一种钛-铝异种金属高强冶金结合的电子束连接方法技术

本发明专利技术为一种钛‑铝异种金属高强冶金结合的电子束连接方法，该方法步骤为：待焊试件接头，在I型接头两个对接面上分别设置一个沿焊接件厚度方向的凸起平台，两个平台在焊接件长度及宽度方向等长，在厚度方向的高度之和为对接试板厚度。其次，进行焊前处理并优化电子束焊接参数，完成第一次熔钎焊接；之后，在熔钎焊缝相邻的钛侧，进行第二次改性焊接，两焊缝相近但不交叉。本发明专利技术的连接方法利用异种金属高熔点差异特点，在高熔点钛侧相邻熔钎焊道旁进行第二次焊接，通过第二次焊接温度场对钛铝结合界面进行重熔改性，优化结合界面处相结构，减弱接头脆性，同时采用特殊的接头结构，提高焊缝根部结合强度，增加接头可靠性。

An electron beam joining method for high-strength metallurgy of Ti Al dissimilar metals

The present invention is an electron beam connection method of high strength metallurgical bonding of titanium heterogenous metal. The method is to set up a convex platform along the thickness direction of the welding part on the two butt joints of the I joint, and the two platforms are equal to the length and width direction of the welding parts, and the height in the thickness direction. And the thickness of the butt plate. Secondly, the first welding brazing is completed before welding and optimizing the parameters of electron beam welding. After that, second modification welding is carried out on the adjacent titanium side of the weld seam, and the two welds are similar but not cross. The connecting method of this invention makes use of the difference characteristic of high melting point of different metal, second welding at the adjacent weld bead adjacent to the high melting point titanium side, remelting the bonding interface between titanium and aluminum through second welding temperature fields, optimizing the phase structure at the interface, reducing the brittleness of the joint, and adopting a special joint structure to improve the joint structure. The bonding strength of the root of the weld increases the reliability of the joint.

