一种提高钛合金/铝合金异种金属搅拌摩擦点焊接头强度的方法
【专利摘要】本发明公开了一种提高钛合金/铝合金异种金属搅拌摩擦点焊接头强度的方法：首先将表面清理过的钛合金放入熔融铝液的坩埚中，在通有氩气的电阻炉中保温一段时间后匀速取出，在钛合金表面渗一层铝；然后将渗铝后的钛合金置于下层，铝合金放在上层，中间加入薄片状的低熔点中间层；用带针的搅拌头旋转压入，在搅拌针区域实现搅拌摩擦点焊，同时在轴肩区域实现扩散连接。这种方法通过钛合金表面改性，同时加入低熔点中间层，在实现搅拌摩擦点焊的同时利用搅拌头与轴肩摩擦产热熔化中间层来实现钛/铝的扩散连接，从而提高了接头连接强度。本发明的焊接方法连接可靠，工艺简单，在不增加搅拌头直径和轴肩直径的同时，大大增强接头的强度和和疲劳性能。
【专利说明】
一种提高钛合金/铝合金异种金属搅拌摩擦点焊接头强度的方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种提高钛合金/铝合金异种金属搅拌摩擦点焊接头强度的方法，属于焊接技术领域。
技术背景
[0002]在航空发动机和飞机制造业中对“减轻重量，提高推重比，增加有效载荷”的要求越来越高；同时，在汽车制造工业领域中对结构的轻量化设计的趋势也日益突显。钛/铝复合结构由于其具有钛合金的高强度和结构整体的低重量而备受航空航天、汽车行业、武器装备化工能源等领域的青睐。特别是在飞机座椅导轨以及汽车的板式散热器中，都需要采用钛/铝复合结构。钛/铝复合结构的制造过程中，对两种金属的焊接是无法避免的。但是，由于钛、铝化学性质活泼以及它们在晶体结构和物理性能方面的巨大差异，采用传统意义上的熔焊方法难以获得理想的焊接接头。
[0003]搅拌摩擦点焊是在搅拌摩擦焊接基础上，新近研究开发的一种创新的焊接技术，主要用于铝合金的焊接，现在逐渐被应用到异种金属的焊接上。搅拌摩擦点焊的焊接接头有两种形式:一种是带退出孔的搅拌摩擦点焊，一种是不带退出孔的搅拌摩擦点焊，两种焊接接头都有各自的优缺点:带有退出孔的搅拌摩擦点焊对设备要求不高，但由于搅拌针的扎入而导致大量金属被挤出，焊接终了搅拌针从焊接工件中拔出形成“匙孔”，影响了接头性能；不带退出孔的搅拌摩擦点焊，点焊接头外观光滑，基本与母材齐平，焊接后不需要进行特殊的焊后处理和加工，但这种方法的主要缺陷是在母材和接头处容易产生孔洞。采用搅拌摩擦点焊焊接钛合金和铝合金的时候，发现强度普遍不高，接头强度的主要依靠搅拌针区域的结合。
[0004]钛/铝异种金属搅拌摩擦点焊结构的搅拌针直径是衡量点焊接头承载能力的重要指标。当采用单一的搅拌摩擦点焊焊接技术焊接时，有效焊接宽度取决于所采用的搅拌针的直径;若采用大直径的搅拌针进行焊接来增加有效焊接宽度，则由于搅拌摩擦焊的金属塑性流动规律，必须对应采用轴肩直径较大的搅拌头，这在增加搅拌头的制造成本的同时，也必须增加点焊接头的焊接宽度，从而对结构整体的减重效果带来影响。因此，采用一种焊接宽度固定，能够最大限度增加有效焊接面积的焊接方法对钛/铝异种金属进行搅拌摩擦点焊，无疑会是具有极大的应用价值和应用前景。
[0005]因此考虑加入中间层的方法，利用轴肩产热实现钛/铝在轴肩区域的扩散连接。但是由于钛和铝的熔点相差较大，搅拌摩擦点焊时间较短，难以在短时间内实现钛和铝的扩散连接，因此通过在钛合金表面热浸渗铝，再加入低熔点中间层，这样就可以利用搅拌头轴肩与工件摩擦产热熔化中间层从而实现钛/铝的扩散连接。
【发明内容】
[0006]本发明所要解决的技术问题在于现有搅拌摩擦点焊接技术焊接钛/铝时接头强度不高的问题，提供一种在钛表面热浸渗铝，同时加入低熔点中间层的方法，在实现搅拌摩擦点焊的同时，利用轴肩产热熔化中间层从而实现钛铝的扩散连接。
[0007]—种提高钛合金/铝合金异种金属搅拌摩擦点焊接头强度的方法，其特征在于，方法如下:
(1)首先将钛合金板放入硝酸、氢氟酸的混合溶液中，一段时间后取出，清水冲洗后用丙酮擦拭表面，吹干待用；
(2)将经过表面处理后的钛合金板浸入熔融状态中的铝溶液中，780°C温度下保温20min，然后匀速取出；
(3)用砂纸打磨铝合金和浸镀铝的钛合金表面后放入氢氧化钠溶液中，再放入硝酸水溶液中，最后用清水冲洗，用丙酮擦拭后吹干；
(4)将钛合金板置于下面，铝合金放在上面，中间加入低熔点薄片状中间层，采用带针的搅拌头焊接。
[0008]所述步骤(2)中，铝液可以为纯铝、铝硅合金、或加入其他元素的铝合金的熔融液，渗层厚度为20-200μπι。
[0009]所述步骤(4)中，低熔点钎料为纯Zn箔或Zn基、Al基箔片钎料，熔点在400-500°C之间，厚度为0.05-0.2mm。
