CN115138936B - 一种消除铝-钛激光熔钎焊搭接接头铝合金热裂纹的方法 - Google Patents

一种消除铝-钛激光熔钎焊搭接接头铝合金热裂纹的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种消除铝‑钛激光熔钎焊搭接接头热裂纹的方法，涉及异种金属激光焊接领域。本发明将超声波振动分散之后的四氟铝酸钾、六氟铝酸钾、TiC纳米陶瓷颗粒与丙酮混合的悬浮液均匀涂敷在铝合金板表面，将超声波振动分散之后的四氟铝酸钾、六氟铝酸钾与丙酮混合的悬浮液均匀涂敷在钛合金板表面，待丙酮挥发之后进行试样的装夹，利用双激光束进行铝‑钛异种金属搭接激光熔钎焊。激光能量作用在铝合金上使母材发生熔化，熔化后的铝合金润湿铺展在钛合金表面，发生界面反应形成熔钎焊接头。通过添加TiC纳米颗粒粉末，在激光熔钎焊过程中对铝合金焊缝起到了晶粒细化的作用，有效地抑制了接头铝合金焊缝中的热裂纹，接头的抗拉剪强度大幅度提高。

Description

一种消除铝-钛激光熔钎焊搭接接头铝合金热裂纹的方法
技术领域
本发明涉及铝-钛异种金属激光焊接领域，具体的，一种消除铝-钛激光熔钎焊搭接接头铝合金热裂纹的方法。
背景技术
铝合金材料因其较高的比强度、较低的密度、良好的板材成形性能和较低的成本，已经在航空航天及汽车等工业领域得到了广泛的应用。同时，钛合金由于其优异的耐腐蚀性、更高的比强度和良好的高温性能而被应用于结构件和航空发动机部件中。随着工业领域，特别是航空航天领域对轻量化要求的提高，铝-钛异种材料复合构件开始得到了越来越广泛的应用，铝合金和钛合金的连接成为了人们所关注的热点问题。
激光熔钎焊具有加热和冷却速度快、能量密度可精确控制、工件变形小、残余应力低、激光光斑位置可精确定位等优点，是铝-钛异种金属连接的极佳选择。在焊接的过程中，激光作用在低熔点的铝合金材料上使其发生熔化，进而润湿铺展在未熔化的钛合金板上发生界面冶金反应，生成钎缝。由于异种材料热膨胀系数等热物理性能之间的巨大差异以及接头内部残余应力的存在，在接头内部铝合金侧极易产生热裂纹缺陷，特别是采用7075等热裂纹敏感性较高的高强铝合金时，热裂纹现象更加明显。热裂纹的存在会大幅度降低接头的可靠性，限制接头力学性能的进一步提高。
针对现有技术文献的检索可知，目前针对铝合金焊缝中热裂纹的问题，一般采用改进焊接工艺、使用填充焊丝等工艺手段，中国专利CN 111805081 A公开了一种通过在熔池两侧分别施加一束激光，进而利用热膨胀效应将焊缝中的残余拉应力转变为残余压应力，最终抑制铝合金焊接热裂纹的方法。
针对以上问题，本发明提出了一种无需填充焊丝，无需改变焊接速度、激光功率等焊接工艺参数，只需要在铝-钛搭接接头铝合金上方涂敷含有纳米颗粒的粉末，从而消除铝-钛激光熔钎焊搭接接头铝合金热裂纹的方法。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供的是一种消除铝-钛激光熔钎焊搭接接头铝合金热裂纹的方法，该方法可以显著细化接头铝合金焊缝的晶粒，抑制接头内部的热裂纹，大幅度提高接头的抗拉剪性能。
本发明提供的技术方案如下：
本发明提供一种消除铝-钛激光熔钎焊搭接接头铝合金热裂纹的方法，主要包括以下步骤：
步骤1、铝合金板材和钛合金板材进行表面预处理；
步骤2、在铝合金板材表面涂覆纳米陶瓷颗粒Nocolok钎剂；
步骤3、在钛合金板材表面涂覆Nocolok钎剂；
步骤4、将铝合金板材和钛合金板材相互搭接，对搭接部位进行激光焊接处理。
步骤1具体为，对铝合金板材和钛合金板材表面的油污使用丙酮进行清洗，清洗后对板材进行烘干，然后使用砂纸对铝合金表面和钛合金表面进行机械打磨，去除表面的氧化膜。
