Ti與Al合金的脈衝氬弧焊方法
2023-05-25 19:14:06
Ti與Al合金的脈衝氬弧焊方法
【專利摘要】本發明提供一種Ti與Al合金的脈衝氬弧焊方法，該方法採用特定配比並且塗有活性劑的焊絲將鈦與鋁合金進行高頻脈衝引弧焊接，使其在焊接過程中熔化填充金屬與鋁合金母材充分熔化混合後凝固形成焊縫，且存在明顯熔合區；而高熔點鈦合金與熔化焊絲填充金屬發生相互作用而形成釺焊連接，避免兩種金屬液相Ti、Al混合而生成大量脆性的Ti-Al金屬間化合物，而且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。因此該發明具有提高生產效率，改善接頭性能，操作方便的優點。
【專利說明】Ti與Al合金的脈衝氬弧焊方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於異種材料的焊接【技術領域】，特別涉及一種Ti與Al合金的脈衝氬弧焊方法。
[0002]
【背景技術】
[0003]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。鋁合金具有比強度高、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，鋁合金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製成功，這些合金可用於如高轉矩的電動機中。鋁由於它的優良電導率而常被選用。在重量相等的基礎上，鋁的電導率近於銅的兩倍。鈦合金和鋁合金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。在焊接過程中，由於在室溫條件下Ti和Al之間的溶解度極小，由於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釺焊、擴散焊、釺焊、摩擦焊等。
[0004]擴散焊是將兩焊件緊密結合，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。因此擴散焊依然能有效避免鋁鈦材料熔點差異較大難於連接的特點。經檢驗後證明，真空擴散焊的焊接接頭的機械強度、熱穩定性、密封性、耐腐蝕性和彈性都能滿足重要構件的技術要求。但是這種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。
[0005]電弧加熱集中，熱輸入量小，操作方便，節能高效又易於實現自動化，這種焊接方法釺焊後變形很小，對裝配間隙不敏感，並且加熱時間短，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，釺焊後變形小。但是，在實現鋁鈦異種金屬連接成型的過程中，如果採用一般電弧釺焊方法，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。
[0006]採用一般焊接方法很難實現Ti和Al的高效、可靠焊接。例如，液態焊接方法會產生大量脆性金屬間化合物，固態焊接方法又對接頭形式要求過於苛刻。採用熔釺焊的方法，將鋁材熔化，鈦保持固態，這樣能有效避免鈦鋁之間形成大量的脆硬的金屬間化合物，能夠獲得高強度的接頭，與熔化焊和固相焊接相比，具有明顯的優越性。
[0007]採用雷射作為熱源，具有柔性好、能量密度高、光斑形式可調、熱輸入精確可控以及冷卻速度快等一系列優點。但是對焊件的裝配精度要求嚴格，並且設備成本較高。
【發明內容】
[0008]本發明為解決上述現有焊接技術的不足，提供一種Ti與Al合金的脈衝氬弧焊方法。
[0009]為了實現上述目的，本發明採用如下技術方案，本發明的Ti與Al合金的脈衝氬弧焊方法，包括以下步驟:
1)選擇厚度為1.5-2.5mm的待連接的鈦合金板和鋁合金板，先將鈦合金板待連接面加工出坡口角為35-40°的坡口 ；
2)對於合金板待連接表面用砂紙充分打磨以去除其表面氧化層，並用乙醇或丙酮清洗母材表面，使待焊面的 粗糙度達到Ra 1.8-3 ；
3)採用直徑為1.0-2.0mm的合金焊絲，其質量百分數成分為:
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 %，
餘量為Al ；
4)將焊絲浸入50%H20+50%HN03溶液，15-20min後用清水衝洗後烘乾，再用砂紙進行打
磨；
5)再在焊絲表面塗上活性劑，該活性劑的質量百分比組分為=SiO2:31% ；Ti02: 27% ；Cr2O3:5% ；CaF2:10% ；MnCl2:24%，其餘為 BaCl2 ；
6)將鈦合金板與鋁合金板水平對接放置，不留間隙；
