一种用于铝-钛异种金属连接的电弧加热搅拌熔钎焊方法

摘要

一种用于铝-钛异种金属连接的电弧加热搅拌熔钎焊方法，它涉及一种异种金属连接的方法。本发明是要解决现有铝与钛及其合金的异种金属焊接方法不能同时具备低成本和避免金属间化合物的扩展问题。方法：一、清理待焊的试片；二、工件定位；三、通入氩气；四、装卡搅拌头；五、启动设备，开始焊接；六、冷却；即完成铝-钛异种金属连接的电弧加热搅拌熔钎焊。本发明的优点：一、本发明所用装置简单，大大降低成本，提高了效率；二、采用搅拌头进行加压搅拌能够细化晶粒，改善焊缝组织性能，促进焊缝成形，能够有效去除金属间化合物膜，提高焊缝成形和性能。本发明可用于铝与钛及其合金的异种金属焊接。

说明书

技术领域

本发明涉及一种异种金属连接的方法。

背景技术

铝及其合金和钛及其合金具有质轻、强度高、耐蚀性及耐热性好等特点，因此在航空、航天和汽车等工业的轻量化结构设计中，钛合金和铝合金被普遍采用。而在实际应用中，某些零部件要求的性能往往不是单一材料所能具备的，因此需要研究钛铝异种金属的焊接来解决该问题。

对于铝与钛及其合金的异种金属焊接，由于两种金属的物理化学性能相差很大，采用传统的熔焊方法会产生大量的脆性金属间化合物(IMC)，焊接性较差。常采用钎焊及扩散焊的方法进行焊接，由于铝和钛易被氧化，在焊前需要去膜处理，用真空环境进行焊接，控制其化合物生长通常在两种金属之间加阻挡层。钎焊及扩散焊等方法固然能较为有效地控制金属间化合物的形成，但是受接头形式、接头强度、构件形状及真空环境的限制，并且设备昂贵、生产周期长、效率低，工件尺寸受真空室大小的影响。同时在焊接过程中，固态钛和液态铝的接触线上会有两种金属的化合物形成，包括Ti₃Al、TiAl、TiAl₂和TiAl₃等，这些化合物在600℃以下延伸性较低，应力集中明显，容易断裂，并且它们生长速度很快，一旦控制不当，将布满整个焊接接头，这样会导致焊接接头的力学性能明显下降，甚至引起断裂。因此焊接时如何避免铝和钛的化合物的扩展是一个关键问题。

发明内容

本发明是要解决现有铝与钛及其合金的异种金属焊接方法不能同时具备低成本和避免金属间化合物的扩展问题，而提供一种用于铝-钛异种金属连接的电弧加热搅拌熔钎焊方法。

本发明一种用于铝-钛异种金属连接的电弧加热搅拌熔钎焊方法，按以下步骤进行：

一、清理待焊的试片：将钛板与铝板的待焊面用砂纸打磨，然后将打磨后的钛板和打磨后的铝板用丙酮擦拭，得到清理后的钛板和清理后的铝板；

二、工件定位：采用夹具以铝板在上、钛板在下的方式将清理后的钛板和清理后的铝板装配在焊接平台上，将装夹钛板与铝板的焊接平台放入焊接舱内；

三、通入氩气：向焊接舱中通入氩气，将空气排空；

四、装卡搅拌头：将搅拌头装卡在能够旋转、加压的夹紧头上，同时将搅拌头与焊枪的位置固定好；

五、启动设备，开始焊接：启动焊接电源和焊接平台电源，焊枪高频引弧，搅拌头开始以100r/min～1000r/min的速度旋转，搅拌头与液态熔池的边缘最近距离为1mm～2mm，在搅拌头上施加的压力为0.1Mpa～1Mpa，焊接平台以50cm/min～100cm/min的速度沿焊缝运动工作，使焊枪和搅拌头共同相对于焊接试片沿焊缝做相对运动，直至焊接过程结束；六、冷却：铝-钛焊件焊接结束后，在焊接舱中冷却至室温，即完成铝-钛异种金属连接的电弧加热搅拌熔钎焊。

本发明步骤四中所述的焊枪为直流钨极氩弧焊焊枪。

本发明步骤五中通过焊枪加热形成铝的液相区，而下面的钛板由于熔点较高不熔化，搅拌头在焊枪加热形成的液相区内进行加压搅拌，被搅拌的铝液在钛板表面完成了铺展。

本发明采用焊接电弧作为热源加热使母材熔化，通过搅拌加压的方式完成异种金属的熔钎焊。

本发明焊接舱内充氩气的作用是防止焊接中焊接金属产生氧化反应，影响焊接质量和产生金属间化合物。

本发明的优点：一、本发明所用装置简单，大大降低成本，提高了效率；二、采用搅拌头进行加压搅拌能够细化晶粒，改善焊缝组织性能，促进焊缝成形，能够有效去除金属间化合物膜，提高焊缝成形和性能；三、采用本发明的方法连接的Al-Ti异种金属材料搭接接头焊缝的剪切强度平均达到38MPa以上；四、采用电弧加热的异种金属液态搅拌熔钎焊方式与搅拌摩擦焊相比，施加的压力大大减小，降低了搅拌针与金属之间的摩擦力，使焊接工具的运动具备了更大的灵活性，能够实现复杂结构零件的焊接；五、本发明在焊接过程中液态铝与固态钛之间的接触位置采用搅拌头搅拌的方法去除焊接结合面的大片金属间化合物，使破碎的金属化合物弥散分布，焊接母材用TC4钛合金和LF6铝合金，搅拌头材质为超高温陶瓷基复合材料或钨合金，焊接电源为GTAW弧焊电源。