步骤2中，所述纳米陶瓷颗粒Nocolok钎剂的制备方法如下：将四氟铝酸钾、六氟铝酸钾、纳米陶瓷颗粒按比例混合，然后向混合粉末中加入丙酮调成液态并置于超声波振动机中分散混合，制备成液态悬浮液。
步骤3中，所述Nocolok钎剂的制备方法如下：将四氟铝酸钾、六氟铝酸钾粉末按比例混合，然后向混合粉末中加入丙酮调成液态并置于超声波振动机中分散混合，利用超声波在液体中产生的空化作用分散粉末和纳米颗粒。
步骤2和步骤3中，超声波振动机参数设定为：输出频率30～40KHz；超声波功率为340～380W，振动模式为连续，分散时间为5～8min。
所述步骤2中，纳米陶瓷颗粒Nocolok钎剂的涂覆厚度为0.1～0.2mm；
进一步，纳米陶瓷颗粒Nocolok钎剂中，所述四氟铝酸钾和六氟铝酸钾粉末的质量分数为68％～75％；纳米陶瓷颗粒的质量分数分别为25％～32％。
所述步骤3中，Nocolok钎剂的涂覆厚度为0.1～0.2mm；
所述步骤4中，铝合金板材和钛合金板材的搭接宽度为15mm～20mm，采用铝合金在上钛合金在下的搭接焊模式；让激光直接作用于上部的铝合金板材上，通过激光热传导焊的模式熔化更多的铝液，同时避免钛合金的熔化。
步骤4中，激光焊接采用光纤激光器；激光束采用正离焦，增大光斑尺寸，通过激光热传导焊的模式熔化更多的铝液，同时避免钛合金的熔化。所述激光束为光纤激光。所述激光束的入射方向前倾7°～10°，指向熔池的前端。
所述纳米陶瓷颗粒包括TiC纳米陶瓷颗粒、TiB2纳米陶瓷颗粒、LaB6纳米陶瓷颗粒中的至少一种。
作为本发明的一个实施方式，步骤4具体为：待丙酮挥发后，将步骤2和步骤3处理后的铝合金板材和钛合金板材以搭接的方式排列，铝合金在钛合金上方，铝合金板和钛合金板的两侧分别用螺栓固定在焊接夹具上；利用双激光束进行铝-钛异种金属搭接激光熔钎焊，激光能量作用在铝合金上使母材发生熔化，熔化后的铝合金润湿铺展在钛合金表面，发生界面反应形成熔钎焊接头。所述双激光束并行排列，与焊接方向垂直，双激光束的光斑直径大于1.4mm。
双激光束包括主激光束和第二激光束；
进一步，步骤4中，激光焊接工艺参数为：总激光能量设置为2500～2900W，主光束能量与第二光束能量的比值设定为90％：10％～70％：30％，焊接速度设定为0.35～0.45m/min。
所述主激光束照射在铝合金板上。主激光束的作用主要是熔化铝合金，优选地，主激光束作用位置选择与铝板边缘相切，在此条件下融化的铝合金可以更顺利地铺展至钛板表面。
所述第二激光束仅照射在钛板上，且所述第二激光束与主激光束之间的距离由激光热输入及板厚来决定。所述第二激光束在铝液润湿铺展到钛板上之后直接作用到熔融的铝液上，可以延长熔池的存在时间，降低液态金属的表面张力，促进熔融铝液进一步地润湿铺展。
所述双激光束功率均可调节。所述主激光束的能量应根据激光热输入及铝合金板厚选择，在保证底部钛板不熔化的条件下，获得更多的熔融铝液。第二激光束在焊接过程稳定之后直接作用在铝合金熔池上，在促进铝液润湿铺展的同时加快铝合金与钛合金反应生成界面金属间化合物。界面金属间化合物过薄难以建立起可靠的冶金连接，过量硬脆金属间化合物的生成会造成接头强度的大幅度下降。优选地，第二激光束的能量为总激光能量的10％～30％。
进一步地，激光焊接时，采用惰性气体保护。保护范围能有效地覆盖铝合金熔池和第二激光束作用区域。保护气喷嘴的吹起口指向待焊部位的熔池，并且与水平面呈40～45°的夹角，吹气口距离激光照射部位10～20mm。
进一步，步骤1所述油污的清理采用丙酮擦洗并烘干，清理氧化膜采用400号的金相砂纸对铝合金和钛合金进行机械打磨。
