專利名稱：一種鈦合金與純鋁板的鍍層激光預處理脈沖焊接方法
技術領域：
本發明屬于異種材料的焊接技術領域，特別涉及一種鈦合金與純鋁板的鍍層激光預處理脈沖焊接方法。
背景技術：
鈦合金具有重量輕、強度大、耐熱性強、耐腐蝕等許多優特性，被譽為“未來的金屬”，是具有發展前途的新型結構材料。鈦合金的應用涉及到許多領域，以在航空航天領域中的應用最突出。鋁及其合金在飛機制造中是主要的結構材料，大部分關鍵承載部件(如機翼、外殼、尾翼等)由鋁及其合金制造，鈦及其合金不僅在航空、宇宙航行工業中有著十分重要的應用，而且已經開始在化工、石油、輕工、冶金、發電等許多工業部門中廣泛應用。鋁具有比強度高、加工性好、物理、力學性能優越、抗腐蝕等優點，在很多應用領域中被認為是最為經濟實用的材料。在大多數環境條件下，包括在空氣、水(或鹽水)、石油化學和很多化學體系中，鋁能顯示出優良的抗腐蝕性。鋁的表面具有高度的反射性。鋁通常顯示出優良的電導率和熱導率，具有高電阻率的一些特定鋁合金也已經研制成功，這些合金可用于如高轉矩的電動機中。鋁由于它的優良電導率而常被選用。在重量相等的基礎上，鋁的電導率近于銅的兩倍。由于鈦合金和鋁合金具有某些特殊的性能，Ti與Al復合構件作為一種新型結構材料在航空航天領域及化工電解工業得到應用，Ti/Al復合結構具有穩定性好、隔熱隔音和耐高溫等性能，可以最大限度的發揮兩種材料的特性潛力，鈦合金和鋁在工業上的應用非常重要，有很多工業交叉的領域，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。鈦與鋁的物理化學性質(如熔點、晶體結構、導熱系數、熱膨脹系數等)相差很大，特別是鈦在加熱和冷卻時極易發生脆化，采用常規的熔焊方法實現Ti與Al的可靠連接有一定難度，當達到Ti的熔點時，Al元素燒損蒸發。Ti是活性金屬，在300°C開始強烈氧化，溫度越高氧化性越嚴重，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性能相差很大，用傳統的焊接方法焊接時會產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，節能高效又易于實現自動化，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，加熱區窄，加熱更為集中，熱輸入量小，熱影響區窄，釬焊后變形小。但是，在實現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、現有設備昂貴、生產周期長。李亞江等學者研究了 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構進行分析。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，在一定溫度和壓力下保持一段時間，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工藝和參數要求比較高，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境下成型，從經濟生產性來看，成本較大，不適合大批量鋁鈦材料連接成型。
發明內容
本發明為解決上述現有焊接技術的不足，提供一種鈦合金與純鋁板的鍍層激光預處理脈沖焊接方法。為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案，本發明的鈦合金與純鋁板的鍍層激光預處理脈沖焊接方法，包括以下步驟:
O選擇厚度為2.5-3.5mm的等厚度的鈦合金板和純鋁板，在兩板的側邊開等尺寸的坡口，兩板的側邊坡口對接形成的V型結構的角度為15-30度,然后分別對于鈦合金板和純鋁板待焊接部分進行表面處理，處理流程為:使用砂紙打磨一金屬清洗液除油一7jC洗一稀氫氟酸腐蝕一水洗一丙酮清洗一烘干，以去除板件表面的氧化層、雜質和油污；
