛合金结构件A和钛合金结构件B按图样要求进行机加工至所需尺寸‑将中间层合金剪裁成与连接表面形状一致的中间层合金单元并清理‑将中间层合金单元布置在钛合金结构件A连接表面与钛合金结构件B连接表面之间形成预连接零件‑将预连接零件放入专用装配压紧工装后采用0.05～0.2MPa的压力压紧，放入真空炉中升温至800～950℃、保温80～150min。中间层钛锆基合金降低了连接温度和连接压力，有效地降低了连接过程中复杂构件与薄壁面板之间连接的热应力，且连接接头稳定、连接强度高、耐高温、密封性好，解决了钛合金精密零件的高精度、高密封性连接问题。

Description

钛合金精密复杂结构件的连接方法

技术领域

本发明属于航天结构件精密连接技术领域，具体地指一种钛合金精密复杂结构件的连接方法。

背景技术

随着航天技术的不断向前发展，越来越多的新技术被应用到航天产品结构件的加工制造过程中。其中，3D打印技术以其快速成型、材料利用率高、适应复杂构件一次成型的特点，迅速在航天行业得到发展和应用。但是，3D打印技术也有一些局限性，具体表现在：打印件表面粗糙度较低、微小尺寸形位公差和传统机械加工零件差距较大、不能满足航天高精密部件精度要求等。钛合金以其低密度、高强度、耐高温等特性在航天产品中广泛应用。将3D打印技术和传统机械加工技术结合，并通过新型焊接方法实现特殊航天零件的制造是一种可靠途径。解决复杂结构、3D打印精密加工结构件之间的连接问题，对于推动3D打印技术在航天产品生产制造方面的应用具有重要的现实意义。瞬时液相过渡连接(TLP)技术以其独特的焊接可靠性、焊接接头强度、接头密封性等优点，特别适合航天异型、精密构件之间的连接。解决3D打印并经过精密加工的结构件的有效连接，可以极大的推动3D打印技术在航天产品的实际应用。

发明内容

本发明的目的就是要针对上述技术的不足，提供了一种高连接接头强度、高密封性的钛合金精密复杂结构件的连接方法。

为实现上述目的，本发明所设计的钛合金精密复杂结构件的连接方法，包括以下步骤：

1)将钛合金结构件A和钛合金结构件B按图样要求进行机加工至所需尺寸，并将钛合金结构件A和钛合金结构件B的连接表面均进行清理；

2)将中间层合金剪裁成与连接表面形状一致的中间层合金单元并清理；

3)将中间层合金单元布置在钛合金结构件A连接表面与钛合金结构件B连接表面之间形成预连接零件，并检测预连接零件的周向跳动；

4)将预连接零件放入专用装配压紧工装后采用0.05～0.2MPa的压力压紧，并将专用装配压紧工装放入真空炉中，升温至800～950℃、保温80～150min，后随炉冷却获得所需产品。

进一步地，所述步骤1)中，钛合金结构件A和钛合金结构件B均为3D打印的钛合金结构件。

进一步地，所述步骤1)中，机加工后的钛合金结构件A和钛合金结构件B的连接表面粗糙度均不大于Ra1.6、平面度均不大于0.05，且机加工后的钛合金结构件A和钛合金结构件B的上下表面平行度均不大于0.05。

进一步地，所述步骤1)中，钛合金结构件A和钛合金结构件B的连接表面清理方法相同，具体为：

用金相砂纸平磨连接表面，平磨后用CCL₄浸泡并超声清洗钛合金结构件A和钛合金结构件B。

进一步地，所述步骤2)中，中间层合金单元的厚度为0.05～0.08mm、宽度为连接表面宽度的0.7～0.8倍；

进一步地，所述步骤2)中，中间层合金为钛锆基合金，按重量百分比包括35～40％的Zr、10～15％的Cu、8～12％的Ni、1～5％的Co，剩余的为Ti。

进一步地，所述步骤3)中，布置过程中若有搭接位置，则搭接宽度不超过连接表面宽度的80％，且搭接位置中间层合金切割成三角形。

进一步地，所述步骤4)中，整个加热及冷却过程中真空度均低于2.0x10^-2Pa。

进一步地，所述步骤4)中，专用装配压紧工装包括底板、多根沿圆周均匀固定在底板上的压紧螺杆、套在压紧螺杆上且位于压紧螺杆下端的下压紧块、设置在下压紧块上的主支撑块、穿过上压块且套在压紧螺杆上的上压紧块及与上压块对顶设置的下压块，以及设置在所有压紧螺杆端部的拧紧螺母，其中，主支撑块上下表面平面度不大于0.05mm。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：本发明精密复杂结构件的连接方法，中间层钛锆基合金降低了连接温度和连接压力，有效地降低了连接过程中复杂构件与薄壁面板之间连接的热应力，且连接接头稳定、连接强度高、耐高温、密封性好，解决了钛合金精密零件的高精度、高密封性连接问题；尤其适用于中小尺寸的3D打印钛合金结构件焊后变形小、密封性要求高的结构件之间的连接。

