CN112475553A - 一种提高钛合金材料焊接性能的表面处理方法 - Google Patents

一种提高钛合金材料焊接性能的表面处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提高钛合金材料焊接性能的表面处理方法，S1、先利用硬质合金刀刮削待焊接钛合金材料焊接处表面的氧化膜，并通过机械加工的方式在钛合金材料焊接处预留V字型对接接头，然后利用丙酮溶剂去除钛合金材料表面以及焊丝表面的有机物质与油污，S2、将清理后的钛合金材料先经过10‑15分钟碱性溶液的碱洗。该提高钛合金材料焊接性能的表面处理方法，将钛合金材料焊接处表面依次进行去除氧化膜与表面清理，能方便钛合金材料进行焊接，通过将去除氧化膜后的钛合金材料依次进行碱洗、酸洗与氟化氢、硝酸与水的混合液混合液浸泡后，能防止钛合金材料的表面形成新的氧化膜，保证钛合金材料焊接的效果。

Description

一种提高钛合金材料焊接性能的表面处理方法
技术领域
本发明涉及钛合金焊接技术领域，尤其涉及一种提高钛合金材料焊接性能的表面处理方法。
背景技术
钛合金指的是多种用钛与其他金属制成的合金金属。钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，钛合金强度高、耐蚀性好、耐热性高。20世纪50～60年代，主要是发展航空发动机用的高温钛合金和机体用的结构钛合金。
由于钛合金几乎都是用于航空中，因此钛合金的各向性能指标的要求都比较高，且在使用钛合金材料的过程中，很多位置都是通过焊接的方式进行连接，现有的焊接方式根据钛合金材料的厚度可分为氩弧焊、埋弧焊和真空电子束焊，在焊接前，基本上都是对钛合金表面进行去污处理并去除表面的氧化膜，然后在充满惰性气体的环境下进行焊接，以保证钛合金材料焊接正常进行，但在去除钛合金材料表面的氧化膜后如果不及时进行焊接，其表面很快就会形成一层新的氧化膜，影响钛合金材料的焊接效果。
本发明提出了一种提高钛合金材料焊接性能的表面处理方法。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种提高钛合金材料焊接性能的表面处理方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种提高钛合金材料焊接性能的表面处理方法，钛合金材料与金属材料焊接时包括以下步骤：
S1、先利用硬质合金刀刮削待焊接钛合金材料焊接处表面的氧化膜，并通过机械加工的方式在钛合金材料焊接处预留V字型对接接头，然后利用丙酮溶剂去除钛合金材料表面以及焊丝表面的有机物质与油污。
S2、将清理后的钛合金材料先经过10-15分钟碱性溶液的碱洗，碱洗后取出并用清水冲洗，再经过10-15分钟酸性溶液的酸洗，然后取出清水冲洗干净，并将钛合金材料浸泡在氟化氢、硝酸与水的混合液中15-20分钟，浸泡结束后利用清水冲洗干净并烘干，防止钛合金材料焊接处出现新的氧化膜。
S3、在钛合金材料焊接处的表面利用双辉等离子表面冶金方法制备一层镍合金层。
S4、将S3中具有镍合金层的钛合金材料放置含有高浓度的经过预热的惰性气体密封箱中，并放置在带孔垫板的上表面，将待焊接的材料预热至150-250℃后，选择适宜的焊丝利用钨极氩弧焊对钛合金材料与金属材料进行焊接。
