CN113909717A - 一种钛/铝/钛双面多层复合材料熔钎焊方法 - Google Patents

Abstract

一种钛/铝/钛双面多层复合材料熔钎焊方法，属于金属复合材料焊接领域，待焊件加工Y型坡口以促进钎料润湿铺展，采用氩气保护熔化极气保焊打底，钨极氩弧焊填充，电弧偏置坡口侧单层双道熔钎焊盖面，完成正面焊接；之后反面清根，依照正面焊接工艺完成工件反面焊接。本发明提出的Y形坡口+清根双面焊接的工艺方法，平衡了工件正反面热应力，减小了焊接变形，强化了焊缝根部强度；电弧偏置单层双道盖面熔钎焊方法实现了焊丝在钛覆板的良好铺展，有效控制了金属间化合物的分布和含量，提升了接头性能；操作简便，适应性强，通用性好的优势。

Description

一种钛/铝/钛双面多层复合材料熔钎焊方法

技术领域

本发明涉及金属复合材料焊接领域，具体涉及钛/铝/钛双面多层复合材料熔钎焊方法。

背景技术

钛是一种耐热、耐腐蚀、高比强度、韧性和塑性良好的有色金属，钛和钛合金因其性能优良，在航空航天、海洋、化工等领域应用广泛。中国钛资源总量居世界之首，近年来钛产业发展迅猛，但因冶炼工艺困难，成本较高，发展受限。铝合金具有成本低、重量轻等优点，是目前工业中应用量最大的有色金属，特别是高强铝合金的出现，使其更成为多种构件的最理想材料。但铝合金在强度和耐腐蚀性能不及钛，在某些特定领域使用受限。将钛、铝两种金属复合制成钛铝双层或多层复合材料，可以综合两种金属的优势，适应更多领域对材料性能的多样要求。钛-铝-钛复合材料是在铝或铝合金基板的上下两面各包覆一层钛板，通过真空钎焊+轧制或爆炸焊接等工艺成型制成的一种新型轻质高强材料，在交通运输、海洋装备等国防工业领域具有广阔前景。实现复合板的高质量连接是拓展复合材料在结构件中应用范围、提升构件综合性能的关键问题。焊接在金属连接方面具有强度好，适用性强等诸多优势，是重要的加工方式。然而，异种金属焊接较同种金属有明显差异，实现难度较大。本发明涉及的钛/铝/钛复合板焊接涉及异种金属连接和复合材料连接领域，在技术操作和机理研究方面都存在较多难点。钛、铝两种金属的物理、化学性质相差甚远，熔点相差接近1000°，焊接时，若钛处于熔化状态，铝则严重烧损，接头难以满足要求。钛、铝的导热率相差近15倍，导致焊缝内部温度梯度明显，热应力严重。铝的线膨胀系数也远高于钛，使焊接变形不可忽略，而钛的回弹量大，弹性模量小校正变形困难。另外，钛、铝在冶金学上不相容，钛原子在铝中的溶解度极小，室温下固溶度为零。焊接时，钛、铝随温度升高，易形成金属间化合物，片状的Ti3Al,TiAl,TiAl3等在界面处聚集，大幅减低接头性能。

针对复合板的焊接，目前采用的方法有通过接头结构设计控制熔深，避免异种材料互溶，如刨去覆板再填加覆板的“贴条子”工艺，其特点是基材与基材金属连接，覆板与覆板金属连接，避免了异种金属的接触，接头性能良好。但该方法必须选用能量密度高的焊接热源，工艺严苛，操作要求高，且对多层、双面薄覆层复合材料存在工序繁复、效率低的问题，工业应用困难。复合板焊接的另外一种思路是通过添加与基板、覆板无限互溶的过渡层进行全焊透连接，但厚度尺寸要求受限，在薄板焊接中不易实现。钛、铝异种金属的焊接，目前采用的方法有摩擦焊、扩散焊、真空钎焊等固相连接方法。摩擦焊可以获得较好的接头性能，但焊件尺寸、形状有一定的局限性；扩散焊和钎焊接头，普遍存在抗拉强度较低的情况，难以满足多样要求。本发明所述的钛/铝/钛双面多层复合材料尚未见有成形的焊接工艺报道。

