钛合金和铝合金异种材料的激光焊接方法技术

本发明专利技术涉及一种钛合金和铝合金异种材料的激光焊接方法，属于激光焊接与高熵合金技术领域。首先对待焊接工件执行清理操作，然后将待焊件放置在夹具上，利用焊接夹具施以夹紧力，将激光入射角度调整为40~45度，将母材搭接，钛板在上铝板在下；将装配好的工件放置于光纤激光器焊接室内，将配置好的高熵合金粉末预置在搭接接头处，调节好焊接参数后，将激光束对准焊缝中心，对待焊工件进行激光焊接，焊接过程中高熵合金粉末先熔化，由于激光束完全照射在高熵合金粉末上，避免了母材对激光的反射，通过热对流与热传导，利用熔池传递的热量熔化母材，降低了母材的熔化量，自然冷却。提高了能量的利用率，极大改善TC4钛合金/6082铝合金异种材料激光焊接性。金异种材料激光焊接性。金异种材料激光焊接性。

【技术实现步骤摘要】
钛合金和铝合金异种材料的激光焊接方法


[0001]本专利技术涉及激光焊接
与高熵合金
，特别涉及一种钛合金和铝合金异种材料的激光焊接方法。

技术介绍

[0002]钛合金（Ti）和铝合金(Al)具有密度低、耐腐蚀、机械性能优异等优点。它们在航空航天、武器制造、轨道交通等领域具有广阔的应用前景。为了结合Ti合金和Al合金的优良性能，对Ti
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Al复合结构的研究越来越受到重视。然而，由于两种材料在熔点、热导率、冶金性能、晶体显微组织等材料性能上存在巨大差异，难以制造可靠的Ti/Al接头，易形成脆性Ti
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Al金属间氧化物（IMCs）。钛/铝焊缝中极易形成脆性的 Ti
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Al 金属间化合物，导致钛/铝接头强度的降低。目前在激光焊、电子束焊过程中，通过热源偏移的方式可以降低 Ti
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Al 金属间化合物含量; 采用合理的中间层，既能降低 Ti
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Al 金属间化合物的含量又能形成塑性更好的金属间化合物。采用熔钎焊工艺并选用合适的填充材料，可以有效地抑制 Ti
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Al 金属间化合物的生成。采用扩散焊工艺、通过添加中间层、在钛表面渗铝及合理控制工艺参数，能有效减少 Ti
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Al 脆性金属间化合物的生成，但接头的抗拉强度不高。采用搅拌摩擦焊并通过添加中间层抑制钛 /铝接头中 Ti
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Al 脆性金属间化合物的形成，获得性能良好的钛/铝接头，但会受到焊件的形状的影响。采用爆炸焊工艺，可以细化界面中的金属颗粒，提高钛/铝接头的强度，但制造成本高且过程危险。
[0003]由于在连接异种金属时具有明显的优势，使用激光作为热源已成为焊接钛合金和铝合金的常用熔焊方法。大多数研究集中在通过控制光束偏移的位置和距离来控制基材的熔化量来减少Ti
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Al IMC的产量。其他一些研究表明，通过使用双束焊接，IMC 的厚度会更均匀，而硅有利于减少焊缝中的裂纹。需要注意的是，上述方法可以减少Ti
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Al IMCs的量，但不能完全抑制Ti/Al接头中IMCs的形成。Ti
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Al IMC的存在降低了接头的力学性能。
[0004]高熵合金是由中国台湾学者叶均蔚等于2004年提出的一种新型合金设计理念，是冶金学研究的一个全新领域，通常被定义为含有五种或五种以上元素以等摩尔或近摩尔比组成，且每种主元含量介于5at.%到35at.%之间的合金材料。高熵合金中较大的混合熵抵消了混合焓的作用，使得合金体系处于较低的自由能，抑制了金属间化合物的形成，更倾向于形成简单BCC和FCC的固溶体相结构。高熵合金因其特殊的高熵效应，晶格畸变效应、迟滞扩散效应等特点具有许多传统合金不具备的高强度、高耐磨性，高耐腐蚀性等性能。利用高熵合金的这些特性可能为完全抑制Ti
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Al复合结构中IMCs的形成提供新的方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种钛合金和铝合金异种材料的激光焊接方法，解决了现有技术存在的Ti
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Al激光焊接过程中难以形成有效连接，装配复杂，焊前清理严格，气孔，裂纹，同时受激光器功率的限制等问题。本专利技术使用CoNiCuNb0.5V1.5粉末作为填料，通过减