7)先對焊件正、背面同時通氬氣保護8-10min，保護氣體為純度大於99.98%的氬氣；
8)採用高頻脈衝引弧，引弧前先打開氬氣，保持流通20s~30s，並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、脈衝電流38A~80A、脈衝持續時間5s~10s、脈衝頻率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°，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，然後控制焊接電流逐漸延時衰減，斷弧後氬氣繼續流通IOs~20s，以防止鎢極氧化；
9)焊接結束後，繼續通氬氣保護2-4min。
[0010]鈦合金與鋁合金熔點相差較大，本發明利用鈦與鋁合金兩種母材的熔點差異，提出具有特定配比的焊絲，使其在焊接過程中熔化填充金屬與鋁合金母材充分熔化混合後凝固形成焊縫，且存在明顯熔合區；而高熔點鈦合金與熔化焊絲填充金屬發生相互作用而形成釺焊連接，避免兩種金屬液相T1、Al混合而生成大量脆性的T1-Al金屬間化合物，而且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。[0011]本發明的有益效果是，不僅避免了真空擴散焊工藝中涉及的預滲鋁處理，又降低了真空環境或雷射條件的焊接成本，而且提高了生產效率，改善接頭性能，操作方便。
[0012]
【具體實施方式】
[0013]下面結合實施例對本發明作進一步說明。
[0014]實施例1
1)選擇厚度為1.5mm的待連接的TA9鈦合金板和2024鋁合金板，先將鈦合金板待連接面加工出坡口角為35°的坡口；
2)對於合金板待連接表面用砂紙充分打磨以去除其表面氧化層，並用乙醇或丙酮清洗母材表面，使待焊面的粗糙度達到Ra 1.8 ;
3)採用直徑為1.0mm的合金焊絲，其質量百分數成分為:
Si 4.9 %,
Fe 0.8 %,
Cu 0.3 %,
Mn 0.05 %,
Mg 0.06 %,`
Zn 0.12 %，
Ti 0.22 %，
餘量為Al ；
4)將焊絲浸入50%H20+50%HN03溶液，15min後用清水衝洗後烘乾，再用砂紙進行打磨；
5)再在焊絲表面塗上活性劑，該活性劑的質量百分比組分為=SiO2:31% ；Ti02: 27% ；Cr2O3:5% ；CaF2:10% ；MnCl2:24%，其餘為 BaCl2 ；
6)將鈦合金板與鋁合金板水平對接放置，不留間隙；
7)先對焊件正、背面同時通氬氣保護8min，保護氣體為純度大於99.98%的氬氣；
8)採用高頻脈衝引弧，引弧前先打開氬氣，保持流通20s，並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、脈衝電流38A、脈衝持續時間5s、脈衝頻率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°，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，然後控制焊接電流逐漸延時衰減，斷弧後氬氣繼續流通10s，以防止鎢極氧化；
9)焊接結束後，繼續通氬氣保護2-4min。
`[0015]所得到的鈦合金與鋁合金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。
[0016]實施例2:
1)選擇厚度為1.8mm的待連接的TA15鈦合金板和5A06鋁合金板，先將鈦合金板待連接面加工出坡口角為35°的坡口；
2)對於合金板待連接表面用砂紙充分打磨以去除其表面氧化層，並用乙醇或丙酮清洗母材表面，使待焊面的粗糙度達到Ra 1.8-3 ；3)採用直徑為1.5mm的合金焊絲，其質量百分數成分為:
Si 5.2 %,
Fe 0.8 %,
Cu 0.3 %,
Mn 0.07 %,
Mg 0.08 %,
Zn 0.17 %，
Ti 0.23 %，
餘量為Al ；
4)將焊絲浸入50%H20+50%HN03溶液，18min後用清水衝洗後烘乾，再用砂紙進行打磨；
5)再在焊絲表面塗上活性劑，該活性劑的質量百分比組分為=SiO2:31% ；Ti02: 27% ；Cr2O3:5% ；CaF2:10% ；MnCl2:24%，其餘為 BaCl2 ；
6)將鈦合金板與鋁合金板水平對接放置，不留間隙；
7)先對焊件正、背面同時通氬氣保護9min，保護氣體為純度大於99.98%的氬氣；
