钛或钛合金与2219铝合金的焊接方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于金属连接领域，涉及钛或钛合金与2219铝合金的焊接方法。
【背景技术】
[0002] 异种金属材料焊接是焊接技术领域中的重要难题，由于异种金属在物理性能、化 学性能等方面的显著差异，导致其焊接过程比同种金属要复杂得多，焊接接头质量难以保 证。Ti和Al是两种应用广泛的工程材料，它们具有各自不同的优异性能，在航空、航天和汽 车等工业中为实现结构件的轻量化，大量采用铝合金和钛合金作为结构材料，将钛合金与 铝合金连接形成复合结构具有广阔的应用前景。
[0003] 随着国内外数量众多的高、中、低轨道的各类卫星及卫星群的发射需求。我国现有 运载火箭难以满足日益增长的卫星发射需求，上面级的研究可以使我国运载火箭满足GEO 卫星、MEO卫星、深空探测和其它有特殊要求的多星发射及轨道部署需求。考虑贮箱材料与 过氧化氢相容性以及加工工艺等因素，上面级贮箱采用2219铝合金作为贮箱材料，而管理 装置PMD为海绵钛，管理装置和贮箱采取钛铝过渡接头连接形式。因此钛铝过渡接头连接 技术的突破将推进航天领域先进上面级的研制，钛铝过渡接头可以在航空航天和汽车等军 民用相关结构中推广使用，从而实现结构件轻量化和其它功能性要求。
[0004] 钛及钛合金与2219铝合金现有的焊接方法，如钨极氩弧焊、电子束焊和钎焊等， 均不能进行可靠焊接，原因是钛、铝具有冶金不相容性，如果采用钨极氩弧焊或电子束等熔 化焊的焊接方法，焊接接头会产生钛铝金属间化合物，该化合物为脆性相，使得焊接接头根 本不具备实用价值；由于2219铝合金是合金化程度较高的铝合金，其中含有约6%左右的 铜和其它一些合金元素如Ti、Zr、V、Mn等，这些元素的存在导致2219铝合金熔化温度较低， 约540°C左右，低于现有铝基焊料固相线温度（BA188Si，580°C )，所以直接钎焊不可行。
[0005] 可见如果能找到一种合适的过渡材料，设计并制备出钛及钛合金与铝合金的连接 过渡接头，该过渡接头能分别与钛及钛合金、2219铝合金在现有焊接方法条件下形成可靠 焊接接头，那么就能解决钛及钛合金和2219铝合金的焊接问题。本发明就是基于这一目的 而研发的。
【发明内容】
[0006] 本发明的技术解决的技术问题为：克服现有技术的不足，提供了一种钛或钛合金 与2219铝合金焊接方法，解决钛或钛合金与2219铝合金两种不同金属材料可靠焊接问题。
[0007] 本发明采用的技术方案为：
[0008] 钛或钛合金与2219铝合金的焊接方法，步骤如下：
[0009] 第一步，加工待焊接零件，并将待焊接零件清洗干净、烘干；所述待焊接零件包括 钛或钛合金、2219铝合金以及3A21铝合金；
[0010] 第二步，将3A21铝合金与钛或钛合金进行装配；
[0011] 第三步，选用铝基钎料8八18831，主要成分为31:10.0~13%、（：11:4.0~6.0% Mg: I. 2~2. O余量为A1，均为重量百分比，将钎料放入步骤二中装配好的工件的待焊面或 钎料槽中；
[0012] 第四步，将装配好钎料的待焊工件放入真空钎焊炉进行钎焊，形成钎焊件；钎焊规 范：先 10°C /min 升至 500 ~550°C、保温 lOOmin，再 5°C /min 升至 590 ~650±10°C、保温 8~20min，然后关闭加热电源随炉冷却，炉温冷至KKTC以下出炉，加热过程中真空压力不 大于 5X10 2Pa ;
[0013] 第五步，对钎焊接头进行气密检测和超声检测；
[0014] 第六步，将所述钎焊件与所述2219铝合金进行装配；
[0015] 第七步，采用真空电子束焊接方法，将钎焊件中3A21铝合金一端与2219铝合金焊 接起来，焊接规范为：加速电压60KV、聚焦电流350mA、焊接束流12mA ;
[0016] 第八步，对电子束焊接接头进行气密检测，完成钛或钛合金与2219铝合金的焊 接。
[0017] 所述待焊接零件均为管件时，钛或钛合金管件与3A21铝合金管件插接，插接接头 处，钛或钛合金管件内置于3A21错合金管件，插接距离不小于5mm ;钛或钛合金管件与3A21 铝合金管件钎焊在一起后，与2219铝合金管件通过对焊或封焊的方式焊接在一起。