附图说明

图1是具体实施方式一的一种用于铝-钛异种金属连接的电弧加热搅拌熔钎焊方法工作示意图，图1中1代表钛板，2代表铝板，3代表搅拌头，F为在搅拌头上施加的压力。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1，本实施方式一种用于铝-钛异种金属连接的电弧加热搅拌熔钎焊方法，按以下步骤进行：

一、清理待焊的试片：将钛板与铝板的待焊面用砂纸打磨，然后将打磨后的钛板和打磨后的铝板用丙酮擦拭，得到清理后的钛板和清理后的铝板；

二、工件定位：采用夹具以铝板在上、钛板在下的方式将清理后的钛板和清理后的铝板装配在焊接平台上，将装夹钛板与铝板的焊接平台放入焊接舱内；

三、通入氩气：向焊接舱中通入氩气，将空气排空；

四、装卡搅拌头：将搅拌头装卡在能够旋转、加压的夹紧头上，同时将搅拌头与焊枪的位置固定好；

五、启动设备，开始焊接：启动焊接电源和焊接平台电源，焊枪高频引弧，搅拌头开始以100r/min～1000r/min的速度旋转，搅拌头与液态熔池的边缘最近距离为1mm～2mm，在搅拌头上施加的压力为0.1Mpa～1Mpa，焊接平台以50cm/min～100cm/min的速度沿焊缝运动工作，使焊枪和搅拌头共同相对于焊接试片沿焊缝做相对运动，直至焊接过程结束；六、冷却：铝-钛焊件焊接结束后，在焊接舱中冷却至室温，即完成铝-钛异种金属连接的电弧加热搅拌熔钎焊。

本实施方式步骤四中所述的焊枪为直流钨极氩弧焊焊枪。

本实施方式步骤五中通过焊枪加热形成铝的液相区，而下面的钛板由于熔点较高不熔化，搅拌头在焊枪加热形成的液相区内进行加压搅拌，被搅拌的铝液在钛板表面完成了铺展。

本实施方式采用焊接电弧作为热源加热使母材熔化，通过搅拌加压的方式完成异种金属的熔钎焊。

本实施方式焊接舱内充氩气的作用是防止焊接中焊接金属产生氧化反应，影响焊接质量和产生金属间化合物。

本实施方式所用装置简单，大大降低成本，提高了效率。

本实施方式采用搅拌头进行加压搅拌能够细化晶粒，改善焊缝组织性能，促进焊缝成形，能够有效去除金属间化合物膜，提高焊缝成形和性能。

采用本实施方式的方法连接的Al-Ti异种金属材料搭接接头焊缝的剪切强度平均达到38MPa以上，可以满足非结构件的使用要求。

本实施方式采用电弧加热的异种金属液态搅拌熔钎焊方式与搅拌摩擦焊相比，施加的压力大大减小，降低了搅拌头与金属之间的摩擦力，使焊接工具的运动具备了更大的灵活性，能够实现复杂结构零件的焊接。

本实施方式在焊接过程中液态铝与固态钛之间的接触位置采用搅拌头搅拌的方法去除焊接结合面的大片金属间化合物，使破碎的化合物分散分布，焊接母材用TC4钛合金和LF6铝合金，搅拌头材质为超高温陶瓷基复合材料或钨合金，焊接电源为GTAW弧焊电源。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤四中所述的搅拌头材质为超高温陶瓷基复合材料或钨合金。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是：所述的超高温陶瓷基复合材料为氧化锆增韧硼化物超高温陶瓷基复合材料；所述的钨合金为钨铈合金。其它与具体实施方式二相同。

本实施方式所述的氧化锆增韧硼化物超高温陶瓷基复合材料的制备方法，按以下步骤进行：一、按复合材料总体积比将70%的硼化锆粉末、10%的碳化硅颗粒和20%的氧化钇部分稳定氧化锆颗粒混合；二、将混合物放入无水乙醇中进行超声波清洗，然后放入球磨机中进行球磨混合，混合后所得浆料再烘干；三、将烘干后的混合物置于烧结炉中，在烧结气氛为氩气，压力为30MPa的条件下，以15℃/min的速度升温到1850℃，保温60min，冷却到室温取出，即得氧化锆增韧硼化物超高温陶瓷基复合材料；步骤一所用氧化钇部分稳定氧化锆中含氧化钇3mol%；所得的氧化锆增韧硼化物超高温陶瓷基复合材料经测试，韧性值为6.8MPa·m^1/2，抗弯强度为856.7MPa。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤五中所述的焊机的焊接电源为GTAW弧焊电源。其它与具体实施方式一至三之一相同。

