專利名稱：鈦-鋁異種合金tig電弧預(yù)熱的電弧熔釬焊焊接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及焊接技術(shù)，具體說就是一種鈦-鋁異種合金TIG電弧預(yù)熱的電弧熔釬焊焊接方法。
背景技術(shù)：
鈦合金和鋁合金作為輕質(zhì)高強(qiáng)材料廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車等領(lǐng)域。鈦合金具有比強(qiáng)度高、低溫韌性好、耐腐蝕等優(yōu)異性能，但其成本高，極大地限制了鈦合金的應(yīng)用。隨著新型高強(qiáng)鋁合金的發(fā)展，鋁合金在某些承載結(jié)構(gòu)方面可替代鈦合金，而其在減輕重量、控制生產(chǎn)成本方面優(yōu)勢明顯。鈦-鋁異種合金復(fù)合構(gòu)件既具備鈦合金在比強(qiáng)度、斷裂韌性、防腐等方面的優(yōu)勢，又減輕了結(jié)構(gòu)重量，降低了結(jié)構(gòu)成本，起到了 “物盡其用”的效果，對現(xiàn)代工業(yè)所要求的輕量化、結(jié)構(gòu)功能一體化和低成本設(shè)計與制造具有重要意義。相對于膠接、鉚接等連接方法，焊接在連接強(qiáng)度、耐高溫等方面具備明顯的優(yōu)勢。然而，Ti和Al在原子序數(shù)、晶體結(jié)構(gòu)、電負(fù)性等方面存在巨大的差異，即存在冶金學(xué)上的不相容性，焊接過程中易形成金屬間化合物脆性相。另外，鈦合金和鋁合金在熔點、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱和線膨脹系數(shù)等方面差異顯著，焊接過程中易產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力，從而導(dǎo)致接頭的低應(yīng)力破壞。就目前掌握的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)來看，可實現(xiàn)鈦和鋁焊接的方法較多，包括釬焊、擴(kuò)散焊、摩擦焊、激光焊。真空條件采用鋁硅釬料釬焊鈦合金和鋁合金時，界面形成了層狀的金屬間化合物，釬料中的 Si元素可以抑制Ti-Al系金屬間化合物的生長，其接頭強(qiáng)度低于50MPa，僅能用作密封焊縫。作為固相連接方法，擴(kuò)散焊和摩擦焊在控制金屬間化合物生長方面具有較大的優(yōu)勢，但擴(kuò)散焊通常需添加中間層，且中間層的厚度和種類對連接質(zhì)量影響較大，摩擦焊對于結(jié)構(gòu)件的尺寸形狀也有嚴(yán)格的限制。激光焊接可以較好地實現(xiàn)鈦合金和鋁合金的連接，但其對接頭適應(yīng)性較差，接頭質(zhì)量穩(wěn)定性一般，高成本也是限制推廣應(yīng)用的主要原因。焊接電弧作為傳統(tǒng)的加熱源廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。傳統(tǒng)熔焊焊接鈦-鋁異種合金接頭時，由于合金元素?fù)]發(fā)、大量金屬間化合物生成等原因難以實現(xiàn)鈦和鋁的焊接。