專利名稱：一種鈦板與鋁板的激光預(yù)處理填絲tig焊接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于異種材料的焊接技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種鈦板與鋁板的激光預(yù)處理填絲TIG焊接方法。
背景技術(shù)：
鈦板具有重量輕、強度大、耐熱性強、耐腐蝕等許多優(yōu)特性，被譽為“未來的金屬”，是具有發(fā)展前途的新型結(jié)構(gòu)材料。鈦板的應(yīng)用涉及到許多領(lǐng)域，以在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用最突出。鋁合金在飛機制造中是主要的結(jié)構(gòu)材料，大部分關(guān)鍵承載部件(如機翼、外売、尾翼等)由鋁合金制造，鈦及其合金不僅在航空、宇宙航行エ業(yè)中有著十分重要的應(yīng)用，而且已經(jīng)開始在化工、石油、輕エ、冶金、發(fā)電等許多エ業(yè)部門中廣泛應(yīng)用。鋁具有比強度高、加工性好、物理、力學(xué)性能優(yōu)越、抗腐蝕等優(yōu)點，在很多應(yīng)用領(lǐng)域中被認(rèn)為是最為經(jīng)濟實用的材料。在大多數(shù)環(huán)境條件下，包括在空氣、水(或鹽水)、石油化學(xué)和很多化學(xué)體系中，鋁能顯示出優(yōu)良的抗腐蝕性。鋁的表面具有高度的反射性。鋁通常顯示出優(yōu)良的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率，具有高電阻率的ー些特定鋁合金也已經(jīng)研制成功，這些合金可用于如高轉(zhuǎn)矩的電動機中。鋁由于它的優(yōu)良電導(dǎo)率而常被選用。在重量相等的基礎(chǔ)上，鋁的電導(dǎo)率近于銅的兩倍。由于鈦板和鋁合金具有某些特殊的性能，Ti與Al復(fù)合構(gòu)件作為ー種新型結(jié)構(gòu)材料在航空航天領(lǐng)域及化工電解エ業(yè)得到應(yīng)用，Ti/Al復(fù)合結(jié)構(gòu)具有穩(wěn)定性好、隔熱隔音和耐高溫等性能，可以最大限度的發(fā)揮兩種材料的特性潛力，鈦板和鋁在エ業(yè)上的應(yīng)用非常重要，有很多エ業(yè)交叉的領(lǐng)域，這使得鋁和鈦的連接具有重要意義。但是，鋁和鈦的連接難度很大。鈦與鋁的物理化學(xué)性質(zhì)(如熔點、晶體結(jié)構(gòu)、導(dǎo)熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)等)相差很大，特別是鈦在加熱和冷卻時極易發(fā)生脆化，采用常規(guī)的熔焊方法實現(xiàn)Ti與Al的可靠連接有一定難度，當(dāng)達到Ti的熔點吋，Al元素?zé)龘p蒸發(fā)。Ti是活性金屬，在300°C開始強烈氧化，溫度越高氧化性越嚴(yán)重，生成TiO2等氧化物，在焊縫中形成脆硬的T1-Al金屬間化合物脆性層，使焊縫脆化或產(chǎn)生，即在焊接過程中，由于在室溫條件下Ti和Al之間的溶解度極小，由于鋁鈦金屬之間的熱物理化學(xué)性能相差很大，用傳統(tǒng)的焊接方法焊接時會產(chǎn)生大量的脆性的金屬間化合物，從而影響接頭性能。目前，Ti/Al異種合金的傳統(tǒng)的焊接方法主要有電弧熔釬焊、擴散焊、釬焊、摩擦焊等。