【技术实现步骤摘要】
一种钛-铝异种金属高强冶金结合的电子束连接方法
本专利技术涉及异种金属连接领域，具体涉及Ti-6Al-4V钛合金与6061铝合金的电子束熔化连接方法。
技术介绍
科学技术的不断进步对各类工程机械结构的性能提出了更高的要求，金属材料在结构设计与制造上正面临着新的挑战，多层次、轻量化、功能一体化、和低成本设计与制造正成为了当下材料研究的前沿。然而单一结构材料在经过不断优化改进的同时也逐渐面临性能的瓶颈。除了满足常规的力学性能之外，还有如高温强度、耐磨性、耐腐蚀性、低温韧性等多方面的性能要求。鉴于此，异种材料连接正得到越来越广泛的重视，异种金属的复合结构可以兼有多种金属的优点，通过整合不同材料之间的性能优势，将具有不同特性和功能的材料连接为一个完整单元，从而匹配工业生产应用，提升产品综合性能，所以，异种结构的综合性能将超过单一的金属结构。目前，异种金属的复合结构在航空航天、造船、电力工业等领域应用越来越广泛。钛合金因其耐热性强、比强度高、具有良好的塑性、韧性以及耐蚀性，广泛应用于航空航天、石油化工等领域。铝及铝合金由于具有低密度、高强度等优点成为工业中应用量最大的有色金属，在航空，汽车，机械等行业中得到了广泛应用。但两种金属存在各自的短板，价格昂贵和比强度不足分别限制了钛合金和铝合金的广泛应用。因此，将该两种材料进行优势整合，形成复合结构并保证高强的连接强度将推动钛铝更广泛的商业应用，同时，该结构更加节能环保，在航空航天、汽车、电力工业具有很好的应用前景。对于异种金属材料的焊接，无论从焊接技术操作和机理研究都比同种金属材料的焊接要难很多，物理性质和化学性质是决定了异种金属材料的焊接性，一方面，金属材料的物理性质(包括热膨胀系数、熔点及沸点、热导率，原子相容性等)对焊接本身的焊接影响就很大，不同的金属材料的不同物理性质对异种金属的焊接就会产生巨大影响。例如：材料热膨胀系数差异大，导致金属材料的焊接变形不一样，焊缝会产生较大的残余应力，导致焊缝的整体性能较差；熔点及沸点差异较大，会导致焊接过程当中元素的损失，力学性能难以控制，有色金属焊接这一现象尤其容易出现等；另一方面，金属材料的化学性质差异对焊缝的性能影响也很大，当化学性质相差较大时，不同的合金元素在相变过程中会产生金属间化合物脆性相，如果脆性金属间化合物是以极细夹杂物弥散在合金晶粒之间，则可能无害，但是如果金属间化物以针状或者带状在晶界间生长，或者两种合金间出现较厚的金属间化合物过渡层，则对焊接接头会产生巨大的影响，焊接接头极易发生脆断。对于铝/钛异种金属组合，由于其物理性质相差较大，在焊接中主要存在以下问题：a.铝与钛极易氧化，合金元素容易烧损蒸发；b.铝与钛在不同温度、不同组分下发生反应，生成多种脆性化合物；c.铝与钛的焊接变形大，铝的导热率和线性膨胀系数分别约是钛的16倍和3倍，在焊接应力作用下容易产生热裂纹。其中，最关键的问题在于金属间化合物的控制问题，它是由温度-时间-成分关系共同决定的。伴随着金属间相的形成，焊接区域变脆，性能恶化。从钛铝二元相图可以看出钛铝体系中的相结构，铝钛之间溶解度很小。当钛铝液相中铝元素质量分数在13％左右时，会形成Ti3Al。随着液相中铝含量的增加，凝固后会形成TiAl、TiAl2、Ti2Al5。当液相中主要成分为铝元素时，液相会形成TiAl3。钛铝体系中复杂的金属间化合物使得钛铝的连接接头性能难以控制，极易脆断。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种Ti-6Al-4V钛合金与6061铝合金异种金属的电子束连接方法，通过设置特殊的焊接温度场和接头结构对钛铝结合界面局域区域进行重熔改性，优化结合界面处相结构，减弱接头脆性，提高根部结合强度以解决Ti-6Al-4V钛合金与6061铝合金异种金属结合强度低的问题。实现本专利技术目的采用如下技术方案：一种Ti-6Al-4V钛合金和6061铝合金的电子束连接方法，具体步骤如下：步骤1，制备Ti-6Al-4V钛合金板与6061铝合金板接头结构，在Ti-6Al-4V钛合金板与6061铝合金板接头形成的I型接头的两个对接面上分别切割出一个沿焊接件厚度方向的凸起平台，两对接试板形成的台阶状接头结构相互对接并契合形成待焊接头，所述的凸起平台在焊接件长度及宽度方向等长，在厚度方向的高度之和为对接试板厚度；步骤2，将Ti-6Al-4V钛合金板与6061铝合金板进行焊前处理，包括去油、去污、去除氧化膜、工装等；步骤3，抽取真空，设定电子束焊接参数：加速电压V、聚焦电流If、X-Y轴偏转电流Ix和Iy、工作高度h、灯丝电流I；步骤4，设定电子束束流Ib：10-35mA，焊接速度v：10-20mm/s，束流上升tu、下降时间td：1.0-3.0s；电子束聚焦于铝板上，束斑中心偏离对接接头中心线的偏置距离a1：0.5-1.5mm，进行焊接，电子束与工件作用并形成完整熔池后，设置X轴水平运动，完成Ti-6Al-4V钛合金板与6061铝合金板的第一道熔钎焊接，焊缝宽度记为C1；步骤5，调整电子束聚焦位置，设置电子束聚焦在钛板上，束斑中心偏离对接接头中心线的偏置距离a2：1.5-4.5mm，设定电子束流Ib：15-30mA，焊接速度v：10-20mm/s，束流上升tu、下降时间td：1.5-3.0s，进行焊接，电子束与工件作用并形成完整熔池后，设置X轴水平运动，完成Ti-6Al-4V钛合金板与6061铝合金板的第二道重熔改性焊接,焊缝宽度记为C2，该焊缝不与前一熔钎焊缝交叉。进一步的，步骤1中，所述的TC4钛合金与6061铝合金的连接的凸起平台宽度范围a：0＜a＜C1；进一步的，步骤1中，在厚度方向的高度之和为对接试板厚度即钛侧平台高度d1，铝侧平台高度d2和试板厚度d关系为：d1+d2＝d；进一步，步骤2中，焊前准备具体步骤为：步骤2.1，Ti-6Al-4V钛合金板与6061铝合金板待焊位置及相邻50mm区域表面采用纸砂轮和钢丝刷机械打磨，露出金属光泽，再使用280#、400#、600#砂纸精细打磨，得到平整待焊面，再使用丙酮进行表面油污清理；步骤2.2，清理完成的待焊工件在2小时内完成焊接；步骤2.3，Ti-6Al-4V钛合金板与6061铝合金板设置在不锈钢垫板上，垫板表面开有直径4-8mm半圆弧形槽，以保证焊缝背面成型；步骤2.4，Ti-6Al-4V钛合金板与6061铝合金板对接接头的工装间隙范围b：小于0.5mm。步骤2.5，Ti-6Al-4V钛合金板与6061铝合金板对接接头的工装是以铝侧试板平台在上。进一步的，步骤3中，真空包括枪真空和室真空，枪真空度≥8E-3，室真空≥7E-2Pa。进一步的，步骤3中，设定的焊接参数为：加速电压V：50-60kV，聚焦电流If：650-750mA，X-Y轴偏转电流Ix和Iy：0-10mA，工作高度h：275-300mm，灯丝电流I：425-450mA。进一步的，步骤4和5中，对接接头中心线为焊接试板正面的钛铝交接线。进一步的，步骤5中，第二道焊缝与第一道熔钎焊缝相近但不交叉，1/2(C1+C2)+3mm≥a2+a2+b＞1/2(C1+C2)。进一步的，Ti-6Al-4V钛合金板合金质量百分组成为：Ti：89.12％、Al：6.42％、V：4.30％、Fe：0本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种钛‑铝异种金属高强冶金结合的电子束连接方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤1，制备Ti‑6Al‑4V钛合金板与6061铝合金板接头结构，在Ti‑6Al‑4V钛合金板与6061铝合金板接头形成的I型接头的两个对接面上分别切割出一个沿焊接件厚度方向的凸起平台，两对接试板形成的台阶状接头结构相互对接并契合形成待焊接头，所述的凸起平台在焊接件长度及宽度方向等长，在厚度方向的高度之和为对接试板厚度；步骤2，将Ti‑6Al‑4V钛合金板与6061铝合金板进行焊前处理，包括去油、去污、去除氧化膜、工装；步骤3，抽取真空，设定电子束焊接参数：加速电压V、聚焦电流If、X‑Y轴偏转电流Ix和Iy、工作高度h、灯丝电流I；步骤4，设定电子束束流Ib：10‑35mA，焊接速度v：10‑20mm/s，束流上升tu、下降时间td：1.0‑3.0s；电子束聚焦于铝板上，束斑中心偏离对接接头中心线的偏置距离a1：0.5‑1.5mm，进行焊接，电子束与工件作用并形成完整熔池后，设置X轴水平运动，完成Ti‑6Al‑4V钛合金板与6061铝合金板的第一道熔钎焊接，焊缝宽度记为C1；步骤5，调整电子束聚焦位置，设置电子束聚焦在钛板上，束斑中心偏离对接接头中心线的偏置距离a2：1.5‑4.5mm，设定电子束流Ib：15‑30mA，焊接速度v：10‑20mm/s，束流上升tu、下降时间td：1.5‑3.0s，进行焊接，电子束与工件作用并形成完整熔池后，设置X轴水平运动，完成Ti‑6Al‑4V钛合金板与6061铝合金板的第二道重熔改性焊接，焊缝宽度记为C2，该焊缝不与前一熔钎焊缝交叉。...