2)先準備如下配比的溶液:93%-94%工業純鋁、4%Fe以及2%_3% Si，然后對鈦合金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80-130μπι;
3)對鈦合金板經過滲鋁的側邊表面采用激光預處理，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，激光焦點距離鈦合金板待焊接的側邊表面的絕對值為2.8-3.5 mm，輸出連續波激光，預處理激光功率2 3 kW，掃描速率為1.5^2.5 m/min，預處理的鈦合金板在平移的同時還在與平移垂直的方向上作往復移動，移動速率為1.2 2m/min ；
4)采用直徑為1.0-1.2mm的鋁 硅合金焊絲作為填充金屬，焊前用砂紙將焊絲表面打磨至露出金屬光澤；所用的鋁硅合金焊絲的化學成分(質量分數)為:Si 4.9-5.8 %，Fe
0.8-0.9 %，Cu 0.3-0.4 %，Mn 0.05-0.1 %，Mg 0.06-0.09 %，Zn 0.12-0.19 %，Ti
0.22-0.28 %，余量為 Al ；
5)再在焊絲表面涂上活性劑，該活性劑的質量百分比組分為:Si02:29-31% ;Ti02:25-27% ；Cr2O3:4.2-5% ；CaF2:9.2-10% ；MnCl2:22.5-24.3%，其余為 BaCl2 ；
6)將鈦合金板與純鋁板水平對接放置，不留間隙；
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；
8)采用高頻脈沖引弧，引弧前先打開氬氣，保持流通20s 30s，并利用氬氣流帶走附著在導氣管內壁上的水分，在鈦與鋁接頭處引燃電弧；工藝參數為:基值電流40A 60A、脈沖電流38A 80A、脈沖持續時間5s 10s、脈沖頻率35Hz 65Hz，焊接電壓8V 16V，接頭正反兩面填充IS氣進行保護，IS氣流量8L/min 16L/min,焊槍噴嘴離工件的距離8mm 12mm，焊槍鎢極與焊件之間的夾角是70° 85°，填充焊絲與焊件之間的夾角為15° 25°，焊絲沿著熔池前端平穩、均勻的送入熔池；收弧時，收弧處增加焊絲填充量直至弧坑填滿，然后控制焊接電流逐漸延時衰減，斷弧后氬氣繼續流通IOs 20s，以防止鎢極氧化；
9)焊接結束后，繼續通氬氣保護2-4min。與鈦和鋁表層直接疊合在一起進行焊接而在結合界面處存在斷續微裂紋、接頭結合強度很低不同的是，本發明先采用對鈦合金板待焊接部分進行液浸處理，形成的具有優選厚度的滲鋁層；然后采用激光器對鈦合金板待焊接的經過滲鋁的側邊表面進行預處理，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，形成穩定更易結合的中間層，為后續焊接處理創造了條件，可以不必使用過于苛刻的焊接條件和步驟；同時，激光處理后鈦合金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，焊接熱影響區明顯減小，焊接熱量損失也明顯減小，有助于后續焊接過程的實施，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合金板和鋁板通過中間層從而實現連接，本發明提出具有特定配比的焊絲，與常規鎢極氬弧焊方法相比，本發明提出的鈦合金與純鋁異種金屬氬弧焊的電弧穩定性明顯提高，同時焊絲表面的活性劑能夠起到增加焊接熔深的作用，從而獲得焊縫成形美觀、無裂紋的焊接接頭。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，連接接頭質量及其穩定性較好；克服了現有熔焊界面溫度過高時容易造成高熔點母材鈦合金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。本發明的有益效果是，降低了真空環境焊接成本，而且提高了生產效率，改善接頭性能，操作方便。
具體實施例方式下面結合實施例對本發明作進一步說明。實施例1