電弧加熱集中，熱輸入量小，操作方便，節(jié)能高效又易于實現(xiàn)自動化，這種焊接方法釬焊后變形很小，對裝配間隙不敏感，并且加熱時間短，消耗小，成本低，加熱區(qū)窄，加熱更為集中，熱輸入量小，熱影響區(qū)窄，釬焊后變形小。但是，在實現(xiàn)鋁鈦異種金屬連接成型的過程中，如果采用一般單純電弧釬焊方法，焊接過程有如下缺點:鈦金屬的散熱大、現(xiàn)有設(shè)備昂貴、生產(chǎn)周期長。李亞江等學(xué)者研究了 Ti與Al的真空擴散焊，并對擴散界面附近的組織和微觀相結(jié)構(gòu)進行分析。然而，擴散焊是將兩焊件緊密疊合，接觸面積較大，而且需要在真空或保護氣氛中，在一定溫度和壓カ下保持一段時間，使接觸面之間的原子相互擴散完成焊接。但是這種方法對焊接エ藝和參數(shù)要求比較高，容易造成焊接處的化合物組分及組織大小不一致，而且該焊接方法要求真空環(huán)境下成型，從經(jīng)濟生產(chǎn)性來看，成本較大，不適合大批量鋁鈦材料連接成型。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決上述現(xiàn)有焊接技術(shù)的不足，提供一種鈦板與鋁板的激光預(yù)處理填絲TIG焊接方法。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案，本發(fā)明的鈦板與鋁板的激光預(yù)處理填絲TIG焊接方法，包括以下步驟:
O選擇厚度為3-5mm的等厚度的鈦板和鋁板，將鈦板和鋁板的對接處開出等尺寸的20° 40°的坡口和1 2mm的鈍邊；
2)先將被焊接表面用400目、500目、600目、800目、1000目金相砂紙逐級磨光，然后，對于上述磨光的表面再進行化學(xué)清理，去除金屬表面吸附層及氧化膜，鋁板在配置HNO3IHCl比例為1:3的混合酸洗溶液中清洗30秒，鈦板在5%的HF溶液中清洗10秒，清洗溫度均為室溫，水洗后再用丙酮清洗，然后烘干；
3)準(zhǔn)備如下配比的溶液:93%-94%工業(yè)純鋁、4%Fe以及2%_3% Si，然后對鈦板待焊接部分進行液浸處理，停留時間為22-28分鐘，加熱溫度為690-720°C，形成的滲鍍鋁層厚度控制在 80-130μm ；
4)對鈦板經(jīng)過滲鋁的側(cè)邊表面采用激光預(yù)處理，采用輸出波長為1064nm的摻釹釔鋁石榴石激光器，聚焦鏡焦距為170-180mm，激光焦點距離鈦板待焊接的側(cè)邊表面的絕對值為
2.8-3.5 mm，輸出連續(xù)波激光，預(yù)處理激光功率2 3 kW，掃描速率為1.5 2.5 m/min，預(yù)處理的鈦板在平移的同時還在與平移垂直的方向上作往復(fù)移動，移動速率為1.2^2m/min ；
5)采用直徑為2-3mm的鎂鋁合金焊絲，其質(zhì)量百分?jǐn)?shù)成分為:
鎂:4.2-4.35%，硅:0.09-0.12 %，錳:0.12-0.2 %，鐵:0.25-0.4 %，碳:0.05-0.1 %，鈦:
0.05-0.15 %，磷:0.05-0.07%，余量為鋁；
將焊絲浸入50%H20+50%HN03溶液，15-20min后用清水沖洗后烘干，再用砂紙進行打磨；
6)將鈦板與鋁板在同一平面內(nèi)進行對接放置，裝配間隙為0.06mm-0.12mm ；
7)先對焊件正、背面同時通氬氣保護8-10min，保護氣體為純度大于99.98%的氬氣；再采用填絲TIG焊接，氬弧焊接采用鎢-釷電極，鎢的含量為99.9%，鎢極直徑1.8-2.8mm，端部為錐形；工藝參數(shù)為:焊接電壓12V，焊接電流80-120A，焊接速度為60-90mm/min，氬氣流量為8-10L/min ;施焊過程中，焊絲與焊件間保持60-75°夾角，焊絲沿著熔池前端平穩(wěn)、均勻的送入熔池；
