CN109332860B - 一种5083铝合金/tc4钛合金结构的电弧增材制造方法 - Google Patents

一种5083铝合金/tc4钛合金结构的电弧增材制造方法 Download PDF

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Abstract

一种5083铝合金/TC4钛合金结构的电弧增材制造方法，属于异种材料的电弧增材制造技术领域。该方法是在钛合金结构表面利用电弧增材制造的方法先实现铝合金与钛合金的连接，然后再完成铝合金结构的成形。利用铝合金与钛合金熔点差别大的特点，使用钨极氩弧作为热源加热铝合金焊丝使之熔化并与钛合金形成连接，然后再利用增材制造的方法制备铝合金结构，最终形成铝合金/钛合金的复合结构。该方法实现了大型或复杂铝合金/钛合金结构的制造，既能提高接头的力学性能，又简化工序实现了铝合金/钛合金方便、高效、自动化的连接。采用该方法能够有效的减少连接界面金属间化合物层的厚度，铝合金/钛合金连接界面金属间化合物层的厚度约为2.25‑3.5μm，接头连接强度可达171.6MPa。

Description

一种5083铝合金/TC4钛合金结构的电弧增材制造方法
技术领域
本发明涉及一种5083铝合金/TC4钛合金结构的电弧增材制造方法，属于异种材料的电弧增材制造技术领域。
背景技术
铝合金和钛合金在多个工业领域中广泛应用，而铝合金/钛合金的连接结构能够发挥二者的综合性能优势，在航空航天、轨道交通等领域中具有广阔的应用前景和重要的应用价值。
铝合金密度低、比强度高、可焊接、耐腐蚀性好、无低温脆性、无磁性，是工业领域中应用最广泛的材料之一，5083铝合金是常用的铝合金之一。5083铝合金是Al-Mg合金，其塑性、耐腐蚀性和焊接性能较好，属于非热处理强化铝合金，利用加工硬化和微合金化来提高其综合性能。由于没有低温冷脆的问题，5083 铝合金在低温条件下仍保持优异的力学性能。5083铝合金的热膨胀系数是23.4×10-6/k，而低碳钢的热膨胀系数是(10.6-12.2)×10-6/k，5083铝合金的线膨胀系数约是低碳钢的两倍，因此焊接变形的问题比较严重，尤其是薄板焊接时，而且焊接裂纹尤其是凝固裂纹的倾向较高。5083铝合金是Al-Mg合金，其中Mg元素对合金的强度有重要作用。Al和Mg虽然熔点相差不大，但是Mg的沸点1107℃，而Al的沸点是2327℃，因此焊接时焊缝中的Mg元素更易烧损，导致焊接接头的强度降低，出现接头软化的现象。铝合金的成本相对较低，虽然铝合金的比强度高但是绝对强度与钢材、钛合金相比相差较大。
钛具有比强度高、密度低、耐高温、韧性好、导热性能好和抗疲劳性好等优点，尤其是具有优异的耐腐蚀性能，而钛合金则因为综合性能更优而得到了更为广泛的应用。钛合金可在600℃以上的温度工作，与钢、镍合金、铝合金相比，钛合金的比强度更高。钛在航空航天、国防、核能、船舶、电子、石油、化工等工业部门得到了广泛的应用。但是钛合金的成本很高，而且钛合金加工成型较困难。
航空发动机、汽车和飞机等结构对“减轻质量、提高推重比、增加有效载荷”的要求越来越高，轻量化成为航空航天、汽车、船舶等工业领域的发展趋势，铝合金与钛合金焊接从而制造复合结构的需求愈加迫切。铝合金/钛合金异种金属的复合结构有着广阔的应用前景和使用价值，这对异种材料尤其是大型、复杂结构的异种材料连接技术提出了挑战。
由于铝合金与钛合金的热物理性能、化学性能差异巨大，尤其是铝与钛连接时极易产生大量脆性金属间化合物，导致接头力学性能明显降低，因此二者的焊接十分困难，主要表现在以下几个方面：（1）铝和钛都属于活泼金属，在空气中容易发生氧化生成致密的TiO2和Al2O3，导致焊缝夹渣等缺陷并降低接头强度。此外钛在高温下的吸氢、氧和氮行为亦降低接头性能；（2）铝和钛的熔点相差约1000℃，如果采用熔化焊方法进行二者的连接，当温度达到钛的熔点时，铝及铝合金的元素会大量烧损蒸发；（3）铝和钛的线膨胀系数和热导率相差很大，钛的线膨胀系数和热导率分别约为铝的1/3和1/16；（4）铝和钛的晶格类型、晶格参数、原子半径等差异较大，导致二者之间的固溶度很低，极易发生反应形成硬而脆的金属间化合物，在焊接应力的作用下容易导致焊接裂纹的产生，降低焊接接头的力学性能。常见的电弧焊方法用于铝合金与钛合金的连接十分困难。
发明内容