熔釬焊作為新興的熱門技術(shù)，在異種材料的連接方面具有獨特的優(yōu)勢。其原理是利用兩種材料之間的熔點差異，將接頭加熱到材料熔點之間的溫度，填充材料和低熔點母材之間形成熔焊連接，高熔點母材不熔化而與填充材料之間形成釬焊連接，從而可控制焊接接頭輸入的線能量大小。熔釬焊的加熱源通常包括激光束、電子束和等離子弧。電弧熔釬焊中陰極霧化效應(yīng)可去除高熔點的鋁合金氧化膜，電磁攪拌作用可改變金屬間化合物在接頭界面的分布，電弧熔釬焊方法對于鈦-鋁異種合金的焊接具有明顯的優(yōu)勢。鈦-鋁異種合金電弧熔釬焊時鈦合金側(cè)頂部溫度明顯高于底部，而溫度對液態(tài)填充材料在鈦合金側(cè)的潤濕鋪展具有決定性的影響，溫度過高會導(dǎo)致界面Ti和Al的冶金反應(yīng)加劇，生成大量的金屬間化合物從而降低接頭力學(xué)性能。同時，鈦合金化學(xué)性質(zhì)活潑，容易被空氣污染，鋁合金熔焊過程中易產(chǎn)生下塌等成形缺陷?；谝陨戏治?，改善溫度在鈦合金厚度方向分布的不均勻性對促進(jìn)液態(tài)填充材料的潤濕鋪展、改善接頭反面成形和控制釬焊界面金屬間化合物的生長及改善接頭組織性能的不均勻性具有重要的意義。焊接過程中加強(qiáng)鈦合金的保護(hù)，防止空氣污染焊縫，保證鋁合金側(cè)熔焊連接質(zhì)量，也是形成良好的鈦-鋁熔釬焊接頭的關(guān)鍵?；诖耍_發(fā)新型的鈦-鋁電弧熔釬焊方法，提高熔釬焊接頭的焊接質(zhì)量和穩(wěn)定性，對鈦-鋁復(fù)合構(gòu)件在工業(yè)生產(chǎn)中的推廣應(yīng)用具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種鈦-鋁異種合金TIG電弧預(yù)熱的電弧熔釬焊焊接方法。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的步驟如下步驟一試驗設(shè)備與工件準(zhǔn)備交直流兩用TIG焊機(jī)2臺、氬氣2瓶、自動行走機(jī)構(gòu) 1套、底部挖空的剛性夾具1套、帶充氬成形槽的銅墊板1塊、工件側(cè)邊開等尺寸Y型坡口的等厚度的鈦合金板和鋁合金板；步驟二 用剛性夾具和銅墊板夾緊側(cè)邊開等尺寸Y型坡口的等厚度的鈦合金板和鋁合金板；步驟三將主焊槍和TIG預(yù)熱焊槍分別垂直安置于工件正反面的坡口位置，并與自動行走機(jī)構(gòu)連接，TIG預(yù)熱焊槍位于主焊槍前方沿焊接方向20-80mm ；步驟四在充氬成形槽內(nèi)通入氬氣，氬氣流量為5-lOL/min ；步驟五啟動TIG預(yù)熱電源，率先對坡口反面銅墊板進(jìn)行加熱，經(jīng)過0. 5-aiiin后啟動主TIG電源，電弧穩(wěn)定后立即啟動自動行走機(jī)構(gòu)，帶動主焊槍和TIG預(yù)熱焊槍等速前進(jìn)， 焊槍行走速度為l-5mm/s，同時在坡口內(nèi)部靠近鈦合金板一側(cè)的位置填充鋁基焊絲；步驟六焊接完畢后首先關(guān)掉主TIG電源，0. 5-lmin后即關(guān)掉TIG預(yù)熱焊機(jī)；步驟七待工件完全冷卻后關(guān)閉充氬成形槽內(nèi)的氬氣。