8)焊接結(jié)束后,繼續(xù)通氬氣保護6-10min。作為優(yōu)選實施例，聚焦鏡焦距為175mm，激光焦點距離鈦板待焊接的側(cè)邊表面為
2.9-3.3 mm。作為優(yōu)選實施例，鈦板與鋁板在同一平面內(nèi)進行對接放置，最窄處的裝配間隙為
0.1mm。與鈦和鋁表層直接疊合在一起進行焊接而在結(jié)合界面處存在斷續(xù)微裂紋、接頭結(jié)合強度很低不同的是，本發(fā)明先采用對鈦板待焊接部分進行液浸處理，形成的具有優(yōu)選厚度的滲鋁層；然后采用激光器對鈦板待焊接的經(jīng)過滲鋁的側(cè)邊表面進行預(yù)處理，使得被照射的表面溫度迅速上升，從而使得滲鋁層的鋁被加速熔化，從而使得鋁元素和鈦元素相互擴散，形成穩(wěn)定更易結(jié)合的中間層，為后續(xù)焊接處理創(chuàng)造了條件，可以不必使用過于苛刻的焊接條件和步驟；同吋，激光處理后鈦板的待焊接表面進行自冷淬火，晶粒尺寸得到明顯的細化，晶粒的細化意味著晶界增多，在相同的外部散熱和焊接熱輸入條件下，焊接熱影響區(qū)明顯減小，焊接熱量損失也明顯減小，有助于后續(xù)焊接過程的實施，并有利于焊接接頭微觀組織的均勻化。最后通過焊接使得在鈦板和鋁板通過中間層從而實現(xiàn)連接，本發(fā)明采用組分優(yōu)化的熔點為640-670°C的鎂鋁焊絲，焊接過程中熔化焊絲填充金屬與鋁合金母材充分熔化混合后凝固形成焊縫，且存在明顯熔合區(qū)；整個焊接過程中不存在熔化缺陷、焊接熱裂傾向和組織熱影響區(qū)，連接接頭質(zhì)量及其穩(wěn)定性較好；克服了現(xiàn)有熔焊界面溫度過高時容易造成高熔點母材鈦板的部分熔化從而形成過厚的金屬間化合物層的缺陷，避免了裂紋的產(chǎn)生，從提高了焊縫的塑性和韌性。操作簡單，成本低，連接效果好。本發(fā)明的有益效果是，降低了真空環(huán)境焊接成本，而且提高了生產(chǎn)效率，改善接頭性能，操作方便。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進ー步說明。實施例1
1)選擇厚度為3mm的等厚度的TC4鈦板和LF6鋁板，將鈦板和鋁板的對接處開出等尺寸的20°的坡口和Imm的鈍邊；
2)先將被焊接表面用400目、500目、600目、800目、1000目金相砂紙逐級磨光，然后，對于上述磨光的表面再進行化學(xué)清理，去除金屬表面吸附層及氧化膜，鋁板在配置HNO3IHCl比例為1:3的混合酸洗溶液中清洗30秒，鈦板在5%的HF溶液中清洗10秒，清洗溫度均為室溫，水洗后再用丙酮清洗，然后烘干；
3)準(zhǔn)備如下配比的溶液:93%エ業(yè)純鋁、4%Fe以及3% Si，然后對鈦板待焊接部分進行液浸處理，停留時間為22分鐘，加熱溫度為690°C，形成的滲鍍鋁層厚度控制在80 ii m ;
4)對鈦板經(jīng)過滲鋁的側(cè)邊表面采用激光預(yù)處理，采用輸出波長為1064nm的摻釹釔鋁石榴石激光器，聚焦鏡焦距為170mm，激光焦點距離鈦板待焊接的側(cè)邊表面的絕對值為
3.1-3.5 mm，輸出連續(xù)波激光，預(yù)處理激光功率2kW，掃描速率為1.5m/min，預(yù)處理的鈦板在平移的同時還在與平移垂直的方向上作往復(fù)移動，移動速率為2m/min ；
5)采用直徑為2mm的鎂鋁合金焊絲，其質(zhì)量百分?jǐn)?shù)成分為:
鎂:4.2%，硅:0.09 %，錳:0.12 %，鐵:0.25 %，碳:0.05 %，鈦:0.05 %，磷:0.05%，余量為鋁；
