CN110039169B - 一种钛-铝异种金属电子束焊接方法 - Google Patents
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Abstract
一种钛‑铝异种金属电子束焊接方法，包括焊前准备步骤和焊接过程步骤，采用本发明提供的铝钛异种金属的电子束焊接方法连接后的钛‑铝异种金属接头在连接处低倍金相组织中未发现气孔、裂纹、夹杂等缺陷，通过拉伸试验测试，接头强度可达到210MPa。
Description
技术领域
本发明涉及一种焊接方法，尤其是涉及一种钛-铝异种金属电子束焊接方法。
背景技术
异种材料复合构件能够利用材料各自的优点，获得更加优异的综合性能，其中钛-铝异种金属复合结构同时兼有铝合金密度低、经济性好和钛合金强度高、耐腐蚀性好等优点，能够减轻结构重量、节约能源，在航空航天、武器装备、交通运输等领域拥有广阔的应用前景，例如飞机机舱散热片、机翼蜂窝夹层、座位导轨和高速列车车厢等结构均可采用钛-铝复合结构，将钛合金和铝合金连接在一起，在提高性能的同时可进一步减轻结构的重量。特别是近年来，随着航空发动机和飞机结构设计对“减轻重量、提高推重比、增加有效载荷”的要求越来越高，将铝合金与钛合金形成复合结构的需求越来越迫切。
然而，钛与铝的物理化学性能相差较大，导致冶金不相容，一般熔焊方法焊接钛和铝的最大问题是产生TiAl3和TiAl金属间化合物，金属间化合物的生成，其产生取决于能量和时间。前人利用搅拌摩擦焊、等离子焊、钎焊、激光深熔钎焊和电子束熔钎焊的方法可以焊接钛-铝这样熔点相差较大的异种合金，并在薄板中获得较好的效果，还有学者采用填丝激光熔钎焊实现了钛-铝的连接，并且获得的接头的反应界面只有2μm。但受到接头形式和操作实施难度大的问题，均为能广泛使用，目前尚未有一种成熟的工艺可以用于实际生产。
发明内容
本发明的目的是为解决上钛与铝的物理化学性能相差较大，导致冶金不相容，在焊接过程中容易生成脆性相，导致焊接缺陷的问题，提供一种钛-铝异种金属电子束焊接方法。
本发明为解决上述技术问题的不足，所采用的技术方案是：
一种钛-铝异种金属电子束焊接方法，包括焊前准备步骤和焊接过程步骤，其特征在于：所述的焊前准备步骤包括如下步骤：
步骤1、取待焊钛板和待焊铝板并进行机加工，加工后使待焊钛板和待焊铝板厚度差为0-0.5mm，然后通过酸洗的方式清理待焊钛板和待焊铝板上残存的油污，再用丙酮擦拭待焊区域，最后在焊接前24小时内用磨头机去除待焊钛板和待焊铝板的待焊表面微氧化层；
步骤2、通过工装将待焊钛板和待焊铝板的焊接位置贴合后固定装备在工装上，待焊钛板和待焊铝板的焊接位置裸露在工装外部，待焊钛板和待焊铝板的间隙不大于0.2mm；
步骤3、在待焊钛板和待焊铝板的焊接位置上压设钛板条，钛板条的中心线位于待焊钛板上，定义钛板条的中心线距离待焊钛板和待焊铝板的焊接位置的距离为L，L为1-6mm，装配完成后利用点焊将钛板条固定在待焊钛板上；
步骤4、利用工装将装配完成后的工件固定在电子束焊机的工作台上，焊前准备步骤完成；
所述的焊接过程步骤包括如下步骤：
步骤1、抽取电子束焊机的真空室内真空度至优于5×10-2Pa；
步骤2、将电子束焊机高压升至所需加速电压，采用小束流的方式寻找电子束表面焦点对应的位置和聚焦点流，再将得到的聚焦束流输入至焊接程序中；
步骤3、 移动焊接工作台，通过CCD成像软件的观察功能将工件待焊焊缝移动至电子束焦点处，将束流焦点位置标记，确定焊缝位置；
步骤4、再次移动焊接工作台，将电子束束斑焦点移动至钛板条中心线位置；
