CN104607784A - 以电阻点焊工艺进行钛合金和铝合金异种材料连接的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种以电阻点焊工艺进行钛合金和铝合金异种材料连接的方法，属于复合结构制造的技术领域。本发明包括以下步骤：1)将钛合金和铝合金以搭接或者叠加方式安置；2)采用恒流控制模式进行电阻点焊，采用的电阻点焊工艺参数为：焊接电流8-15kA，电极压力3-5kN，焊接时间300-500ms，电极端面直径为6mm。与现有技术相比，本发明的方法连接后可以得到界面处没有金属间化合物的复合结构，焊点的拉剪强度可以达到铝合金母材的强度级别。本工艺方法从根本上抑制异种材料界面处金属间化合物的形成，且操作简单，连接时间短，对材料前期的表面处理要求低。
Description
技术领域
本发明涉及一种有色金属间异种材料焊接方法，尤其是涉及一种以电阻点焊工艺进行钛合金和铝合金异种材料连接的方法，屈于有色金属复合结构制造的技术领域。
背景技术
随着现代制造业在国民经济中的地位不断上升以及绿色环保概念的深入人心，基于绿色制造理念的各种复合结构得到越来越广泛的应用。复合结构的组分具有很好的设计性，可以根据不同的需要分别选择。同时，复合结构也不仅仅是各部件材料之间性能的简单相加，而是有着重要的改进意义，具有不同于单一材料结构的许多特点和性能。
钛合金和铝合金是目前最常用的轻合金材料。钛合金具有重量轻、比强度高、耐热性好、耐低温性能好等特点。特别是钛合金在500℃的大气中仍能保持良好的强度和稳定性，在-250℃的超低温下仍具较高的冲击强度和抗震动等特性。铝合金同样具有密度低、比强度高、塑性好、导电性、导热性和耐蚀性优良等特性。由钛合金和铝合金连接而成的复合结构具有稳定性好、隔热隔音、耐高温等性能，可以最大限度发挥两种材料的性能潜力。
将钛合金和铝合金制造成复合结构时常常采用焊接工艺将两种材料连接起来。钛合金和铝合金都分别具有较好的焊接性，但是将钛合金和铝合金连接起来制造成复合结构时，由于以下原因，采用熔焊方法连接钛合金和铝合金的结果并不理想。
(1)Ti和Al的相互溶解度小，665℃时，Ti在Al中的溶解度为0.26-0.28％。随着温度到20℃，Ti在Al中的溶解度仅0.07％。
(2)Ti和Al在不同温度下发生反应，形成TiAl型、Ti3Al型等各种脆性化合物。
(3)高温时H在Ti和Al中的溶解度很大，凝固时H来不及逸出而形成气孔。
(4)Ti和Al极易氧化，氧化生成的Ti02和Al2O3氧化膜，在焊缝中形成脆性层，降低焊缝的塑性和韧性。
(5)Ti和Al的熔点相差很大，当焊接温度达到Ti的熔点时，Al元素大量烧损蒸发，使焊缝的化学成分不均匀，降低接头强度。
(6)Ti和Al的导热系数和线膨胀系数也差异显著，Al的导热系数和线膨胀系数分别是Ti的16倍和3倍，在焊接应力的作用下容易形成裂纹。
申请号为201210123327.9的中国专利公布了一种钛合金与铝合金的填丝钨极氩弧焊方法，包括如下步骤：将钛合金与铝合金的待连接表面以及填充用Al-Mg合金系焊丝表面进行清理；将钛合金与铝合金板水平对接放置；采用钨极氩弧控制热量分布进行填丝钨极氩弧焊接，焊接过程中采用纯氩气进行正背面同时保护，焊接工艺参数为：焊接电压为12-15V，焊接电流为90-120A，焊接速度为50-80mm/min，氩气流量为10-15L/min。该发明的钛合金与铝合金的填丝钨极氩弧焊方法，操作方便、接头性能稳定、成本低、便于推广应用等优点，尤其适用于钛合金与铝镁合金的焊接。