本发明是提供一种铝合金/钛合金复合结构的制备方法，该方法是在钛合金结构表面利用电弧增材制造的方法先实现铝合金与钛合金的连接，然后再完成铝合金结构的成形。利用铝合金与钛合金熔点差别大的特点，使用钨极氩弧作为热源加热铝合金焊丝使之熔化并与钛合金形成连接，然后再利用增材制造的方法制备铝合金结构，最终形成铝合金/钛合金的复合结构。
本发明采用的技术方案是：一种5083铝合金/TC4钛合金结构的电弧增材制造方法，其特征是：所述电弧增材制造方法采用的步骤如下：
（1）对钛合金结构件待连接表面进行机械打磨，去除表面的污染物，之后用酒精或丙酮清洗，然后用吹风机吹干，并采用夹具固定；
（2）沿着焊接方向，铝合金焊丝在钨极的前方，送丝角度为45°；
（3）选取直径为3.2mm、尖端角度为45°的钨极作为电极；
（4）引弧并利用电弧加热焊丝使之熔化并与钛合金表面形成连接，焊接电流35-60A，焊接速度25-50cm/min，送丝速度55-120cm/min，电流频率80-120Hz，保护气为氩气，保护气流量为12-20L/min；
（5）利用增材制造的方法用电弧加热焊丝在铝合金层的表面堆焊形成铝合金结构，焊接电流25-65A，焊接速度20-45cm/min，送丝速度40-90cm/min，电流频率70-120Hz，保护气为氩气，保护气流量为12-20 L/min；
（6）焊接完成后清理焊件表面，切割、测量异种材料复合结构的力学性能并观察微观组织特征。
上述的电弧增材制造方法避免了铝合金结构与钛合金结构直接焊接时热量输入需要兼顾二者的矛盾，焊接热输入量能够保证焊丝的熔滴过渡即可，而钛合金在连接过程中能够很容易保证其不熔化或仅发生微量的熔化，从而有效降低连接界面形成的金属间化合物的体积分数，配合焊接机器人的使用，利用电弧增材的方法制备铝合金结构件，发挥增材制造的优势从而实现大型或复杂铝合金/钛合金结构的制造，解决铝合金与钛合金焊接时焊接热输入量控制的矛盾，从而既能够提高接头的力学性能，又大大简化了工序实现了铝合金/钛合金方便、高效、自动化的连接，避免了需要表面镀层或加入钎料而带来的其他问题，能够解决大型或复杂铝合金/钛合金结构制备的难题。
本发明的有益效果是：
1、该方法对焊接结构的各种接头形式都适用，对接、搭接、角接都可以，适用于复杂铝合金/钛合金结构的制造；
2、不需要加入钎料等其他材料，工艺简单，不会引入其他材料，因此也就不会带来由于焊缝化学成分改变而带来的其他问题，比如对腐蚀性能的影响；
3、由于可以通过控制电弧能量避免钛合金在连接过程中的熔化，充分利用铝合金与钛合金熔点的差异，因此能够很好的控制连接界面脆性的金属间化合物的形成，保证连接接头具有足够的强度和塑性；
4、连接过程中采用钨极氩弧作为连接热源，与常用的激光、电子束等焊接热源相比成本大大降低，生产效率也大幅度提高；
5、把铝合金与钛合金的整体连接转变为在钛合金构件上按顺序分层、逐次连接，使得复杂或者大型结构的连接变得可能而且可靠；
6、整个连接过程可以自动化控制，成本低、效率高、可重复性好，没有对焊接操作者技术水平的要求；
7、不需要进行热浸处理，工序简单、效率高，适用于大型或复杂钛合金结构与铝合金的连接；
8、铝合金/钛合金连接界面的金属间化合物层的厚度约为2.25~3.5μm。
附图说明
图1是铝合金/钛合金连接界面扫描电镜照片。
图2是方案1的示意图。
图3是方案2的示意图。
图4是方案3的示意图。
具体实施方式
铝合金与钛合金异种材料电弧增材制备方案主要有三种，三种方案的区别主要在于焊丝送进的方向、焊接电流、焊接速度和送丝速度的互相匹配的范围。具体的技术方案如下：
方案1：（1）钛合金结构件待连接表面用砂纸等方法机械打磨，去除表面的污染物，之后用酒精或丙酮清洗，然后用吹风机吹干，并采用夹具固定；（2）沿着焊接方向，铝合金焊丝在钨极的前方，如图2所示，送丝角度为45°；（3）选取直径3.2mm、尖端角度45°的钨极作为电极；（4）引弧并利用电弧加热焊丝使之熔化并与钛合金表面形成连接，焊接电流35-45A，焊接速度25-40cm/min，送丝速度55-80cm/min，电流频率80-120Hz，保护气为氩气，保护气流量为12-15L/min；（5）利用增材制造的方法用电弧加热焊丝在铝合金层的表面堆焊形成铝合金结构，焊接电流25-35A，焊接速度20-35cm/min，送丝速度40-60cm/min，电流频率80-120Hz，保护气为氩气，保护气流量为12-15 L/min；（6）焊接完成后清理焊件表面，切割、测量异种材料复合结构的力学性能并观察微观组织特征。
