鈦合金與合金鋼雷射搭接釺焊工藝的製作方法

2023-04-24 20:37:31 2

專利名稱：鈦合金與合金鋼雷射搭接釺焊工藝的製作方法
技術領域：
本發明涉及焊接技術領域，尤其是鈦合金與合金鋼異種金屬雷射焊接工藝。
背景技術：
增壓器是發動機關鍵部件之一，其中渦輪軸採用合金鋼，渦輪盤目前大多採用鎳 基高溫合金，與鎳基合金相比，鈦合金具有高比強度，隨著對發動機性能要求的提高，鈦合 金取代鎳基合金已成為增壓器發展的必然趨勢。因此，鈦合金與合金鋼焊接是未來發動機 增壓器製造的一項關鍵技術。 鈦合金與合金鋼焊接容易形成Ti-Fe (鈦_鐵)金屬間化合物，使焊縫出現脆化現 象，極易導致焊縫開裂。已知的技術中，有採用摩擦焊對鈦鋁合金與合金鋼異種金屬實施焊 接，如文獻1， Susumu Isobe， Toshiharu Noda， Hiroshi Hirayama. Jointing Ti-Al alloy member and structural steel member. United States Patent, 1991.該文獻中公開了米 用奧氏體不鏽鋼、耐熱鋼、鎳基合金、鈷基合金等中間材料對Ti-Al合金與合金鋼SCM435實 施摩擦焊。摩擦焊接局限性在於接頭需要第二次加工，且焊接接頭表面易產生低應力破壞。
文 獻2， Ghosh， M. ， S. Chatterjee， et al.. The effect of intermetallics onthe strength properties of diffusion bonds formed between Ti_5. 5A1—2.4V and304 stainless steel.Materials Science and Engineering a—Structural MaterialsProperties Microstructure and Processing, 2003， 363 (1-2) :268-274.該文
獻公開了採用固態擴散焊對鈦合金與不鏽鋼實施焊接。固態擴散焊儘管能夠獲得一定強度 的接頭，但焊接環境要求較高(通常需要真空環境)，焊接效率低。 文獻3， Muto Mutsuharu， 0gawa Kimisaki， Hiraga Hitoshi. Joint methodfor different kinds of metals by laser beam. Japanese Patent. 2001.該文獻公開了米用 脈衝雷射焊對純鈦與不鏽鋼實施焊接。不鏽鋼中的Ni元素能夠在一定程度上抑制Ti-Fe 金屬間化合物的生成。而合金鋼不含Ni元素，純鈦與不鏽鋼雷射焊接工藝不適合鈦合金與 合金鋼的焊接。 因此，對於鈦合金與合金鋼焊接，有必要探索新的焊接工藝。

發明內容
本發明提供一種鈦合金與合金鋼的焊接方式，其目的在於為鈦合金與合金鋼提供 一種高效、實用的焊接方法。鈦合金與合金鋼雷射搭接釺焊工藝，鈦合金與合金鋼採用激 光搭接釺焊的方法，以雷射作為焊接熱源；具體步驟為將鈦合金、中間釺料以及合金鋼安 裝到可調壓緊裝置上，鈦合金試樣置於上層，合金鋼置於底層，中間釺料置於鈦合金與合金 鋼之間。雷射輻照在鈦合金表面，將鈦合金與中間釺料熔化，熱量傳遞到底層合金鋼，通過 控制工藝參數，使底層合金鋼產生熔池的前提下，熔池尺寸儘可能小，熔池維持時間儘可能 短。焊接試樣在壓力的作用下實施焊接。
進一步，焊接材料為鈦合金與合金鋼。
進一步，焊接所用雷射為連續雷射或脈衝雷射。
進一步，雷射器為固體雷射器或氣體雷射器。 進一步，在鈦合金與合金鋼間使用金屬釩作為中間釺料，來提高焊接材料的相互 溶解能力，從而抑制Ti-Fe金屬間化合物的生成。 進一步，鈦合金與合金鋼必須保持在一定的壓力作用下實施焊接，該壓力由可調 壓緊裝置提供。


圖1鈦合金與合金鋼焊接可調壓緊裝置示意圖； 1——可調壓緊裝置基體；2——壓板；3——鈦合金試樣；4——中間釺料金屬釩； 5——合金鋼試樣；6——可調壓緊螺栓 圖2鈦合金與合金鋼雷射搭接釺焊原理示意圖；