优选地，钛合金与非金属材料焊接时，钛合金材料与非金属材料焊接时，在S1中，在钛合金材料焊接处预留凹下的圆弧形对接接头，在非金属材料焊接位置预留相应的凸起的圆弧形对接接头；在S3中，在钛合金材料焊接处的表面利用双辉等离子表面冶金方法制备一层镍合金层；将非金属材料焊接处清洗干净，然后利用离子注入技术在非金属材料的表面注入Ti离子，使非金属材料焊接处的表面金属化，并对非金属材料的表面进行清洁处理；步骤S4中，将S3中具有镍合金层的钛合金材料和经过表面金属化的非金属材料放置在含有高浓度的经过预热的惰性气体密封箱中，并放置在带孔垫板的上表面，然后选择适宜的焊丝利用钨极氩弧焊对钛合金材料与金属材料进行焊接。
优选地，钛合金材料与非金属材料焊接时，步骤S4中，惰性气体温度为200-300℃。
优选地，钛合金材料与非金属材料焊接时，步骤S4中，焊接结束后，以1-3℃每秒的速度缓慢降低惰性气体的温度，直至温度降低为室温之后，再将焊接后的部件取出。
优选地，在S1中，硬质合金刀刮削厚度不小于0.1毫米，且在利用丙酮溶剂去除钛合金材料表面以及焊丝表面的有机物质与油污时利用人造纤维进行刷洗。
优选地，所述镍合金层包括镍沉积层和互扩散层，所述镍沉积层的厚度为20-25微米，所述互扩散层的厚度为5-8微米，且互扩散层中包括有Ti、Ni和Al元素。
优选地，所述碱性溶液包括烧碱和碳酸氢钠混合浓碱液，所述酸性溶液包括硝酸、盐酸和氟氢酸混合溶液。
优选地，所述带孔垫板的材料为散热效果好的紫铜，所述高浓度的惰性气体为氩气，且氩气的纯度为99.99％，露点在-40℃以。
本发明具有以下有益效果：
1、该提高钛合金材料焊接性能的表面处理方法，通过将钛合金材料焊接处表面依次进行去除氧化膜与表面清理，能方便钛合金材料进行焊接，通过将去除氧化膜后的钛合金材料依次进行碱洗、酸洗与氟化氢、硝酸与水的混合液混合液浸泡后，能防止钛合金材料的表面形成新的氧化膜，保证钛合金材料焊接的效果。
2、该提高钛合金材料焊接性能的表面处理方法，在钛合金材料与金属材料焊接时，通过镍合金层，能增加焊接处的焊接强度，在钛合金与非金属材料焊接时，通过Ti离子能使非金属材料焊接处的材料金属化，并与钛合金材料表面的镍合金层结合能增加焊接处的焊接强度。
附图说明
图1为本发明流程示意图；
图2为本发明钛合金材料与金属材料焊接示意图；
图3为本发明钛合金材料与非金属材料焊接示意图。
1金属材料，2镍合金层，3钛合金材料，4非金属材料，5Ti离子层；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例1
参照图1-2，一种提高钛合金材料焊接性能的表面处理方法，钛合金材料与金属材料焊接时包括以下步骤：
S1、先利用硬质合金刀刮削待焊接钛合金材料焊接处表面的氧化膜，硬质合金刀刮削厚度不小于0.1毫米，并通过机械加工的方式在钛合金材料焊接处预留V字型对接接头，利用机械加工的方式在钛合金材料焊接处预留V字型对接接口，如图2所示，在钛合金材料上加工出锯齿状凸起的V字型对接接口，相应的在金属材料上焊接位置加工出锯齿状凹陷的V字型对接接口。
然后利用丙酮溶剂去除钛合金材料表面以及焊丝表面的有机物质与油污，且在利用丙酮溶剂去除钛合金材料表面以及焊丝表面的有机物质与油污时利用人造纤维进行刷洗，防止出现因有机物质或油污影响焊接效果的现象。