方案2：（1）钛合金结构件待连接表面用砂纸等方法机械打磨，去除表面的污染物，之后用酒精或丙酮清洗，然后用吹风机吹干，并采用夹具固定；（2）沿着焊接方向，铝合金焊丝在钨极的后方，如图3所示，送丝角度为45°；（3）选取直径3.2mm、尖端角度45°的钨极作为电极；（4）引弧并利用电弧加热焊丝使之熔化并与钛合金表面形成连接，焊接电流40-55A，焊接速度30-50cm/min，送丝速度60-90cm/min，电流频率80-120Hz，保护气为氩气，保护气流量为15-18 L/min；（5）利用增材制造的方法用电弧加热焊丝在铝合金层的表面堆焊形成铝合金结构，焊接电流30-45A，焊接速度30-45cm/min，送丝速度50-70cm/min，电流频率80-120Hz，保护气为氩气，保护气流量为15-18 L/min；（6）焊接完成后清理焊件表面，切割、测量异种材料复合结构的力学性能并观察微观组织特征。
方案3：（1）钛合金结构件待连接表面用砂纸等方法机械打磨，去除表面的污染物，之后用酒精或丙酮清洗，然后用吹风机吹干，并采用夹具固定；（2）沿着焊接方向，铝合金焊丝在钨极的侧方，如图4所示，送丝角度为45°；（3）选取直径3.2mm、尖端角度45°的钨极作为电极；（4）引弧并利用电弧加热焊丝使之熔化并与钛合金表面形成连接，焊接电流40-60A，焊接速度30-50cm/min，送丝速度80-120cm/min，电流频率80-120Hz，保护气为氩气，保护气流量为15-20L/min；（5）利用增材制造的方法用电弧加热焊丝在铝合金层的表面堆焊形成铝合金结构，焊接电流55-65A，焊接速度25-35cm/min，送丝速度70-90cm/min，电流频率70-90Hz，保护气为氩气，保护气流量为15-20 L/min；（6）焊接完成后清理焊件表面，切割、测量异种材料复合结构的力学性能并观察微观组织特征。
上述的技术方案，在钛合金结构表面利用电弧增材制造的方法使铝合金与钛合金连接形成异种材料的复合结构，利用铝合金与钛合金熔点差别大的特点，用钨极氩弧来加热铝合金焊丝使之熔化并与钛合金形成连接，避免了铝合金结构与钛合金结构焊接时热量输入需要兼顾二者的矛盾，焊接热输入量只要能够保证焊丝的熔滴过渡正常即可，而钛合金在连接过程中能够很容易保证其不熔化或仅发生微量的熔化，从而有效降低连接界面形成的金属间化合物的体积分数，配合焊接机器人的使用，利用电弧增材的方法制备铝合金结构件，发挥增材制造的优势从而实现大型或复杂铝合金/钛合金结构的制造，解决铝合金与钛合金焊接时焊接热输入量控制的矛盾，从而既能够提高接头的力学性能，又大大简化了工序实现了铝合金/钛合金方便、高效、自动化的连接，避免了需要表面镀层或加入钎料而带来的其他问题。采用该方法能够有效的减少连接界面金属间化合物层的厚度，如图1所示，铝合金/钛合金连接界面金属间化合物层的厚度约为2.25-3.5μm，接头连接强度可达171.6MPa。

Claims (1)

1.一种5083铝合金/TC4钛合金结构的电弧增材制造方法，其特征是：所述电弧增材制造方法采用的步骤如下：
（1）对钛合金结构件待连接表面进行机械打磨，去除表面的污染物，之后用酒精或丙酮清洗，然后用吹风机吹干，并采用夹具固定；
（2）沿着焊接方向，铝合金焊丝在钨极的前方，送丝角度为45°；
（3）选取直径为3.2mm、尖端角度为45°的钨极作为电极；
（4）引弧并利用电弧加热焊丝使之熔化并与钛合金表面形成连接，焊接电流35-60A，焊接速度25-50cm/min，送丝速度55-120cm/min，电流频率80-120Hz，保护气为氩气，保护气流量为12-20L/min；
（5）利用增材制造的方法用电弧加热焊丝在铝合金层的表面堆焊形成铝合金结构，焊接电流25-65A，焊接速度20-45cm/min，送丝速度40-90cm/min，电流频率70-120Hz，保护气为氩气，保护气流量为12-20 L/min；
（6）焊接完成后清理焊件表面，切割、测量异种材料复合结构的力学性能并观察微观组织特征。
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