本發(fā)明改善了鈦-鋁電弧熔釬焊過程中溫度在厚度方向的不均勻性，解決了鈦合金板側(cè)底部潤濕鋪展與頂部線能量過大的矛盾，有利于形成一致的釬焊界面組織結(jié)構(gòu)和性能穩(wěn)定的鈦-鋁熔釬焊接頭。另外，背部TIG電弧的預(yù)熱作用減少了鋁合金板側(cè)未熔合、氣孔等熔焊缺陷，降低了熔釬焊接頭成形對接頭間隙和坡口條件的敏感性。銅墊板帶有充滿氬氣的成形槽，成形槽的寬度和深度需與工件板厚、接頭間隙相配合，熔釬焊過程中在成形槽內(nèi)氬氣保護(hù)和背部TIG電弧的預(yù)熱作用下液態(tài)填充材料在鈦合金板側(cè)底部潤濕鋪展，形成良好的鈦合金板側(cè)反面成形和冶金結(jié)合。鋁合金側(cè)成形槽的主要作用在于約束液態(tài)填充材料成形，并防止鋁合金側(cè)母材熔化下塌，以保證良好的熔焊結(jié)合。在主焊槍上設(shè)置保護(hù)氣罩，防止焊縫冷卻過程中被空氣污染。本發(fā)明的優(yōu)點在于(1)選用電弧作為加熱源，電弧的陰極霧化作用可降低對工件表面清理的要求，電弧本身所具備的電磁攪拌作用可阻礙鈦-鋁釬焊界面金屬間化合物的生長，并改善其形貌、分布，有利于形成高強(qiáng)度的鈦-鋁焊接接頭，設(shè)備成本低，實用性強(qiáng)，便于推廣應(yīng)用。(2)采用TIG預(yù)熱電弧與銅墊板相結(jié)合預(yù)熱鈦-鋁接頭，改善了鈦-鋁電弧熔釬焊過程中鈦合金側(cè)厚度方向的溫度不均勻性，解決了鈦側(cè)底部潤濕鋪展與頂部線能量過大引發(fā)的金屬間化合物生長控制困難的矛盾，有利于形成一致的接頭界面組織結(jié)構(gòu)和性能穩(wěn)定的鈦-鋁熔釬焊接頭。( 通過成形槽控制成形技術(shù)與正反面氬氣保護(hù)工藝，促使液態(tài)填充材料在鈦合金側(cè)底部自由潤濕鋪展，鋁合金側(cè)強(qiáng)制約束成形以防止焊縫下塌，可獲得成形良好的鈦-鋁熔釬焊接頭。

圖1鈦-鋁異種合金TIG電弧預(yù)熱的電弧熔釬焊焊接方法操作正面示意圖；圖2鈦-鋁異種合金TIG電弧預(yù)熱的電弧熔釬焊焊接方法操作側(cè)面示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。實施例1 結(jié)合圖1、圖2，本發(fā)明一種鈦-鋁異種合金TIG電弧預(yù)熱的電弧熔釬焊焊接方法，其特征在于步驟如下步驟一試驗設(shè)備與工件準(zhǔn)備交直流兩用TIG焊機(jī)2臺、氬氣2瓶、自動行走機(jī)構(gòu) 1套、底部挖空的剛性夾具1套、帶充氬成形槽的銅墊板1塊、工件側(cè)邊開等尺寸Y型坡口的等厚度的鈦合金板和鋁合金板；步驟二 用剛性夾具和銅墊板夾緊側(cè)邊開等尺寸Y型坡口的等厚度的鈦合金板和鋁合金板；步驟三將主焊槍和TIG預(yù)熱焊槍分別垂直安置于工件正反面的坡口位置，并與自動行走機(jī)構(gòu)連接，TIG預(yù)熱焊槍位于主焊槍前方沿焊接方向20-80mm ；步驟四在充氬成形槽內(nèi)通入氬氣，氬氣流量為5-lOL/min ；步驟五啟動TIG預(yù)熱電源，率先對坡口反面銅墊板進(jìn)行加熱，經(jīng)過0. 5-aiiin后啟動主TIG電源，電弧穩(wěn)定后立即啟動自動行走機(jī)構(gòu)，帶動主焊槍和TIG預(yù)熱焊槍等速前進(jìn)， 焊槍行走速度為l-5mm/s，同時在坡口內(nèi)部靠近鈦合金板一側(cè)的位置填充鋁基焊絲；步驟六焊接完畢后首先關(guān)掉主TIG電源，0. 