步骤5、启动焊接程序，使得电子束在偏离焊缝L距离位置的钛板条中心线进行焊接，电子束焊接在钛板侧形成熔化焊缝，熔化焊缝的热量通过热传导形式传递至待焊铝板上使得待焊铝板热熔附着在待焊钛板上；
步骤6、焊接完成后，真空冷却10min，去真空并取出焊接完成的试件，整个焊接工作完成；
步骤7、完成焊接后，通过机加工方式将焊接工件上的钛板条进行加工去除，获得所需的钛铝焊接接头。
所述的焊接过程步骤中的步骤5中控制电子束焊接形成钉形焊缝平行段位于待焊钛板上。
本发明的有益效果是：采用本发明提供的铝钛异种金属的电子束焊接方法连接后的钛-铝异种金属接头在连接处低倍金相组织中未发现气孔、裂纹、夹杂等缺陷，通过拉伸试验测试，接头强度可达到210MPa。
本发明与现有技术相比，其显著的优势在于：1、利用电子束焊接方式避免了将钛和铝同时熔化，直接减少液态Fe和Al原子直接接触形成FeAl，Fe3Al2等脆性相；2、采用能量集中、热输入小、穿透能力强、可控性好的电子束作为施焊热源，能够在焊接时控制热输入量，同时焊接过程在真空室进行，避免了大气中有害气体对焊接接头性能的影响，有效地提高了接头综合性能；3、设计了一种特殊的接头结构形式，在钛侧获得平行焊缝，实现热量的均匀传递，避免了铝和钛在液态下反应出现裂纹等缺陷。
附图说明
图1为焊接工装及工件装配结构示意图。
图2为试件电子束焊接接头形式示意图。
图3为钛铝异种金属焊接过程示意图。
图4为钛-铝合金界面高倍形貌图。
图示标记：1、待焊钛板；2、待焊铝板；3钛板条；4、工装基板。
具体实施方式
图中所示，具体实施方式如下：
一种钛-铝异种金属电子束焊接方法，包括焊前准备步骤和焊接过程步骤，所述的焊前准备步骤包括如下步骤：
步骤1、取待焊钛板和待焊铝板并进行机加工，加工后使待焊钛板和待焊铝板厚度差为0-0.5mm，然后通过酸洗的方式清理待焊钛板和待焊铝板上残存的油污，再用丙酮擦拭待焊区域，最后在焊接前24小时内用磨头机去除待焊钛板和待焊铝板的待焊表面微氧化层；
步骤2、通过工装将待焊钛板和待焊铝板的焊接位置贴合后固定装备在工装上，工装可以采用如图1中的工装或者其他形式的工装，待焊钛板和待焊铝板固定压设在工装基板上，在工装基板上位于待焊钛板和待焊铝板的焊接位置的正下方开始有凹槽，将待焊钛板和待焊铝板的焊接位置裸露在工装外部，待焊钛板和待焊铝板的间隙不大于0.2mm；
步骤3、在待焊钛板和待焊铝板的焊接位置上压设钛板条，钛板条的中心线位于待焊钛板上，如图1中所示其中一个钛板条固定在待焊钛板和待焊铝板的上方，另一个钛板条穿过工装基板的凹槽固定在待焊钛板和待焊铝板的下方，定义钛板条的中心线距离待焊钛板和待焊铝板的焊接位置的距离为L，L为1-6mm，装配完成后利用氩弧焊方式进行点焊将钛板条固定在待焊钛板上；
步骤4、利用工装将装配完成后的工件固定在电子束焊机的工作台上，在安装过程中要调整待焊工作面的水平度，使得焊枪垂直与待焊工作面，同时根据需要调整焊枪的工作距离即其行程保持在300-1500mm内，通常采用600-800mm，焊前准备步骤完成；
所述的焊接过程步骤包括如下步骤：
步骤1、抽取电子束焊机的真空室内真空度至优于5×10-2Pa；
步骤2、将电子束焊机高压升至所需加速电压比如控制在150KV，采用小束流的方式寻找电子束表面焦点对应的位置和聚焦点流，再将得到的聚焦束流输入至焊接程序中；
步骤3、 移动焊接工作台，通过CCD成像软件的观察功能将工件待焊焊缝移动至电子束焦点处，将束流焦点位置标记，确定焊缝位置；
步骤4、再次移动焊接工作台，将电子束束斑焦点移动至钛板条中心线位置；