少Ti/Al IMC的数量大幅提高Ti
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Al接头的性能。突破了钛铝焊接时冶金不相容的限制，减少母材金属熔化量，完全抑制了焊缝中金属间化合物的产生，克服TC4钛合金/6082铝合金异种材料激光焊接裂纹，气孔缺陷，提高焊接接头室温塑性，简化工艺操作。
[0006]本专利技术的上述目的通过以下技术方案实现：钛合金和铝合金异种材料的激光焊接方法，采用高熵合金粉末作为填料对钛合金和铝合金异种材料进行激光焊接，利用高熵合金的高熵效应和迟滞扩散效应，阻止母材混合并发生反应生成脆性金属间化合物，改善接头塑性，降低接头的裂纹敏感性；激光束完全照射在高熵合金粉末上；在焊接接头中形成面心立方结构，利用面心立方结构塑性及韧性，在焊接冷却过程中通过塑性变形缓解接头的焊接残余应力；包括以下步骤：步骤一、清理：在焊接之前，对待焊接工件执行清理操作，得到清理后的待焊接件；步骤二、装配：将钛合金金属板在上、铝合金板在下搭接；利用焊接夹具对待焊接的钛合金金属板和铝合金板施加夹紧力；固定激光器位置；步骤三、设置焊接参数：将装配好的工件放置于光纤激光器焊接室内，将配置好的高熵合金粉末预置于两板接合处，预置厚度为1mm；调整激光焊接工艺参数；步骤四、焊接：调节好焊接参数后，对待焊接工件进行激光焊接；在进行激光焊接时，激光束指向钛合金金属板和铝合金板的搭接中心；焊接完成之后，自然冷却工件，随后取出工件。
[0007]进一步地，步骤二中所述的待焊接的钛合金金属板和铝合金板的厚度分别为1mm。
[0008]步骤一所述的对待焊接工件执行清理操作，具体是：使用砂纸将铝合金及钛合金表面的氧化膜清洗掉，并使用丙酮清洗，保持待焊面的平整、干净。
[0009]步骤三所述的激光焊接工艺参数为：焊接功率为660W，焊接速度为10mm/s，激光光斑直径1.5~1.6mm。
[0010]激光入射角度为40~45度。
[0011]所述的填料是摩尔比为1:1:1:0.5:1.5的Co、Ni、Cu、Nb、V（钴、镍、铜、铌、钒）高熵合金粉末。
[0012]所述的钛合金金属板的材料的化学成分按重量百分比为：钛89.8%、铝6.5 %和钒3.7 %；所述的铝合金板的材料的化学成分按重量百分比为：铝97.65 %、镁0.62 %、硅0.796 %、锰0.656 %、钛0.01 %、铬0.018 %、铜0.02 %、铁0.217 %、镍0.003%和锌0.01%。
[0013]所述的钛合金为TC4钛合金，所述的铝合金为6082铝合金。
[0014]本专利技术的有益效果在于：1、本专利技术提供的高熵合金材料与基体结合性好，获得的焊缝具有良好的宏观形貌。
[0015]2、焊接过程中高熵合金粉末先熔化，由于激光束完全照射在高熵合金粉末上，避免了母材对激光的反射，通过热对流与热传导，利用熔池传递的热量熔化母材，降低了母材的熔化量，自然冷却。提高了能量的利用率，极大改善TC4钛合金/6082铝合金异种材料激光焊接性。
[0016]3、本技术方案激光焊接获得的钛铝接头具有良好的质量，阻止了钛铝的混合并发生反应，焊缝微观组织结合紧密，具有高熵合金的固溶体结构，强度高，硬度大，韧性好具有优异的耐磨损和耐腐蚀性能，在焊缝中未发现Ti/Al IMC。
[0017]4、本专利技术采用高熵合金粉末作为填料对TC4钛合金/6082铝合金异种材料进行激光焊接，在焊接接头中形成面心立方结构，利用面心立方结构塑性及韧性好的特点，在焊接冷却过程中可以通过塑性变形缓解接头较高的焊接残余应力，并且焊缝金属塑性较好，裂纹敏感性较低，可极大改善TC4钛合金/6082铝合金异种材料激光焊接性。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种钛合金和铝合金异种材料的激光焊接方法，其特征在于：采用高熵合金粉末作为填料对钛合金和铝合金异种材料进行激光焊接，利用高熵合金的高熵效应和迟滞扩散效应，阻止母材混合并发生反应生成脆性金属间化合物，改善接头塑性，降低接头的裂纹敏感性；激光束完全照射在高熵合金粉末上；在焊接接头中形成面心立方结构，利用面心立方结构塑性及韧性，在焊接冷却过程中通过塑性变形缓解接头的焊接残余应力；包括以下步骤：步骤一、清理：在焊接之前，对待焊接工件执行清理操作，得到清理后的待焊接件；步骤二、装配：将钛合金金属板在上、铝合金板在下进行搭接；利用焊接夹具对待焊接的钛合金金属板和铝合金板施加夹紧力；固定激光器位置；步骤三、设置焊接参数：将装配好的工件放置于光纤激光器焊接室内，将配置好的高熵合金粉末预置于两板接合处，预置厚度为1mm；调整激光焊接工艺参数；步骤四、焊接：调节好焊接参数后，对待焊接工件进行激光焊接；在进行激光焊接时，激光束指向钛合金金属板和铝合金板的搭接中心；焊接完成之后，自然冷却工件，随后取出工件。2.根据权利要求1所述的钛合金和铝合金异种材料的激光焊接方法，其特征在于：步骤二中所述的待焊接的钛合金金属板和铝合金板的厚度分别为1mm。3.根据权利要求1所述的钛合金和铝合金异种材料的激光焊接方法，其特征在于：...

【专利技术属性】
技术研发人员：谷晓燕，张立辉，谷晓鹏，徐国成，王文权，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：