CN109822094A - 一种Al-Ti合金异种金属焊接方法 - Google Patents

一种Al-Ti合金异种金属焊接方法 Download PDF

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顾成义
徐刚
鲁金忠
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Abstract

本发明涉及激光焊接和激光增材制造领域，具体涉及一种Al‑Ti合金异种金属焊接方法。本方法通过使用成分梯度变化的过渡金属板连接Al‑Ti合金异种金属的方式，从而将异种金属之间的焊接转化为同种金属之间的焊接，有效地解决了铝和钛由于熔点相差较大而造成的难以焊接的问题，并且有效的避免了Al‑Ti异种金属焊接过程中Al‑Ti脆性相的形成，从而改善了铝‑钛合金异种金属焊接质量，提高了铝‑钛合金异种金属焊接件的使用寿命。

Description

一种Al-Ti合金异种金属焊接方法
技术领域
本发明涉及激光焊接和激光增材制造领域，具体涉及一种Al-Ti合金异种金属焊接方法，能够通过使用成分梯度变化的过渡金属板连接Al-Ti合金异种金属的方式，有效地解决了Al和Ti合金由于熔点相差较大而造成的难以焊接的问题，并且有效的避免了Al-Ti异种金属焊接过程中Al-Ti脆性相的形成，从而改善了Al-Ti合金异种金属焊接质量，提高了Al-Ti合金异种金属焊接件的使用寿命。
背景技术
钛及钛合金具有比重小、比强度高、抗腐蚀性能强、高温和低温力学性能良好等优点，广泛应用于航空、航天、舰船、化工、汽车和生物医学等各个领域。铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。Al合金和Ti合金异种金属焊接件主要应用于航空航天领域。
激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法。激光焊接可以采用连续或脉冲激光束加以实现，激光焊接的原理可分为热传导型焊接和激光深熔焊接。功率密度小于104-105W/cm2为热传导焊，此时熔深浅、焊接速度慢；功率密度大于105-107W/cm2时，金属表面受热作用下凹成“孔穴”，形成深熔焊，具有焊接速度快、深宽比大的特点。
Al合金和Ti合金由于在熔点和反射率等物理和化学性质的差异，造成了焊接的困难。由于Al合金和Ti合金在物理和化学成分上的差异，导致直接焊接这两种金属容易导致脆性金属间化合物相Al-Ti相的产生。Al-Ti脆性相的产生会导致Al-Ti合金异种金属焊接件发生脆性断裂，显著地降低焊接件的使用寿命。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种Al-Ti合金异种金属焊接方法。
本发明采用的具体技术方案，步骤如下：
(1)将两个送粉器同时置于工作台表面，开始成分梯度变化的过渡金属板的制备。激光增材制造的参数为：激光功率280-320W,送粉速度为100-1000mm/min，光斑直径为0.12-0.14mm，每层增材的厚度为0.05mm，每层的Al合金粉末送粉速度和Ti合金粉末送粉速度的比为[100-(n-1)100/(N-1)]：[100(n-1)/(N-1)],其中，N为增材总层数，n为正在打印的层数。
(2)每完成一层粉末的打印，分别改变两个送粉器的送粉速度以改变混合粉末的比例，进行下一层金属的打印。第一层的粉末为质量比例100％的Al合金,第二层铝合金粉末质量比例为[100-100/(N-1)]％，Ti合金的粉末质量比例为(100/(N-1))％。第三层为粉末质量比例[100-(200/N-1)]％的Al合金，[200/(N-1)]％的Ti合金，依次Al合金粉末的比例递减，Ti合金粉末的比例递增，直至第N层即最后一层的粉末质量比例为100％的Ti合金粉末。
(3)完成整个过渡金属增材制造过程后，取出制备完成的过渡金属板，过渡金属板的长度为L，层数为N，长度和层数之间满足关系L＝0.05N mm，过渡金属板的厚度和待焊金属的厚度相同，元素的梯度沿过渡金属的长度方向变化。
(4)对过渡金属板和待焊合金基体待焊部位进行打磨，直至两者的待焊表面的氧化层被去除。
(5)将过渡金属板置于待焊异种金属中间，使用激光焊接技术分别焊接过渡金属和Al合金基体以及Ti合金基体，激光焊接工艺参数为激光功率350-400W，激光控制电流40-100A，脉冲宽度10-20ns，脉冲频率2-10Hz。从而完成整个Al-Ti合金异种金属焊接过程。
