CN114054960A - 一种钛与铝的超威弧mig+激光双面复合高速焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钛与铝的超威弧MIG+激光双面复合高速焊接方法。本发明焊前用角磨机在钛板侧边开V型坡口，然后清除钛板、铝板及焊丝表面的油污和氧化膜，使待焊表面光洁、干燥并且无杂质；用工装夹具将钛板与铝板对接固定，进行双面复合高速焊接；焊接结束后，被焊工件在自然条件下冷却至室温；冷却后，打开工装夹具，取下工件。本发明用自动送丝的超威弧MIG焊正面施焊，同步用激光焊背面施焊，目的是提高焊接效率，降低工件厚度方向的组织性能差异，获得力学性能优良的钛/铝焊接接头。
Description
技术领域
本发明涉及一种异种金属的高速、高效焊接方法，具体涉及一种钛与铝的超威弧MIG+激光双面复合高速焊接方法，属于金属材料的复合焊接技术领域。
背景技术
钛与铝均属于轻质、高强度耐腐蚀金属材料，大量应用在航空航天及高档汽车工业中，钛/铝轻量化焊接结构具有广泛的应用前景。但由于钛与铝的冶金不相溶性和脆性金属间化合物问题，采用传统熔焊技术进行钛与铝的焊接很困难。人们尝试用搅拌摩擦焊、激光焊等将钛与铝焊接在一起，获得了力学性能较佳的接头，但面临着对焊接设备要求高、焊接结构单一等问题。
在航空航天和高档汽车工业中，钛/铝复合结构可替代传统的钢结构，提高军/民用飞机、高档汽车等现代化交通工具的推重比，对运载设备轻量化、节能减排等有重大的实际意义。实现钛/铝复合结构的可靠焊接，会大大推动钛与铝轻量化复合结构在飞机、高档汽车等交通工具制造等领域的应用。
近年来，熔钎焊工艺被用于钛与铝的焊接，经过系统的研究，发现钛与铝熔钎焊面临着工件厚方向组织性能不均匀的关键问题。部分研究人员尝试用激光穿透焊进行钛与铝的熔钎焊，但这要求必须使用大功率激光进行高速焊接，对设备要求高。
发明内容
针对目前钛与铝熔钎焊技术的不足，为了降低设备要求，本发明提供一种采用正面超威弧MIG+背面低功率激光的双面复合焊接进行钛与铝的薄板对接熔钎焊。超威弧MIG焊技术的特点是运用精细波形控制技术强制降低弧压来减少弧长，获得一种能量集中、方向性强的焊接电弧，实现了熔滴的短弧喷射过渡，可以进行薄板的高速焊接；利用本发明的方法可以实现钛与铝板的可靠焊接，形成的焊接接头质量稳定、力学性能较高，以满足轻量化工程结构对钛/铝焊接的需求。
本发明采用正面超威弧MIG+背面低功率激光双面复合焊进行钛与铝的薄板对接熔钎焊，具有以下特点：（1）双侧焊接热源均可实现高速焊接、提高焊接效率；（2）低功率激光背面同步焊接，不仅降低了设备要求，还能促进液态金属润湿铺展，改善背面焊缝成形；（3）利用双面热源的协同和耦合效应，灵活地调控焊缝成形和Ti/Al界面组织性能；（4）双面加热利于降低焊接热输入，减少脆性金属间化合物的生成，降低焊接应力。具备上述特点的复合焊工艺，恰恰能降低钛与铝焊接时板厚方向组织性能的差异，提高焊接接头的力学性能。
本发明提供了一种钛与铝的超威弧MIG+激光双面复合高速焊接方法，用自动送丝的超威弧MIG焊正面施焊，同步用激光焊背面施焊，目的是提高焊接效率，降低工件厚度方向的组织性能差异，获得力学性能优良的钛/铝焊接接头。
本发明提供的一种钛与铝的超威弧MIG+激光双面复合高速焊接方法，具体包括以下步骤：
1）焊前用角磨机在钛板侧边开V型坡口，然后清除钛板、铝板及焊丝表面的油污和氧化膜，使待焊表面光洁、干燥并且无杂质；