將焊絲浸入50%H20+50%HN03溶液，15min后用清水沖洗后烘干，再用砂紙進行打磨；
6)將鈦板與鋁板在同一平面內(nèi)進行對接放置，裝配間隙為0.06mm ；
7)先對焊件正、背面同時通氬氣保護8min，保護氣體為純度大于99.98%的氬氣；再采用填絲TIG焊接，氬弧焊接采用鎢-釷電極，鎢的含量為99.9%，鎢極直徑1.8mm，端部為錐形；エ藝參數(shù)為:焊接電壓12V，焊接電流80A，焊接速度為60mm/min，氬氣流量為8L/min ；施焊過程中，焊絲與焊件間保持60°夾角，焊絲沿著熔池前端平穩(wěn)、均勻的送入熔池；
8)焊接結(jié)束后，繼續(xù)通氬氣保護6min。
所得到的TC4鈦板與LF6鋁板對接接頭焊縫成形美觀。經(jīng)過金相顯微鏡觀察沒有發(fā)現(xiàn)裂紋、氣孔等微觀缺陷，接頭區(qū)結(jié)合良好，焊接接頭的剪切強度為245MPa。實施例2:
1)選擇厚度為4mm的等厚度的TC4鈦板與LF6鋁板，將鈦板和鋁板的對接處開出等尺寸的40°的坡口和1.5 mm的鈍邊；
2)先將被焊接表面用400目、500目、600目、800g UOOO目金相砂紙逐級磨光，然后，對于上述磨光的表面再進行化學(xué)清理，去除金屬表面吸附層及氧化膜，鋁板在配置HNO3IHCl比例為1:3的混合酸洗溶液中清洗30秒，鈦板在5%的HF溶液中清洗10秒，清洗溫度均為室溫，水洗后再用丙酮清洗，然后烘干；
3)準(zhǔn)備如下配比的溶液:93%工業(yè)純鋁、4%Fe以及3% Si，然后對鈦板待焊接部分進行液浸處理，停留時間為22分鐘，加熱溫度為690°C，形成的滲鍍鋁層厚度控制在80 μ m ;
4)對鈦板經(jīng)過滲鋁的側(cè)邊表面采用激光預(yù)處理，采用輸出波長為1064nm的摻釹釔鋁石榴石激光器，聚焦鏡焦距為175mm，激光焦點距離鈦板待焊接的側(cè)邊表面的絕對值為
2.9-3.3 mm，輸出連續(xù)波激光，預(yù)處理激光功率2.5 kW，掃描速率為2 m/min，預(yù)處理的鈦板在平移的同時還在與平移垂直的方向上作往復(fù)移動，移動速率為1.5m/min ；
5)采用直徑為2.5mm的鎂鋁合金焊絲，其質(zhì)量百分?jǐn)?shù)成分為:
鎂:4.28 %，硅:0.1 %，錳:0.15 %，鐵:0.35 %，碳:0.08 %，鈦:0.09 %，磷:0.06 %，余
量為招;
將焊絲浸入50%H20+50%HN03溶液，20min后用清水沖洗后烘干，再用砂紙進行打磨；
6)將鈦板與鋁板在同一平面內(nèi)進行對接放置，最窄處的裝配間隙為0.1mm ；
7)先對焊件正、背面同時通氬氣保護8min，保護氣體為純度大于99.98%的氬氣；再采用填絲TIG焊接，氬弧焊接采用鎢-釷電極，鎢的含量為99.9%，鎢極直徑2.5mm,端部為錐形；工藝參數(shù)為:焊接電壓12V，焊接電流90A，焊接速度為70mm/min，氬氣流量為9L/min ；施焊過程中，焊絲與焊件間保持70°夾角，焊絲沿著熔池前端平穩(wěn)、均勻的送入熔池；
8)焊接結(jié)束后，繼續(xù)通氬氣保護8min。由于本實施例采用激光器對鈦板待焊接的經(jīng)過滲鋁的側(cè)邊表面進行預(yù)處理，使得被照射的表面溫度迅速上升，從而使得滲鋁層的鋁被加速熔化，從而使得鋁元素和鈦元素相互擴散，形成穩(wěn)定更易結(jié)合的中間層，同時，激光處理后鈦板的待焊接表面進行自冷淬火，晶粒尺寸得到明顯的細化，晶粒的細化意味著晶界增多，焊接熱量的傳導(dǎo)受到更大的阻礙，在相同的外部散熱和焊接熱輸入條件下，焊接熱影響區(qū)明顯減小，焊接熱量損失也明顯減小，有助于后續(xù)焊接過程的實施，并有利于焊接接頭微觀組織的均勻化。所得到的TC4鈦板與LF6鋁板對接接頭焊縫成形美觀。經(jīng)過金相顯微鏡觀察沒有發(fā)現(xiàn)裂紋、氣孔等微觀缺陷，接頭區(qū)結(jié)合良好，焊接接頭的剪切強度為249MPa。實施例3:
1)選擇厚度為5mm的等厚度的的TC4鈦板與LF6鋁板，將鈦板和鋁板的對接處開出等尺寸的30°的坡口和2 mm的鈍邊；
2)先將被焊接表面用400目、500目、600目、800g UOOO目金相砂紙逐級磨光，然后，對于上述磨光的表面再進行化學(xué)清理，去除金屬表面吸附層及氧化膜，鋁板在配置HNO3IHCl比例為1:3的混合酸洗溶液中清洗30秒，鈦板在5%的HF溶液中清洗10秒，清洗溫度均為室溫，水洗后再用丙酮清洗，然后烘干；
3)先準(zhǔn)備如下配比的溶液:94%エ業(yè)純鋁、4%Fe以及2%Si，然后對鈦板待焊接部分進行液浸處理，停留時間為28分鐘，加熱溫度為720°C，形成的滲鍍鋁層厚度控制在130iim ;
4)對鈦板經(jīng)過滲鋁的側(cè)邊表面采用激光預(yù)處理，采用輸出波長為1064nm的摻釹釔鋁石榴石激光器，聚焦鏡焦距為180mm，激光焦點距離鈦板待焊接的側(cè)邊表面的絕對值為2.8-3.2 mm，輸出連續(xù)波激光，預(yù)處理激光功率2 3 kW，掃描速率為2.5 m/min，預(yù)處理的鈦板在平移的同時還在與平移垂直的方向上作往復(fù)移動，移動速率為2 m/min ；
5)采用直徑為3mm的鎂鋁合金焊絲，其質(zhì)量百分?jǐn)?shù)成分為:
鎂:4.35 %，硅:0.12 %，錳0.2 %，鐵:0.4 %，碳:0.1 %，鈦:0.15 %，磷:0.07 %，余量
為鋁；
將焊絲浸入50%H20+50%HN03溶液，18min后用清水沖洗后烘干，再用砂紙進行打磨；
6)將鈦板與鋁板在同一平面內(nèi)進行對接放置，裝配間隙為0.12mm ；
7)先對焊件正、背面同時通氬氣保護8-10min，保護氣體為純度大于99.98%的氬氣；再采用填絲TIG焊接，氬弧焊接采用鎢-釷電極，鎢的含量為99.9%，鎢極直徑2.8mm，端部為錐形；エ藝參數(shù)為:焊接電壓12V，焊接電流120A，焊接速度為90 mm/min，氬氣流量為10 L/min ;施焊過程中，焊絲與焊件間保持75°夾角，焊絲沿著熔池前端平穩(wěn)、均勻的送入熔池；
8)焊接結(jié)束后，繼續(xù)通氬氣保護lOmin。所得到的TC4鈦板與LF6鋁板對接接頭焊縫成形美觀。經(jīng)過金相顯微鏡觀察沒有發(fā)現(xiàn)裂紋、氣孔等微觀缺陷，接頭區(qū)結(jié)合良好，焊接接頭的剪切強度為254 MPa。顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明所作的舉例，而并非對實施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明創(chuàng)造的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種鈦板與鋁板的激光預(yù)處理填絲TIG焊接方法，其特征在于，包括以下步驟: O選擇厚度為3-5mm的等厚度的鈦板和鋁板，將鈦板和鋁板的對接處開出等尺寸的20° 40°的坡口和I 2_的鈍邊； 2)先將被焊接表面用400目、500目、600目、800g