熔钎焊作为一种连接异种金属的方法逐渐受到关注，它是通过控制焊接工艺，使低熔点金属融化，形成熔焊接头，高熔点金属保持固态，形成钎焊接头。根据热源不同，有激光熔钎焊、电子束熔钎焊、电弧熔钎焊等。激光、电子束等热源能量密度高，可实现线能量精细控制，从而精准控制金属间化合物厚度，保证接头性能，但激光焊、电子束焊，设备成本高，电子束真空室更是限制了焊件的尺寸，使技术工业推广受到影响。电弧热源具有成本低、操作方便、适应性强等优势，特别的，交流TIG焊在焊接铝及铝合金时产生的阴极雾化作用可粉碎铝氧化膜，达到清除氧化膜的效果，进一步提升焊接质量。因此，本发明设计一种利用电弧作为热源的熔钎焊方法，接头性能好，可操作性强，将填补钛/铝/钛多层双面复合板焊接工艺空缺，促进钛铝复合材料在结构件中的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钛/铝/钛双面多层复合材料熔钎焊方法，通过有效的结构设计和工艺控制，实现多层复合板的熔钎焊连接。采用电弧偏置的单层双道焊缝控制热输入，降低钛/铝接头的焊接温度场梯度，优化金属结合界面处微观相结构，促进铝合金钎剂在钛侧的良好铺展，改善接头性能；采用Y形坡口+清根双面焊接的工艺方法，平衡工件正反面热应力，强化打底焊缝质量，解决焊接变形和焊缝根部强度薄弱的问题。本发明所述方法是一种操作简便，适用性好的钛/铝/钛双面多层复合板焊接方法。

一种钛/铝/钛双面多层复合材料熔钎焊方法，其特征在于，步骤如下：

步骤1，对钛/铝/钛双面多层复合板进行焊前处理，打磨去除氧化膜，丙酮擦拭；加工Y型坡口以促进钎料润湿铺展；工件上下两面用紫铜压板压紧，下方铜垫板开半径5-10mm半圆形槽；

步骤2，采用MIG焊接打底，铝合金焊丝填充，电弧垂直于焊缝，高度5mm，焊接电流140-150A，焊接速度1-1.5mm/s，99.9%氩气保护，气体流量11L/min，完成打底焊道；

步骤3，采用交流柔性TIG焊填充，电弧高度5mm，焊接电流100-120A，焊接速度0.8-1.2mm/s， 99.9%氩气保护，气体流量15L/min，层间温度60-100℃，完成2层填充焊道；

步骤4，采用单层双道熔钎焊盖面，控制热量输入，调节温度梯度，焊炬后方附加保护拖罩，拖罩内独立供气，用铝合金焊丝填充，在复合板母材侧形成钎焊接头，两道焊缝间形成熔焊接头；

步骤5，将工件翻面夹装，对打底焊缝实施清根，强化焊缝根部强度，清根深度为2mm；清理坡口，冷却焊件至低于100℃，采用交流柔性TIG焊填充焊缝，电弧高度5mm，焊接电流100-120A，焊接速度0.8-1.2mm/s， 99.9%氩气保护，气体流量11L/min，层间温度60-100℃，完成2层填充焊道；

步骤6，采用单层双道熔钎焊盖面，控制热量输入；焊炬后方附加保护拖罩，拖罩内独立供气，用铝合金焊丝填充，在复合板母材侧形成钎焊接头，两道焊缝间形成熔焊接头。

本发明相对于现有技术，具有以下优势：

1.本发明通过熔钎焊方式连接钛/铝/钛多层复合板，采用双焊道盖面焊接的焊道设计、电弧偏置量和热输入控制，实现了焊丝在钛覆板的良好铺展，接头性能良好。

2.本发明采用Y型坡口+清根双面焊接的焊接顺序和焊道布置，解决了焊缝根部强度薄弱的问题，同时减小焊接变形；

3.本发明的熔钎焊方式连接钛/铝/钛多层复合板，焊接成本低，操作简便，技术适应性强，通过结构设计和工艺控制，有效控制了金属间化合物的分布和含量，实现了良好的接头性能。

