专利名称：一种钛合金与铝合金的填丝钨极氩弧焊方法
技术领域：
本发明属于异种材料的焊接技术领域，特别涉及一种钛合金与铝合金的填丝钨极氩弧焊方法。
背景技术：
钛合金和铝合金是航空航天、化工、汽车等领域应用较为广泛的结构材料。由于铝合金的强度及耐热性较低，而钛合金密度较大，价格较高，采用钛与铝合金连接而成的复合构件不仅可以充分发挥钛、铝及其合金的性能潜力，还可以减小构件质量，降低生产成本以及满足其特殊综合使用性能的要求。然而，钛与铝合金的熔点、热导率、热膨胀系数以及晶体结构等物理性能差异很大，焊接时Ti、Al两种金属液相混合容易生成大量的脆性Ti-Al金属间化合物，形成焊接裂纹，降低接头的综合性能，难以满足焊接件的使用要求。目前，钛和铝异种材料的焊接主要采用固态扩散焊、真空钎焊、液相扩散连接和激光焊方法。采用真空钎焊方法连接钛与铝及其合金时，需要严格控制合金钎料的成分和钎焊温度；扩散连接钛与铝及其合金时，需要连接前在钛表面进行预先渗铝处理，工序复杂；真空钎焊和扩散焊方法获得的钛与铝合金接头大多适用于对接头强度要求不高的场合。采用激光焊连接钛与铝及其合金时，对焊件的装配精度要求严格，并且设备成本较高。
发明内容
本发明为解决上述现有焊接技术的不足，提供一种钛合金与铝合金的填丝钨极氩弧焊方法，该方法采用Al-Mg合金系焊丝将钛与铝合金进行钨极氩弧焊，不仅避免了真空扩散焊工艺中涉及的预渗铝处理，又降低了真空环境或激光条件的焊接成本。因此，该焊接工艺具有操作灵活简单、成本低、便于推广应用等特点，适用于钛与铝及其合金的焊接。为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案。本发明所述钛合金与铝合金的填丝钨极氩弧焊方法，包括以下步骤
(1)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；
(2)将钛合金与铝合金板水平对接放置；
(3)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,気气流量为 10_15L/min。所述步骤(I)中所述的钛合金与铝合金的待连接表面清理步骤是先经过喷砂处理，然后进行打磨，使待焊面的粗糙度达到Ra I. 6-3. 2。所述步骤(I)中所述的钛合金与铝合金的待连接表面清理步骤是接头处用砂纸打磨干净、直至完全露出金属光泽。所述步骤(I)中所述的填充用Al-Mg合金系焊丝表面清理是对焊丝进行酸洗，酸洗液采用50%H20+50%HN03溶液，浸15-20min后用清水冲洗，烘干后立即施焊。所述步骤(I)中所述的Al-Mg合金系焊丝为Al_Mg5合金焊丝，成分为Mg4.5-6. O, Fe O. 1-0. 2，Si O. 1-0. 2，CrO. 1，Cu O. 03-0. 04，Zn O. 05-0. 08，Mn O. 10-0. 15，Ti O. 1-0. 2，余量为Al，以质量百分数计。所述步骤(I)中所述Al-Mg合金系焊丝的直径为2. 0-2. 5mm。所属步骤(2)中，钛合金与铝合金的装配间隙为0.05mm-0. 15mm，钛合金一侧开30° -45°单面V形坡口，钝边为1mm。所述步骤(3)中所述的纯気气纯度大于99. 98%ο所述步骤(3)中所述钨极氩弧焊接采用钨-钍电极，钨的含量为99. 9%，钨极直径2mm,端部为锥形。所述步骤(3)中所述的正背面同时保护是，正面采用焊缝两侧吹氩气进行保护，气体流量为12-15L/min ;焊缝背面采用带有通气孔道的紫铜垫板同时进行充氩气保护，气体流量为 10-12L/min。所述步骤(3)中，氩弧焊前，先对焊件正、背面同时通氩气保护5-10min ;焊接过程中，焊丝与平板对接焊件间应保持75° -80°夹角；焊丝沿着熔池前端平稳、均匀的送入熔池，保持焊丝端部在氩气保护区内；焊缝收尾熄弧后，继续通氩气保护3-8min，直到焊缝及热影响区金属冷却到300°C以下时方可移开焊枪喷嘴。