5-lmin后即關(guān)掉TIG預(yù)熱焊機(jī)；步驟七待工件完全冷卻后關(guān)閉充氬成形槽內(nèi)的氬氣。實施例2 結(jié)合圖1、圖2，本發(fā)明鈦-鋁異種合金TIG電弧預(yù)熱的電弧熔釬焊焊接方法，主要通過背部TIG電弧加熱銅墊板，依靠銅墊板傳熱預(yù)熱鈦-鋁接頭的對接部位，并通過成形槽約束成形和正反面氬氣保護(hù)，實現(xiàn)鈦-鋁異種合金電弧熔釬焊的優(yōu)質(zhì)連接，解決了鈦合金側(cè)線能量控制與底部潤濕鋪展難以兼顧的矛盾，保證了鈦合金和液態(tài)填充材料之間形成理想的釬焊界面結(jié)構(gòu)。同時，通過成形槽約束鋁合金側(cè)形成良好的熔焊結(jié)合，對鈦-鋁異種合金優(yōu)質(zhì)熔釬焊接頭的制備和應(yīng)用具有重要的意義。采用電弧作為加熱源進(jìn)行鈦-鋁異種合金的熔釬焊，區(qū)別于傳統(tǒng)的鈦-鋁電弧熔釬焊，其技術(shù)特征在于在普通電弧焊的基礎(chǔ)上引入了 TIG預(yù)熱焊槍，通過TIG預(yù)熱電弧加熱銅墊板對鈦-鋁接頭部位進(jìn)行局部預(yù)熱，解決了傳統(tǒng)的鈦-鋁電弧熔釬焊引發(fā)的鈦側(cè)厚度方向溫度不均勻性。鈦合金和鋁合金板材兩側(cè)均加工帶鈍邊的V形坡口，在接頭對接處加墊銅墊板，采用TIG電弧加熱銅墊板背部，通過銅墊板導(dǎo)熱對鈦-鋁接頭附近區(qū)域?qū)嵤╊A(yù)熱，焊接過程中需保證TIG預(yù)熱電弧與主電弧等速運動。TIG預(yù)熱電弧的線能量需控制在合適的范圍內(nèi)，過大會引起銅墊板變形或熔化，不宜重復(fù)使用，過小則達(dá)不到理想的預(yù)熱效果。TIG預(yù)熱電弧的線能量選擇需保證預(yù)熱溫度控制在200-500°C，采用獨立的TIG電源供電，TIG預(yù)熱焊槍置于銅墊板背部，其鎢極垂直于銅墊板并指向鈦合金坡口鈍邊位置，如圖1所示。TIG預(yù)熱焊槍與主焊槍前后平行布置于焊縫方向，前后距離在20-80mm范圍內(nèi)。主焊槍位于接頭對接間隙中偏鈦側(cè)的位置， 以平衡鈦合金和鋁合金兩側(cè)的能量分配，如圖2所示。本發(fā)明采用TIG電弧背部預(yù)熱進(jìn)行鈦-鋁異種合金熔釬焊，區(qū)別于傳統(tǒng)的預(yù)熱弧焊技術(shù)，采用充滿氬氣的成形槽控制接頭的反面成形，相對于預(yù)熱弧焊的背部自然成形技術(shù)，該方法在鋁側(cè)通過成形槽強(qiáng)制約束成形， 防止鋁合金熔焊時下塌。相比于成形槽的強(qiáng)制約束成形，該方法通過背部TIG電弧預(yù)熱和成形槽內(nèi)氬氣的保護(hù)，促進(jìn)液態(tài)填充材料在鈦合金側(cè)坡口底部自由潤濕鋪展，形成良好的反面成形。成形槽的寬度和深度需與工件板厚、接頭間隙相配合，其裝配需保證接頭間隙正好位于成形槽正中位置，如圖1所示。熔釬焊過程中液態(tài)填充材料在成形槽內(nèi)氬氣保護(hù)和背部TIG電弧的預(yù)熱作用下在鈦合金坡口底部潤濕鋪展，形成良好的鈦側(cè)反面成形和冶金結(jié)合。