附图说明

图1是复合板结构及接头坡口结构示意图。

图2是正面焊道布置及焊接顺序示意图。

图3是附加气体保护拖罩结构示意图。

图4是清根后工件背面焊道布置及焊接顺序示意图。

图5是焊接成型后的示意图。

具体实施方式

一种钛/铝/钛双面多层复合材料熔钎焊方法，步骤如下：

步骤1，对钛/铝/钛双面多层复合板进行焊前处理，打磨去除氧化膜，丙酮擦拭；加工Y型坡口以促进钎料润湿铺展；工件上下两面用紫铜压板压紧，下方铜垫板开半径5-10mm半圆形槽；

步骤2，采用MIG焊接打底，铝合金焊丝填充，电弧垂直于焊缝，高度5mm，焊接电流140-150A，焊接速度1-1.5mm/s，99.9%氩气保护，气体流量11L/min，完成打底焊道；

步骤3，采用交流柔性TIG焊填充，电弧高度5mm，焊接电流100-120A，焊接速度0.8-1.2mm/s， 99.9%氩气保护，气体流量15L/min，层间温度60-100℃，完成2层填充焊道；

步骤4，采用单层双道熔钎焊盖面，控制热量输入，调节温度梯度，焊炬后方附加保护拖罩，拖罩内独立供气，用铝合金焊丝填充，在复合板母材侧形成钎焊接头，两道焊缝间形成熔焊接头；

步骤5，将工件翻面夹装，对打底焊缝实施清根，强化焊缝根部强度，清根深度为2mm；清理坡口，冷却焊件至低于100℃，采用交流柔性TIG焊填充焊缝，电弧高度5mm，焊接电流100-120A，焊接速度0.8-1.2mm/s， 99.9%氩气保护，气体流量11L/min，层间温度60-100℃，完成2层填充焊道；

步骤6，采用单层双道熔钎焊盖面，控制热量输入；焊炬后方附加保护拖罩，拖罩内独立供气，用铝合金焊丝填充，在复合板母材侧形成钎焊接头，两道焊缝间形成熔焊接头。

本发明的钛/铝/钛双面多层复合板材料为TA2/1060/6061/1060/TA2爆炸焊接成型的5层复合板，板厚为13mm，复合层厚度自上而下依次为1.5mm、1mm、8mm、1mm、1.5mm。

本发明的Y型坡口的尺寸为：45°Y型坡口，钝边尺寸4mm，装配间隙1mm，接头装配错位量不大于0.1δ。

本发明的工件焊接顺序及焊缝布局为：1道MIG打底焊缝→2层TIG填充焊缝→单层双道电弧熔钎焊盖面焊缝→翻面清根→2层TIG填充焊缝→双道单层电弧熔钎焊盖面焊缝。

本发明的的铝合金焊丝为ER5356-AlMg5Cr。

本发明的步骤4、步骤6中，电弧偏置坡口一侧2-3mm，电弧倾角100°；电弧高度为5mm，焊接电流110A，焊接速度1.5-2mm/s，气体流量15L/min。

本发明的步骤4、步骤6中，焊炬附加拖罩由1mm厚紫铜板制成，长145mm、宽50mm、拱高50mm，下方附带软裙。

本发明的步骤4、步骤6中，焊炬附加拖罩内独立供气，保护气体为99.99%一级氩气，气体流量15-20L/min，提前10S供给保护气，延时5-10S关闭保护气。

本发明的步骤4、步骤6中，单层双道盖面焊缝在坡口中心线处交叉形成熔焊焊缝，复合板母材侧形成钎焊焊缝。

实施例1

（1）采用TA2/1060/6061/1060/TA2钛/铝/钛5层复合板进行焊接，板厚δ=13mm, 复合层厚度自上而下依次为1.5mm、1mm、8mm、1mm、1.5mm，选用浙江宇光铝材有限公司研制的新型ER5356-AlMg5Cr焊丝为填充材料。

（2）对TA2/1060/6061/1060/TA2钛/铝/钛复合板进行焊前表面清理，并在焊接部位加工坡口，接头结构如图1所示；图1中1、覆板厚度δ,2、铝材厚度δ, 3、铝合金厚度δ, 4、钛覆板, 5、铝材1060, 6、铝合金6061, 7、装配间隙, 8、坡口角度, 9、钝边尺寸。