[0010]所述步骤(4)中，搅拌头的转速在400rpm-2000rmp之间，焊接时间为10-50s。
[0011]所述钛合金为TA、TB、TC系列的钛合金，而铝合金则为纯铝、Al-Mg系、Al-Cu-Mg系、Al-Mg-Si系铝合金。
[0012]本发明在钛合金表面热浸渗铝，由于渗铝温度远低于相变温度，渗铝后不会对钛合金性能造成影响。同时渗铝时间合适，渗层由外表面的镀铝层和结合处的渗铝层构成，保证铝层与钛合金有较好的结合强度的同时，外表面的镀铝层又能与中间层实现较好的润湿反应。
[0013]本发明的主要优点在于:在不改变搅拌针直径和原有参数的条件下，得到具有点焊和扩散焊的钛/铝复合焊接接头，能使接头强度有较大的提升，具有较大的工程意义。
【附图说明】
[0014]图1为本发明焊接示意图。
[0015]图2为本发明焊接过程示意图。
[0016]图3为本发明渗铝示意图。
[0017]图4为带有渗铝层的钛合金。
[0018]图中I为铝合金板、2为钛合金板、3为中间层、4为搅拌头、5为渗铝层。
【具体实施方式】
[0019]下面根据说明书附图举例进一步说明:
实施例1
本发明提供一种提高钛合金/铝合金异种金属搅拌摩擦点焊接头强度的方法，如图1-4为主要过程图；实验采用扣4钛合金2和2414铝合金1，首先将1^4和2412铝合金切割成75乂35 X 3mm规格大小的试样，将放入硝酸:氢氟酸:水=1:1: 10的混合溶液中，2min后取出，清水冲洗后用丙酮擦拭表面，吹干待用。将处理后的钛合金板单面浸入装有熔融铝液的方形坩祸中，如图3所示，两边有支架支撑，保证铝液刚好浸没钛合金一面，放入具有氩气保护的电阻炉中，780 °C温度下保温20min，在钛合金表面形成一层渗铝层5，取出后打磨掉边缘飞边后如图4所示。然后用砂纸打磨铝合金和渗铝的钛合金表面后放入氢氧化钠溶液中，Imin后取出，再放入稀硝酸水溶液中，1s后取出，清水冲洗后用丙酮擦拭吹干。将钛合金板置于下面，铝合金放在上面，中间加入0.05mm厚Zn箔片3，用特制的夹具压住搭接板。采用带针的搅拌头4焊接，如图2所示，转速为1200rpm，时间为18s，下压量为0.4_，在此工艺参数下，接头拉剪载荷达到11.39kN。而采用相同的尺寸的搅拌头直接对TC4和2A14铝合金进行搅拌摩擦点焊，通过一系列实验，得到的接头拉剪载荷最高仅为7.26kN。采用本发明的方法，通过钛合金表面渗铝，同时加入Zn箔，钛合金/铝合金异种金属搅拌摩擦点焊接头的强度提高了56.9%ο
[0020]显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。
【主权项】
1.一种提高钛合金/铝合金异种金属搅拌摩擦点焊接头强度的方法，其特征在于，至少包括以下几个步骤: (1)首先将钛合金板放入硝酸、氢氟酸的混合溶液中，一段时间后取出，清水冲洗后用丙酮擦拭表面，吹干待用； (2)将经过表面处理后的钛合金板浸入熔融状态中的铝溶液中，780°C温度下保温20min，然后匀速取出； (3)用砂纸打磨铝合金和浸镀铝的钛合金表面后放入氢氧化钠溶液中，再放入硝酸水溶液中，最后用清水冲洗，用丙酮擦拭后吹干； (4)将钛合金板置于下面，铝合金放在上面，中间加入低熔点薄片状中间层，采用带针的搅拌头焊接。2.根据权利要求1所述一种提高钛合金/铝合金异种金属搅拌摩擦点焊接头强度的方法，其特征在于:在所述步骤(2)中，铝液可以为纯铝、铝硅合金、或加入其他元素的铝合金熔液，渗层厚度为20-200μπι。3.根据权利要求1所述一种提高钛合金/铝合金异种金属搅拌摩擦点焊接头强度的方法，其特征在于:在所述步骤(4)中，低熔点中间层为纯Zn箔或Zn基、A1基箔片，熔点在400-500 °C 之间，厚度为 0.05-0.2mm。4.根据权利要求1所述一种提高钛合金/铝合金异种金属搅拌摩擦点焊接头强度的方法，其特征在于:搅拌头的转速在400rpm-2000rmp之间，焊接时间为10-50s。5.根据权利要求1所述一种提高钛合金/铝合金异种金属搅拌摩擦点焊接头强度的方法，其特征在于:这里使用的钛合金为TA、TB、TC系列的钛合金，而铝合金则为纯铝、Al-Mg系、Al-Cu-Mg 系、Al-Mg-Si 系铝合金。
【文档编号】B23K20/12GK106077945SQ201610515613
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年7月4日
【发明人】陈玉华, 曹文明, 李树寒
【申请人】南昌航空大学