附图说明

图1为本发明预连接零件示意图；

图2为本发明专用装配压紧工装结构示意图。

图中各部件标号如下：钛合金结构件A1、钛合金结构件B2、中间层合金单元3、压紧螺杆4、主支撑块5、上压紧块6、上压块7、下压块8、下压紧块9、拧紧螺母10、底板11。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于更清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

一种钛合金精密复杂结构件的连接方法，具体包括以下步骤：

1)将3D打印的钛合金结构件A1和钛合金结构件B2按图样要求进行机加工至所需尺寸，并将钛合金结构件A和钛合金结构件B的连接表面均进行清理；

其中，机加工后的钛合金结构件A和钛合金结构件B的连接表面粗糙度均不大于Ra1.6、平面度均不大于0.05，且机加工后的钛合金结构件A和钛合金结构件B的上下表面平行度均不大于0.05；

钛合金结构件A和钛合金结构件B的连接表面清理方法相同，具体为：

用800目金相砂纸平磨连接表面，金相砂纸平磨后钛合金结构件的连接表面不允许有贯穿连接表面的明显划痕，平磨后用CCL₄浸泡并超声清洗钛合金结构件，确保钛合金结构件腔体内部没有多余物；

2)将中间层合金剪裁成与连接表面形状一致的中间层合金单元3并清理，中间层合金单元的厚度为0.05～0.08mm、宽度为连接表面宽度的0.7～0.8倍；

中间层合金为钛锆基合金，按重量百分比包括35～40％的Zr、10～15％的Cu、8～12％的Ni、1～5％的Co，剩余的为Ti(优选为37.5％的Zr、12％的Cu、10％的Ni、3％的Co，剩余的为Ti)；

钛合金钎焊用钎料主要有银基合金钎料、铝基合金钎料和钛锆基合金钎料。银基合金钎料具有良好的塑性和合适的熔点，缺点是接头抗腐蚀性较差，高温强度较低；铝基合金钎料钎焊钛合金时，容易在焊缝处出现金属间化合物，导致接头脆性较大，疲劳及冲击强度较低；钛锆基合金钎料具有合适的熔点、接头强度高，可以在具有强腐蚀的环境下稳定工作，并且与钛合金具有相似的金属结构，适合钛合金的钎焊。为了更优化钛锆基合金钎料，根据化学冶金特点，在钛锆基合金钎料的基础上添加了铜和镍元素，能够进一步降低钛锆基合金钎料熔点，且由于铜、镍元素是β相稳定元素，能够促进TC4本体材料保持α+β双相稳定，保证焊缝组织与性能与母材本体最大程度统一。

3)将中间层合金单元3布置在钛合金结构件A1连接表面与钛合金结构件B2连接表面之间形成预连接零件(如图1所示)，并检测预连接零件的周向跳动；布置过程中若有搭接位置，则搭接宽度不超过连接表面宽度的80％，且搭接位置中间层合金切割成三角形；

4)将预连接零件放入专用装配压紧工装后采用0.05～0.2MPa的压力压紧，并将专用装配压紧工装放入真空炉中采用瞬时液相过渡连接(TLP)技术，升温至800～950℃、保温80～150min，后随炉冷却获得所需产品，且整个加热及冷却过程中真空度均低于2.0x10^- ²Pa；钛锆基非晶合金熔点为800℃，根据焊接特点，确定焊接温度高于800℃，但是结构件母材钛合金为α+β双相钛合金，α→β转变温度为952℃，为了避免相变，焊接温度需低于相变温度。所以确定焊接温度为800～950℃。

在焊接温度确定的情况下，为了保证钛锆基合金中的锆、铜、镍元素充分扩散，增强焊缝强度，适当延长焊接时间，但是较长的焊接时间对于焊接效率、能源消耗、焊接成本都有较大损失，所以，通过工艺实验，在满足焊接接头性能要求的前提下，焊接时间为80～150min；

钛锆基合金中的锆元素能够显著降低钛合金的熔点，将传统钛钎料熔点从900℃以上降低到800℃；并通过钛锆基合金中间层合金加入，能够将焊接压力从传统扩散焊中的数十兆帕甚至一百多兆帕压力降低到低于1MPa。

预连接零件放入专用装配压紧工装后采用0.05～0.2MPa的压力压紧，且周向压力均匀，不存在压力偏移。(TLP焊接接头强度高、焊缝密封性好，为了保证较高的强度和较好的密封性，一定的焊接压力是必须的。但是，相比传统的扩散焊，TLP焊接在较小的压力下就能够促进中间层合金元素中的扩散，起到提高接头强度的作用；并且较小的压力能够减小产品焊接变形发，非常有利于精密结构件的焊接。根据相关实验，在0.05～0.2MPa的压力下，接头具有较好的连接强度，产品焊后变形较小，产品焊后圆度满足≤0.05mm、平面度≤0.05mm；并且较小的压力可以通过较简单的工装稳定加压。