S2、将清理后的钛合金材料先经过10-15分钟碱性溶液的碱洗，所述碱性溶液包括烧碱和碳酸氢钠混合浓碱液，碱洗后取出并用清水冲洗，再经过10-15分钟酸性溶液的酸洗，酸性溶液包括硝酸、盐酸和氟氢酸混合溶液，然后取出清水冲洗干净，并将钛合金材料浸泡在氟化氢、硝酸与水的混合液中15-20分钟，浸泡结束后利用清水冲洗干净并烘干，防止钛合金材料焊接处出现新的氧化膜，通过将钛合金材料焊接处表面依次进行去除氧化膜与表面清理，能方便钛合金材料进行焊接，通过将去除氧化膜后的钛合金材料依次进行碱洗、酸洗与氟化氢、硝酸与水的混合液混合液浸泡后，能防止钛合金材料的表面形成新的氧化膜，保证钛合金材料焊接的效果。
S3、在钛合金材料焊接处的表面利用双辉等离子表面冶金方法制备一层镍合金层，镍合金层包括镍沉积层和互扩散层，所述镍沉积层的厚度为20-25微米，所述互扩散层的厚度为5-8微米，且互扩散层中包括有Ti、Ni和Al元素，镍合金层与钛合金表现为冶金结合，结合强度高，镍合金层表面的镍沉积层弹性模量低，可通过本身塑性变形缓解焊接过程中产生的应力，减少焊接过程中裂纹的产生，在钛合金材料与金属材料焊接时，通过镍合金层，能增加焊接处的焊接强度。
S4、将S3中具有镍合金层的钛合金材料置入含有高浓度的惰性气体密封箱中，有与钛合金与空气中的氧气、氢气等气体都能产生反应产生氧化膜，因此高浓度的惰性气体为氩气，且氩气的纯度为99.99％，露点在-40℃以下，杂质总含量<0.02％，相对湿度<5％，水分<0.001mg/L，焊接过程中氩气的压力必须大于1MPa，以保证焊接接头的质量，并放置在带孔垫板的上表面，带孔垫板的材料为散热效果好的紫铜，利用紫铜能加强冷却，然后选择适宜的焊丝利用钨极氩弧焊对钛合金材料与金属材料进行焊接。
实施例2
参照图3，与实施例1不同的是，钛合金材料与非金属材料焊接时，在S1中，在钛合金材料焊接处预留凹下的圆弧形对接接头，在非金属材料焊接位置预留相应的凸起的圆弧形对接接头；如图3所示，在钛合金材料焊接处加工出凹下的圆弧形波浪对接接头，在非金属材料焊接位置预留相应的凸起的圆弧形波浪对接接头；在S3中，在钛合金材料焊接处的表面利用双辉等离子表面冶金方法制备一层镍合金层；将非金属材料焊接处清洗干净，然后利用离子注入技术在非金属材料的表面注入Ti离子，使非金属材料焊接处的表面金属化，并对非金属材料的表面进行清洁处理；步骤S4中，将S3中具有镍合金层的钛合金材料和经过表面金属化的非金属材料放置在含有高浓度的经过预热的惰性气体密封箱中，并放置在带孔垫板的上表面，然后选择适宜的焊丝利用钨极氩弧焊对钛合金材料与金属材料进行焊接；惰性气体温度为200-300℃；焊接结束后，以1-3℃每秒的速度缓慢降低惰性气体的温度，直至温度降低为室温之后，再将焊接后的部件取出。
在钛合金与非金属材料焊接时，通过Ti离子能使非金属材料焊接处的材料金属化，并与钛合金材料表面的镍合金层结合能增加焊接处的焊接强度。
本实施例中，在非金属材料的表面注入Ti离子，使非金属材料焊接处的表面金属化，并与钛合金材料的镍合金层结合，不仅便于钛合金材料与非金属材料焊接处的焊接，而且能增加焊接处的焊接强度。
在钛合金材料焊接完成后，利用抗弯强度测量设备对焊接处施加稳定增加的压力进行检测；
其计算公式为f＝F/2S，其中f为焊接强度，F为焊接面脱焊时压力，S为焊接面积。
结果如表1所示：
表1
压溃力F(/) 焊接面积S(mm<sup>2</sup>) 强度f(MPa)
正常焊接 2503 60 20.86
实施例1 3120 60 26.00