本方法通过使用成分梯度变化的过渡金属板连接Al-Ti合金异种金属的方式，从而将异种金属之间的焊接转化为同种金属之间的焊接，有效地解决了铝和钛由于熔点相差较大而造成的难以焊接的问题，并且有效的避免了Al-Ti异种金属焊接过程中Al-Ti脆性相的形成，从而改善了铝-钛合金异种金属焊接质量，提高了铝-钛合金异种金属焊接件的使用寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术的技术方案，下面对实例或现有技术所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本文所述方法的具体操作步骤流程图。
图2为本方法涉及的待焊金属和过渡金属板尺寸示意图；图中a为铝合金，b为过渡金属，c为钛合金。
图3为本文具体实施案例对比组1焊接界面微观组织示意图；图中a为钛合金侧，b为铝合金侧。
图4为本文具体实施案例对比组2钛合金和过渡金属界面微观组织示意图；图中a为过渡金属侧，b为钛合金侧。
图5为本文具体实施案例对比组2铝合金和过渡金属界面微观组织示意图；图中a为过渡金属侧，b为铝合金侧。
表1为本文具体实施案例性能测试数据对比。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明，但本发明不应仅限于实施例。
实施例1
实施例1所用的Al合金粉末为A6061-T6铝合金粉末，Ti合金粉末为TC4钛合金粉末，实施例1使用A6061-T6铝合金和TC4钛合金异种金属直接焊接的方式，其具体步骤如下：
(1)对待焊金属的焊接面进行打磨，直至去除表面的氧化膜为止。
(2)使用激光焊接对A6061-T6铝合金和TC4钛合金直接进行焊接，焊接工艺参数为激光功率350W，激光控制电流50A，脉冲宽度15ns，脉冲频率8Hz。
(3)测试A6061-T6铝合金和TC4钛合金直接焊接的异种金属焊接件的抗拉伸性能作为对比组1。
实施例2
实施例2所用的Al合金粉末为A6061-T6铝合金粉末，Ti合金粉末为TC4钛合金粉末，本实施例采用本方法所述的一种过渡金属成分梯度变化的Al-Ti合金异种金属焊接方法，过渡金属长度为30mm，层数N＝600，基体和过渡金属板具体尺寸如图2所示。
一种过渡金属成分梯度变化的Al-Ti合金异种金属焊接方法的实例，其步骤为：
(1)将分别储有两种粉末的两个送粉器同时置于工作台表面，开始成分梯度变化的过渡金属板的制备。激光增材制造的参数为：激光功率300W,光斑直径为0.12mm,每层增材的为0.05mm。
(2)每完成一层粉末的打印，分别改变两种粉末送粉器的送粉速度以改变混合粉末的比例，进行下一层金属的打印。第一层的A6061-T6铝合金粉末的送粉速度为1000mm/min，TC4钛合金粉末的送粉速度为0mm/min，第一层的粉末配比为100％的A6061-T6铝合金；第二层的A6061-T6铝合金粉末的送粉速度为998.3mm/min，TC4钛合金粉末的送粉速度为1.7mm/min，第二层粉末配比为99.83％的A6061-T6铝合金粉末和0.17％的TC4钛合金粉末。第三层的A6061-T6铝合金粉末的送粉速度为996.7mm/min，TC4钛合金粉末的送粉速度为3.3mm/min，第三层粉末配比为99.67％的A6061-T6铝合金粉末和0.33％的TC4钛合金粉末，粉末，每层依次A6061-T6铝合金粉末的比例递减，TC4钛合金粉末的比例递增，直至第600层(最后一层)粉末比例为100％的TC4钛合金粉末。
(3)完成整个过渡金属板增材制造过程后，取出制备完成的过渡金属板，过渡金属板的长度为30mm，层数为600，过渡金属板的厚度和待焊金属的厚度相同，元素的梯度沿过渡金属的长度方向变化。
(4)对过渡金属和待焊合金基体待焊部位进行打磨，直至两者的待焊表面的氧化层被去除。
(5)将过渡金属板置于待焊异种金属中间，使用激光焊接技术分别焊接过渡金属和A6061-T6铝合金基体以及TC4钛合金基体，激光焊接工艺参数为激光功率350W，激光控制电流50A，脉冲宽度15ns，脉冲频率8Hz。从而完成整个Al-Ti合金异种金属焊接过程。
(6)测试经过该方法进行焊接的铝-钛异种金属焊接件的抗拉伸性能作为对比组2。
对比组1和对比组2的焊缝界面微观组织示意图如图3、图4和图5所示，由图3与图4和图5对比可知，本方法焊接的焊缝两侧金属的微观组织的差异不明显，两侧金属的融合性更好，焊接质量更高。
对比组1和对比组2的抗拉伸性能如表1所示，由表可知，本方法有效地提高了铝钛异种金属焊接件的抗拉伸性能。
表1对比组1和对比组2的抗拉伸性能