2）用工装夹具将钛板与铝板对接固定，进行双面复合高速焊接；焊接工艺参数为：超威弧MIG焊用直径1.2 mm的ER5183焊丝，焊丝向铝侧偏移0.6mm，焊丝伸出长度10~12mm，送丝速率为10~11.5m/min；超威弧MIG焊焊接线能量1.1 ~ 1.25 kJ/cm；激光光斑直径2mm，光束向铝侧偏移0.5mm，离焦量为0mm；激光焊焊接线能量0.13 ~ 0.17 kJ/cm；焊缝正、背双面用惰性气体保护；
3）焊接结束后，被焊工件在自然条件下冷却至室温；冷却后，打开工装夹具，取下工件。
其中，所述步骤1）中，钛板V型坡口角度为35~40°，钝边高度为0.2mm~0.3mm。
此外，所述步骤1）中，钛板表面的处理方法是：先用钢丝刷精磨钛板待焊表面，直至全部露出金属光泽；然后用混合酸溶液酸洗3~5 min；酸洗完成后，用无水丙酮冲洗并晾干。所述混合酸溶液为体积分数硝酸40%、氢氟酸5%的水溶液，可用常规浓度的硝酸、氢氟酸与纯净水混合配比稀释。
再者，所述步骤1）中，铝板及焊丝表面的处理方法是：先用氢氧化钠温水溶液碱洗3~5min；取出后，再用体积分数硝酸30%的水溶液进行光亮处理2~3min；最后用无水丙酮冲洗并晾干。其中碱洗所用氢氧化钠温水溶液中，氢氧化钠的质量分数为10 %，可用分析纯度的颗粒状/片状氢氧化钠与纯净水进行溶解配比；氢氧化钠水溶液温度为50~60℃。
所述步骤2）中，钛板与铝板对接固定方式是：采用不锈钢+铜复合工装夹具将待焊工件夹紧，钛板与铝板不留间隙对接；待焊工件侧倾角度控制在5~10°；焊缝背面留有宽度为20 mm的激光加工间隙。
所述步骤2）中，双面复合高速焊接工艺中，试板正面用自动送丝的超威弧MIG焊施焊；试板背面同步用低功率的激光焊施焊。正面超威弧MIG焊和背面激光焊的焊接速率同为180 cm/min。
所述步骤2）中，超威弧MIG焊用ER5183焊丝的化学成分含量是：以质量百分比计，4.7% Mg，0.8% Mn，0.3 % Si，0.3 % Fe，0.17% Zn，0.14% Ti，0.08% Cu，0.11% Cr，余量为Al。
另外，所述步骤2）中，双面惰性气体保护方式是：正面超威弧MIG焊用体积分数Ar80% + He20%的混合气体保护，气体流量是20 L/min；背面激光焊用高纯Ar（99.999vol.%）气体保护，气体流量是15 L/min。
本发明的有益效果：
（1）采用本发明的超威弧MIG+激光双面复合高速焊接方法，填充ER5183焊丝实现了钛与铝异种金属的对接熔钎焊，并且形成的钛/铝焊接接头界面结合可靠、焊接质量稳定；
（2）本发明提出的钛与铝异种金属的超威弧MIG+激光双面复合高速焊接方法，用自动送丝的超威弧MIG焊正面施焊，同步用低功率激光焊背面施焊，降低了焊接工艺对设备的要求；显著提高了焊接效率；降低了工件厚度方向结合界面的组织差异，可以制得力学性能优良的钛/铝焊接接头；
（3）经过试验测试：钛与铝对接接头的平均抗拉强度超过了250MPa，能够满足航空航天、高档汽车的轻量化工程结构对钛/铝焊接接头的质量需求。
附图说明
图1为实施例1中TA2钛/1060铝双面复合焊接头正、背面焊缝成形图；
图2为实施例1中TA2钛/1060铝接头拉伸测试结果图；
图3为实施例1中TA2钛/1060铝接头载荷-应变曲线图；
图4为实施例2中TC4钛/5A06铝双面复合焊接头正、背面焊缝成形图；
图5为实施例2中TC4钛/5A06铝接头拉伸测试结果图。
图6为实施例2中TC4钛/5A06铝接头应力-应变曲线图。
具体实施方式
下述实施例仅为本发明优选技术方案，并不用于对本发明进行任何限制。对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
实施例1：纯钛与纯铝的高速焊接
厚度为2.5mm的工业纯钛（TA2）板与厚度为2.5mm的工业纯铝（1060）板对接焊，被焊钛板与铝板的长度都是150mm，宽度都是100mm。