1)選擇厚度均為2.5mm的Ti_6Al_4V鈦合金板和1060純鋁板，在兩板的側邊開等尺寸的坡口，兩板的側邊坡口對接形成的V型結構的角度為20度,然后分別對于鈦合金板和純鋁板待焊接部分進行表面處理，處理流程為:使用砂紙打磨一金屬清洗液除油一水洗一稀氫氟酸腐蝕一水洗一丙酮清洗一烘干，以去除板件表面的氧化層、雜質和油污；
2)先準備如下配比的溶液:93%工業純鋁、4%Fe以及3% Si，然后對鈦合金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 ；
3)對鈦合金板經過滲鋁的側邊表面采用激光預處理，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，激光焦點距離鈦合金板待焊接的側邊表面的絕對值為3.2-3.5 mm,輸出連續波激光，預處理激光功率2kW，掃描速率為1.5m/min,預處理的鈦合金板在平移的同時還在與平移垂直的方向上作往復移動，移動速率為2m/min ；
4)采用直徑為1.0-1.2mm的鋁硅合金焊絲作為填充金屬，焊前用砂紙將焊絲表面打磨至露出金屬光澤；所用的鋁硅合金焊絲的化學成分(質量分數)為=Si 4.9 %，Fe 0.8 %，Cu 0.3 %, Mn 0.05 %, Mg 0.06 %, Zn 0.12 %, Ti 0.22%，余量為 Al;
5)再在焊絲表面涂上活性劑，該活性劑的質量百分比組分為=SiO2:29% ；Ti02: 25% ；Cr2O3:4.2% ；CaF2:9.2% ；MnCl2:22.5%，其余為 BaCl2 ；
6)將鈦合金板與純鋁板水平對接放置，不留間隙；
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； 8)采用高頻脈沖引弧，引弧前先打開氬氣，保持流通20s，并利用氬氣流帶走附著在導氣管內壁上的水分，在鈦與鋁接頭處引燃電弧；工藝參數為:基值電流40A、脈沖電流38A、脈沖持續時間5s、脈沖頻率35Hz，焊接電壓8V，接頭正反兩面填充氬氣進行保護，氬氣流量8L/min，焊槍噴嘴離工件的距離8mm，焊槍鎢極與焊件之間的夾角是70°，填充焊絲與焊件之間的夾角為15°，焊絲沿著熔池前端平穩、均勻的送入熔池；收弧時，收弧處增加焊絲填充量直至弧坑填滿，然后控制焊接電流逐漸延時衰減，斷弧后氬氣繼續流通10s，以防止鎢極氧化；
9)焊接結束后，繼續通氬氣保護2min。所得到的T1-6A1_4V鈦合金與1060純鋁板對接接頭焊縫成形美觀。經過金相顯微鏡觀察沒有發現裂紋、氣孔等微觀缺陷，接頭區結合良好，焊接接頭的剪切強度為273MPa。
實施例2 ；
1)選擇厚度為3mm的等厚度的T1-6A1-4V鈦合金板和1060純鋁板，在兩板的側邊開等尺寸的坡口，兩板的側邊坡口對接形成的V型結構的角度為15度,然后分別對于鈦合金板和純鋁板待焊接部分進行表面處理，處理流程為:使用砂紙打磨一金屬清洗液除油一水洗一稀氫氟酸腐蝕一水洗一丙酮清洗一烘干，以去除板件表面的氧化層、雜質和油污；
2)先準備如下配比的溶液:94%工業純鋁、4%Fe以及2% Si，然后對鈦合金板待焊接部分進行液浸處理，停留時間為25分鐘，加熱溫度為700°C，形成的滲鍍鋁層厚度控制在100 μ m ；
3)對鈦合金板經過滲鋁的側邊表面采用激光預處理，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，激光焦點距離鈦合金板待焊接的側邊表面的絕對值為3-3.3 mm，輸出連續波激光，預處理激光功率2.5 kW，掃描速率為2 m/min，預處理的鈦合金板在平移的同時還在與平移垂直的方向上作往復移動，移動速率為1.5m/min ；
4)采用直徑為1.0-1.2mm的鋁硅合金焊絲作為填充金屬，焊前用砂紙將焊絲表面打磨至露出金屬光澤；所用的鋁硅合金焊絲的化學成分(質量分數)為:Si 5.2 %，Fe 0.8 %，Cu 0.35 %, Mn 0.08 %, Mg 0.08 %, Zn 0.15 %, Ti 0.25%，余量為 Al;