申请号为201310065067.9的中国专利公布了一种钛-铝微叠层复合材料的脉冲熔化极气体保护焊工艺，步骤如下：(1)焊接前将钛-铝微叠层复合材料的待连接表面以及Al-Si合金系焊丝表面彻底清理干净，或打磨露出金属光泽；(2)将待焊接的钛-铝微叠层复合材料水平对接放置；(3)采用Al-Si合金系焊丝和脉冲熔化极混合气体保护焊施焊；(4)焊接结束后被焊工件在气体保护下自然冷却。该发明提出的钛-铝微叠层复合材料脉冲熔化极混合气体保护焊工艺具有操作方便、焊接效率高、成本低、便于推广应用等特点，采用该项技术可获得无裂纹、无脆性化合物的焊接接头，接头性能稳定，焊接接头抗拉强度不低于纯铝母材的抗拉强度，能够满足生产中对钛-铝微叠层复合材料焊接构件的使用要求。
申请号为200810064448.4的中国专利公布了一种钛及钛合金、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。采用交流钨极氩弧焊，通过先堆焊一层一定厚度的铝合金层，然后加热使堆焊铝合金层重新熔化，并在焊接时利用刮擦工具头刮擦熔池的方法，使熔化焊过程中形成的金属间化合物破碎和分散分布。
申请号为201310040606.3的中国专利公布了一种钛合金与纯铝板的镀层激光预处理脉冲焊接方法，先对钛合金板和铝板进行清洗，然后对钛合金板待焊接部分进行液浸处理，然后采用激光器对钛合金板待焊接的经过渗铝的侧边表面进行预处理，形成稳定更易结合的中间层，同时，激光处理后钛合金的待焊接表面进行自冷淬火，最后采用特定配比的焊丝将钛与纯铝板进行钨极氩弧焊，通过焊接使得在钛合金板和铝板通过中间层从而实现连接。该发明的重点是焊前对钛合金板待焊接部分进行液浸处理，然后采用激光对渗铝的侧边表面进行预处理，形成稳定的、更易结合的中间层。本发明提高了焊缝的塑性和韧性。操作简单，成本低，连接效果好。
申请号为201310040607.8的中国专利公布了一种钛合金与纯铝薄板的激光预处理填丝TIG焊接方法，先对钛合金板和铝板进行清洗，然后对钛合金板待焊接部分进行液浸处理，然后采用激光器对钛合金板待焊接的经过渗铝的侧边表面进行预处理，形成稳定更易结合的中间层，同时，激光处理后钛合金的待焊接表面进行自冷淬火，最后采用特定配比的焊丝将钛与纯铝板进行钨极氩弧焊，通过焊接使得在钛合金板和铝板通过中间层从而实现连接。该发明提高了焊缝的塑性和韧性。操作简单，成本低，连接效果好。
以上5篇专利采用的都是基于传统熔焊工艺的方法，不能从根本上解决金属间化合物形成的问题，只能采用措施对形成的金属间化合物进行破碎。
申请号为201310179859.9的中国专利公布了一种用于铝-钛异种金屈连接的电弧加热搅拌熔钎焊方法，该方法在电弧焊的过程中使用搅拌头搅拌液态熔池。通过搅拌细化晶粒，改善焊缝组织性能。
申请号为201310082188.4的中国专利公布了一种钛合金与铝合金钎料预涂覆真空钎焊方法，该方法在钛合金板待焊部位涂覆钎料，然后进行真空钎焊。该方法通过真空环境防止铝合金表面的氧化，避免钛与活性气体发生反应，提高钎焊接头的质量。
申请号为200810064471.3的中国专利公布了一种钛合金与铝合金或铝基复合材料超声预涂覆钎焊方法，采用超声预涂覆钎焊方法实现钛合金与铝合金的连接。该方法分别对钛和铝板材进行超声涂覆钎料，最后超声钎焊。
申请号为200380101048.1的中国专利公布了一种接合两块分别由铝材料和铁或钛材料制成的板材的方法，采用在钛材料表面涂覆锌基或者铝基涂层的方法，实现铝材料和钛材料的熔焊一钎焊连接。
申请号为201310082206.9的中国专利公布了一种预镀层钛合金与铝合金电弧熔钎焊方法，该方法在钛板表面热浸镀铝，然后使用电弧加热，添加铝合金焊丝，在铝合金侧形成熔焊接头，钛合金侧形成钎焊接头，实现对钛合金与铝合金的连接。
申请号为201110455980.0的中国专利公布了一种钛-铝异种合金TIG电弧预热的电弧熔钎焊焊接方法，该方法在填充铝基焊丝的普通TIG焊基础上，引入了TIG预热焊枪，通过预热电弧加热铜垫板对钛-铝接头部位进行局部预热。通过电弧本身所具备的电磁搅拌作用阻碍钛-铝钎焊界面金属间化合物的生长。