具体的焊接工艺步骤如下：
1）焊前用角磨机在钛板侧边开35°V型坡口，钝边约0.2mm；
2）用钢丝刷精磨钛板待焊表面，直至全部露出金属光泽，然后用体积分数硝酸40%、氢氟酸5%的水溶液浸洗3 min，最后用无水丙酮冲洗并晾干。将铝板及焊丝先用60℃的，氢氧化钠质量分数为10 %的水溶液浸洗3min；取出后，再用体积分数硝酸30%的水溶液进行光亮处理3min；最后用无水丙酮冲洗并晾干。以清除钛板、铝板及焊丝表面的油污和氧化膜。
3）采用不锈钢+铜复合工装夹具将待焊工件夹紧，钛板与铝板不留间隙对接；待焊工件侧倾角度控制在10°。
4）采用EWM-Alpha Q351焊机的超威弧模式进行正面施焊，主要焊接工艺参数为：选用直径1.2 mm的ER5183焊丝，焊丝向铝侧偏移0.6mm，焊丝伸出长度10mm，焊丝送进速率为10.2m/min；焊接线能量1.14 kJ/cm；用80 vol.%Ar + 20 vol.%He混合气体保护，气体流量是20 L/min。采用IPG-YLR-2000型激光器进行背面施焊，激光焊焊接线能量0.13 kJ/cm，光束离焦量为0mm；用高纯Ar（99.999vol.%）气体保护，气体流量是15 L/min。
5）焊接结束后，被焊工件在自然条件下冷却至室温；冷却后，打开工装夹具，取下工件。
如图1所示，得到的纯钛板与工业纯铝板复合焊接头的焊缝正面宽度7±0.5mm，焊缝背面宽度4±0.2mm。经测试，如图2~3所示，钛/铝对接接头的极限抗拉强度超过了95MPa，并且全部断裂于纯铝母材中。焊接接头的抗拉强度达到了1060铝的强度，完全能够满足对钛与铝焊接接头的质量要求。
实施例2：纯钛与纯铝的高速焊接
厚度为3mm的钛合金（TC4）板与厚度为3mm的防锈铝合金（5A06）板对接焊，被焊钛板与铝板的长度都是150mm，宽度都是100mm。
具体的焊接工艺步骤如下：
1）焊前用角磨机在钛板侧边开35°V型坡口，钝边高度约0.3mm；
2）用钢丝刷精磨钛板待焊表面，直至全部露出金属光泽，然后用体积分数硝酸40%、氢氟酸5%的水溶液浸洗3 min，最后用无水丙酮冲洗并晾干。将铝板及焊丝先用60℃的，氢氧化钠质量分数为10 %的水溶液浸洗3min；取出后，再用体积分数硝酸30%的水溶液进行光亮处理3min；最后用无水丙酮冲洗并晾干。以清除钛板、铝板及焊丝表面的油污和氧化膜。
3）采用不锈钢+铜复合工装夹具将待焊工件夹紧，钛板与铝板不留间隙对接；待焊工件侧倾角度控制在10°。
4）采用EWM-Alpha Q351焊机的超威弧模式进行正面施焊，主要焊接工艺参数为：选用直径1.2 mm的ER5183焊丝，焊丝向铝侧偏移0.6mm，焊丝伸出长度10mm，焊丝送进速率为11.5m/min；焊接线能量1.21 kJ/cm；用80 vol.%Ar + 20 vol.%He混合气体保护，气体流量是20 L/min。采用IPG-YLR-2000型激光器进行背面施焊，激光焊焊接线能量0.17 kJ/cm，光束离焦量为0mm；用高纯Ar（99.999vol.%）气体保护，气体流量是15 L/min。
5）焊接结束后，被焊工件在自然条件下冷却至室温；冷却后，打开工装夹具，取下工件。
如图4所示，得到的纯钛板与工业纯铝板复合焊接头的焊缝正面宽度8±0.5mm，焊缝背面宽度4±0.2mm。经测试，如图5~6所示，钛/铝对接接头的平均抗拉强度为262MPa，断裂位置在钛/铝结合界面附近。焊接接头的抗拉强度超过了250MPa，能够满足对钛与铝焊接接头的质量要求。
Claims (10)