采用下述试验验证本发明的效果：

试验一：结合图1，一种用于铝-钛异种金属连接的电弧加热搅拌熔钎焊方法，按以下步骤进行：

一、清理待焊的试片：将2mm厚钛板与2mm厚铝板的待焊面用砂纸打磨，然后将打磨后的钛板和打磨后的铝板用丙酮擦拭，去除氧化膜，得到清理后的钛板和清理后的铝板；

二、工件定位：采用夹具以铝板在上、钛板在下的方式将清理后的钛板和清理后的铝板装配在焊接平台上，将装夹钛板与铝板的焊接平台放入焊接舱内；

三、通入氩气：向焊接舱中通入氩气，充气到2bar后放气，然后再次到1bar，排净空气；

四、装卡搅拌头：将搅拌头装卡在能够旋转、加压的夹紧头上，同时将搅拌头与焊枪的位置固定好，焊枪与工件表面成角度约45°；

五、启动设备，开始焊接：启动焊接电源和焊接平台电源，焊枪高频引弧，搅拌头开始以200r/min的速度旋转，搅拌头与液态熔池的边缘最近距离约为1mm，在搅拌头上施加的压力为0.1Mpa，焊接平台以75cm/min的速度沿焊缝运动工作，使焊枪和搅拌头共同相对于焊接试片沿焊缝做相对运动，直至焊接过程结束；

六、铝-钛焊件焊接结束后，在焊接舱中冷却至室温，即完成铝-钛异种金属连接的电弧加热搅拌熔钎焊。

本试验步骤四中所述的搅拌头材质为氧化锆增韧硼化物超高温陶瓷基复合材料，所述的氧化锆增韧硼化物超高温陶瓷基复合材料的制备方法，按以下步骤进行：一、按复合材料总体积比将70%的硼化锆粉末、10%的碳化硅颗粒和20%的氧化钇部分稳定氧化锆颗粒混合；二、将混合物放入无水乙醇中进行超声波清洗，然后放入球磨机中进行球磨混合，混合后所得浆料再烘干；三、将烘干后的混合物置于烧结炉中，在烧结气氛为氩气，压力为30MPa的条件下，以15℃/min的速度升温到1850℃，保温60min，冷却到室温取出，即得氧化锆增韧硼化物超高温陶瓷基复合材料；步骤一所用氧化钇部分稳定氧化锆中含氧化钇3mol%；所得的氧化锆增韧硼化物超高温陶瓷基复合材料经测试，韧性值为6.8MPa·m^1/2，抗弯强度为856.7MPa。

本试验步骤四中所述的焊枪为直流钨极氩弧焊焊枪，步骤五中所述的焊接电源为GTAW弧焊电源。

通过剪切试验，本试验焊接的铝-钛搭接接头焊缝的剪切强度平均达到38MPa以上，可以满足非结构件的使用要求。同时由于焊接熔池在凝固过程中的约束力，金属间化合物分布弥散，焊接组织晶粒细化。

试验二：结合图1，一种用于铝-钛异种金属连接的电弧加热搅拌熔钎焊方法，按以下步骤进行：

一、清理待焊的试片：将2mm厚钛板与2mm厚铝板的待焊面用砂纸打磨，然后将打磨后的钛板和打磨后的铝板用丙酮擦拭，去除氧化膜，得到清理后的钛板和清理后的铝板；

二、工件定位：采用夹具以铝板在上、钛板在下的方式将清理后的钛板和清理后的铝板装配在焊接平台上，将装夹钛板与铝板的焊接平台放入焊接舱内；

三、通入氩气：向焊接舱中通入氩气，充气到2bar后放气，然后再次到1bar，排净空气；

四、装卡搅拌头：将搅拌头装卡在能够旋转、加压的夹紧头上，同时将搅拌头与焊枪的位置固定好，焊枪与工件表面成角度约45°；

五、启动设备，开始焊接：启动焊接电源和焊接平台电源，焊枪高频引弧，搅拌头开始以200r/min的速度旋转，搅拌头与液态熔池的边缘最近距离约为1mm，在搅拌头上施加的压力为0.1Mpa，焊接平台以75cm/min的速度沿焊缝运动工作，使焊枪和搅拌头共同相对于焊接试片沿焊缝做相对运动，直至焊接过程结束；

六、铝-钛焊件焊接结束后，在焊接舱中冷却至室温，即完成铝-钛异种金属连接的电弧加热搅拌熔钎焊。

本试验步骤四中所述的搅拌头材质为为钨铈合金，其中钨铈合金中铈的质量分数为1.8%～2.2%，所述的焊枪为直流钨极氩弧焊焊枪，步骤五中所述的焊接电源为GTAW弧焊电源。

通过剪切试验，本试验焊接的铝-钛搭接接头焊缝的剪切强度平均达到38MPa以上，可以满足非结构件的使用要求。同时由于焊接熔池在凝固过程中的约束力，金属间化合物分布弥散，焊接组织晶粒细化。