[0018] 钛或钛合金管件与3A21铝合金管件钎焊在一起后，与2219铝合金管件采用对焊 时，3A21铝合金管件一端与2219铝合金管件进行焊接，对焊处与钎焊焊缝之间的距离不小 于 10mnin
[0019] 钛或钛合金管件与3A21铝合金管件钎焊在一起后，与2219铝合金管件采用封焊 时，钛或钛合金管件与3A21错合金管件钎焊在一起后，插入2219错合金管件中，且3A21错 合金管件的端部与2219铝合金管件端部齐平，3A21铝合金管件的端部与钎焊焊缝之间的 距离不小于l〇mm。
[0020] 钛或钛合金管件与3A21铝合金管件插接时，装配间隙为0. 03~0. 08mm
[0021] 所述待焊接零件的管件外径Φ 10~200mm，管件壁厚δ为〇. 5~10mm。
[0022] 所述待焊接零件均为板件时，钛或钛合金板件与2219铝合金板件进行对接、角接 或搭接焊接时，通过3A21铝合金板件进行过渡。
[0023] 本发明技术方案带来的有益效果为：
[0024] (1)本发明实现了异种金属之间的可靠焊接，解决了现有技术无法解决的难题。焊 接接头中钎焊焊缝（钛及钛合金与3A21铝合金）强度能达到3A21铝合金强度的85%以 上、电子束焊缝（3A21铝合金与2219铝合金）强度能达3A21铝合金强度的90%以上。
[0025] (2)本发明采用AI-Si-Cu-Mg钎料降低了钛及钛合金与3A21铝合金钎焊连接时接 头溶蚀的可能，从而有效的避免了焊接缺陷，提高了接头强度。
[0026] (3)本发明设计的钛及钛合金接头内置于3A21铝合金接头的连接方式，通过不同 材料加热时膨胀系数差异实现了焊接面紧密贴合，从而达到了可靠的连接。
[0027] (4)本发明设计的接头间隙和工艺曲线实现了钛及钛合金与3A21铝合金可靠连 接，钎缝钎着率达到95 %以上，承载强度与基体相当。
[0028] (5)本发明中采用钎焊与电子束的复合焊接工艺，保证了接头强度。
【附图说明】
[0029] 图1为本发明异种金属对焊结构示意图；
[0030] 图2为本发明异种金属封焊结构示意图；
[0031]
【具体实施方式】
[0032] 钛或钛合金与2219铝合金的焊接结构用于运载火箭上面级贮箱与PMD管理装置 连接，满足GEO卫星、MEO卫星、深空探测和其它有特殊要求的多星发射及轨道部署需求。目 前已用于运载火箭X X-IX X-2上面级。钛铝过渡接头连接技术的突破将推进航天领域 先进上面级的研制，同时钛铝过渡接头可以在航空航天和汽车等军民用相关结构中推广使 用，从而实现结构件轻量化和其它功能性要求。
[0033] 为了解决现有技术中异种金属之间难以焊接的问题，尤其是钛或钛合金与2219 铝合金之间无法焊接的问题，本发明提出了一种钛或钛合金与2219铝合金的焊接方法。
[0034] 为达到本发明所要达到的目的，首先要找到一种合适的过渡材料，这种材料需要 具备与钛及钛合金和2219铝合金都有良好的可焊性（熔焊或高能束焊或钎焊），而且其本 身要有较高的强度和韧性。通过综合性能对比，发现有一种铝合金，牌号为3A21，其典型成 分为：
[0035]
[0036] 其固相线温度为643°C，液相线温度为654°C。
[0037] 通过试验发现3A21铝合金与钛及钛合金具有良好的钎焊可焊性，与2219铝合金 具有良好的电子束焊可焊性，均可形成可靠焊接接头。
[0038] 本发明就是基于上述思路，采用3A21铝合金作为过渡金属，采用钎焊和电子束 焊，实现钛及钛合金与2219铝合金的可靠焊接。
[0039] 本发明提供的钛或钛合金与2219铝合金的焊接方法步骤如下，
[0040] 第一步，加工待焊接零件，并将待焊接零件清洗干净、烘干；所述待焊接零件包括 钛或钛合金、2219铝合金以及3A21铝合金；
[0041] 第二步，将3A21错合金与钛或钛合金进行装配；钛或钛合金管件内置于3A21错合 金管件，插接长度不小于5mm，并预留出钎料槽，配合间隙为0. 03-0. 08mm，从而保证焊接时 焊接面紧密贴合和钎料顺利流入钎焊面形成连续致密钎缝，保证接头强度。
[0042] 第三步，选用铝基钎料六13丨(：111%，主要成分为3丨：10.0~13%、（：11 :4.0~6.0% Mg: 1. 2~2. 0余量为