所述四氟铝酸钾和六氟铝酸钾均为200～500目的粉末。
所述TiC纳米陶瓷颗粒的纯度≥99.99％，中位粒径D50为30～50nm，陶瓷颗粒呈不规则形状。
本发明提出了一种消除铝-钛激光熔钎焊搭接接头铝合金热裂纹的方法，具体适用于铝-钛异种金属激光熔钎焊过程中，用于抑制接头铝合金焊缝区域热裂纹，提高焊接接头的力学性能。
本发明的主要原理是利用双激光束熔化铝合金并使其润湿铺展在钛合金板上发生界面反应，利用TiC纳米陶瓷颗粒产生的晶粒细化作用抑制接头铝合金焊缝中热裂纹的产生，进而提高接头的强度。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、将四氟铝酸钾、六氟铝酸钾、TiC纳米陶瓷颗粒的混合粉末涂敷在铝-钛搭接接头铝合金板上方，通过双光束激光熔钎焊方法获得了铝合金焊缝中无热裂纹的接头。所述四氟铝酸钾、六氟铝酸钾可以去除铝合金表面的氧化膜，降低界面张力，促进熔融铝液的润湿铺展；所述TiC纳米颗粒在激光熔钎焊过程中起到细化铝合金焊缝晶粒及改善组织的作用，有效地抑制了热裂纹的产生，大幅度提高了接头的力学性能。
2、本发明的关键之处在于，通过向激光焊熔池中添加纳米陶瓷颗粒的技术手段，解决了现有高强高热裂纹敏感性铝合金和钛合金连接接头中的严重热裂纹问题，实现了铝合金焊缝内部细小等轴晶周围分散分布析出相的组织，在获得无裂纹接头的同时协同提高了力学性能。
3、本发明在铝合金板材和钛合金板材的搭接过程中，采用铝合金在上钛合金在下的搭接焊模式；让激光直接作用于上部的铝合金板材上，通过激光热传导焊的模式熔化更多的铝液，同时避免钛合金的熔化。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明消除铝-钛激光熔钎焊搭接接头铝合金热裂纹的方法的焊接全局示意图及光斑位置俯视示意图；其中(a)为焊接全局示意图；(b)为光斑位置俯视示意图；
图2为对比例1铝合金板上表面未涂敷Nocolok钎剂+TiC纳米陶瓷颗粒的接头界面层金相组织；图3为实施例1所获得激光熔钎焊接头界面层金相组织；
图4为实施例1消除铝-钛激光熔钎焊搭接接头铝合金热裂纹的方法所获得的接头载荷-位移曲线；
图5为对比例2铝合金板上表面仅涂敷TiC纳米陶瓷颗粒的接头界面层金相组织；
图6为对比例3铝合金板上表面涂敷TiC纳米陶瓷颗粒含量较低的Nocolok钎剂+TiC纳米陶瓷颗粒的接头界面层金相组织。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干调整和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
本实施例提供一种消除铝-钛激光熔钎焊搭接接头铝合金热裂纹的方法，包括如下步骤：
(1)对AA7075铝合金板材和Ti6Al4V钛合金板材母材表面的油污使用丙酮进行清洗，完成后对板材进行烘干，然后使用400号的金相砂纸对铝合金表面和钛合金表面进行机械打磨，去除表面的氧化膜；铝合金板材和钛合金板材的尺寸相同，长度均为150mm，宽度均为50mm，厚度均为1.5mm；
(2)制备Nocolok钎剂(四氟铝酸钾+六氟铝酸钾)悬浮液：取6.40g四氟铝酸钾、3.60g六氟铝酸钾和20.00g丙酮混合后，利用超声振动的方法将其混合均匀；超声波振动机参数设定为：输出频率30KHz；超声波功率为340W，振动模式为连续，分散时间为5min；
(3)制备TiC纳米陶瓷颗粒Nocolok钎剂悬浮液：取6.40g四氟铝酸钾、3.60g六氟铝酸钾、4.00gTiC纳米陶瓷颗粒和25.00g丙酮混合后，利用超声振动的方法将其混合均匀；超声波振动机参数设定为：输出频率30KHz；超声波功率为340W，振动模式为连续，分散时间为5min；