UOOO目金相砂紙逐級磨光，然后，對于上述磨光的表面再進行化學(xué)清理，去除金屬表面吸附層及氧化膜，鋁板在配置HNO3IHCl比例為1:3的混合酸洗溶液中清洗30秒，鈦板在5%的HF溶液中清洗10秒，清洗溫度均為室溫，水洗后再用丙酮清洗，然后烘干； 3)準(zhǔn)備如下配比的溶液:93%-94%工業(yè)純鋁、4%Fe以及2%_3% Si，然后對鈦板待焊接部分進行液浸處理，停留時間為22-28分鐘，加熱溫度為690-720°C，形成的滲鍍鋁層厚度控制在80-130ym； 4)對鈦板經(jīng)過滲鋁的側(cè)邊表面采用激光預(yù)處理，采用輸出波長為1064nm的摻釹釔鋁石榴石激光器，聚焦鏡焦距為170-180mm，激光焦點距離鈦板待焊接的側(cè)邊表面的絕對值為2.8-3.5 mm，輸出連續(xù)波激光，預(yù)處理激光功率2 3 kW，掃描速率為1.5 2.5 m/min，預(yù)處理的鈦板在平移的同時還在與平移垂直的方向上作往復(fù)移動，移動速率為1.2^2m/min ； 5)采用直徑為2-3mm的鎂鋁合金焊絲，其質(zhì)量百分?jǐn)?shù)成分為:鎂:4.2-4.35%，硅:0.09-0.12 %，錳:0.12-0.2 %，鐵:0.25-0.4 %，碳:0.05-0.1 %，鈦:0.05-0.15 %，磷:0.05-0.07%，余量為鋁； 將焊絲浸入50%H20+50%HN03溶液， 15-20min后用清水沖洗后烘干，再用砂紙進行打磨； 6)將鈦板與鋁板在同一平面內(nèi)進行對接放置，裝配間隙為0.06mm-0.12mm ； 7)先對焊件正、背面同時通氬氣保護8-10min，保護氣體為純度大于99.98%的氬氣；再采用填絲TIG焊接，氬弧焊接采用鎢-釷電極，鎢的含量為99.9%，鎢極直徑1.8-2.8mm,端部為錐形；工藝參數(shù)為:焊接電壓12V，焊接電流80-120A，焊接速度為60-90mm/min，氬氣流量為8-10L/min ;施焊過程中，焊絲與焊件間保持60-75°夾角，焊絲沿著熔池前端平穩(wěn)、均勻的送入熔池； 8)焊接結(jié)束后,繼續(xù)通氬氣保護6-10min。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦板與鋁板的激光預(yù)處理填絲TIG焊接方法，其特征在于，聚焦鏡焦距優(yōu)選為175mm，激光焦點距離鈦板待焊接的側(cè)邊表面為2.9-3.3 mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鈦板與鋁板的激光預(yù)處理填絲TIG焊接方法，其特征在于，鈦板與鋁板在同一平面內(nèi)進行對接放置，最窄處的裝配間隙為0.1_。
全文摘要
本發(fā)明提供一種鈦板與鋁板的激光預(yù)處理填絲TIG焊接方法，本發(fā)明先采用對鈦板待焊接部分進行液浸處理，形成的具有優(yōu)選厚度的滲鋁層；然后采用激光器對鈦板待焊接的經(jīng)過滲鋁的側(cè)邊表面進行預(yù)處理，使得被照射的表面溫度迅速上升，從而使得滲鋁層的鋁被加速熔化，從而使得鋁元素和鈦元素相互擴散，形成穩(wěn)定更易結(jié)合的中間層，然后在焊接過程中熔化填充金屬與鋁板母材充分熔化混合后凝固形成焊縫。本發(fā)明具有提高生產(chǎn)效率，改善接頭性能，操作方便的優(yōu)點。
文檔編號B23K9/167GK103084715SQ20131004062
公開日2013年5月8日 申請日期2013年2月3日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月3日
發(fā)明者王達 申請人:王達