[发明专利]钛合金与铝合金或铝基复合材料超声预涂覆钎焊方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种钛合金与铝合金或铝基复合材料的焊接方法。

背景技术

钛合金、铝合金及铝基复合材料是现今新型材料中最具发展潜力的材料。由于钛合金具有熔点高、线膨胀系数和弹性模量小、耐蚀性优良等特性，在航空、航天、核能、船舶、电子和化学精练等工业中有广泛的应用前景。铝合金及铝基复合材料的密度小、比强度高、塑性好、耐腐蚀性能优良，所以在飞机制造中用做于制造机翼、外壳、尾翼等。但由于钛合金与铝合金或铝基复合材料的熔点、导热系数、线膨胀系数等物理性能相差悬殊，所以现有的焊接方法如熔焊、真空扩散焊和激光熔钎焊都无法解决钛合金与铝合金或铝基复合材料的物理性能相差悬殊所导致的问题。

1、采用“熔焊”方法焊接钛合金与铝合金或铝基复合材料存在的问题：在熔化焊接过程中，形成大量层状的质硬而脆的Ti₃Al，使焊缝脆化或产生裂纹。

2、采用“真空扩散焊”(包括直接真空扩散焊和加中间层的真空扩散焊)方法焊接钛合金与铝合金或铝基复合材料存在的问题：直接真空扩散焊，将扩散反应形成Ti-Al的二元金属间化合物或更复杂多元金属间化合物，因金属间化合物与母材元素的晶格匹配性很差，使焊缝化学成分不均匀，导致焊缝结合性能差，力学性能也非常低；加铝合金中间层的真空扩散焊，会在钛基体一侧生成TiAl和Ti₃Al，在过渡区则会大量形成Ti₃Al、TiAl和TiAl₃等金属间化合物，由于这些化合物都比较脆，从而造成扩散结合界面处存在断续微裂纹，破坏焊缝力学性能。另外真空扩散焊接还存在保温时间长，扩散连接设备昂贵，生产周期长等缺点。

3、采用“激光熔钎焊”方法焊接钛合金与铝合金或铝基复合材料存在的问题：首先，钛合金侧与焊缝为钎焊连接，如若激光加热线能量增大，易造成钛母材熔化，生成大量脆性金属间化合物，接头性能将急剧下降，甚至无法实现焊接。其次，激光加热中心温度高，但热循环迅速，作用时间短，导致原子扩散驱动力很大但扩散时间有限。由于不同区域的各元素浓度存在差异，使得最终形成的金属间化合物层不但组成复杂，而且同一界面不同部位金属间化合物的形态差异也较大。所以焊缝接头易断裂于金属间化合物区。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的钛合金与铝合金或铝基复合材料直接进行焊接的方法，在界面处产生的质硬而脆并厚的金属间化合物、产生裂纹或断续微裂纹、接头结合强度很低、连接设备昂贵和生产周期长的技术问题，而提出钛合金与铝合金或铝基复合材料超声预涂覆钎焊方法。

钛合金与铝合金或铝基复合材料超声预涂覆钎焊方法通过以下步骤实现：一、对钛合金板与铝合金或铝基复合材料板进行表面清理；二、将钛合金板的待焊部位浸入温度为750～800℃、熔融状态的铝合金中，保持恒温进行超声涂覆；三、将涂覆于钛合金板表面的铝合金层进行打磨，打磨后的铝合金层厚度均匀、平滑；四、将磨好的钛合金板待焊部位放入钎料池中，在超声频率为20～100kHz、振幅为1～50μm、温度为200～650℃的条件下振动处理1～25s；五、将铝合金或铝基复合材料板的待焊部分放入钎料池中，在超声波频率为20～100kHz、振幅为1～50μm、温度为200～650℃的条件下超声振动处理1～25s；六、分别对钛合金板和铝合金或铝基复合材料板上涂覆的钎料层进行打磨，打磨后的钎料层厚度均匀、平滑；七、分别在钛合金板及铝合金或铝基复合材料板的钎料层上放置耐高温金属搅拌摩擦头，将耐高温金属搅拌摩擦头升温至200～650℃、在压力为0.1～1MPa/mm²的条件下进行旋转摩擦；八、将钛合金板与铝合金或铝基复合材料板待焊部位搭接在一起，在超声频率为20～100kHz、振幅为1～50μm、温度为200～700℃条件下进行超声振动0.5～6s，即完成焊接；其中步骤二中超声频率为20～100kHz、振幅为1～50μm、振动时间为0.5～3min；步骤三中打磨后的铝合金层的厚度为0.05～3mm；步骤六中钛合金板与铝合金或铝基复合材料打磨后的钎料层的厚度都为0.05～1mm。

利用本发明的钛合金与铝合金或铝基复合材料超声预涂覆钎焊方法，在钎料作用下，通过超声钎焊和界面扩散圆满实现了钛合金与铝合金或铝基复合材料板材的高强度焊接，并且形成的钛合金与铝合金或铝基复合材料板材搭接接头界面不会产生金属间化合物、连接可靠不断裂，能够进一步满足工程上对钛合金与铝合金或铝基复合材料连接接头的各种需要。