申请号为201210391235.9的中国专利公布了一种钛合金与纯铝板的TIG焊接方法，该方法采用特定配比并且涂有活性剂的焊丝将钛与纯铝板进行钨极氩弧焊。焊接过程中熔化填充金属与纯铝板母材充分熔化混合后凝固形成焊缝；而高熔点钛合金与熔化焊丝填充金属发生相互作用而形成钎焊连接。避免两种金属液相Ti、Al混合而生成大量脆性的Ti-Al金属间化合物。
申请号为201010164018.7的中国专利公布了一种Al/Ti界种金属TIG电弧微熔钎焊随焊超声焊接方法，该方法仍然是基于传统TIG电弧钎焊工艺，需要调节超声振动装置与TIG焊枪合理匹配才能保证超声振动与TIG微熔钎焊的等时性，同步性及稳定性，过程比较复杂。
申请号为201310082207.3的中国专利公布了一种钛、铝异种金属超声辅助火焰钎焊方法，该方法对钛板进行热浸镀铝，然后用可燃性气体火焰加热使NOCOLOK钎剂和铝硅钎料先后熔化，将超声振动施于接头搭接部分至铝硅钎料凝固，得到钛-铝搭接接头。该方法利用超声振动的声流效应和空化作用破碎接头钎焊界面反应层金属间化合物的层状连续分布并使其颗粒化、弥散化。
以上9篇专利采用各种钎焊技术进行钛-铝异材料的连接。但是在钎料与钛合金的作用过程中，由于元素的扩散作用，不可避免的要形成各类更加复杂的金属间化合物。
申请号为200910309204.2的中国专利公布了一种制备异种金屈材料过渡接头的方法，该方法采用热压工艺进行异种金属的连接。
申请号为201310182516.8的中国专利公布了一种钛/铝异种材料连接的激光辅助热压焊装置及其焊接方法，该专利通过预压和激光辅助加热，实现原子的相互扩散。
申请号为200610068957.5的中国专利公布了一种钛与铝异种有色金属的扩散连接方法，该方法在钛金属表面浸渗铝，然后进行真空扩散连接。
以上3篇专利采用热压或者扩散连接工艺连接钛-铝异种材料。在热压或者扩散连接过程中需要通过原子的相互扩散达到焊接的目的。该类方法不能防止金属间化合物的产生，热压只能降低接头中金属间化合物的含量。
申请号为201210307135.3的中国专利公布了一种适用于铝合金和钛合金连接的反应搅拌摩擦焊接方法，该方法在钛合金表面热浸铝，形成中间层铝，然后进行搅拌摩擦焊接。在该方法中，铝合金被加热熔化，使得铝元素和钛元素相互扩散，生成中间化合物，从而实现连接。焊接过程中也形成了中间化合物。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种以电阻点焊工艺进行钛合金和铝合金异种材料连接的方法，本发明主要借助电阻点焊过程中，热输入精确可控、加热时间短的特点，完成钛合金和铝合金异种材料的连接，实现复合结构界面处无金属间化合物的目的。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种以电阻点焊工艺进行钛合金和铝合金异种材料连接的方法，包括以下步骤：
1)将钛合金和铝合金以搭接或者叠加方式安置；
2)采用恒流控制模式进行电阻点焊，采用的电阻点焊工艺参数为：焊接电流8-15kA，电极压力3-5kN，焊接时间300-500ms，电极端面直径为6mm。
进一步地，在将钛合金和铝合金以搭接或者叠加方式安置前，对钛合金和铝合金表面进行化学清洗，去除油污。电阻点焊前钛合金和铝合金表面不需要进行机械打磨。
作为优选，采用的电阻点焊工艺参数为：焊接电流9-10kA，电极压力3.9～4.7kN，焊接时间300-400ms，电极端面直径为6mm。
与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：
