钛合金多层板的焊接方法及钛合金多层板

摘要

本发明公开了一种钛合金多层板的焊接方法，包括以下步骤，1）依次堆叠待焊接的钛合金板材，并在板材间的待焊接面上设置钎焊料，同时在钛合金多层板待激光拼接侧的钛合金板材间设置金属箔替代所述的钎焊料；2）将堆叠好的板材施加压力并在真空环境下加热且保温预定时间，同步完成钎焊和扩散焊，加热温度不得超过零件材料相变点。扩散焊用金属箔不发生熔化，金属箔与基体之间发生元素扩散时完全不引入或仅少量的引入其他元素，可以有效避免了基体材料的晶粒长大和组织相变，不会对母材产生熔蚀。

说明书

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，特别是涉及一种钛合金多层板的焊接方法。

背景技术

钛合金蜂窝壁板结构具有重量轻，比强度、比刚度高，消音，隔热，抗冲击以及减振、防潮等优异性能，在航空航天领域得到广泛应用。对于大型钛合金蜂窝壁板结构，需在其钎焊多层板区采用激光拼接方法连接成整体零件。经多次测试和分析发现，多层板结构的基体材料，即轧制板材为双态组织、等轴晶；而钎焊界面为铸造状态、树枝晶组织，其组织较粗大且晶粒尺寸不够均匀，特别是钎料元素富集，以上因素导致钎焊多层板区激光焊接接头脆性大、延伸率低，不能满足制造技术要求规定的航标II焊缝质量要求。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种钛合金多层板的焊接方法。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种钛合金多层板的焊接方法，包括以下步骤，

1）依次堆叠待焊接的钛合金板材，并在板材间的待焊接面上设置钎焊料，同时在钛合金多层板待激光拼接侧的钛合金板材间设置金属箔替代所述的钎焊料；

2）将堆叠好的板材施加压力并在真空环境下加热且保温预定时间，同步完成钎焊和扩散焊，加热温度不得超过零件材料相变点。

所述的金属箔设置在距离钛合金多层板的对接边的边缘预定距离的区域内。

所述的预定距离为10-30mm。

所述的金属箔为纯钛箔或钛合金箔。

所述的钎焊料的厚度为0.05~0.1mm，所述的金属箔为一层且厚度为0.05~0.1mm。

所述的步骤2）中真空度不低于10^-3Pa，施加压力不低于0.08Mpa；加热温度为800℃-900℃，保温时间为3-5h，保温完成后随炉炉冷，零件温度低于200℃以下出炉。

在所述的步骤2）后还包括将焊接后钛合金多层板的对接边磨平并进行激光拼焊的步骤。

在所述的步骤1）前还包括对钛合金板材进行清洁的步骤。

所述的钛合金板为TC4或TC1，厚度在0.5-2mm。

一种由所述的焊接方法制成的钛合金多层板与现有技术相比，

本发明的有益效果是：

1.在多层板激光拼接焊缝附近区域用金属箔取代焊料，可以采用与钎焊同一工艺参数进行扩散焊，实现多层板钎焊和扩散焊同时进行，不会影响整个零件的钎焊工艺；

2.扩散焊用金属箔不发生熔化，金属箔与基体之间发生元素扩散时完全不引入或仅少量的引入其他元素，可以有效避免了基体材料的晶粒长大和组织相变，不会对母材产生熔蚀；

3.与钎焊效果相比，扩散焊界面组织更为均匀，晶粒尺寸细小、无金属间化合物，连接后的板板区塑性更好，有效避免了钎焊多层板脆性激光拼焊接头的产生。

附图说明

图1 钛合金多层板装配示意图；

图2多层板钎焊扩散后金相组织；

图3 多层板激光拼焊接头组织图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图所示，本发明的钛合金多层板的焊接方法，包括以下步骤，

1）依次堆叠待焊接的钛合金板材，并在板材间的待焊接面上设置钎焊料，同时在钛合金多层板待激光拼接侧的钛合金板材间设置金属箔替代所述的钎焊料；

2）将堆叠好的板材施加压力并在真空环境下加热且保温预定时间，同步完成钎焊和扩散焊，加热温度不得超过零件材料相变点。扩散焊区采用低温扩散方法不仅避免焊接温度高于板材材料相变点而导致其发生相变，且抑制板材材料晶粒长大。

其中，所述的金属箔设置在距离钛合金多层板的激光拼接边的边缘预定距离的区域内，所述的预定距离为10-30mm，即所述的金属箔宽度在10-30mm，外侧基本与堆叠后侧钛合金边缘齐平。

本发明针对大型钛合金蜂窝壁板结构钎焊多层板区激光拼焊接头脆性问题，提出了在多层板激光拼接焊缝附近区域用金属箔取代焊料，采用与钎焊同一工艺参数进行扩散焊，实现多层板钎焊和扩散焊同时进行，扩散焊连接界面组织均匀、晶粒尺寸细小、无金属间化合物，有效避免了钎焊多层板脆性激光拼焊接头的产生，保证了拼接接头的可靠性。

具体地，所述的钛合金板为TC4或TC，厚度在0.5-2mm。

所述的金属箔为纯钛箔或钛合金箔，如TA1、TA2箔等，所述的钎焊料可为钛基焊料，其设置的厚度为0.05~0.1mm，所述的金属箔为一层且厚度为0.05~0.1mm。

作为优选方案，所述的步骤2）中真空度不低于10-3Pa，加热温度为800℃-900℃，保温时间为3-5h，保温完成后随炉炉冷，零件温度低于200℃以下出炉。

下面通过一个具体实施例进行进一步阐述说明

1、钛合金板材材料选为TC4，板材1、板材2、板材3厚度均为0.8mm，板材尺寸均为200mm×200mm，钎焊料选为Ti37.5Zr-15Cu-10Ni非晶态焊料，应用厚度为0.05mm，金属箔选为纯Ti箔，厚度为0.05mm；

2、对钛合金板材钎焊表面用细砂纸或钢丝刷进行打磨，去除钎焊表面氧化膜，并进行酸洗，而后进行超声清洗30min；

3、采用丙酮或酒精清洗纯钛箔表面，去除表面油污；

4、钛合金板材1、钛合金板材2、钛合金板材3钎焊面添加一层钎焊料4，在距离多层板激光拼接边界20mm内区域添加一层厚度为0.05mm纯钛箔5；

5、按图1将添加焊料和金属箔的板材按图1顺序进行装配，采用工装施加压力，将工装连同零件进入真空钎焊炉，同时进行钎焊和扩散焊，钎焊扩散焊过程真空度不低于10^-3Pa，压力0.1Mpa，钎焊扩散焊工艺参数为：钎焊和扩散焊温度为880℃，保温时间为240>

6、将焊后多层板采用磨床将激光拼焊面磨平，对缝后进行激光拼焊，对缝间隙不得超过0.1mm；

7、采用X光检测设备检测拼焊后的激光焊缝，焊缝质量满足航标I级焊缝规定要求；

8、采用线切割方式切割激光拼焊接头，进行金相分析，从金相组织图2可以发现，焊缝组织良好，界面无金属间化合物。

9、将拼焊后的多层板试样按照航空标准要求加工为板状拉伸式样，而后进行室温、高温性能测试，从测试结果可以发现，常温拉伸强度达到990MPa以上，延伸率均高于8%，350℃高温抗拉强度达到680MPa以上，延伸率大于11%，强度、塑性均能够很好地满足设计技术指标要求。

同样工艺制作三个样品试件，具体的多层板激光拼焊接头拉伸性能测试结果如表1。

表1

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。