[發明專利]一種預鍍層鈦合金與鋁合金電弧熔釬焊方法

無效

• 申請號: 201310082206.9
• 申請日: 2013-03-15
• 公開（公告）號: CN103143803A
• 公開（公告）日: 2013-06-12
• 發明（設計）人: 呂世雄;崔慶龍;黃永憲;鄭傳奇;徐永強;鄭祖金;曲杰
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: B23K1/20
• 分類號: B23K1/20;B23K1/19;B23K35/28;B23K9/167;B23K103/18
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技術領域

本發明涉及焊接技術領域，具體涉及一種預鍍層鈦合金與鋁合金電弧熔釬焊方法。

背景技術

鈦合金具有密度小、比強度高，耐蝕性、耐熱性好等一系列優點，經過多年的發展，已在在航空航天、海洋工程、汽車和化工等領域得到了越來越廣泛的應用。中國鈦產業發展迅猛，限制鈦合金應用最大的問題在于高成本。鋁及其鋁合金的強度雖然不及鈦合金，但是其低廉的價格和較小的密度更多的滿足了市場的需要，尤其是一些高強鋁合金的出現，使得鋁合金在一些構件中成為代替鈦合金最理想的材料。作為另一種輕質高強結構材料，鋁合金在飛機汽車等鈦合金應用領域得到了廣泛的應用。近些年發展起來的新型高強鋁合金具有較高的斷裂韌度和抗疲勞特性，可滿足航空航天等領域對輕質、高強度和長期耐用方面的要求，而相對于鈦合金，鋁合金在重量和成本上均具有明顯的優勢。

鈦合金和鋁合金組合成的鈦、鋁復合構件具備多方面的優勢：1)比強度高；2)優異的低溫韌性和抗腐蝕性能；3)具有鋁合金重量輕成本低等優勢，可最大限度地利用Ti、Al各自的功能特點并降低結構重量和成本，以滿足航空航天、汽車艦船等領域輕質化、結構功能一體化和低成本設計要求。現今，在民用的大飛機上使用Al合金制造飛機座椅的底座部分，用鈦合金制造導軌，以防止機艙內液體的腐蝕；化工領域常用氨氣氣提法制備尿毒，由于尿素具有腐蝕性，設備主體采用抗腐蝕性好的鈦材，為降低成本，設備封頭大多采用工業純鋁；飛機的機翼即是由鈦合金的蒙皮和鋁合金的蜂窩狀夾層連接而成的復合結構。

連接鈦合金和鋁合金可以用機械連接或者鉚接的方法，成本低廉，連接質量也較高，但就連接強度和靈活性來說，焊接還是最有優勢的連接方法。異種材料焊接性的好壞主要取決于兩種材料間物理、化學性能的差異，以及能否通過合理的工藝減小這些差異。然而，通過傳統的熔焊方法連接異種材料是很困難的，熔焊過程中，兩種母材都會熔化，溫度高，原子擴散劇烈，在界面處發生反應并生成大量金屬間化合物。

Ti、Al熔點相差1000℃左右，熔化焊過程中當鈦熔化時液態鋁嚴重過熱，合金元素嚴重蒸發和燒損；鋁的密度低，熔池中浮在鈦液上方，冷卻結晶后形成不均勻組織；鈦合金的線膨脹系數較鋁合金低2.5倍以上，導熱率也相差近15倍，線脹系數和導熱率的差異以及焊接高溫會使接頭內產生嚴重的內應力，容易導致接頭的低應力破壞。

同時鈦、鋁在晶格類型、晶格常數、原子半徑、電負性等方面差異巨大，存在冶金學上的不相容性。Ti原子在Al中溶解度非常小，共晶溫度664.2℃時，Ti在Al中最大固溶度為0.6wt.％，室溫下Ti在Al中的固溶度為零。當Ti原子和Al原子相互作用時，層狀的Ti/Al金屬間化合物例如Ti₃Al，TiAl，TiAl₃等極易在Ti和Al接觸的表面形成，尤其是在熔化焊過程中過剩的熱循環和熔融過程導致了大量的金屬間化合物反應物在界面處生成，這些過厚的反應層是接頭性能降低的主要原因。

在使用固相連接方法時，兩種母材都不發生熔化，可以很好的控制反應層的厚度。常用來連接Ti/Al異種合金的固相焊接方法主要有摩擦焊、擴散焊、真空釬焊等，但是摩擦焊方法焊接Ti/Al異種合金，對焊件的形狀尺寸提出了一定的要求；擴散焊時，反應形成了更多也更為復雜的Ti-Al系金屬間化合物，因金屬間化合物與母材元素的晶格匹配性很差，使焊縫化學成分不均勻，導致焊縫結合性能差；另外真空擴散焊接還存在保溫時間長，擴散連接設備昂貴，生產周期長等缺點。這些都限制了Ti/Al異種合金接頭的使用。

相比于固相連接或者釬焊，熔釬焊是比較新興的方法，也是非常有發展前途的連接異種合金接頭的方式，尤其在連接兩種熔點差異較大的金屬時，熱源作用下，通過填絲的方式，在低熔點金屬一側形成熔焊接頭，在高熔點金屬一側形成釬焊接頭。加熱的方式包括激光，電子束，電弧等。激光和電子束焊接，熱量集中，能夠有效的控制金屬間化合物的厚度，提高接頭的性能。而激光熔釬焊鈦、鋁時，不均勻的溫度場導致了反應層沿著接頭厚度變化，進而使得接頭性能的不均勻，同時在焊接鋁合金時，還極易在鋁合金焊縫中形成氣孔；電子束焊接的最大問題在于焊件的形狀尺寸受到的真空室的限制。更為重要的，在使用激光、電子束等先進的連接方法，不可避免的帶來了高的成本。