5)限于产品结构的复杂性和产品工作条件的非承压性，对步骤4)中获得的产品进行氦质谱检漏检测。

专用装配压紧工装如附图2所示，包括底板11、多根沿圆周均匀固定在底板11上的压紧螺杆4、套在压紧螺杆4上且位于压紧螺杆4下端的下压紧块9、设置在下压紧块9上的主支撑块5、穿过上压块7且套在压紧螺杆4上的上压紧块6及与上压块7对顶设置的下压块8，以及设置在所有压紧螺杆4端部的拧紧螺母10，其中，主支撑块5上下表面平面度不大于0.05mm，主支撑块5材质为耐热不锈钢且与预连接零件直接接触面须经过抛光处理达到镜面状态。为了保证专用装配压紧工装在加压过程中对预连接零件均匀加压，压紧螺杆4为六根，压块为上下两块的对称结构，在压紧螺杆4均匀加压的情况下压力能均匀的加载在预连接零件上。

本发明精密复杂结构件的连接方法，中间层钛锆基合金降低了连接温度和连接压力，有效地降低了连接过程中复杂构件与薄壁面板之间连接的热应力，且连接接头稳定、连接强度高、耐高温、密封性好，解决了3D打印钛合金精密零件的高精度、高密封性连接问题。尤其适用于中小尺寸的3D打印钛合金结构件焊后变形小、密封性要求高的结构件之间的连接。

实施例

1)将3D打印的钛合金结构件A和钛合金结构件B按图样要求进行机加工至所需尺寸，并将钛合金结构件A和钛合金结构件B的连接表面均进行清理；

2)将中间层合金剪裁成与连接表面形状一致的中间层合金单元并清理，中间层合金单元的厚度为0.05～0.08mm、宽度为连接表面宽度的0.7～0.8倍；其中，中间层合金为钛锆基合金，按重量百分比包括37.5％的Zr、12％的Cu、10％的Ni、3％的Co，剩余的为Ti；

3)将中间层合金单元布置在钛合金结构件A连接表面与钛合金结构件B连接表面之间形成预连接零件；

4)将预连接零件放入专用装配压紧工装后采用0.1MPa的压力压紧，并将专用装配压紧工装放入真空炉中采用瞬时液相过渡连接(TLP)技术，升温至890℃、保温100min，后随炉冷却获得所需产品，且整个加热及冷却过程中真空度均低于2.0x10^-2Pa。

对比例采用银钎焊接钛合金结构件A和钛合金结构件B，实施例与对比例的产品连接性能指标见表1。

表1产品链接性能指标

从表1可以看出，本发明的连接强度高、密封性好，且连接接头质量稳定可靠，环境适应性强。

Claims

1.一种钛合金精密复杂结构件的连接方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述钛合金精密复杂结构件的连接方法，其特征在于：所述步骤1)中，钛合金结构件A和钛合金结构件B均为3D打印的钛合金结构件。

3.根据权利要求1所述钛合金精密复杂结构件的连接方法，其特征在于：所述步骤1)中，机加工后的钛合金结构件A和钛合金结构件B的连接表面粗糙度均不大于Ra1.6、平面度均不大于0.05，且机加工后的钛合金结构件A和钛合金结构件B的上下表面平行度均不大于0.05。

4.根据权利要求1所述钛合金精密复杂结构件的连接方法，其特征在于：所述步骤1)中，钛合金结构件A和钛合金结构件B的连接表面清理方法相同，具体为：

5.根据权利要求1所述钛合金精密复杂结构件的连接方法，其特征在于：所述步骤2)中，中间层合金单元的厚度为0.05～0.08mm、宽度为连接表面宽度的0.7～0.8倍。

6.根据权利要求1所述钛合金精密复杂结构件的连接方法，其特征在于：所述步骤2)中，中间层合金为钛锆基合金，按重量百分比包括35～40％的Zr、10～15％的Cu、8～12％的Ni、1～5％的Co，剩余的为Ti。

7.根据权利要求1所述钛合金精密复杂结构件的连接方法，其特征在于：所述步骤3)中，布置过程中若有搭接位置，则搭接宽度不超过连接表面宽度的80％，且搭接位置中间层合金切割成三角形。

8.根据权利要求1所述钛合金精密复杂结构件的连接方法，其特征在于：所述步骤4)中，整个加热及冷却过程中真空度均低于2.0x10^-2Pa。

9.根据权利要求1所述钛合金精密复杂结构件的连接方法，其特征在于：所述步骤4)中，专用装配压紧工装包括底板、多根沿圆周均匀固定在底板上的压紧螺杆、套在压紧螺杆上且位于压紧螺杆下端的下压紧块、设置在下压紧块上的主支撑块、穿过上压块且套在压紧螺杆上的上压紧块及与上压块对顶设置的下压块，以及设置在所有压紧螺杆端部的拧紧螺母，其中，主支撑块上下表面平面度不大于0.05mm。