圖3圖2中A處放大圖； 圖4鈦合金與合金鋼雷射搭接釺焊焊縫形貌。
具體實施例方式
對於鈦合金與合金鋼異種金屬焊接，由於兩種材料容易在焊縫處生成Ti-Fe金屬 間化合物，使焊縫出現脆化現象，極易導致焊縫出現裂紋從而使焊縫開裂。因此，要實現鈦 合金與合金鋼的有效焊接，必須有效抑制焊縫區域Ti-Fe金屬間化合物的生成。控制焊縫 Ti-Fe金屬間化合物的生成必須控制焊接熔池的大小與熔池維持時間。雷射由於能量密度 高、可控性好，能夠實現雷射能量空間與時間的分布控制，可以用來作為焊接的熱源輸入。 通過合理選擇雷射工藝參數，可以有效控制焊接熔池大小與熔池維持時間，從而抑制焊縫 區Ti-Fe金屬間化合物的生成，改善焊縫的力學性能。焊接所用雷射既可以是連續雷射，也 可以是脈衝雷射；雷射器既可以是固體雷射器(如Nd:YAG雷射器)，也可以是氣體雷射器 (如C02雷射器)。 此外，為提高焊接熔池中不同元素的相互溶解能力，抑制Ti-Fe金屬間化合物的 生成，在鈦合金與合金鋼間加入中間釺料。金屬釩能夠與鈦、鐵形成固溶體，選擇金屬釩作 為焊接鈦合金與合金鋼的中間釺料，能夠有效抑制焊縫區Ti-Fe金屬間化合物的生成。
為了實現鈦合金與合金鋼的焊接，需要將焊接試樣以一定的壓力緊壓在一起，壓 力由可調壓緊裝置提供，如圖1所示。將焊接試樣安裝到可調壓緊裝置基體1上，熔點較高 的鈦合金試樣3置於上層，熔點較低的合金鋼試樣5置於下層，中間釺料金屬釩4置於鈦合 金試樣3與合金鋼試樣5之間，用壓力調整螺栓6通過壓板2對試樣施加壓力。
鈦合金與合金鋼雷射搭接釺焊原理如圖2所示。將雷射束垂直輻照在鈦合金試樣 3表面，鈦合金試樣在雷射8作用下熔化形成熔池，熱量通過熔池向下傳遞到中間釺料金屬 釩4使釩熔化，熱量傳遞到底層的合金鋼試樣5。通過調整雷射的功率、掃描速度、聚焦透鏡 焦距、離焦量等工藝參數，使得合金鋼試樣5生成熔池，並且使熔池尺寸儘可能小，熔池維 持時間儘可能短。同時，焊接試樣在壓力的作用下，實現鈦合金與合金鋼的雷射搭接釺焊。
在雷射焊接過程中，焊接金屬會發生汽化，有部份金屬蒸氣被電離成等離子體，等 離子對雷射有吸收和散射作用，當焊縫正面的等離子密度密集，對雷射有屏蔽作用。為了抑
4制雷射焊接過程中等離子體對雷射的屏蔽作用，通過側吹保護氣體吹散焊縫正面的等離子 體。選擇合適的側吹保護氣7流量與側吹角度，既可以吹散焊接過程中產生的等離子體，有 可以防止焊接過程中的材料被氧化。焊接保護氣體可以選用氬氣、氦氣以及氬氣和氦氣的 混合氣體。圖3為圖2中A處的放大圖，圖4為鈦合金與合金鋼雷射搭接釺焊焊縫形貌。
通過應用本發明，可以實現鈦合金與合金鋼異種金屬焊接，焊縫表面不需要第二 次加工，焊縫無宏觀裂紋。 下面結合附圖和具體實施例子，對本發明提供的具體的鈦合金與合金鋼雷射搭接 釺焊進一步說明。 雷射焊具有能量密度高、可控性好、熱影響區小等特點，是異種金屬焊接的有效方
法。對於鈦合金與合金鋼雷射搭接釺焊，選用雷射器為Nd:YAG固體雷射器，輸出雷射最大
功率為lkW(也可選用氣體雷射器，雷射可以是連續雷射也可以是脈衝雷射)。加工設備為
五軸框架式加工機器人，通過計算機控制實現雷射器與加工機器人的協調運作。 將合金鋼、金屬釩以及鈦合金焊接試樣安裝到可調壓緊裝置上，鈦合金試樣置於
上層，合金鋼試樣置於底層，中間釺料金屬釩置於鈦合金與合金鋼之間，用扭矩扳手旋緊可
調壓緊螺栓，通過壓板對焊接試樣施加壓力。通過合理選擇雷射工藝參數，可以有效控制焊
接熔池大小與熔池維持時間，從而有效抑制焊縫Ti-Fe金屬間化合物的生成，改善接頭的
力學性能。 將雷射束垂直輻照在鈦合金試樣表面，鈦合金試樣在雷射作用下產生熔池，熱量 向下傳遞到中間釺料金屬釩，金屬釩熔化，熱量傳遞到合金鋼試樣。通過調整雷射的功率、 掃描速度、離焦量(雷射束光斑直徑)等工藝參數，使底層合金鋼試樣在產生熔池的前提 下，熔池尺寸儘可能小，維持時間儘可能短，從而抑制Ti-Fe金屬間化合物的生成。焊接試 樣在壓力的作用下，實現鈦合金與合金鋼的雷射搭接釺焊。焊接採用側吹保護氣來吹散焊 接過程產生的等離子體，同時防止焊接過程材料發生氧化，需要控制的工藝參數有側吹保 護氣流量與側吹角度，側吹保護氣體可以選用氬氣、氦氣以及氬氣和氦氣的混合氣體。