1.一种钛与铝的超威弧MIG+激光双面复合高速焊接方法，其特征在于包括以下步骤：
1）焊前用角磨机在钛板侧边开V型坡口，然后清除钛板、铝板及焊丝表面的油污和氧化膜，使待焊表面光洁、干燥并且无杂质；
2）用工装夹具将钛板与铝板对接固定，进行双面复合高速焊接：试板正面用自动送丝的超威弧MIG焊施焊；试板背面同步用低功率的激光焊施焊，目的是提高焊接效率，降低工件厚度方向的组织性能差异，获得力学性能优良的钛/铝焊接接头；
焊缝正、背双面用惰性气体保护；
3）焊接结束后，被焊工件在自然条件下冷却至室温；冷却后，打开工装夹具，取下工件。
2.根据权利要求1所述的钛与铝的超威弧MIG+激光双面复合高速焊接方法，其特征在于：所述步骤1）中，钛板V型坡口角度为35~40°，钝边高度为0.2mm~0.3mm。
3.根据权利要求1所述的钛与铝的超威弧MIG+激光双面复合高速焊接方法，其特征在于：所述步骤1）中，钛板表面的处理方法是：先用钢丝刷精磨钛板待焊表面，直至全部露出金属光泽；然后用混合酸溶液酸洗3~5 min；酸洗完成后，用无水丙酮冲洗并晾干。
4.根据权利要求3所述的钛与铝的超威弧MIG+激光双面复合高速焊接方法，其特征在于：所述混合酸溶液为体积分数：硝酸40%、氢氟酸5%的水溶液，可用常规浓度的硝酸、氢氟酸与纯净水混合配比稀释。
5.根据权利要求1所述的钛与铝的超威弧MIG+激光双面复合高速焊接方法，其特征在于：所述步骤1）中，铝板及焊丝表面的处理方法是：先用氢氧化钠温水溶液碱洗3~5min；取出后，再用体积分数硝酸30%的水溶液进行光亮处理2~3min；最后用无水丙酮冲洗并晾干；其中碱洗所用氢氧化钠温水溶液中，氢氧化钠的质量分数为10 %，可用分析纯度的颗粒状/片状氢氧化钠与纯净水进行溶解配比；氢氧化钠水溶液温度为50~60℃。
6.根据权利要求1所述的钛与铝的超威弧MIG+激光双面复合高速焊接方法，其特征在于：所述步骤2）中，钛板与铝板对接固定方式是：采用不锈钢+铜复合工装夹具将待焊工件夹紧，钛板与铝板不留间隙对接；待焊工件侧倾角度控制在5~10°；焊缝背面留有宽度为20mm的激光加工间隙。
7.根据权利要求1所述的钛与铝的超威弧MIG+激光双面复合高速焊接方法，其特征在于：所述步骤2）中，焊接工艺参数为：超威弧MIG焊用直径1.2 mm的ER5183焊丝，焊丝向铝侧偏移0.6mm，焊丝伸出长度10~12mm，送丝速率为10~11.5m/min；超威弧MIG焊焊接线能量1.1~ 1.25 kJ/cm；激光光斑直径2mm，光束向铝侧偏移0.5mm，离焦量为0mm；激光焊焊接线能量0.13 ~ 0.17 kJ/cm。
8.根据权利要求1所述的钛与铝的超威弧MIG+激光双面复合高速焊接方法，其特征在于：所述步骤2）中，双面复合高速焊接工艺中，正面超威弧MIG焊和背面激光焊的焊接速率同为180 cm/min。
9.根据权利要求1所述的钛与铝的超威弧MIG+激光双面复合高速焊接方法，其特征在于：所述步骤2）中，超威弧MIG焊用ER5183焊丝的化学成分含量是：以质量百分比计，4.7%Mg，0.8% Mn，0.3 % Si，0.3 % Fe，0.17% Zn，0.14% Ti，0.08% Cu，0.11% Cr，余量为Al。
10.根据权利要求1所述的钛与铝的超威弧MIG+激光双面复合高速焊接方法，其特征在于：所述步骤2）中，双面惰性气体保护方式是：正面超威弧MIG焊用体积分数Ar80% + He20%的混合气体保护，气体流量是20 L/min；背面激光焊用高纯Ar、99.999vol.%气体保护，气体流量是15 L/min。
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