專利名稱：鋁、鈦及其合金異種金屬交流鎢極氬弧焊電弧微熔釬焊方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種焊接方法。
背景技術(shù)：
鋁及鋁合金、鈦及鈦合金都具有密度小、比強(qiáng)度高的特點(diǎn)，而且對鈦合金而言還具有耐蝕性及耐熱性好等優(yōu)點(diǎn)，因此鋁及鋁合金、鈦及鈦合金大量應(yīng)用于運(yùn)輸系統(tǒng)，以減輕載體自重，提高有效載重量，進(jìn)而節(jié)省能耗，據(jù)統(tǒng)計(jì)汽車工業(yè)每減重1kg其成本增值10歐元，而航天工業(yè)中則成本增值1000歐元，在太空應(yīng)用中，單位質(zhì)量減重成本增值10000歐元以上，有著很大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。與此伴隨的出現(xiàn)了鈦及鈦合金、鋁及鋁合金異種材料的連接問題，鋁及鋁合金與鈦及鈦合金異種材料焊接主要有以下幾點(diǎn)困難(1)互溶性及金屬間化合物問題，獲得異種金屬的焊接接頭的主要條件是他們之間有完全的互溶性；能夠形成間隙時連續(xù)系列的固溶體。當(dāng)不具備這些條件和物理化學(xué)性能相差很大時，會產(chǎn)生脆性的金屬間化合物和共晶體，而難以焊接。如果金屬間化合物以極細(xì)的夾雜物形式彌散的分布在合金晶粒之間，則可能完全無害；而如果呈帶狀或針狀出現(xiàn)在晶界之間，或兩種金屬之間出現(xiàn)中間過渡層，就有造成金屬脆性斷裂的危險。從元素周期表和鋁和鈦相圖可見，兩種金屬物理化學(xué)性質(zhì)差別很大，在室溫下不滿足互溶性條件，在焊接時，在鈦及鈦合金與鋁及鋁合金的接觸線上要形成金屬間化合物。所形成的化合物有Ti3Al、TiAl、TiAl2和TiAl3等多種，而且化合物生長速度很快，控制不當(dāng)將布滿整個接頭，使焊縫化學(xué)成分不均勻，大多數(shù)金屬間化合物具有和陶瓷一樣的脆性，它們在600℃以下具有低的延伸性和易斷裂，金屬間化合物表現(xiàn)出強(qiáng)烈的應(yīng)力集中傾向，會導(dǎo)致迅速脆性斷裂。
(2)鈦及鈦合金的散熱問題。鈦的導(dǎo)熱系數(shù)λ＝15.24W/(m.K)，約是鋁的1/14，而各種鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)比鈦的導(dǎo)熱系數(shù)約下降50％，工業(yè)上常用的鈦合金TC4導(dǎo)熱系數(shù)為6.8W/(m.K)。當(dāng)鈦及鈦合金與鋁及鋁合金異種金屬焊接時，鈦及鈦合金側(cè)熔合區(qū)金屬長時間保持液態(tài)而無法凝固，使鈦及鈦合金母材過量溶解于熔池中并造成焊縫中脆性金屬間化合物大量生長，而且所生成的化合物呈層狀位于鈦及鈦合金母材與熔合區(qū)界面處，因此接頭的破壞常發(fā)生于此處，使得焊接產(chǎn)生困難。
目前，在國內(nèi)對鋁及鋁合金與鈦及鈦合金異種材料焊接方法主要有擴(kuò)散連接。擴(kuò)散連接是在溫度、壓力的聯(lián)合作用下，使被連接的兩種材料的界面緊密接觸，或通過液相填充間隙，在通過一定時間的原子擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)冶金連接的一種連接方法。目前鈦及鈦合金、鋁及鋁合金等異種金屬的復(fù)合連接結(jié)構(gòu)常用這種方法進(jìn)行生產(chǎn)。為解決去氧化膜及化合物生長的問題，通常采用焊前去膜、真空環(huán)境下施焊的方法，并采用加中間阻擋層的方法，限制鈦及鈦合金與鋁及鋁合金之間的原子擴(kuò)散形成化合物層。然而，擴(kuò)散連接的設(shè)備昂貴、生產(chǎn)周期長。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對鈦及鈦合金、鋁及鋁合金異種金屬焊接過程中互溶性及金屬間化合物產(chǎn)生的弊端和鈦的散熱問題，及其現(xiàn)有擴(kuò)散連接設(shè)備昂貴、生產(chǎn)周期長的缺點(diǎn)，而提出了鋁、鈦及其合金異種金屬交流鎢極氬弧焊電弧微熔釬焊方法。