鋁合金側(cè)成形槽的主要作用在于強(qiáng)制約束液態(tài)填充材料成形，防止鋁合金側(cè)母材熔化下塌，以保證良好的熔焊結(jié)合。同時在主焊槍上設(shè)置保護(hù)氣罩，防止焊縫冷卻過程中被空氣污染。實際熔釬焊參數(shù)工件為2mm厚的TC4鈦合金和LF6鋁合金板材，開帶0. 5mm鈍邊的V形坡口，坡口角度為90°，對接間隙為1. 5mm,成形槽為寬3mm深3mm的弧形凹槽，采用 ER4047焊絲為填充材料。主電弧為TIG電弧，焊接電流為110A，背部TIG預(yù)熱電弧電流為 50A，主焊槍和預(yù)熱TIG焊槍行走速度均為2mm/s，獲得了正反面成形良好的熔釬焊接頭，組織分析發(fā)現(xiàn)鈦側(cè)釬焊界面在厚度方向組織結(jié)構(gòu)差異不明顯，接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)130MPa。實施例3 結(jié)合圖1、圖2，本發(fā)明一種鈦-鋁異種合金TIG電弧預(yù)熱的電弧熔釬焊焊接方法，步驟如下(1)試驗設(shè)備與工件準(zhǔn)備交直流兩用TIG焊機(jī)2臺、氬氣2瓶、自動行走機(jī)構(gòu)1 套，底部挖空的剛性夾具1套、帶充氬成形槽的銅墊板1塊，工件側(cè)邊開等尺寸Y型坡口的等厚度的鈦合金板和鋁合金板；(2)采用剛性夾具和銅墊板夾緊工件，將主焊槍和TIG預(yù)熱焊槍分別垂直安置于工件正反面的坡口位置，并與同一套自動行走機(jī)構(gòu)連接，TIG預(yù)熱焊槍位于主焊槍前方沿焊接方向20-80mm。(3)在充氬成形槽內(nèi)通入氬氣，氬氣流量為5-lOL/min ；(4)啟動TIG預(yù)熱電源，率先對坡口反面銅墊板進(jìn)行加熱，經(jīng)過0.5-aiiin后啟動主TIG電源，電弧穩(wěn)定后立即啟動行走機(jī)構(gòu)，帶動主焊槍和TIG預(yù)熱焊槍等速前進(jìn)，焊槍行走速度為l-5mm/s，同時在坡口內(nèi)部靠近鈦側(cè)的位置填充鋁基焊絲；(5)焊接完畢后首先關(guān)掉主TIG電源，0. 5-lmin后即關(guān)掉TIG預(yù)熱焊機(jī)；(6)待工件完全冷卻后關(guān)閉充氬成形槽內(nèi)的氬氣。一個利用該方法的鈦-鋁異種合金TIG電弧熔釬焊過程如下工件為100mmX 60mmX 2mm的TC4鈦合金和等尺寸的LF6鋁合金板材，側(cè)邊加工成帶0.4mm鈍邊的V形坡口，坡口角度為90°。銅墊板表面加工寬3mm深3mm的弧形凹槽，銅墊板尺寸為120mmX60mmX10mm，內(nèi)部鏤空4mm，整個銅墊板為銅板焊接結(jié)構(gòu)，成形槽內(nèi)均勻加工直徑Imm的圓孔。氬氣從銅墊板側(cè)邊的通氣孔通入，從成形槽內(nèi)部圓孔均勻?qū)С?，對接頭背部進(jìn)行保護(hù)。通過剛性夾具夾緊工件，接頭對接間隙為2mm，主焊槍鎢極端部距工件表面2-3mm，且鎢極正對鈦側(cè)坡口鈍邊位置。TIG熱絲焊槍距工件表面4_5mm，主焊槍與熱絲 TIG焊槍沿焊接方向上相距40mm。焊接時首先啟動背面TIG熱絲電弧，熱絲電流為60A。加熱Imin左右后引燃主焊接電弧，待電弧穩(wěn)定后啟動焊槍行走機(jī)構(gòu)，行走速度為2mm/s，主焊槍焊接電流為110A。