(4)将Nocolok钎剂悬浮液均匀涂敷在钛合金板上，涂敷厚度为0.1mm；
(5)将TiC纳米陶瓷颗粒Nocolok钎剂悬浮液均匀涂敷在铝合金板上表面，涂敷厚度为0.1mm；
(6)待步骤(4)和步骤(5)处理后的板材表面的丙酮挥发之后，如图1所示，使用夹具装夹试板；试验中铝合金板材置于上部，钛合金板材置于下部，采用铝合金在上钛合金在下的搭接焊模式，搭接宽度为15mm。
(7)调整激光的照射位置及光束能量参数，使之适合所需的焊接工艺，本实施例中使用的光斑位置的设置如图1所示，主光束完全作用于铝合金板上，且与铝合金板的边缘相切；第二光束完全作用于钛合金板上，其与主光束光斑的连线垂直于焊接方向，与主光束光斑中心的距离为1.5mm。
(8)使用光纤激光器按照预先设定好的焊接工艺参数进行施焊，完成焊接；总激光能量设置为2700W，主光束能量与第二光束能量的比值设定为80％：20％，焊接速度设定为0.4m/min。
如图1所示，使用IPG光纤激光器进行焊接，激光束离焦量为+15mm，激光在此离焦量下的光斑直径为1.4mm；
步骤8中，激光焊接时，采用侧吹惰性气体能有效地保护双激光束熔池。
对比例1
本对比例与实施例1的区别在于，AA7075铝合金板材表面未涂敷TiC纳米陶瓷颗粒Nocolok钎剂悬浮液。如图2所示，对比例1所获得的接头横截面金相组织，可以发现接头内部有大量连续热裂纹的存在，大部分热裂纹沿着垂直于界面生长的胞状晶末端扩展，少部分热裂纹存在于焊缝内部枝晶组织的晶界处。
如图3所示为实施例1所获得的接头横截面金相组织，可以发现样品晶粒细小且呈近等轴状，与铝合金上表面未涂敷纳米陶瓷颗粒Nocolok钎剂悬浮液所获得的接头横截面金相组织(如图2所示)相比，在凝固过程中产生的热裂纹已完全消失。
图4所示为实施例1所获得的熔钎焊接头与对比例1所获得的熔钎焊接头的拉剪力学性能对比，由于接头内部热裂纹的消失及添加的TiC纳米颗粒对铝合金焊缝组织产生的改善效果，接头的抗拉剪载荷从2510N提高到了4224N，使用实施例1所获得的接头拉伸性能提高了68％左右。
对比例2
本对比例与实施例1的区别在于，AA7075铝合金板材表面仅涂敷TiC纳米陶瓷颗粒悬浮液。
即，制备TiC纳米陶瓷颗粒悬浮液：取4.00gTiC纳米陶瓷颗粒和10.00g丙酮混合后，利用超声振动的方法将其混合均匀；超声波振动机参数设定为：输出频率30KHz；超声波功率为340W，振动模式为连续，分散时间为5min；然后将TiC纳米陶瓷颗粒悬浮液均匀涂敷在铝合金板上，涂敷厚度为0.1mm。
如图5所示，对比例2所获得的接头横截面金相组织，可以发现接头内部有大量连续热裂纹的存在，垂直于界面生长的胞状晶末端的热裂纹张开程度较大，焊缝内部枝晶间热裂纹张开程度较小。
对比例3
本对比例与实施例1的区别在于，AA7075铝合金板材表面涂敷TiC纳米陶瓷颗粒含量较低的TiC纳米陶瓷颗粒Nocolok钎剂悬浮液。
即制备TiC纳米陶瓷颗粒Nocolok钎剂悬浮液：取6.40g四氟铝酸钾、3.60g六氟铝酸钾、2.00gTiC纳米陶瓷颗粒和25.00g丙酮混合后，利用超声振动的方法将其混合均匀；超声波振动机参数设定为：输出频率30KHz；超声波功率为340W，振动模式为连续，分散时间为5min；然后将Nocolok钎剂+TiC纳米陶瓷颗粒的悬浮液均匀涂敷在铝合金板上表面，涂敷厚度为0.1mm。
如图6所示，对比例3所获得的接头横截面金相组织，可以发现接头内部有大量连续热裂纹的存在，垂直于界面生长的胞状晶生长得到了一定程度的抑制，但焊缝内部仍为枝晶组织，热裂纹存在于界面附近的铝合金焊缝区域。
