[发明专利]铝－钛合金异种金属刮擦搅拌焊方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种焊接方法，具体地说是一种钛及钛合金、铝及铝合金异种金属焊接过程中所使用的焊接方法，属熔化极电弧焊接、电弧冶炼技术、电弧加工领域。

背景技术

铝及铝合金、钛及钛合金都具有密度小、强度高、耐蚀性及耐热性好等优点。在太空应用中，单位质量减重成本增值10000欧元以上。钛、铝等轻质高强合金具有巨大的经济优势，已被世界各国广泛应用于航空、航天领域。然而，钛合金密度较铝合金大而且焊接工艺性差，又因为钛合金的成本远高于铝合金，同时在应用中，我们往往要求一个零部件要具备几方面的特殊性能，而这却不是单一的材料能具备的。异种材料连接部件能够最大限度的利用材料各自的优点，收到“物尽其用”的效果。

铝、钛及其合金异种金属连接，为多种产品提出了新的思路，但它们之间连接还存在大量的问题，其中对应用影响最大的是互溶性及金属间化合物问题。有专著指出：获得异种金属的焊接接头的主要条件是：他们之间有完全的互溶性，能够形成间隙或连续系列的固溶体。当不具备这些条件和物理化学性能相差很大时，会产生脆性的金属间化合物和共晶体，而难以焊接。如果金属间化合物以极细的夹杂物形化合物和共晶体，而难以焊接。如果金属间化合物以极细的夹杂物形式弥散的分布在合金晶粒之间，则可能完全无害；而如果呈带状或针状出现在晶界之间，或两种金属之间出现中间过渡层，就有造成金属脆性断裂的危险。从元素周期表和铝-钛相图可见，两种金属物理化学性质差别很大，在室温下不满足互溶性条件，在焊接时，在固态钛和液态铝的接触线上要形成金属间化合物。所形成的化合物有Ti₃Al、TiAl、TiAl₂和TiAl₃等多种，而且化合物生长速度很快，控制不当将布满整个接头。它们在600℃以下具有低的延伸性和易断裂性能，金属间化合物表现出强烈的应力集中倾向，会导致迅速脆性断裂。因此，如何控制脆性化合物生长，或改变已生成的化合物的形态及分布将成为解决铝、钛及其合金异种金属连接问题的关键。

国内对铝、钛及其合金异种材料连接研究很少，目前钛、铝等异种金属的复合连接结构常用扩散连接方法进行生产。为解决去氧化膜及化合物生长的问题，通常采用焊前去膜、真空环境下施焊的方法，并采用加中间阻挡层的方法，限制铝-钛之间的原子扩散形成化合物层。然而，扩散连接的设备昂贵、生产周期长、且被连接件的尺寸受到扩散室(真空室)大小的限制。在铝、钛及其合金异种金属焊接过程中，界面处金属间化合物的产生与生长是不可避免的，而这些金属间化合物对接头性能有着决定性的影响，但是目前没有控制金属间化合物生长的成熟理论及指导性工艺。这对铝、钛及其合金异种金属连接的实际应用产生巨大的阻碍。

发明内容

本发明的目的是为了解决钛及钛合金、铝及铝合金异种金属焊接过程中的互溶性及金属间化合物问题，以及国内现有扩散连接设备昂贵、生产周期长等缺点，提出了铝-钛合金异种金属刮擦搅拌焊方法，该方法的具体方案如下：

步骤一：首先利用氩气将焊接舱1中的空气排空。将钛板或钛合金板2进行清理后，置于空气排净且充满氩气的焊接舱1中。

步骤二：启动焊接装置，选择较小的电流，利用交流钨极氩弧焊的方法，将铝合金焊丝堆敷在钛板或钛合金板2上。

步骤三：堆敷完成后，形成一层一定厚度的铝合金层3。适当加大电流，并准备再次焊接。

步骤四：将刮擦工具头4装卡在旋转的卡具5上，同时进行焊接，使堆敷的铝合金层3重新熔化。

步骤五：在焊接时利用刮擦工具头4刮擦熔池，此时刮擦工具头4做旋转及横向往复运动。此动作一直持续至焊接结束。

步骤六：焊件焊接完成后在焊接舱中冷却至室温。

本发明在焊接过程中液态熔池内采用刮擦的办法去除焊接接合面的大片金属间化合物，并通过刮擦搅拌，使得破碎的化合物分散分布，材料用TC4钛合金和LF6铝合金，焊机为TIG焊机，本发明焊接效果可达到扩散焊接方法效果，本方法所用装置简单，大大降低了成本，提高了效率。

附图说明

图1是本发明铝-钛及其合金异种金属刮擦搅拌焊方法的焊接示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明铝-钛及其合金异种金属刮擦搅拌焊方法作进一步说明。