熔釬焊過程中沿鈦合金板側(cè)坡口面手動填充ER4047焊絲。焊接完成后首先關(guān)閉主焊接電弧， Imin后關(guān)閉背面TIG熱絲電弧，待工件完全冷卻后關(guān)閉背面成形槽內(nèi)的氬氣。最終獲得了正反面成形良好的熔釬焊接頭，組織分析發(fā)現(xiàn)鈦合金板側(cè)釬焊界面在厚度方向組織結(jié)構(gòu)差異不明顯，接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)130MPa。
權(quán)利要求
1. 一種鈦-鋁異種合金TIG電弧預(yù)熱的電弧熔釬焊焊接方法，其特征在于步驟如下 步驟一試驗設(shè)備與工件準(zhǔn)備交直流兩用TIG焊機(jī)2臺、氬氣2瓶、自動行走機(jī)構(gòu)1 套、底部挖空的剛性夾具1套、帶充氬成形槽的銅墊板1塊，工件側(cè)邊開等尺寸Y型坡口的等厚度的鈦合金板和鋁合金板；步驟二 用剛性夾具和銅墊板夾緊側(cè)邊開等尺寸Y型坡口的等厚度的鈦合金板和鋁合金板；步驟三將主焊槍和TIG預(yù)熱焊槍分別垂直安置于工件正反面的坡口位置，并與自動行走機(jī)構(gòu)連接，TIG預(yù)熱焊槍位于主焊槍前方沿焊接方向20-80mm ； 步驟四在充氬成形槽內(nèi)通入氬氣，氬氣流量為5-lOL/min ；步驟五啟動TIG預(yù)熱電源，率先對坡口反面銅墊板進(jìn)行加熱，經(jīng)過0. 5-aiiin后啟動主 TIG電源，電弧穩(wěn)定后立即啟動自動行走機(jī)構(gòu)，帶動主焊槍和TIG預(yù)熱焊槍等速前進(jìn)，焊槍行走速度為l-5mm/s，同時在坡口內(nèi)部靠近鈦合金板一側(cè)的位置填充鋁基焊絲； 步驟六焊接完畢后首先關(guān)掉主TIG電源，0. 5-lmin后即關(guān)掉TIG預(yù)熱焊機(jī)； 步驟七待工件完全冷卻后關(guān)閉充氬成形槽內(nèi)的氬氣。
全文摘要
本發(fā)明提供一種鈦-鋁異種合金TIG電弧預(yù)熱的電弧熔釬焊焊接方法。在普通電弧焊的基礎(chǔ)上引入了TIG預(yù)熱焊槍，通過TIG預(yù)熱電弧加熱銅墊板對鈦-鋁接頭部位進(jìn)行局部預(yù)熱，鈦合金和鋁合金板材兩側(cè)均加工帶鈍邊的V形坡口，在接頭對接處加墊銅墊板，采用TIG電弧加熱銅墊板背部，通過銅墊板導(dǎo)熱對鈦-鋁接頭附近區(qū)域?qū)嵤╊A(yù)熱，焊接過程中保證TIG預(yù)熱電弧與主電弧等速運動。本發(fā)明選用電弧作為加熱源，電弧的陰極霧化作用可降低對工件表面清理的要求，電弧本身所具備的電磁攪拌作用可阻礙鈦-鋁釬焊界面金屬間化合物的生長，并改善其形貌、分布，有利于形成高強(qiáng)度的鈦-鋁焊接接頭，設(shè)備成本低，實用性強(qiáng)，便于推廣應(yīng)用。
文檔編號B23K9/235GK102528243SQ201110455980
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月15日
發(fā)明者于沖沖, 呂世雄, 徐永強(qiáng), 敬小軍, 鄭傳奇, 黃永憲 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)