本发明是利用钛与铝合金两种母材的熔点差异，采用填丝钨极氩弧控制焊接温度，使低熔点的铝合金完全熔化，而高熔点的钛合金小部分熔化甚至保持固态，以避免两种金属液相Ti、Al混合而生成大量脆性的Ti-Al金属间化合物，以获得无裂纹、焊缝成形良好的钨极氩弧焊焊接接头。钛合金与铝合金熔点相差较大，本发明提出采用熔点为640_670°C的Al_Mg5焊丝，焊接过程中熔化焊丝填充金属与铝合金母材充分熔化混合后凝固形成焊缝，且存在明显熔合区；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，可以获得焊缝成形美观、无裂纹的焊接接头。本发明的有益效果是，操作方便、接头性能稳定、成本低、便于推广应用，尤其适用于钛合金与铝镁合金的焊接。
具体实施例方式下面结合实施例对本发明作进一步说明。实施例I :
TA15钛合金与5A06铝合金板的填丝钨极氩弧焊。TA15钛合金板尺寸为100mmX40mm，厚度为2mm ；5A06招合金板尺寸为IOOmmX 80mm,厚度为2mm。第一步，TA15钛合金板、5A06铝合金板及焊丝的表面处理
先将TA15钛合金与5A06铝合金的对接接头处用砂纸打磨干净，使待焊面露出金属光泽，表面粗糙度达到Ra I. 6-3. 2 ；
采用直径为2. Omm的Al-Mg5合金系焊丝作为填充金属，焊前用砂纸将焊丝表面打磨至露出金属光泽。 第二步，TA15钛合金与5A06铝合金板的组装
将TA15钛合金与5A06铝合金板水平对接放置，装配间隙为O. 05mm-0. 08mm。第三步，TA15钛合金与5A06铝合金板的焊接采用填丝钨极氩弧焊进行焊接，工艺参数为焊接电压12V，焊接电流105-110A，焊接速度为60mm/min,lS气流量为8_10L/min ；
采用焊缝正背面同时保护措施，正面是焊缝两侧吹氩气，气体流量为12-15L/min ;背面采用带有通气孔道的紫铜垫板充氩气保护，气体流量为10-12L/min。焊前，先对焊件正、背面同时通氩气保护8min，保护气体为纯度大于99. 98%的氩气。施焊过程中，焊丝与焊件间保持75°夹角。焊丝沿着熔池前端平稳、均匀的送入熔池，不得将焊丝端部移出氩气保护区。
焊缝收尾熄弧后，继续通氩气保护5min，直到焊缝及热影响区金属冷却到300°C以下时方可移开焊枪喷嘴。所得到的TA15钛合金与5A06铝合金对接接头焊缝成形美观。经过金相显微镜观察没有发现裂纹、气孔等微观缺陷，接头区结合良好。实施例2
TA15钛合金与5A06铝合金板的填丝钨极氩弧焊。TA15钛合金板尺寸为IOOmmX40mm,厚度为3mm ；5A06招合金板尺寸为IOOmmX 80mm,厚度为 3mm。第一步，TA15钛合金板、5A06铝合金板及焊丝的焊前准备
先将TA15钛合金板待连接面加工出坡口角为30°、钝边为2mm的坡口 ；然后将坡口及周边用砂纸打磨干净至露出金属光泽；
用砂纸将5A06铝合金待焊表面打磨干净，使表面粗糙度达到Ral. 6-3. 2 ；
采用直径为2. 4mm的Al-Mg5合金系焊丝作为填充金属，焊前用砂纸将焊丝表面打磨至露出金属光泽。第二步，TA15钛合金与5A06铝合金板的组装
将TA15钛合金与5A06铝合金板水平对接放置，装配间隙为O. 08mm-0. 12mm。第三步，TA15钛合金与5A06铝合金板的焊接
采用填丝钨极氩弧焊进行焊接，工艺参数为焊接电压12V，焊接电流105-110A，焊接速度为70mm/min,lS气流量为8_10L/min ；