8)採用高頻脈衝引弧，引弧前先打開氬氣，保持流通25s，並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、脈衝電流51A、脈衝持續時間8s、脈衝頻率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80°，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，然後控制焊接電流逐漸延時衰減，斷弧後氬氣繼續流通15s，以防止鎢極氧化；
9)焊接結束後，繼續通氬氣保護3min。
[0017]所得到的TA15鈦合金與5A06鋁合金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。
[0018]實施例3:
1)選擇厚度為2.5mm的待連接的TA12鈦合金板和5052鋁合金板，先將鈦合金板待連接面加工出坡口角為40°的坡口；
2)對於合金板待連接表面用砂紙充分打磨以去除其表面氧化層，並用乙醇或丙酮清洗母材表面，使待焊面的粗糙度達到Ra 3；
3)採用直徑為2.0mm的合金焊絲，其質量百分數成分為:
Si 5.8 %,
Fe 0.9 %，
Cu 0.4 %，
Mn 0.1 %，
Mg 0.09 %，
Zn 0.19 %，
Ti 0.28 %，
餘量為Al ；
4)將焊絲浸入50%H20+50%HN03溶液， 20min後用清水衝洗後烘乾，再用砂紙進行打磨；
5)再在焊絲表面塗上活性劑，該活性劑的質量百分比組分為=SiO2:31% ；Ti02: 27% ；Cr2O3:5% ；CaF2:10% ；MnCl2:24%，其餘為 BaCl2 ；
6)將鈦合金板與鋁合金板水平對接放置，不留間隙；
7)先對焊件正、背面同時通氬氣保護lOmin，保護氣體為純度大於99.98%的氬氣；
8)採用高頻脈衝引弧，引弧前先打開氬氣，保持流通30s，並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、脈衝電流80A、脈衝持續時間10s、脈衝頻率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°，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，然後控制焊接電流逐漸延時衰減，斷弧後氬氣繼續流通20s，以防止鎢極氧化；
9)焊接結束後，繼續通氬氣保護4min。
[0019]所得到的TA12鈦合金與5052鋁合金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。
【權利要求】
1.一種Ti與Al合金的脈衝氬弧焊方法，其特徵在於，包括以下步驟: 1)選擇厚度為1.5-2.5mm的待連接的鈦合金板和鋁合金板，先將鈦合金板待連接面加工出坡口角為35-40°的坡口 ； 2)對於合金板待連接表面用砂紙充分打磨以去除其表面氧化層，並用乙醇或丙酮清洗母材表面，使待焊面的粗糙度達到Ra 1.8-3 ； 3)採用直徑為1.0-2.0mm的合金焊絲，其質量百分數成分為:
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 %， 餘量為Al ； 4)將焊絲浸入50%H20+50%HN03溶液，15-20min後用清水衝洗後烘乾，再用砂紙進行打磨； 5)再在焊絲表面塗上活性劑，該活性劑的質量百分比組分為=SiO2:31% ；Ti02: 27% ；Cr2O3:5% ；CaF2:10% ；MnCl2:24%，其餘為 BaCl2 ； 6)將鈦合金板與鋁合金板水平對接放置，不留間隙； 7)先對焊件正、背面同時通氬氣保護8-10min，保護氣體為純度大於99.98%的氬氣； 8)採用高頻脈衝引弧，引弧前先打開氬氣，保持流通20s~30s，並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、脈衝電流38A~80A、脈衝持續時間5s~10s、脈衝頻率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°，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，然後控制焊接電流逐漸延時衰減，斷弧後氬氣繼續流通1Os~20s，以防止鎢極氧化； 9)焊接結束後，繼續通氬氣保護2-4min。
【文檔編號】B23K9/235GK103658935SQ201210536603
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2012年12月13日 優先權日:2012年12月13日
【發明者】楊利雲 申請人:楊利雲