对比例4
本对比例与实施例1的区别在于，在AA7075铝合金板材表面涂覆Nocolok钎剂悬浮液，在Ti6Al4V钛合金板材表面涂敷TiC纳米陶瓷颗粒Nocolok钎剂悬浮液。
此时不能获得成形较好的接头，Nocolok钎剂主要起到去除氧化膜的作用，促进液态铝合金的润湿铺展，当钛合金板材表面涂敷TiC纳米陶瓷颗粒Nocolok钎剂悬浮液后，液态铝合金在钛合金表面的润湿性变差，激光直接作用于底部钛合金板上造成焊穿。
上述实施例关于使用TiC纳米陶瓷颗粒消除AA7075铝合金和Ti6Al4V钛合金异种金属激光熔钎焊搭接接头热裂纹，仅为举例说明。本发明的实质是基于激光熔钎焊的方法，并通过向熔池中添加纳米陶瓷颗粒，对接头铝合金焊缝组织进行改性，进而消除热裂纹缺陷，提高接头的力学性能。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (8)

1.一种消除铝-钛激光熔钎焊搭接接头铝合金热裂纹的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1、铝合金板材和钛合金板材进行表面预处理；
步骤2、在铝合金板材表面涂覆纳米陶瓷颗粒Nocolok钎剂；
步骤3、在钛合金板材表面涂覆Nocolok钎剂；
步骤4、将铝合金板材和钛合金板材相互搭接，对搭接部位进行激光焊接处理；
步骤2中，所述纳米陶瓷颗粒Nocolok钎剂的制备方法如下：将四氟铝酸钾、六氟铝酸钾、纳米陶瓷颗粒按比例混合，然后向混合粉末中加入丙酮调成液态并超声分散混合，制备成液态悬浮液；
步骤2中，所述纳米陶瓷颗粒包括TiC纳米陶瓷颗粒、TiB2纳米陶瓷颗粒、LaB6纳米陶瓷颗粒中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的消除铝-钛激光熔钎焊搭接接头铝合金热裂纹的方法，其特征在于，步骤3中，所述Nocolok钎剂的制备方法如下：将四氟铝酸钾、六氟铝酸钾粉末按比例混合，然后向混合粉末中加入丙酮调成液态并超声分散混合，利用超声波在液体中产生的空化作用分散粉末和纳米颗粒。
3.根据权利要求1所述的消除铝-钛激光熔钎焊搭接接头铝合金热裂纹的方法，其特征在于，步骤2中，所述纳米陶瓷颗粒Nocolok钎剂中，所述四氟铝酸钾和六氟铝酸钾粉末的质量分数为68%~75%；纳米陶瓷颗粒的质量分数分别为25%~32%。
4.根据权利要求1所述的消除铝-钛激光熔钎焊搭接接头铝合金热裂纹的方法，其特征在于，所述步骤4中，铝合金板材和钛合金板材的搭接宽度为15mm~20mm，采用铝合金在上钛合金在下的搭接焊模式。
5.根据权利要求1所述的消除铝-钛激光熔钎焊搭接接头铝合金热裂纹的方法，其特征在于，纳米陶瓷颗粒Nocolok钎剂的涂覆厚度为0.1~0.2mm。
6.根据权利要求1所述的消除铝-钛激光熔钎焊搭接接头铝合金热裂纹的方法，其特征在于，所述Nocolok钎剂的涂覆厚度为0.1~0.2mm。
7.根据权利要求1所述的消除铝-钛激光熔钎焊搭接接头铝合金热裂纹的方法，其特征在于，步骤4中，激光焊接时，采用侧吹惰性气体保护，保护气喷嘴的吹起口指向待焊部位的熔池，并且与水平面呈40~45°的夹角，吹气口距离激光照射部位10~20mm。
8.根据权利要求1所述的消除铝-钛激光熔钎焊搭接接头铝合金热裂纹的方法，其特征在于，步骤4中，激光焊接采用的激光束为正离焦、总激光功率为2400W~3000W、焊接速度为0.4~0.5m/min、保护气体流量为15~25L/min。
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