（3）装配待焊工件，装配间隙1mm，装配错位量不大于0.1δ，用紫铜压板固定工件上下两面，下方铜垫板开半径5-10mm半圆形成型槽。

（4）采用MIG焊完成图2中打底焊缝11，焊接时电弧高度5mm，垂直于焊缝设置，焊接电流140-150A，焊接速度1-1.5mm/s， 99.9%氩气保护，气体流量11L/min。

（5）采用交流柔性TIG焊接完成图2中第一填充焊缝12、第二填充焊缝13，焊接时电弧高度5mm，焊接电流100-120A，焊接速度0.8-1.2mm/s， 99.9%氩气保护，气体流量15L/min，层间温度60-100℃；图2中11、打底焊缝,12、第一填充焊道,13、第二填充焊道,14、第一道盖面焊缝,15、第二道盖面焊缝,16、紫铜压板,17、紫铜垫板,18、成型槽,19、焊炬。

（6）采用熔钎焊盖面连接钛/铝异种金属，焊接时焊炬后方附加保护拖罩（如图3所示），拖罩内独立供气，保护气体为99.99%一级氩气，气体流量15-20L/min，提前10S送气，延时5-10S关闭保护气；图3中: 21、气体保护拖罩,22、自由连接管, 23、连接管, 24、软裙,25、拖罩高度尺寸, 26、拖罩长度尺寸。

（7）采用熔钎焊完成图2中第一盖面焊缝14、第二盖面焊缝15，焊接时电弧偏置坡口焊缝侧2-3mm，电弧倾角100°，电弧高度约5mm，焊接电流110A，焊接速度1.5-2mm/s，气体流量15L/min，在复合板母材侧形成钎焊接头，两道焊缝间形成熔焊接头。

（8）翻面夹装工件，对打底焊缝实施清根，清根深度约2mm，清根后打磨，形成如图4中清根后工件背面1所示坡口，冷却焊件至100℃以下。

（9）采用交流柔性TIG焊接填充图4中第一填充焊缝36、第二填充焊缝37，焊接时电弧高度5mm，焊接电流100-120A，焊接速度0.8-1.2mm/s， 99.9%氩气保护，气体流量15L/min，层间温度60-100℃。

（10）采用熔钎焊完成图4中第一道盖面焊缝38、第二道盖面焊缝39，焊接时焊炬后方附加保护拖罩，拖罩内独立供气，保护气体为99.99%一级氩气，气体流量15-20L/min，提前10S送气，延时5-10S关闭保护气；焊接电弧偏置坡口侧2-3mm，电弧倾角100°，电弧高度约5mm，焊接电流110A，焊接速度1.5-2mm/s，气体流量15L/min，在复合板母材侧形成钎焊接头，两道焊缝间形成熔焊接头。图4中: 31.清根后工件背面形状, 32.紫铜压板, 33.紫铜压板, 34.紫铜压板, 35.紫铜压板,36.第一填充焊道, 37.第二填充焊道, 38.第一道盖面焊缝, 39.第二道盖面焊缝。

（11）焊后清理：对完成焊缝接头进行焊后清理，包括打磨、丙酮擦拭。

（12）接头的抗拉强度为180MPa，接头形貌如图5所示。

实施例2：

本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤6、步骤10中盖面焊缝为单道单层焊接完成，其它步骤与参数与具体实施方式一相同。

实施例3：

本实施方式与具体实施方式一的不同点是：焊接时所用铝合金焊丝ER5356-AlMg5Cr用铝硅焊丝4043代替，其它步骤与参数与具体实施方式一相同。

实施例4：

本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤7中电弧无偏置、无倾角，其它步骤与参数与具体实施方式一相同。

实施例5：

本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤7中电弧无偏置，其它步骤与参数与具体实施方式一相同。

本发明利用电弧作为热源的熔钎焊方法，接头性能好，可操作性强，将填补钛/铝/钛多层双面复合板焊接工艺空缺，促进钛铝复合材料在结构件中的应用。

Claims (9)