【技术特征摘要】
1.一种钛-铝异种金属高强冶金结合的电子束连接方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤1，制备Ti-6Al-4V钛合金板与6061铝合金板接头结构，在Ti-6Al-4V钛合金板与6061铝合金板接头形成的I型接头的两个对接面上分别切割出一个沿焊接件厚度方向的凸起平台，两对接试板形成的台阶状接头结构相互对接并契合形成待焊接头，所述的凸起平台在焊接件长度及宽度方向等长，在厚度方向的高度之和为对接试板厚度；步骤2，将Ti-6Al-4V钛合金板与6061铝合金板进行焊前处理，包括去油、去污、去除氧化膜、工装；步骤3，抽取真空，设定电子束焊接参数：加速电压V、聚焦电流If、X-Y轴偏转电流Ix和Iy、工作高度h、灯丝电流I；步骤4，设定电子束束流Ib：10-35mA，焊接速度v：10-20mm/s，束流上升tu、下降时间td：1.0-3.0s；电子束聚焦于铝板上，束斑中心偏离对接接头中心线的偏置距离a1：0.5-1.5mm，进行焊接，电子束与工件作用并形成完整熔池后，设置X轴水平运动，完成Ti-6Al-4V钛合金板与6061铝合金板的第一道熔钎焊接，焊缝宽度记为C1；步骤5，调整电子束聚焦位置，设置电子束聚焦在钛板上，束斑中心偏离对接接头中心线的偏置距离a2：1.5-4.5mm，设定电子束流Ib：15-30mA，焊接速度v：10-20mm/s，束流上升tu、下降时间td：1.5-3.0s，进行焊接，电子束与工件作用并形成完整熔池后，设置X轴水平运动，完成Ti-6Al-4V钛合金板与6061铝合金板的第二道重熔改性焊接，焊缝宽度记为C2，该焊缝不与前一熔钎焊缝交叉。2.根据权利要求1所述的钛-铝异种金属高强冶金结合的电子束连接方法，其特征在于，步骤1中，所述的凸起平台宽度范围a：0＜a＜C1。3.根据权利要求1所述的钛-铝异种金属高强冶金结合的电子束连接方法，其特征在于，步骤1中，在厚度方向的高度之和为对接试板厚度即钛侧平台高度d1，铝侧平台高度d2和试板厚度d关系为：d1+d2＝d。4.根据权利要求1所述的钛-铝异种金属高强冶金结合的电子束连接方法，其特征在于，步骤2中，所述的焊前准备步骤为：...

【专利技术属性】
技术研发人员：周琦，郭顺，杨才华，王毅，王克鸿，彭勇，朱军，徐俊强，喻嘉熙，范霁康，张雪，李洪强，陈鑫，张涛，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32