CN108406028A - 钛、铝异种金属的焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钛、铝异种金属的焊接方法，包括如下步骤：S1、焊前处理：焊接前先对钛板和铝板的油污、氧化膜和毛刺去除，然后钛、铝合金分别采用不同的化学试剂清洗然后吹干待用；S2、安装吹气***；S3、调节工艺参数；S4、建立数学模型。本发明不添加任何中间材料进行对接焊实验，采用多管式吹气管对焊缝上下两端进行侧吹，同时选择合理的偏置距离、焊接速度以及激光功率，对热输入量进行合理的控制和分配，从而减少了金属间化合物的厚度，得到了良好的焊接接头，为异种材料焊接的研究提供了参考。本发明钛、铝异种金属的焊接方法加工速度快、效率高、工艺简单、接头强度高等，且接头的抗拉强度达到铝母材的80％以上，断裂伸长率达到5.42％。

Description

钛、铝异种金属的焊接方法

技术领域

本发明涉及激光焊接技术领域，具体涉及一种钛、铝异种金属的焊接方法。

背景技术

在汽车、航空等领域，为了实现轻量化，钛合金和铝合金的连接受到越来越多的关注和重视。钛，铝异种金属的连接方法主要有搅拌摩擦焊、电阻点焊、扩散焊、超声波焊和激光焊等。与传统焊接方法相比，激光焊具有可控性好，热输入量小等特性，特别是光纤激光器，还具有较好的光束质量和稳定性，可以对热输入量进行合理的控制和分配。

由于钛合金和铝合金物化性能差异较大导致其焊接极其困难，其中主要有两点：首先钛合金在不同温度下与空气中的氢气、氮气和氧气等发生反应形成脆性化合物，严重的降低了接头的抗拉强度，所以合理的吹气方式是保证钛、铝异种合金焊接质量的关键之一。其次是控制合理的热输入量，热输入量过低时，接头底部易出现未融合现象，此种接头的抗拉强度极低，断口比较光滑；而热输入过高时，焊缝处易出现气孔、裂纹等缺陷，同时界面容易形成较厚的脆性金属间化合物，抗拉强度也不高，断口为典型的脆性断裂。因此合理的吹气方式和热输入量的控制是钛、铝异种合金焊接的关键。

国内外研究学者吹气方式大多采用吹气管焊缝上端侧吹，同时在两种材料间加入中间材料或焊丝等方式来减少脆性化合物的产生，但其工艺复杂、效率低和接头强度不高等仍然存在一定的局限性。

发明内容

有鉴于此，为了解决现有技术中异种合金焊接上存在的吹气不佳、较厚的脆性金属间化合物、效率低和工艺复杂等技术问题，本发明提出一种钛、铝异种金属的焊接方法。

本发明通过以下技术手段解决上述问题：

一种钛、铝异种金属的焊接方法，包括如下步骤：

S1、焊前处理：焊接前先对钛板和铝板的油污、氧化膜和毛刺去除，然后钛、铝合金分别采用不同的化学试剂清洗然后吹干待用；

S2、安装吹气***

多管式吹气管的安装：将多管式吹气管固定在激光出射头上，然后调节排气管的位置和方向，使管式吹气管的最前端的气管吹向光斑，且多管式吹气管平行于焊缝；

单管式吹气管的安装：单管式吹气管固定在激光出射头上，同时气管指向焊缝下端；

S3、调节工艺参数

调节工艺参数离焦量范围为-1.5～-2.5mm,多管式气体流量范围为10～20ML/s,单管式吹气管的气体流量范围为7～13ML/s；再调节工艺参数焊接速度、激光功率和偏置距离，通过控制变量法将其中两项设为定值，另外所研究项在一定范围内变化，记录绘制图像，得到焊接速度、激光功率和偏置距离的最佳参数值；

S4、建立数学模型

建立数学模型计算出激光熔钎焊的界面层形成的延迟时间在0.1744s-0.3436s内，温度在900℃以下时，界面反应层的厚度很薄。

进一步地，步骤S1中，具体化学试剂如下：

对铝合金的处理：先用8％的NaOH溶液，在温度为50℃下浸泡50s，然后水洗，再用20％的HNO₃在常温下浸泡1min,然后用酒精擦洗表面溶液，最后用水冲洗并用吹风机吹干备用；

