专利名称：用于Ti与Al合金的脉冲氩弧焊的合金焊丝的制作方法
技术领域：
本发明属于异种材料的焊接技术领域，特别涉及一种用于Ti与Al合金的脉冲氩弧焊的合金焊丝。
背景技术：
钛合金具有重量轻、强度大、耐热性强、耐腐蚀等许多优特性，被誉为“未来的金属”，是具有发展前途的新型结构材料。钛及其合金不仅在航空、宇宙航行工业中有着十分重要的应用，而且已经开始在化工、石油、轻工、冶金、发电等许多工业部门中广泛应用。铝合金具有比强度高、加工性好、物理、力学性能优越、抗腐蚀等优点，在很多应用领域中被认为是最为经济实用的材料。在大多数环境条件下，包括在空气、水(或盐水)、石油化学和很多化学体系中，铝合金能显示出优良的抗腐蚀性。铝的表面具有高度的反射性。铝通常显示出优良的电导率和热导率，具有高电阻率的一些特定铝合金也已经研制成功，这些合金可用于如高转矩的电动机中。铝由于它的优良电导率而常被选用。在重量相等的基础上，铝的电导率近于铜的两倍。钛合金和铝合金在工业上的应用非常重要，有很多工业交叉的领域，这使得铝和钛的连接具有重要意义。但是，铝和钛的连接难度很大。在焊接过程中，由于在室温条件下Ti和Al之间的溶解度极小，由于铝钛金属之间的热物理化学性能相差很大，用传统的焊接方法焊接时会产生大量的脆性的金属间化合物，从而影响接头性能。目前，Ti/Al异种合金的传统的焊接方法主要有电弧熔钎焊、扩散焊、钎焊、摩擦焊等。扩散焊是将两焊件紧密结合，在真空或保护气氛中，在一定温度和压力下保持一段时间，使接触面之间的原子相互扩散完成焊接。因此扩散焊依然能有效避免铝钛材料熔点差异较大难于连接的特点。经检验后证明，真空扩散焊的焊接接头的机械强度、热稳定性、密封性、耐腐蚀性和弹性都能满足重要构件的技术要求。但是这种焊接方法要求真空环境下成型，从经济生产性来看，成本较大，不适合大批量铝钛材料连接成型。电弧加热集中，热输入量小，操作方便，节能高效又易于实现自动化，这种焊接方法钎焊后变形很小，对装配间隙不敏感，并且加热时间短，消耗小，成本低，加热区窄，加热更为集中，热输入量小，热影响区窄，钎焊后变形小。但是，在实现铝钛异种金属连接成型的过程中，如果采用一般电弧钎焊方法，焊接过程有如下缺点:钛金属的散热大、现有设备昂贵、生产周期长。采用一般焊接方法很难实现Ti和Al的高效、可靠焊接。例如，液态焊接方法会产生大量脆性金属间化合物，固态焊接方法又对接头形式要求过于苛刻。采用熔钎焊的方法，将铝材熔化，钛保持固态，这样能有效避免钛铝之间形成大量的脆硬的金属间化合物，能够获得高强度的接头，与熔化焊和固相焊接相比，具有明显的优越性。采用激光作为热源，具有柔性好、能量密度高、光斑形式可调、热输入精确可控以及冷却速度快等一系列优点。但是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，提供一种用于Ti与Al合金的脉冲氩弧焊的合金焊丝。为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案，一种用于Ti与Al合金的脉冲氩弧焊的合金焊丝，合金焊丝直径为1.0-2.0mm，其质量百分数成分为:
Si 4.9-5.8 %，
Fe 0.8-0.9 %，
Cu 0.3-0.4 %，
Mn 0.05-0.1 %，
Mg 0.06-0.09 %，
Zn 0.12-0.19 %，
Ti 0.22-0.28 %，
余量为Al ；
并且，焊丝表面涂有 活性剂，该活性剂的质量百分比组分为:在焊丝表面涂上活性剂，该活性剂的质量百分比组分为=SiO2:31% ；Ti02: 27% ；Cr2O3:5% ；CaF2:10% ；MnCl2:24%，其余为 BaCl20然后选择厚度为1.5-2.5mm的待连接的钛合金板和铝合金板,先将钛合金板待连接面加工出坡口角为35-40°的坡口 ；对于合金板待连接表面用砂纸充分打磨以去除其表面氧化层，并用乙醇或丙酮清洗母材表面，使待焊面的粗糙度达到Ra 1.8-3 ;将钛合金板与铝合金板水平对接放置，不留间隙；先对焊件正、背面同时通氩气保护8-10min，保护气体为纯度大于99.98%的氩气；采用高频脉冲引弧，引弧前先打开氩气，保持流通20s 30s，并利用氩气流带走附着在导气管内壁上的水分，在钛与铝接头处引燃电弧；工艺参数为:基值电流40A 60A、脉冲电流38A 80A、脉冲持续时间5s 10s、脉冲频率35Hz 65Hz，焊接电压8V 16V，接头正反两面填充氩气进行保护，氩气流量8L/min 16L/min，焊枪喷嘴离工件的距离8mm 12mm，焊枪钨极与焊件之间的夹角是70° 85°，焊丝沿着熔池前端平稳、均匀的送入熔池；收弧时，收弧处增加焊丝填充量直至弧坑填满，然后控制焊接电流逐渐延时衰减，断弧后氩气继续流通IOs 20s，以防止钨极氧化；焊接结束后，继续通IS气保护2-4min。