钛金属材料与铝合金材料的填丝电子束焊接方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及金属连接技术领域，具体地说是一种钛金属材料与铝合金材料的填丝电子束焊接方法。
【背景技术】
[0002]钛合金与铝合金拥有高的比强度、较好的耐蚀性能等优点，可以广泛地应用于航空航天工业等。采用铝合金与钛合金的复合结构件可以满足性能的需要，又可以节约成本，减轻结构的重量，并且在某些部位应用防锈铝合金还可以在一定程度上延长使用年限。但是钛合金与铝合金在物理、化学性质等方面有很大的差异，并且两种金属焊接熔化混合凝固时容易形成脆性的金属间化合物，在焊接过程中就会导致裂纹产生。使用常规的焊接方法焊接钛合金与防锈铝合金，因为上述两种材料的冶金不相容性以及物理性能差异大，焊缝不能满足要求。考虑到电子束焊接具有的定位精确、热输入量小以及能量密度高等优点，同时在焊接过程中填充焊丝，改善冶金条件，从而弥补钛合金与招合金之间的冶金不相容性，并减少脆性的金属间化合物的产生，提高力学性能。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是为了解决现有焊接工艺在对钛合金与铝合金进行异种金属进行焊接时，由于金属冶金不相容性以及物理性能差异大等原因而使得焊缝的力学性能较差的问题，提供一种利用电子束填丝焊的工艺对钛金属材料与铝合金材料的填丝电子束焊接方法。
[0004]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
一种钛金属材料与铝合金材料的填丝电子束焊接方法，其特征在于焊接时所述钛合金与铝合金对接面填充铝合金焊丝，所述铝合金焊丝经电子束焊接方法将钛合金与铝合金焊接在一起，
所述电子束焊接方法步骤为:
一、使用800#或者600#的水砂纸对钛合金和铝合金的表面进行打磨，将表面的氧化膜等杂质去除，使它们露出无锈无杂质的待焊接面，之后用蘸有丙酮的无纺布对待焊接面进行擦拭，然后将钛合金与铝合金以对接的方式固定在真空装置中的夹具上，所述钛合金与铝合金的间隙在0-0.3mm范围内，并且保证间隙方向与电子束束流移动方向平行，然后将电子束的束流下束点对准待焊部位；
二、将直径为0.8-1.2mm的铝合金焊丝从送丝机构中送出，并经过送丝喷嘴送至电子束束流下束的位置上，铝合金焊丝从喷嘴伸出的长度为l_2cm，其长度为干伸长；
三、检查待焊件与电子束焊接系统准备到位，然后将真空室关闭并抽真空，当真空室内的气压低于5X 10 2Pa时开始焊接，焊接时采用前置送丝焊方位，将焊丝插入熔池前端，以一定的速度勾速进行焊接，电子枪的工作高度为50mm。
[0005]本发明所述铝合金焊丝的成分按质量百分比组成可以采用Mg为3%_8%、Μη为0.1%-2%、Ti 为 0.05-0.1% 和余量为 A1 ;也可以采用 Mg 为 3%_8%、Μη 为 0.1%_2%、Ti 为0.05-0.l%、Si为1%-5%和余量为A1 ;还可以采用Si为5%_13%、Mg为0.5-1%和余量为A1。
[0006]本发明所述铝合金焊丝在焊接时的待焊部位的电子束束流作用点的位置可偏向铝侧的距离d为0.1-1.5mm，以利于通过填充铝合金焊丝，使电子束流将焊丝熔化，在钛合金侧，熔化的铝合金焊丝在钛合金表面铺展，发生钎焊反应，在铝合金侧，熔化的铝合金焊丝所带来的热量可以将部分铝母材熔化，而发生熔焊，使填充铝合金焊丝可以防止钛合金母材熔化，而直接与熔化的铝合金发生发应，不但显著降低有害化合物的生成，而且，通过焊接过程中填充招合金焊丝，改善冶金条件，从而弥补钛合金与招合金之间的冶金不相容性，并减少脆性的金属间化合物的产生，显著提高力学性能。
[0007]本发明所述铝合金焊丝在焊接时，电子束束流为5_20mA，加速电压10_100kV，焊接速度50-500mm/min，所述焊接母材厚度为0.5_5mm，以达到热输入量小、能量密度高的作用。
[0008]本发明所述铝合金焊丝与电子束束流的夹角为30-60°，且电子束束流与焊丝的作用点与试板上表面距离h在0.5-2mm范围内，达到高效稳定地对异种金属进行焊接的作用。