合金鋼選取42CrMo，鈦合金選取Ti-6A1-4V，中間釺料採用金屬純釩，42CrMo與 Ti-6A1-4V材料成分分別如表1、表2所示。
表1合金鋼42CrMo化學成分
cSiMnPSCrMoFe
0.420.280.610.0160.0111.110.20Bal. 表2鈦合金Ti-6A1-4V化學成分
AlV FeSiCNH0Ti
5.5 6.8 3.5~4.5 0.30.150.10.050.0150.15Bal. 焊前對鈦合金Ti-6A1-4V採用25% HN03+5% HF進行酸洗除去表面氧化膜，對中 間釺料金屬釩、合金鋼42CrMo採用丙酮清洗以除去表面油汙。 將60mmX 20mmX lmm的鈦合金Ti_6Al_4V試樣與60mmX 20mmX 2mm的合金鋼 42CrMo試樣採用雷射搭接釺焊進行焊接，中間釺料為金屬釩，厚度為0. lmm。將鈦合金 Ti-6A1-4V試樣、中間釺料金屬釩以及合金鋼42CrMo試樣安裝到可調壓緊裝置上，通過扭
5矩扳手對可調壓緊螺栓旋緊，施加扭矩2N m。試樣安裝時，鈦合金試樣Ti-6A1-4V置於上 層，合金鋼42CrMo試樣置於底層，中間釺料金屬釩置於鈦合金試樣與合金鋼試樣之間，三 種材料熔點如表3所示。雷射垂直輻照在鈦合金Ti-6A1-4V試樣上，雷射焊接功率為700W， 掃描速度為lmm/s，雷射聚焦透鏡焦距為150mm，離焦量為0mm，側吹保護氣體流量為5L/ min，側吹角度為45。。圖3給出悍接試樣焊縫截面圖，焊縫沒有宏觀裂紋，說明了鈦合金與 合金鋼異種金屬雷射搭接釺焊的可行性。 表3Ti-6Al-4V、42CrMo以及金屬釩的熔點
材料Ti-6A1-4V42CrMo釩熔點/"C1540~16501350~14001890
權利要求
鈦合金與合金鋼雷射搭接釺焊工藝，特徵在於鈦合金與合金鋼採用雷射搭接釺焊的方法，以雷射作為焊接熱源；具體步驟為將鈦合金、中間釺料以及合金鋼安裝到可調壓緊裝置上，鈦合金試樣置於上層，合金鋼置於底層，中間釺料置於鈦合金與合金鋼之間。雷射輻照在鈦合金表面，將鈦合金與中間釺料熔化，熱量傳遞到底層合金鋼，通過控制工藝參數，使底層合金鋼產生熔池的前提下，熔池尺寸儘可能小，熔池維持時間儘可能短。焊接試樣在壓力的作用下實施焊接。
2. 根據權利要求1所述的鈦合金與合金鋼雷射搭接釺焊工藝，其特徵在於，焊接材料 為鈦合金與合金鋼。
3. 根據權利要求1所述的鈦合金與合金鋼雷射搭接釺焊工藝，其特徵在於，焊接所用 雷射為連續雷射或脈衝雷射。
4. 根據權利要求1所述的鈦合金與合金鋼雷射搭接釺焊工藝，其特徵在於，雷射器為 固體雷射器或氣體雷射器。
5 根據權利要求1所述的鈦合金與合金鋼雷射搭接釺焊工藝，其特徵在於，在鈦合金 與合金鋼間使用金屬釩作為中間釺料，來提高焊接材料的相互溶解能力，從而抑制Ti-Fe 金屬間化合物的生成。
6. 根據權利要求1所述的鈦合金與合金鋼雷射搭接釺焊工藝，其特徵在於，鈦合金與 合金鋼必須保持在一定的壓力作用下實施焊接，該壓力由可調壓緊裝置提供。
全文摘要
本發明公開了一種鈦合金與合金鋼的雷射搭接釺焊工藝。本工藝以雷射作為熱源，鈦合金與合金鋼採用搭接釺焊方式，選用金屬純釩作為中間釺料。將鈦合金、中間釺料以及合金鋼從上到下安裝到可調壓緊裝置上，通過選擇合理的工藝參數，使最下層的合金鋼產生熔池，並且使熔池尺寸儘可能小，熔池維持時間儘可能短。焊接試樣在壓力的作用下實施焊接。焊接通過採用側吹保護氣避免焊接過程中等離子體對雷射的屏蔽作用，同時防止焊接過程材料發生氧化。採用本發明提供的工藝焊接鈦合金與合金鋼，可以有效抑制焊縫區鈦-鐵金屬間化合物的生成，焊縫無宏觀裂紋。
文檔編號B23K1/005GK101733496SQ201010110439
公開日2010年6月16日 申請日期2010年2月9日 優先權日2010年2月9日
發明者何秀麗, 寧偉健, 虞鋼, 趙樹森, 鄭彩雲 申請人:中國科學院力學研究所