钛合金与铝合金熔点相差较大，本发明利用钛与铝合金两种母材的熔点差异，提出具有特定配比的焊丝，使其在焊接过程中熔化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，避免两种金属液相T1、Al混合而生成大量脆性的T1-Al金属间化合物，而且与常规钨极氩弧焊方法相比，本发明提出的钛合金与纯铝异种金属氩弧焊的电弧稳定性明显提高，同时焊丝表面的活性剂能够起到增加焊接熔深的作用，从而获得焊缝成形美观、无裂纹的焊接接头。本发明的有益 效果是，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，而且提高了生产效率，改善接头性能，操作方便。
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1
1)选择厚度为1.5mm的待连接的TA9钛合金板和2024铝合金板，先将钛合金板待连接面加工出坡口角为35°的坡口；
2)对于合金板待连接表面用砂纸 充分打磨以去除其表面氧化层，并用乙醇或丙酮清洗母材表面，使待焊面的粗糙度达到Ra 1.8 ;
3)采用直径为1.0mm的合金焊丝，其质量百分数成分为:
Si 4.9 %,
Fe 0.8 %,
Cu 0.3 %,
Mn 0.05 %,
Mg 0.06 %,
Zn 0.12 %，
Ti 0.22 %，
余量为Al ；
4)将焊丝浸入50%H20+50%HN03溶液，15min后用清水冲洗后烘干，再用砂纸进行打磨；
5)再在焊丝表面涂上活性剂，该活性剂的质量百分比组分为=SiO2:31% ；Ti02: 27% ；Cr2O3:5% ；CaF2:10% ；MnCl2:24%，其余为 BaCl2 ；
6)将钛合金板与铝合金板水平对接放置，不留间隙；
7)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；
8)采用高频脉冲引弧，引弧前先打开氩气，保持流通20s，并利用氩气流带走附着在导气管内壁上的水分，在钛与铝接头处引燃电弧；工艺参数为:基值电流40A、脉冲电流38A、脉冲持续时间5s、脉冲频率35Hz，焊接电压8V，接头正反两面填充氩气进行保护，氩气流量8L/min，焊枪喷嘴离工件的距离8mm，焊枪钨极与焊件之间的夹角是70°，焊丝沿着熔池前端平稳、均匀的送入熔池；收弧时，收弧处增加焊丝填充量直至弧坑填满，然后控制焊接电流逐渐延时衰减，断弧后氩气继续流通10s，以防止钨极氧化；
9)焊接结束后，继续通氩气保护2-4min。所得到的钛合金与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:
1)选择厚度为1.8mm的待连接的TA15钛合金板和5A06铝合金板，先将钛合金板待连接面加工出坡口角为35°的坡口；
2)对于合金板待连接表面用砂纸充分打磨以去除其表面氧化层，并用乙醇或丙酮清洗母材表面，使待焊面的粗糙度达到Ra 1.8-3 ；
3)采用直径为1.5mm的合金焊丝，其质量百分数成分为:
Si 5.2 %,
Fe 0.8 %,Cu 0.3 %,
Mn 0.07 %,
Mg 0.08 %,
Zn 0.17 %，
Ti 0.23 %，
余量为Al ；
4)将焊丝浸入50%H20+50%HN03溶液，18min后用清水冲洗后烘干，再用砂纸进行打磨；
5)再在焊丝表面涂上活 性剂，该活性剂的质量百分比组分为=SiO2:31% ；Ti02: 27% ；Cr2O3:5% ；CaF2:10% ；MnCl2:24%，其余为 BaCl2 ；
6)将钛合金板与铝合金板水平对接放置，不留间隙；