对钛合金的处理：首先将试件采用35％的HNO₃+5％HF+H₂0余量清洗，然后用酒精擦去酸洗溶液，最后吹干待用。

进一步地，步骤S2中，将多管式吹气管用螺丝固定在激光出射头上。

进一步地，步骤S2中，采用四管式排气管对焊缝上线部进行稀有气体保护。

进一步地，步骤S3之前，还包括用酒精擦洗焊前准备好的钛板和铝板，吹干后用夹具将其以对接焊的方式固定的步骤。

进一步地，步骤S3中，通过控制变量法将其中两项设为定值，另外所研究项在一定范围内变化，记录绘制图像，得到焊接速度、激光功率和激光功率的最佳参数值具体为：

设定焊接速度为80mm/s，偏置距离为0.24mm，激光功率变化范围:740～900W；

设定激光功率为820W，偏置距离为0.24mm，焊接速率变化范围：20～120mm/s；

设定激光功率为820W，焊接速率为80mm/s，偏置距离变化范围：-0.36～0.36mm。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明不添加任何中间材料进行对接焊实验，采用多管式吹气管对焊缝上下两端进行侧吹，同时选择合理的偏置距离、焊接速度以及激光功率，对热输入量进行合理的控制和分配，从而减少了金属间化合物的厚度，得到了良好的焊接接头，为异种材料焊接的研究提供了参考。

本发明钛、铝异种金属的焊接方法加工速度快、效率高、工艺简单、接头强度高等，且接头的抗拉强度达到铝母材的80％以上，断裂伸长率达到5.42％。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明钛、铝异种金属的焊接方法的流程图；

图2是本发明钛、铝异种金属激光焊接***示意图；

图3是用于焊缝上端的多管式吹气管。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-3所示，本发明提供一种钛、铝异种金属的焊接方法，包括如下步骤：

S1、焊前处理：焊接前先对钛板和铝板的油污、氧化膜和毛刺去除，然后钛、铝合金分别采用不同的化学试剂清洗然后吹干待用，具体化学试剂如下：

对铝合金的处理：先用8％的NaOH溶液，在温度为50℃下浸泡50s，然后水洗，再用20％的HNO₃在常温下浸泡1min,然后用酒精擦洗表面溶液，最后用水冲洗并用吹风机吹干备用。

对钛合金的处理：首先将试件采用35％的HNO₃+5％HF+H₂0余量清洗，然后用酒精擦去酸洗溶液，最后吹干待用。

为了达到理想的焊接效果焊前处理是一项必不可少的步骤，本发明提供了新的化学、物理表面处理方案，让实验有效进行。

S2、安装吹气***

多管式吹气管的安装：将多管式吹气管用螺丝固定在激光出射头上，然后调节排气管的位置和方向，使管式吹气管的最前端的气管吹向光斑，且多管式吹气管平行于焊缝；

单管式吹气管的安装：单管式吹气管固定在激光出射头上，同时气管指向焊缝下端。

控制钛、铝合金在不同温度下产生脆性化合物的关键之一是吹气方式，本发明采用了四管式排气管对焊缝上线部进行稀有气体保护。

S3、调节工艺参数

用酒精擦洗焊前准备好的钛板和铝板，吹干后用夹具将其以对接焊的方式固定。

调节工艺参数离焦量范围为-1.5～-2.5mm,多管式气体流量范围为10～20ML/s,单管式吹气管的气体流量范围为7～13ML/s。再调节工艺参数焊接速度、激光功率和偏置距离，通过控制变量法将其中两项设为定值，另外所研究项在一定范围内变化，记录绘制图像，得到焊接速度、激光功率和偏置距离的最佳参数值。具体为：

设定焊接速度为80mm/s，偏置距离为0.24mm，激光功率变化范围:740～900W；

设定激光功率为820W，偏置距离为0.24mm，焊接速率变化范围：20～120mm/s；

设定激光功率为820W，焊接速率为80mm/s，偏置距离变化范围：-0.36～0.36mm。

控制钛、铝合金各自接受到多少热输入量的关键之一是激光偏置距离，本发明以激光束偏离焊缝的距离为偏置距离，规定激光束向钛侧偏置为正，向铝侧偏置为负，控制其为单一变量，研究不同偏置距离下对焊缝形貌、中间化合物的厚度及形貌等的影响，得到最佳偏置距离。

控制钛、铝合金各自接受到多少热输入量的关键之二是激光功率，由于激光功率直接决定着热输入量，因此其大小也直接决定焊接接头得力学性能。本发明将激光功率作为单一变量，研究激光功率对焊缝性能的影响，得到最佳激光功率。

控制钛、铝合金各自接受到多少热输入量的关键之三是焊接速度，以激光功率、偏置距离为定值，研究以改变焊接速度的方式来控制热输入量，随着焊接速度的变化焊缝呈现出不一样的冷却速率，当冷却速率不同时，焊缝的力学性能、金属间化合物的厚度和形貌也不一样，从而得到最佳焊接速率。