(1)本发明采用电阻点焊工艺实现钛合金和铝合金复合结构的连接加工。借助点焊工艺参数的精确控制，实现对点焊热输入的凋控。通过点焊时间的调控，从根本上抑制异种材料界面处金屈间化合物的形成。
(2)本工艺方法操作简单，连接时间短，设备投资小，对材料前期的表面处理要求低。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
将TC4钛合金和1060铝合金以搭接方式安置。钛合金和铝合金的表面未进行化学清洗和机械加工。采用的电阻点焊工艺参数为：焊接电流9kA，电极压力4.7kN，焊接时间300ms。扫描电镜观察显示，熔核直径7.8mm，界面处没有金属间化合物形成。拉剪测试显示，拉剪强度达到55MPa，达到1060铝合金抗拉强度的73％。
实施例2
将TC4钛合金和1060铝合金以搭接方式安置。钛合金和铝合金的表面未进行化学清洗和机械加工。采用的电阻点焊工艺参数为：焊接电流10kA，电极压力3.9kN，焊接时间300ms。扫描电镜观察显示，熔核直径8.9mm，界面处没有金属间化合物形成。拉剪测试显示，拉剪强度达到65MPa，达到1060铝合金抗拉强度的87％。
实施例3
将TC4钛合金和1060铝合金以搭接方式安置。钛合金和铝合金的表面未进行化学清洗和机械加工。采用的电阻点焊工艺参数为：焊接电流10kA，电极压力4.7kN，焊接时间400ms。扫描电镜观察显示，熔核直径7.5mm，界面处没有金属间化合物形成。拉剪测试显示，拉剪强度达到77MPa，达到1060铝合金的抗拉强度。
实施例4
一种以电阻点焊工艺进行钛合金和铝合金异种材料连接的方法，包括以下步骤：1)将钛合金和铝合金以搭接方式安置，钛合金和铝合金的表面未进行化学清洗和机械加工；2)采用恒流控制模式进行电阻点焊，采用的电阻点焊工艺参数为：焊接电流8kA，电极压力15kN，焊接时间300ms，电极端面直径为6mm。
实施例5
一种以电阻点焊工艺进行钛合金和铝合金异种材料连接的方法，包括以下步骤：1)将钛合金和铝合金以叠加方式安置，在将钛合金和铝合金以搭接或者叠加方式安置前，对钛合金和铝合金表面进行化学清洗，去除油污；2)采用恒流控制模式进行电阻点焊，采用的电阻点焊工艺参数为：焊接电流15kA，电极压力3kN，焊接时间500ms，电极端面直径为6mm。
实施例6
一种以电阻点焊工艺进行钛合金和铝合金异种材料连接的方法，包括以下步骤：
1)将钛合金和铝合金以搭接或者叠加方式安置，在将钛合金和铝合金以搭接或者叠加方式安置前，对钛合金和铝合金表面进行化学清洗，去除油污。电阻点焊前钛合金和铝合金表面不需要进行机械打磨；
2)采用恒流控制模式进行电阻点焊，采用的电阻点焊工艺参数为：焊接电流9.5kA，电极压力4kN，焊接时间400ms，电极端面直径为6mm。
Claims (3)
1.一种以电阻点焊工艺进行钛合金和铝合金异种材料连接的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将钛合金和铝合金以搭接或者叠加方式安置；
2)采用恒流控制模式进行电阻点焊，采用的电阻点焊工艺参数为：焊接电流8-15kA，电极压力3-5kN，焊接时间300-500ms，电极端面直径为6mm。
2.根据权利要求1所述的一种以电阻点焊工艺进行钛合金和铝合金异种材料连接的方法，其特征在于，在将钛合金和铝合金以搭接或者叠加方式安置前，对钛合金和铝合金表面进行化学清洗，去除油污。
3.根据权利要求1所述的一种以电阻点焊工艺进行钛合金和铝合金异种材料连接的方法，其特征在于，采用的电阻点焊工艺参数为：焊接电流9-10kA，电极压力3.9～4.7kN，焊接时间300-400ms，电极端面直径为6mm。
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