[發明專利]一種鈦合金和鋁合金的等離子焊接方法

有效

• 申請號: 201711436393.0
• 申請日: 2017-12-26
• 公開（公告）號: CN107931805B
• 公開（公告）日: 2021-09-03
• 發明（設計）人: 周琦;郭順;朱軍;王克鴻;王波;彭勇;范霽康;王毅;徐俊強;喻嘉熙;張雪;李洪強;陳鑫
• 申請（專利權）人: 江蘇爍石焊接科技有限公司
• 主分類號: B23K10/02
• 分類號: B23K10/02;B23K103/18
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 鄒偉紅

本發明為一種鈦合金和鋁合金異種金屬的等離子焊接方法，待焊試件接頭為在I型接頭兩個對接面上分別設置一個沿焊接件厚度方向的凸起平臺，兩個平臺在焊接件長度及寬度方向等長，在厚度方向的高度之和為對接試板厚度。其次，進行焊前處理并優化等離子焊接參數，完成第一次熔釬焊接；之后，在熔釬焊縫相鄰的鈦側，進行第二次改性焊接，兩焊縫相近但不交叉。本發明的連接方法利用異種金屬高熔點差異特點，在高熔點鈦側相鄰熔釬焊道旁進行第二次焊接，通過第二次焊接溫度場對鈦鋁結合界面進行重熔改性，優化結合界面處相結構，減弱接頭脆性，同時采用特殊的接頭結構，提高焊縫根部結合強度，增加接頭可靠性。

技術領域

本發明涉及異種金屬連接領域，具體涉及Ti-6Al-4V鈦合金與6061鋁合金的等離子熔化連接方法。

背景技術

科學技術的不斷進步對各類工程機械結構的性能提出了更高的要求，金屬材料在結構設計與制造上正面臨著新的挑戰，多層次、輕量化、功能一體化、和低成本設計與制造正成為了當下材料研究的前沿。然而單一結構材料在經過不斷優化改進的同時也逐漸面臨性能的瓶頸。除了滿足常規的力學性能之外，還有如高溫強度、耐磨性、耐腐蝕性、低溫韌性等多方面的性能要求。鑒于此，異種材料連接正得到越來越廣泛的重視，異種金屬的復合結構可以兼有多種金屬的優點，通過整合不同材料之間的性能優勢，將具有不同特性和功能的材料連接為一個完整單元，從而匹配工業生產應用，提升產品綜合性能，所以，異種結構的綜合性能將超過單一的金屬結構。目前，異種金屬的復合結構在航空航天、造船、電力工業等領域應用越來越廣泛。

鈦合金因其耐熱性強、比強度高、具有良好的塑性、韌性以及耐蝕性，廣泛應用于航空航天、石油化工等領域。鋁及鋁合金由于具有低密度、高強度等優點成為工業中應用量最大的有色金屬，在航空，汽車，機械等行業中得到了廣泛應用。但兩種金屬存在各自的短板，價格昂貴和比強度不足分別限制了鈦合金和鋁合金的廣泛應用。因此，將該兩種材料進行優勢整合，形成復合結構并保證高強的連接強度將推動鈦鋁更廣泛的商業應用，同時，該結構更加節能環保，在航空航天、汽車、電力工業具有很好的應用前景。

對于異種金屬材料的焊接，無論從焊接技術操作和機理研究都比同種金屬材料的焊接要難很多，物理性質和化學性質是決定了異種金屬材料的焊接性，一方面，金屬材料的物理性質(包括熱膨脹系數、熔點及沸點、熱導率，原子相容性等)對焊接本身的焊接影響就很大，不同的金屬材料的不同物理性質對異種金屬的焊接就會產生巨大影響。例如：材料熱膨脹系數差異大，導致金屬材料的焊接變形不一樣，焊縫會產生較大的殘余應力，導致焊縫的整體性能較差；熔點及沸點差異較大，會導致焊接過程當中元素的損失，力學性能難以控制，有色金屬焊接這一現象尤其容易出現等；另一方面，金屬材料的化學性質差異對焊縫的性能影響也很大，當化學性質相差較大時，不同的合金元素在相變過程中會產生金屬間化合物脆性相，如果脆性金屬間化合物是以極細夾雜物彌散在合金晶粒之間，則可能無害，但是如果金屬間化物以針狀或者帶狀在晶界間生長，或者兩種合金間出現較厚的金屬間化合物過渡層，則對焊接接頭會產生巨大的影響，焊接接頭極易發生脆斷。

對于鋁/鈦異種金屬組合，由于其物理性質相差較大，在焊接中主要存在以下問題：

a.鋁與鈦極易氧化，合金元素容易燒損蒸發；b.鋁與鈦在不同溫度、不同組分下發生反應，生成多種脆性化合物；c.鋁與鈦的焊接變形大，鋁的導熱率和線性膨脹系數分別約是鈦的16倍和3倍，在焊接應力作用下容易產生熱裂紋。其中，最關鍵的問題在于金屬間化合物的控制問題，它是由溫度-時間-成分關系共同決定的。伴隨著金屬間相的形成，焊接區域變脆，性能惡化。從鈦鋁二元相圖可以看出鈦鋁體系中的相結構，鋁鈦之間溶解度很小。當鈦鋁液相中鋁元素質量分數在13％左右時，會形成Ti₃Al。隨著液相中鋁含量的增加，凝固后會形成TiAl、TiAl₂、Ti₂Al₅。當液相中主要成分為鋁元素時，液相會形成TiAl₃。鈦鋁體系中復雜的金屬間化合物使得鈦鋁的連接接頭性能難以控制，極易脆斷。

發明內容