步骤5、启动焊接程序，使得电子束在偏离焊缝L距离位置的钛板条中心线进行焊接，电子束焊接在钛板侧形成熔化焊缝，熔化焊缝的热量通过热传导形式传递至待焊铝板上使得待焊铝板热熔附着在待焊钛板上，焊接过程中可以采用单次或多次重复焊接的方式进行，具体工艺可根据焊缝厚度进行调整，通常在焊缝厚度为3-4mm时采用单次焊接；焊缝厚度为4-10mm时采用多次焊接，因为焊缝厚度过大时熔化焊缝产生的热量不足以使待焊铝板热熔附着在待焊钛板上，因此需要进行多次焊接提高热量；
电子束焊接时会形成钉形焊缝，尽可能将电子束钉头部位留在所选钛板条范围内如图2所示的h1位置内，在待焊钛板段尽可能形成多的平行焊缝；电子束焊接在钛板侧形成熔化焊缝，如图3而在钛板最右侧距离焊缝为d1区域范围为电子束焊接热影响区，该区域为非熔化区，但温度将达到铝合金熔点660℃以上，通常钛合金熔点温度在1000℃以上；该热影响区热量会通过热传导形式传递给铝合金一侧，在铝合金一侧区域d2形成局部熔化附着在钛合金板上；利用钛、铝合金熔点差异较大的物理性质，通过该方式可有效避免钛合金和铝合金熔化区的直接接触，从而避免了脆性相的生成；
当板材厚度大于30mm时，单面焊接时铝板的附着效果不佳，可以采用双面焊接的方式提高铝板的附着力；
步骤6、焊接完成后，真空冷却10min，去真空并取出焊接完成的试件，整个焊接工作完成；
步骤7、完成焊接后，通过机加工方式将焊接工件上的钛板条进行加工去除，如图2去除图中的部件3，获得所需的钛铝焊接接头。
本发明所列举的技术方案和实施方式并非是限制，与本发明所列举的技术方案和实施方式等同或者效果相同方案都在本发明所保护的范围内。
Claims (2)
1.一种钛-铝异种金属电子束焊接方法，包括焊前准备步骤和焊接过程步骤，其特征在于：所述的焊前准备步骤包括如下步骤：
步骤1、取待焊钛板和待焊铝板并进行机加工，加工后使待焊钛板和待焊铝板厚度差为0-0.5mm，然后通过酸洗的方式清理待焊钛板和待焊铝板上残存的油污，再用丙酮擦拭待焊区域，最后在焊接前24小时内用磨头机去除待焊钛板和待焊铝板的待焊表面微氧化层；
步骤2、通过工装将待焊钛板和待焊铝板的焊接位置贴合后固定装备在工装上，待焊钛板和待焊铝板的焊接位置裸露在工装外部，待焊钛板和待焊铝板的间隙不大于0.2mm；
步骤3、在待焊钛板和待焊铝板的焊接位置上压设钛板条，钛板条的中心线位于待焊钛板上，定义钛板条的中心线距离待焊钛板和待焊铝板的焊接位置的距离为L，L为1-6mm，装配完成后利用点焊将钛板条固定在待焊钛板上；
步骤4、利用工装将装配完成后的工件固定在电子束焊机的工作台上，焊前准备步骤完成；
所述的焊接过程步骤包括如下步骤：
步骤1、抽取电子束焊机的真空室内真空度至优于5×10-2Pa；
步骤2、将电子束焊机高压升至所需加速电压，采用小束流的方式寻找电子束表面焦点对应的位置和聚焦点流，再将得到的聚焦束流输入至焊接程序中；
步骤3、移动焊接工作台，通过CCD成像软件的观察功能将工件待焊焊缝移动至电子束焦点处，将束流焦点位置标记，确定焊缝位置；
步骤4、再次移动焊接工作台，将电子束束斑焦点移动至钛板条中心线位置；
步骤5、启动焊接程序，使得电子束在偏离焊缝L距离位置的钛板条中心线进行焊接，电子束焊接在钛板侧形成熔化焊缝，熔化焊缝的热量通过热传导形式传递至待焊铝板上使得待焊铝板热熔附着在待焊钛板上；
步骤6、焊接完成后，真空冷却10min，去真空并取出焊接完成的试件，整个焊接工作完成；
步骤7、完成焊接后，通过机加工方式将焊接工件上的钛板条进行加工去除，获得所需的钛铝焊接接头。
2.根据权利要求1所述的一种钛-铝异种金属电子束焊接方法，其特征在于：所述的焊接过程步骤中的步骤5中控制电子束焊接形成钉形焊缝平行段位于待焊钛板上。
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