7)先对焊件正、背面同时通氩气保护9min，保护气体为纯度大于99.98%的氩气；
8)采用高频脉冲引弧，引弧前先打开氩气，保持流通25s，并利用氩气流带走附着在导气管内壁上的水分，在钛与铝接头处引燃电弧；工艺参数为:基值电流50A、脉冲电流51A、脉冲持续时间8s、脉冲频率50Hz，焊接电压12V，接头正反两面填充氩气进行保护，氩气流量12L/min，焊枪喷嘴离工件的距离10mm，焊枪钨极与焊件之间的夹角是80°，焊丝沿着熔池前端平稳、均匀的送入熔池；收弧时，收弧处增加焊丝填充量直至弧坑填满，然后控制焊接电流逐渐延时衰减，断弧后氩气继续流通15s，以防止钨极氧化；
9)焊接结束后，继续通氩气保护3min。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3:
1)选择厚度为2.5mm的待连接的TA12钛合金板和5052铝合金板，先将钛合金板待连接面加工出坡口角为40°的坡口；
2)对于合金板待连接表面用砂纸充分打磨以去除其表面氧化层，并用乙醇或丙酮清洗母材表面，使待焊面的粗糙度达到Ra 3；
3)采用直径为2.0mm的合金焊丝，其质量百分数成分为:
Si 5.8 %,
Fe 0.9 %，
Cu 0.4 %，
Mn 0.1 %，
Mg 0.09 %，
Zn 0.19 %，
Ti 0.28 %，
余量为Al ；
4)将焊丝浸入50%H20+50%HN03溶液，20min后用清水冲洗后烘干，再用砂纸进行打磨；
5)再在焊丝表面涂上活性剂，该活性剂的质量百分比组分为=SiO2:31% ；Ti02: 27% ；Cr2O3:5% ；CaF2:10% ；MnCl2:24%，其余为 BaCl2 ；
6)将钛合金板与铝合金板水平对接放置，不留间隙；
7)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； 8)采用高频脉冲引弧，引弧前先打开氩气，保持流通30s，并利用氩气流带走附着在导气管内壁上的水分，在钛与铝接头处引燃电弧；工艺参数为:基值电流60A、脉冲电流80A、脉冲持续时间10s、脉冲频率65Hz，焊接电压16V，接头正反两面填充氩气进行保护，氩气流量16L/min，焊枪喷嘴离工件的距离12mm，焊枪钨极与焊件之间的夹角是85°，焊丝沿着熔池前端平稳、均匀的送入熔池；收弧时，收弧处增加焊丝填充量直至弧坑填满，然后控制焊接电流逐渐延时衰减，断弧后氩气继续流通20s，以防止钨极氧化；
9)焊接结束后，继续通氩气保护4min。所得到的TA12钛合金与5052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
1.一种用于Ti与Al合金的脉冲氩弧焊的合金焊丝，其特征在于，合金焊丝直径为1.0-2.0_，其质量百分数成分为:Si 4.9-5.8 %，Fe 0.8-0.9 %，Cu 0.3-0.4 %，Mn 0.05-0.1 %，Mg 0.06-0.09 %，Zn 0.12-0.19 %，Ti 0.22-0.28 %， 余量为Al ； 并且，焊丝表面涂有活性剂，该活性剂的质量百分比组分为:在焊丝表面涂上活性剂，该活性剂的质量百分比组分为=SiO2:31% ；Ti02: 27% ；Cr2O3:5% ；CaF2:10% ；MnCl2:24%，其余为 BaCl20
全文摘要
本发明提供一种用于Ti与Al合金的脉冲氩弧焊的合金焊丝，其采用特定配比并且涂有活性剂的焊丝将钛与铝合金进行高频脉冲引弧焊接，使其在焊接过程中熔化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，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，而且与常规钨极氩弧焊方法相比，本发明提出的钛合金与纯铝异种金属氩弧焊的电弧稳定性明显提高，同时焊丝表面的活性剂能够起到增加焊接熔深的作用，从而获得焊缝成形美观、无裂纹的焊接接头。因此该发明具有提高生产效率，改善接头性能，操作方便的优点。
文档编号B23K35/28GK103100799SQ20121053423
公开日2013年5月15日 申请日期2012年12月12日 优先权日2012年12月12日
发明者杨利云 申请人:杨利云