实施例2 3130 60 26.08
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种提高钛合金材料焊接性能的表面处理方法，其特征在于：钛合金材料与金属材料焊接时包括以下步骤：
S1、先利用硬质合金刀刮削待焊接钛合金材料焊接处表面的氧化膜，并通过机械加工的方式在钛合金材料焊接处预留凸凹相对的V字型对接接头，然后利用丙酮溶剂去除钛合金材料表面以及焊丝表面的有机物质与油污；
S2、将清理后的钛合金材料先经过10-15分钟碱性溶液的碱洗，碱洗后取出并用清水冲洗，再经过10-15分钟酸性溶液的酸洗，然后取出清水冲洗干净，并将钛合金材料浸泡在氟化氢、硝酸与水的混合液中15-20分钟，浸泡结束后利用清水冲洗干净并烘干，防止钛合金材料焊接处出现新的氧化膜；
S3、在钛合金材料焊接处的表面利用双辉等离子表面冶金方法制备一层镍合金层；
S4、将S3中具有镍合金层的钛合金材料放置含有高浓度的经过预热的惰性气体密封箱中，并放置在带孔垫板的上表面，将待焊接的材料预热至150-250℃后，选择适宜的焊丝利用钨极氩弧焊对钛合金材料与金属材料进行焊接。
2.根据权利要求1所述的一种提高钛合金材料焊接性能的表面处理方法，其特征在于：钛合金与非金属材料焊接时，钛合金材料与非金属材料焊接时，在S1中，在钛合金材料焊接处预留凹下的圆弧形对接接头，在非金属材料焊接位置预留相应的凸起的圆弧形对接接头；在S3中，在钛合金材料焊接处的表面利用双辉等离子表面冶金方法制备一层镍合金层；将非金属材料焊接处清洗干净，然后利用离子注入技术在非金属材料的表面注入Ti离子，使非金属材料焊接处的表面金属化，并对非金属材料的表面进行清洁处理；步骤S4中，将S3中具有镍合金层的钛合金材料和经过表面金属化的非金属材料放置在含有高浓度的经过预热的惰性气体密封箱中，并放置在带孔垫板的上表面，然后选择适宜的焊丝利用钨极氩弧焊对钛合金材料与金属材料进行焊接。
3.根据权利要求1或2所述的一种提高钛合金材料焊接性能的表面处理方法，其特征在于：步骤S4中，惰性气体温度为200-300℃。
4.根据权利要求1或2所述的一种提高钛合金材料焊接性能的表面处理方法，其特征在于：步骤S4中，焊接结束后，以1-3℃每秒的速度缓慢降低惰性气体的温度，直至温度降低为室温之后，再将焊接后的部件取出。
5.根据权利要求1所述的一种提高钛合金材料焊接性能的表面处理方法，其特征在于：在S1中，硬质合金刀刮削厚度不小于0.1毫米，且在利用丙酮溶剂去除钛合金材料表面以及焊丝表面的有机物质与油污时利用人造纤维进行刷洗。
6.根据权利要求1所述的一种提高钛合金材料焊接性能的表面处理方法，其特征在于：所述镍合金层包括镍沉积层和互扩散层，所述镍沉积层的厚度为20-25微米，所述互扩散层的厚度为5-8微米，且互扩散层中包括有Ti、Ni和Al元素。
7.根据权利要求1所述的一种提高钛合金材料焊接性能的表面处理方法，其特征在于：所述碱性溶液包括烧碱和碳酸氢钠混合浓碱液，所述酸性溶液包括硝酸、盐酸和氟氢酸混合溶液。
8.根据权利要求1所述的一种提高钛合金材料焊接性能的表面处理方法，其特征在于：所述带孔垫板的材料为散热效果好的紫铜，所述高浓度的惰性气体为氩气，且氩气的纯度为99.99％，露点在-40℃以下。
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