5)再在焊絲表面涂上活性劑，該活性劑的質量百分比組分為=SiO2:31% ；Ti02: 26% ；Cr2O3:4.6% ；CaF2:9.7% ；MnCl2:23.6%,其余為 BaCl2 ；
6)將鈦合金板與純鋁板水平對接放置，不留間隙；
7)先對焊件正、背面同時通氬氣保護9min，保護氣體為純度大于99.98%的氬氣；
8)采用高頻脈沖引弧，引弧前先打開氬氣，保持流通25s，并利用氬氣流帶走附著在導氣管內壁上的水分，在鈦與鋁接頭處引燃電弧；工藝參數為:基值電流50A、脈沖電流55A、脈沖持續時間8s、脈沖頻率50Hz，焊接電壓12V，接頭正反兩面填充氬氣進行保護，氬氣流量12L/min，焊槍噴嘴離工件的距離10mm，焊槍鎢極與焊件之間的夾角是75°，填充焊絲與焊件之間的夾角為20°，焊絲沿著熔池前端平穩、均勻的送入熔池；收弧時，收弧處增加焊絲填充量直至弧坑填滿，然后控制焊接電流逐漸延時衰減，斷弧后氬氣繼續流通15s，以防止鎢極氧化；
9)焊接結束后，繼續通氬氣保護3min。所得到的T1-6A1_4V鈦合金與1060純鋁板對接接頭焊縫成形美觀。經過金相顯微鏡觀察沒有發現裂紋、氣孔等微觀缺陷，接頭區結合良好，焊接接頭的剪切強度為286MPa。
實施例3 ；
O選擇厚度為3.5mm的等厚度的的Ti_6Al_4V鈦合金板和1060純鋁板，在兩板的側邊開等尺寸的坡口，兩板的側邊坡口對接形成的V型結構的角度為10度，然后分別對于鈦合金板和純鋁板待焊接部分進行表面處理，處理流程為:使用砂紙打磨——金屬清洗液除油一水洗一稀氫氟酸腐蝕一水洗一丙酮清洗一烘干，以去除板件表面的氧化層、雜質和油污；
2)先準備如下配比的溶液:94%工業純鋁、4%Fe以及2%Si，然后對鈦合金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130 μ m ；
3)對鈦合金板經過滲鋁的側邊表面采用激光預處理，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，激光焦點距離鈦合金板待焊接的側邊表面的絕對值為2.8-3.1 mm，輸出連續波激光，預處理激光功率2 3 kW，掃描速率為2.5 m/min，預處理的鈦合金板在平移的同時還在與平移垂直的方向上作往復移動，移動速率為2 m/min ；
4)采用直徑為1.2mm的鋁硅合金焊絲作為填充金屬，焊前用砂紙將焊絲表面打磨至露出金屬光澤；所用的鋁硅合金焊絲的化學成分(質量分數)為=Si 5.8 %，Fe 0.9 %，Cu
0.4 %，Mn 0.1 %，Mg 0.09 %，Zn 0.19 %，Ti 0.28 %，余量為 Al ；
5)再在焊絲表面涂上活性劑，該活性劑的質量百分比組分為=SiO2: 31% ；Ti02: 27% ；Cr2O3: 5% ；CaF2: 10% ；MnCl2: 24.3%，其余為 BaCl2 ;
6)將鈦合金板與純鋁板水平對接放置，不留間隙；
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；
8)采用高頻脈沖引弧，引弧前先打開氬氣，保持流通30s，并利用氬氣流帶走附著在導氣管內壁上的水分，在鈦與鋁接頭處引燃電弧；工藝參數為:基值電流60A、脈沖電流80A、脈沖持續時間10s、脈沖頻率65Hz，焊接電壓16V，接頭正反兩面填充氬氣進行保護，氬氣流量16L/min，焊槍噴嘴離工件的距離12mm，焊槍鎢極與焊件之間的夾角是85°，填充焊絲與焊件之間的夾角為25°，焊絲沿著熔池前端平穩、均勻的送入熔池；收弧時，收弧處增加焊絲填充量直至弧坑填滿，然后控制焊接電流逐漸延時衰減，斷弧后氬氣繼續流通20s，以防止鎢極氧化；