采用焊缝正背面同时保护措施，正面是焊缝两侧吹氩气，气体流量为12-15L/min ;背面采用带有通气孔道的紫铜垫板充氩气保护，气体流量为10-12L/min。焊前，先对焊件正、背面同时通氩气保护lOmin，保护气体为纯度大于99. 98%的氩气。施焊过程中，焊丝与焊件间保持75°夹角。焊丝沿着熔池前端平稳、均匀的送入熔池，不得将焊丝端部移出氩气保护区。焊缝收尾熄弧后，继续通氩气保护8min，直到焊缝及热影响区金属冷却到300°C以下时方可移开焊枪喷嘴。所得到的TA15钛合金与5A06铝合金对接接头焊缝成形美观。经过金相显微镜观察没有发现裂纹、气孔等微观缺陷，接头区结合良好。
权利要求
1.一种钛合金与铝合金的填丝钨极氩弧焊方法，包括如下步骤 (O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； (2)将钛合金与铝合金板水平对接放置； (3)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,気气流量为 10_15L/min。
2.如权利要求I所述的钛合金与铝合金的填丝钨极氩弧焊方法，其特征是，所述步骤(2)中，钛合金与铝合金的装配间隙为O.05mm-0. 15mm，钛合金一侧开30° -45°单面V形坡口，钝边为1mm。
3.如权利要求I所述的钛合金与铝合金的填丝钨极氩弧焊方法，其特征是，所述步骤(I)中所述的钛合金与铝合金的待连接表面清理步骤是先经过喷砂处理，然后进行打磨，使待焊面的粗糙度达到Ra I. 6-3. 2。
4.如权利要求I所述的钛合金与铝合金的填丝钨极氩弧焊方法，其特征是，所述步骤(O中所述的钛合金与铝合金的待连接表面清理步骤是接头处用砂纸打磨干净、直至完全露出金属光泽。
5.如权利要求I所述的钛合金与铝合金的填丝钨极氩弧焊方法，其特征是，所述步骤(I)中所述的填充用Al-Mg合金系焊丝表面清理是对焊丝进行酸洗，酸洗液采用50%H20+50%HN03溶液，浸15-20min后用清水冲洗，烘干后立即施焊。
6.如权利要求I所述的钛合金与铝合金的填丝钨极氩弧焊方法，其特征是，所述步骤(I)中所述的Al-Mg合金系焊丝为Al-Mg5合金焊丝，成分为=Mg 4. 5-6. O, Fe O. 1-0. 2, SiO.1-0. 2,CrO. l,Cu O. 03-0. 04，Zn O. 05-0. 08,Mn O. 10-0. 15，Ti O. 1-0. 2，余量为 Al,以质量百分数计。
7.如权利要求I所述的钛合金与铝合金的填丝钨极氩弧焊方法，其特征是，所述步骤(I)中所述Al-Mg合金系焊丝的直径为2. 0-2. 5mm。
8.如权利要求I所述的钛合金与铝合金的填丝钨极氩弧焊方法，其特征是，所述步骤(3)中所述钨极氩弧焊接采用钨-钍电极，钨的含量为99.9%，钨极直径2mm，端部为锥形。
9.如权利要求I所述的钛合金与铝合金的填丝钨极氩弧焊方法，其特征是，所述步骤(3)中所述的正背面同时保护是，正面采用焊缝两侧吹氩气进行保护，气体流量为12-15L/min ;焊缝背面采用带有通气孔道的紫铜垫板同时进行充氩气保护，气体流量为10-12L/mirio
10.如权利要求I所述的钛合金与铝合金的填丝钨极氩弧焊方法，其特征是，所述步骤(3)中，氩弧焊前，先对焊件正、背面同时通氩气保护5-10min;焊接过程中，焊丝与平板对接焊件间应保持75° -80°夹角；焊丝沿着熔池前端平稳、均匀的送入熔池，保持焊丝端部在氩气保护区内；焊缝收尾熄弧后，继续通氩气保护3-8min，直到焊缝及热影响区金属冷却到300°C以下时方可移开焊枪喷嘴。
全文摘要
本发明公开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。本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。
文档编号B23K9/167GK102615402SQ20121012332
公开日2012年8月1日 申请日期2012年4月25日 优先权日2012年4月25日
发明者刘强, 李亚江, 王娟 申请人:山东大学