本發(fā)明方法步驟如下步驟一將鈦板或鈦合金板1的對接處開出30°～55°的坡口和1～3mm的鈍邊，將鈦板或鈦合金板1的下表面固定在帶有循環(huán)冷卻水裝置2的銅卡具3上，并在鈦板或鈦合金板1的上部安裝有振動裝置4，之后將鈦板或鈦合金板1、銅卡具3和振動裝置4置于空氣排凈并充入惰性氣體的焊接艙5中；步驟二啟動循環(huán)冷卻水裝置2和振動裝置4，在鈦板或鈦合金板1上一側(cè)施加降溫和超聲振動或機(jī)械振動，并進(jìn)行焊接，利用交流鎢極氬弧焊電弧微熔釬焊方法在鈦板或鈦合金板1的坡口處堆敷一定厚度的鋁合金，堆敷完成后將鋁合金開成1cm～5cm厚的鋁合金層6，并開出30°～55°的坡口和1～3mm的鈍邊；步驟三將另一塊待焊的鋁板或鋁合金板7的對接處開出30°～55°的坡口和1～3mm的鈍邊，之后也置于焊接艙5中，啟動循環(huán)冷卻水裝置2和振動裝置4，在鈦板或鈦合金板1上一側(cè)施加降溫和超聲振動或機(jī)械振動，并進(jìn)行焊接，焊件焊接完成后在焊接艙5中冷卻至室溫。
本發(fā)明在焊接過程中保證鋁及鋁合金母材熔化而鈦及鈦合金母材不熔或微熔，在鈦及鈦合金側(cè)利用帶有循環(huán)冷卻水的卡具對其進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，使熔合區(qū)液態(tài)金屬冷卻速度加快，減少脆性金屬間化合物生成，而且采用振動頭使金屬間化合物以極細(xì)的夾雜物形式彌散的分布在合金晶粒之間，經(jīng)過冶金反應(yīng)形成性能優(yōu)良的接頭，而且本方法具有裝置簡單，成本低的優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過初步的試驗(yàn)，已經(jīng)得到了一些非常有價值的結(jié)果填充焊絲在鈦表面充分潤濕，接頭強(qiáng)度達(dá)到母材強(qiáng)度的60％(實(shí)驗(yàn)用鋁合金為LF6鋁合金，斷裂強(qiáng)度220MPa)，斷裂發(fā)生在鋁母材熱影響區(qū)部位。


圖1是本發(fā)明焊接示意圖；圖2是鋁合金與鈦合金異種金屬復(fù)合接頭微觀組織結(jié)構(gòu)圖；圖3是圖2中E處的局部放大圖；圖4是本發(fā)明焊接圓環(huán)形焊件圖；圖5是本發(fā)明焊接平面焊件圖。
具體實(shí)施例方式
具體實(shí)施方式
一結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，方法步驟如下步驟一將鈦板或鈦合金板1的對接處開出30°～55°的坡口和1～3mm的鈍邊，將鈦板或鈦合金板1的下表面固定在帶有循環(huán)冷卻水裝置2的銅卡具3上，并在鈦板或鈦合金板1的上部安裝有振動裝置4，之后將鈦板或鈦合金板1、銅卡具3和振動裝置4置于空氣排凈并充入惰性氣體的焊接艙5中；步驟二啟動循環(huán)冷卻水裝置2和振動裝置4，在鈦板或鈦合金板1上一側(cè)施加降溫和超聲振動或機(jī)械振動，并進(jìn)行焊接，利用交流鎢極氬弧焊電弧微熔釬焊方法在鈦板或鈦合金板1的坡口處堆敷一定厚度的鋁合金，堆敷完成后將鋁合金開成1cm～5cm厚的鋁合金層6，并開出30°～55°的坡口和1～3mm的鈍邊；步驟三將另一塊待焊的鋁板或鋁合金板7的對接處開出30°～55°的坡口和1～3mm的鈍邊，之后也置于焊接艙5中，啟動循環(huán)冷卻水裝置2和振動裝置4，在鈦板或鈦合金板1上一側(cè)施加降溫和超聲振動或機(jī)械振動，并進(jìn)行焊接，焊件焊接完成后在焊接艙5中冷卻至室溫。
惰性氣體的作用是防止在焊接中焊接金屬產(chǎn)生氧化反應(yīng)影響焊接質(zhì)量和產(chǎn)生金屬間化合物；采用振動頭使金屬間化合物以極細(xì)的夾雜物形式彌散的分布在合金晶粒之間。
具體實(shí)施方式