9)焊接結束后，繼續通氬氣保護4min。所得到的T1-6A1_4V鈦合金與1060純鋁板對接接頭焊縫成形美觀。經過金相顯微鏡觀察沒有發現裂紋、氣孔等微觀缺陷，接頭區結合良好，焊接接頭的剪切強度為291 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。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎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明創造的保護范圍之內。
權利要求
1.1、一種鈦合金與純鋁板的鍍層激光預處理脈沖焊接方法，其特征在于，包括以下步驟: O選擇厚度為2.5-3.5mm的等厚度的鈦合金板和純鋁板，在兩板的側邊開等尺寸的坡口，兩板的側邊坡口對接形成的V型結構的角度為15-30度,然后分別對于鈦合金板和純鋁板待焊接部分進行表面處理，處理流程為:使用砂紙打磨一金屬清洗液除油一水洗一稀氫氟酸腐蝕一水洗一丙酮清洗一烘干，以去除板件表面的氧化層、雜質和油污； 2)先準備如下配比的溶液:93%-94%工業純鋁、4%Fe以及2%_3% Si，然后對鈦合金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80-130μπι; 3)對鈦合金板經過滲鋁的側邊表面采用激光預處理，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，激光焦點距離鈦合金板待焊接的側邊表面的絕對值為2.8-3.5 mm，輸出連續波激光，預處理激光功率2 3 kW，掃描速率為1.5 2.5 m/min，預處理的鈦合金板在平移的同時還在與平移垂直的方向上作往復移動，移動速率為1.2 2m/min ； 4)采用直徑為1.0-1.2mm的鋁硅合金焊絲作為填充金屬，焊前用砂紙將焊絲表面打磨至露出金屬光澤；所用的鋁硅合金焊絲的化學成分(質量分數)為:Si 4.9-5.8 %，Fe0.8-0.9 %，Cu 0.3-0.4 %，Mn 0.05-0.1 %，Mg 0.06-0.09 %，Zn 0.12-0.19 %，Ti0.22-0.28 %，余量為 Al ； 5)再在焊絲表面涂上活性劑，該活性劑的質量百分比組分為=SiO2:29-31% ;Ti02:25-27% ；Cr2O3:4.2-5% ；CaF2:9.2-10% ；MnCl2:22.5-24.3%，其余為 BaCl2 ； 6)將鈦合金板與純鋁板水平對接放置，不留間隙； 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； 8)采用高頻脈沖引弧，引弧前先打開氬氣，保持流通20s 30s，并利用氬氣流帶走附著在導氣管內壁上的水分，在鈦與鋁接頭處引燃電弧；工藝參數為:基值電流40A 60A、脈沖電流38A 80A、脈沖持續時間5s 10s、脈沖頻率35Hz 65Hz，焊接電壓8V 16V，接頭正反兩面填充IS氣進行保護，IS氣流量8L/min 16L/min,焊槍噴嘴離工件的距離8mm 12mm，焊槍鎢極與焊件之間的夾角是70° 85°，填充焊絲與焊件之間的夾角為15° 25°，焊絲沿著熔池前端平穩、均勻的送入熔池；收弧時，收弧處增加焊絲填充量直至弧坑填滿，然后控制焊接電流逐漸延時衰減，斷弧后氬氣繼續流通IOs 20s，以防止鎢極氧化； 9)焊接結束后，繼續通氬氣保護2-4min。
全文摘要
本發明提供一種鈦合金與純鋁板的鍍層激光預處理脈沖焊接方法，先對鈦合金板和鋁板進行清洗，然后對鈦合金板待焊接部分進行液浸處理，然后采用激光器對鈦合金板待焊接的經過滲鋁的側邊表面進行預處理，形成穩定更易結合的中間層，同時，激光處理后鈦合金的待焊接表面進行自冷淬火，最后采用特定配比的焊絲將鈦與純鋁板進行鎢極氬弧焊，通過焊接使得在鈦合金板和鋁板通過中間層從而實現連接。本發明提高了焊縫的塑性和韌性。操作簡單，成本低，連接效果好。
文檔編號B23K9/23GK103111726SQ20131004060
公開日2013年5月22日 申請日期2013年2月3日 優先權日2013年2月3日
發明者馬丁青 申請人:馬丁青