变量范围以及定值参数如表1所示：

表1激光焊接参数

参数	功率(W)	焊接速度(mm/s)	偏置距离(mm)
				变量	740～900	20～120	-0.36～0.36
定值	820	80	0.24

S4、建立数学模型

揭示传统熔钎焊和激光熔钎焊界面反应层的成长机制，传统熔钎焊界面反应层的计算方法不适合激光熔钎焊。建立数学模型分析了界面反应层的生成机理，计算出激光熔钎焊界面反应层的厚度。

建立数学模型计算出了激光熔钎焊的界面层形成的延迟时间在0.1744s～0.3436s内，温度在900℃以下时，界面反应层的厚度很薄，这也解释了传统熔钎焊忽略快速加热和冷却阶段是可行的；当温度大于900℃时，界面反应层的厚度以指数增长，而且厚度达到几微米以上。

本发明钛、铝异种金属的焊接方法通过焊前预处理、吹气方式，激光功率、焊接速度、偏置距离来控制对焊缝性能的影响，再通过金相显微镜、SEM、EDS等对焊缝形貌、焊接工艺、断裂机理、界面金属间化合物的成分及厚度进行分析，利用拉伸试验机进行力学性能测试。

本发明不添加任何中间材料进行对接焊实验，采用多管式吹气管对焊缝上下两端进行侧吹，同时选择合理的偏置距离、焊接速度以及激光功率，对热输入量进行合理的控制和分配，从而减少了金属间化合物的厚度，得到了良好的焊接接头，为异种材料焊接的研究提供了参考。

本发明钛、铝异种金属的焊接方法加工速度快、效率高、工艺简单、接头强度高等，且接头的抗拉强度达到铝母材的80％以上，断裂伸长率达到5.42％。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种钛、铝异种金属的焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、焊前处理：焊接前先对钛板和铝板的油污、氧化膜和毛刺去除，然后钛、铝合金分别采用不同的化学试剂清洗然后吹干待用；

S2、安装吹气***

多管式吹气管的安装：将多管式吹气管固定在激光出射头上，然后调节排气管的位置和方向，使管式吹气管的最前端的气管吹向光斑，且多管式吹气管平行于焊缝；

单管式吹气管的安装：单管式吹气管固定在激光出射头上，同时气管指向焊缝下端；

S3、调节工艺参数

调节工艺参数离焦量范围为-1.5～-2.5mm,多管式气体流量范围为10～20ML/s,单管式吹气管的气体流量范围为7～13ML/s；再调节工艺参数焊接速度、激光功率和偏置距离，通过控制变量法将其中两项设为定值，另外所研究项在一定范围内变化，记录绘制图像，得到焊接速度、激光功率和偏置距离的最佳参数值；

S4、建立数学模型

建立数学模型计算出激光熔钎焊的界面层形成的延迟时间在0.1744s-0.3436s内，温度在900℃以下时，界面反应层的厚度很薄。

2.根据权利要求1所述的钛、铝异种金属的焊接方法，其特征在于，步骤S1中，具体化学试剂如下：

对铝合金的处理：先用8％的NaOH溶液，在温度为50℃下浸泡50s，然后水洗，再用20％的HNO₃在常温下浸泡1min,然后用酒精擦洗表面溶液，最后用水冲洗并用吹风机吹干备用；

对钛合金的处理：首先将试件采用35％的HNO₃+5％HF+H₂0余量清洗，然后用酒精擦去酸洗溶液，最后吹干待用。

3.根据权利要求1所述的钛、铝异种金属的焊接方法，其特征在于，步骤S2中，将多管式吹气管用螺丝固定在激光出射头上。

4.根据权利要求1所述的钛、铝异种金属的焊接方法，其特征在于，步骤S2中，采用四管式排气管对焊缝上线部进行稀有气体保护。

5.根据权利要求1所述的钛、铝异种金属的焊接方法，其特征在于，步骤S3之前，还包括用酒精擦洗焊前准备好的钛板和铝板，吹干后用夹具将其以对接焊的方式固定的步骤。

6.根据权利要求1所述的钛、铝异种金属的焊接方法，其特征在于，步骤S3中，通过控制变量法将其中两项设为定值，另外所研究项在一定范围内变化，记录绘制图像，得到焊接速度、激光功率和激光功率的最佳参数值具体为：

设定焊接速度为80mm/s，偏置距离为0.24mm，激光功率变化范围:740～900W；

设定激光功率为820W，偏置距离为0.24mm，焊接速率变化范围：20～120mm/s；

设定激光功率为820W，焊接速率为80mm/s，偏置距离变化范围：-0.36～0.36mm。