二本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同點(diǎn)在于振動裝置4為超聲振動裝置或機(jī)械振動裝置，超聲振動裝置的頻率在18K～120K赫茲、振幅在10μm～1000μm的范圍；機(jī)械振動裝置的頻率在25～4000赫茲、振幅在的10μm～1mm范圍；其它組成和連接方式與具體實(shí)施方式
一相同。
材料用TC4鈦合金和LF6鋁合金，焊機(jī)為COMPA500P型TIG焊機(jī)，振動頭采用YX-2805超聲焊接設(shè)備振動頭，焊接得到鈦合金與鋁合金的接頭拉伸強(qiáng)度200MPa，斷裂位置位于LF6鋁合金的熱影響區(qū)。圖2是鋁合金與鈦合金異種金屬復(fù)合接頭微觀組織結(jié)構(gòu)圖，我們可以從中看到金屬間化合物層比較薄，而且是不連續(xù)的，這樣達(dá)到韌性好的要求。本發(fā)明適用于焊接大型焊件，用現(xiàn)有擴(kuò)散焊接方法焊接價格昂貴，而使用本方法焊接焊接效果可達(dá)到同等水平，而且成本低，步驟簡單、方便。
權(quán)利要求
1.鋁、鈦及其合金異種金屬交流鎢極氬弧焊電弧微熔釬焊方法，其特征在于方法步驟如下步驟一將鈦板或鈦合金板(1)的對接處開出30°～55°的坡口和1～3mm的鈍邊，將鈦板或鈦合金板(1)的下表面固定在帶有循環(huán)冷卻水裝置(2)的銅卡具(3)上，并在鈦板或鈦合金板(1)的上部安裝有振動裝置(4)，之后將鈦板或鈦合金板(1)、銅卡具(3)和振動裝置(4)置于空氣排凈并充入惰性氣體的焊接艙(5)中；步驟二啟動循環(huán)冷卻水裝置(2)和振動裝置(4)，在鈦板或鈦合金板(1)上一側(cè)施加降溫和超聲振動或機(jī)械振動，并進(jìn)行焊接，利用交流鎢極氬弧焊電弧微熔釬焊方法在鈦板或鈦合金板(1)的坡口處堆敷一定厚度的鋁合金，堆敷完成后將鋁合金開成1cm～5cm的鋁合金層(6)，并開出30°～55°的坡口和1～3mm的鈍邊；步驟三將另一塊待焊的鋁板或鋁合金板(7)的對接處開出30°～55°的坡口和1～3mm的鈍邊，之后也置于焊接艙(5)中，啟動循環(huán)冷卻水裝置(2)和振動裝置(4)，在鈦板或鈦合金板(1)上一側(cè)施加降溫和超聲振動或機(jī)械振動，并進(jìn)行焊接，焊件焊接完成后在焊接艙(5)中冷卻至室溫。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁、鈦及其合金異種金屬交流鎢極氬弧焊電弧微熔釬焊方法，其特征在于振動裝置(4)為超聲振動裝置或機(jī)械振動裝置，超聲振動裝置的頻率在18K～120K赫茲、振幅在10μm～1000μm的范圍；機(jī)械振動裝置的頻率在25～4000赫茲、振幅在的10μm～1mm范圍。
全文摘要
鋁、鈦及其合金異種金屬交流鎢極氬弧焊電弧微熔釬焊方法，它涉及焊接方法。它針對鈦的散熱問題，及現(xiàn)有設(shè)備昂貴、生產(chǎn)周期長的缺點(diǎn)，提出本方法一將鈦或鈦合金板對接處開坡口和鈍邊，其下部固定在帶有循環(huán)冷卻水裝置的銅卡具上，其上部安有振動裝置，將它們置充滿惰性氣體的焊接艙中；二啟動循環(huán)冷卻水裝置和振動裝置并焊接，利用交流鎢極氬弧焊電弧微熔釬焊方法在鈦或鈦合金板的坡口處堆敷鋁合金，完成后將鋁合金開成1cm～5cm厚的鋁合金層，并開坡口和鈍邊；三將另一塊待焊的鋁或鋁合金板的對接處開坡口和鈍邊，置焊接艙中，啟動循環(huán)冷卻水裝置和振動裝置并焊接，焊件在焊接艙中冷卻至室溫。所開的坡口和鈍邊都為30°～55°的坡口和1～3mm的鈍邊。
文檔編號B23K9/235GK101015876SQ20071007178
公開日2007年8月15日 申請日期2007年2月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月14日
發(fā)明者呂世雄, 許志武, 王海濤, 鄭祖金, 曲杰 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)