Claims (5)

1.一种Al-Ti合金异种金属焊接方法，其特征在于，使用送粉式激光增材制造的方法，通过改变Al-Ti混合粉末比例的方式，制备出元素梯度变化的Al-Ti合金焊接过渡金属板，然后使用激光焊接的方法，将过渡金属板分别与Al-Ti合金待焊基体相互连接，从而达到Al-Ti合金异种金属连接的目的；具体步骤如下：
(1)将两个送粉器同时置于工作台表面，开始成分梯度变化的过渡金属板的激光增材制备；
(2)每完成一层粉末的打印，分别改变两个送粉器的送粉速度以改变混合粉末的比例，进行下一层金属的打印；
(3)完成整个过渡金属增材制造过程后，取出制备完成的过渡金属板，元素的梯度沿过渡金属的长度方向变化；
(4)对过渡金属板和待焊合金基体待焊部位进行打磨，直至两者的待焊表面的氧化层被去除；
(5)将过渡金属板置于待焊异种金属中间，使用激光焊接技术分别焊接过渡金属和Al合金基体以及Ti合金基体，从而完成整个Al-Ti合金异种金属焊接过程。
2.如权利要求1所述的一种Al-Ti合金异种金属焊接方法，其特征在于，步骤(1)中，激光增材制备的参数为：激光功率280-320W,送粉速度为100-1000mm/min，光斑直径为0.12-0.14mm，每层增材的厚度为0.05mm，每层的Al合金粉末送粉速度和Ti合金粉末送粉速度的比为[100-(n-1)100/(N-1)]：[100(n-1)/(N-1)],其中，N为增材总层数，n为正在打印的层数。
3.如权利要求1所述的一种Al-Ti合金异种金属焊接方法，其特征在于，步骤(2)中，第一层的粉末为质量比例100％的Al合金,第二层铝合金粉末质量比例为[100-100/(N-1)]％，Ti合金的粉末质量比例为(100/(N-1))％；第三层为粉末质量比例[100-(200/N-1)]％的Al合金，[200/(N-1)]％的Ti合金，依次Al合金粉末的比例递减，Ti合金粉末的比例递增，直至第N层即最后一层的粉末质量比例为100％的Ti合金粉末。
4.如权利要求1所述的一种Al-Ti合金异种金属焊接方法，其特征在于，步骤(3)中，过渡金属板的长度为L，层数为N，长度和层数之间满足关系L＝0.05N mm，过渡金属板的厚度和待焊金属的厚度相同。
5.如权利要求1所述的一种Al-Ti合金异种金属焊接方法，其特征在于，步骤(5)中，激光焊接工艺参数为激光功率350-400W，激光控制电流40-100A，脉冲宽度10-20ns，脉冲频率2-10Hz。
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