1.一种钛/铝/钛双面多层复合材料熔钎焊方法，其特征在于，步骤如下：

步骤1，对钛/铝/钛双面多层复合板进行焊前处理，打磨去除氧化膜，丙酮擦拭；加工Y型坡口以促进钎料润湿铺展；工件上下两面用紫铜压板压紧，下方铜垫板开半径5-10mm半圆形槽；

步骤2，采用MIG焊接打底，铝合金焊丝填充，电弧垂直于焊缝，高度5mm，焊接电流140-150A，焊接速度1-1.5mm/s，99.9%氩气保护，气体流量11L/min，完成打底焊道；

步骤3，采用交流柔性TIG焊填充，电弧高度5mm，焊接电流100-120A，焊接速度0.8-1.2mm/s， 99.9%氩气保护，气体流量15L/min，层间温度60-100℃，完成2层填充焊道；

步骤4，采用单层双道熔钎焊盖面，控制热量输入，调节温度梯度，焊炬后方附加保护拖罩，拖罩内独立供气，用铝合金焊丝填充，在复合板母材侧形成钎焊接头，两道焊缝间形成熔焊接头；

步骤5，将工件翻面夹装，对打底焊缝实施清根，强化焊缝根部强度，清根深度为2mm；清理坡口，冷却焊件至低于100℃，采用交流柔性TIG焊填充焊缝，电弧高度5mm，焊接电流100-120A，焊接速度0.8-1.2mm/s， 99.9%氩气保护，气体流量11L/min，层间温度60-100℃，完成2层填充焊道；

步骤6，采用单层双道熔钎焊盖面，控制热量输入；焊炬后方附加保护拖罩，拖罩内独立供气，用铝合金焊丝填充，在复合板母材侧形成钎焊接头，两道焊缝间形成熔焊接头。

2.根据权利要求1所述的一种钛/铝/钛双面多层复合材料电弧熔钎焊方法，其特征在于：所述的钛/铝/钛双面多层复合板材料为TA2/1060/6061/1060/TA2爆炸焊接成型的5层复合板，板厚为13mm，复合层厚度自上而下依次为1.5mm、1mm、8mm、1mm、1.5mm。

3.根据权利要求1所述的一种钛/铝/钛双面多层复合材料熔钎焊方法，其特征在于：Y型坡口的尺寸为：45°Y型坡口，钝边尺寸4mm，装配间隙1mm，接头装配错位量不大于0.1δ。

4.根据权利要求1所述的一种钛/铝/钛双面多层复合材料熔钎焊方法，其特征在于：工件焊接顺序及焊缝布局为：1道MIG打底焊缝→2层TIG填充焊缝→单层双道电弧熔钎焊盖面焊缝→翻面清根→2层TIG填充焊缝→双道单层电弧熔钎焊盖面焊缝。

5.根据权利要求1所述的一种钛/铝/钛双面多层复合材料电弧熔钎焊方法，其特征在于：所述的铝合金焊丝为ER5356-AlMg5Cr。

6.根据权利要求1所述的一种钛/铝/钛双面多层复合材料电弧熔钎焊方法，其特征在于：上述步骤4、步骤6中，电弧偏置坡口一侧2-3mm，电弧倾角100°；电弧高度为5mm，焊接电流110A，焊接速度1.5-2mm/s，气体流量15L/min。

7.根据权利要求1所述的一种钛/铝/钛双面多层复合材料电弧熔钎焊方法，其特征在于：上述步骤4、步骤6中，焊炬附加拖罩由1mm厚紫铜板制成，长145mm、宽50mm、拱高50mm，下方附带软裙。

8.根据权利要求1所述的一种钛/铝/钛双面多层复合材料电弧熔钎焊方法，其特征在于：步骤4、步骤6中，焊炬附加拖罩内独立供气，保护气体为99.99%一级氩气，气体流量15-20L/min，提前10S供给保护气，延时5-10S关闭保护气。

9.根据权利要求1所述的一种钛/铝/钛双面多层复合材料电弧熔钎焊方法，其特征在于：上述步骤4、步骤6中，单层双道盖面焊缝在坡口中心线处交叉形成熔焊焊缝，复合板母材侧形成钎焊焊缝。

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