[0009]本发明由于采用上述焊接方法，具有以下优点:
1.通过对钛合金与铝合金的异种金属电子束焊接过程引入填丝焊接工艺，显著改善焊缝的成形、提高焊缝的力学性能，避免了焊接缺陷，并且可以高效稳定地完成异种金属的连接;
2.由于所述钛合金与铝合金的电子束填丝焊是在真空中进行，并且铝合金焊丝对焊缝熔池有冶金改善作用，所以焊缝不会生成氧化物夹杂，同时可以显著抑制金属间化合物的产生，解决了现有技术中异种金属不能通过电子束焊接进行可靠连接的实质性技术问题；
3.本发明不但可以对钛合金与铝合金的板材的电子束填丝焊，而且，还能扩展到对薄壁管或其他复杂形状的钛合金与铝合金异种金属的电子束填丝焊。
[0010]【附图说明】:
图1是本发明中真空装置的结构示意图。
[0011]图2是本发明焊接过程中铝合金焊丝与电子束束流位姿示意图。
[0012]图3是本发明的电子束流作用点示意图。
[0013]附图标记:真空室1、夹具2、夹具移动支架3、伺服电机、电子束焊枪4、焊枪移动支架5、喷嘴支架6、送丝喷嘴7、送丝机构8、夹具卡扣9、钛合金试板母材10、招合金试板母材
11、铝合金焊丝12。
【具体实施方式】
[0014]下面结合实施例对本发明进一步说明:
实施例1:选取TA15钛合金试板母材与招合金试板母材进行电子束焊接，焊接步骤为:
1.先选取真空装置，本发明所使用的真空装置包括真空室1，所述真空室1内设有夹具
2、夹具移动支架3、伺服电机、电子束焊枪4、焊枪移动支架5、喷嘴支架6、送丝喷嘴7和送丝机构8，所述夹具移动支架3和焊枪移动支架5平行设置，所述夹具移动支架3上端与夹具2固定连接，所述夹具移动支架3下端经横向滑轨与真空室1滑动连接，并经横向伺服电机驱动，所述夹具上设有夹具卡扣9，所述焊枪移动支架5上端与电子束焊枪4固定连接，下端经纵向滑轨与真空室1滑动连接，并经纵向伺服电机驱动，所述电子束焊枪4位于两个焊接工件的焊接间隙并偏向铝合金试板上方偏向铝侧的距离d为0.1mm，，在所述电子束焊枪4上端设有喷嘴支架6，喷嘴支架6上端与送丝喷嘴7相连接，所述送丝喷嘴7前端弯折，以使铝合金焊丝穿过送丝机构8和送丝喷嘴7后与焊接间隙相对应；
2.选取所述TA15钛合金试板母材的成分按质量百分比组成为A1:6%、Zr:2%、Mo:1%、
V:1%、杂质< 0.2%，余量为Ti，厚度为2_，防锈铝合金试板母材的成分按质量百分比组成为:Si:0.4%、Fe:0.4%、Mn:0.4%、Cr: 0.25%、Zn:0.25%、其他杂质:0.15%，余量为 A1 ;厚度为2mm，使用800#或者600#的水砂纸对TA15钛合金试板母材10和铝合金试板母材11的表面进行打磨，将表面的氧化膜等杂质去除，使它们露出无锈无杂质的待焊接面，之后用蘸有丙酮的无纺布对待焊接面进行擦拭，然后将TA15钛合金试板母材10与铝合金试板母材11以对接的方式分别经夹具卡扣9固定在夹具2上，TA15钛合金试板母材10与铝合金试板母材11待焊接面的间隙留为0.1mm，并且，其间隙方向与电子束焊枪的束流移动方向平行，然后将电子束焊枪的束流下束点对准待焊接头间隙的中间部位，所述电子束束流与焊丝的作用点与试板上表面距离h为2mm，所述电子束束流与铝合金焊丝之间的夹角α为60°，
3.选取直径为1.2_、成分按质量百分比为:Mg为3%-8%、Μη为0.1%_2%、Ti为0.05-0.1%和余量为A1的铝合金焊丝12从送丝机构中送出，并经过送丝喷嘴送至电子束束流下束的位置上，铝合金焊丝从喷嘴伸出的长度为2cm，为干伸长；
4.检查待焊材料与电子束焊接系统准备到位，然后将真空室关闭并抽真空，当真空室内的气压低于5X 10 2Pa时开始焊接，焊接时采用前置送丝焊方位，将焊丝插入熔池前端，以束流15Ma、加速电压50Kv，焊接速度为200mm/min的速度进行焊接，在焊接过程中，铝合金焊丝通过电子束熔化填充，在钛合金试板母材侧，熔化的焊丝在钛合金试板母材表面润湿铺展，在铺展截面发生钎焊反应，在铝合金侧，熔化的铝合金焊丝所带来的热量将部分铝母材熔化，而发生熔焊，通过填充铝合金焊丝，放置钛合金试板母材熔化，而直接与熔化的铝合金发生反应，进而将钛合金试板母材和铝合金试板母材焊