专利名称：非连续增强钛基复合材料的氩弧焊焊接方法
技术领域：
本发明涉及金属材料领域，尤其是钛基复合材料的二次加工技术中的材料连接技术领域，特别涉及一种非连续增强钛基复合材料的氩弧焊焊接方法。
背景技术：
非连续增强钛基复合材料(TMCs)以其高比强度、比刚度和良好的抗高温、耐腐蚀性能，在航空航天等领域有着广阔的应用前景和发展潜力，替代目前广泛应用的高温钛合金，成为超高音速宇航飞行器、先进航空发动机的理想候选材料，在气体涡轮机发动机风扇叶片、飞机起落架、飞机构架结构、导弹结构方面具有良好的工程应用前景。目前，非连续增强钛基复合材料的制备工艺、成型工艺、高温蠕变机理、热处理工 艺等方面开展了大量的研究工作，并取得诸多具有领先地位和创造性的科研成果。然而，唯有其焊接性和焊接工艺的研究远落后于其它方面的研究，成为该材料走向实用化的严重障碍和瓶颈。众所周知，一种新材料只有被加工成结构件才具有真正的实用价值，其广泛应用肯定会涉及到其焊接连接问题，而有时甚至焊接是唯一的加工手段。就单一的钛合金来说，常规的各种焊工艺都是广泛使用的效率高、成本效益好的加工方法，应用范围较广。但对于TMCs，其由成分、结构和性能相差很大的金属和非金属材料复合而成，它们之间的物理、化学相容性较差，因此，与基体相比，钛基复合材料(TMCs)的焊接性有很大的差异，困难较大。虽然从60年代金属基复合材料问世后，国外科研工作者已较为成功地解决了航天飞机中所用连续纤维增强金属基复合材料的焊接问题，但在如何简化焊接工艺、提高焊接效率、降低成本和扩大应用领域等方面仍有待进一步深入的研究，焊接工艺仍是该类材料的应用难题之一。经对现有技术文献的检索发现，国外专家学者对纤维增强钛基复合材料的熔焊法和固态连接法等工艺进行诸多尝试。Hirose等(Diffusion bonding of SiC fiberreinforcedTi-6Al-4V alloy, Mat. Sci. and Tech. , 1992,8 (9) :811-815)研究以未强化合金作为中间层扩散焊连接40SiC% (纤维)强化的Ti-6A1_4V钛合金焊接性。Baeslack等(CapacitorDischarge Resistance Spot Welding of SiC Fiber-Reinforced Ti-6A1_4V.Welding Journal, October 1993 :479-491)采用电容放电点焊方法成功地连接了 35 %SiCf/Ti-6Al-4V 钦合金。Antonio 等(Mechanical and Metallurgical Propertiesof Friction-Welded TiC ParticulateReinforced Ti-6A1_4V, Composites Scienceand Technology，2004，64 :1495-1501)研究了惯性摩擦焊对钛基复合材料(10% TiC/Ti_6Al_4V)的影响规律与机制。Paul 等申请了“Friction Stir Welding of Metal MatrixComposites” (专利号US20080156846A1)，该方法解决了纤维增强金属基复合材料焊接的界面问题，获得高质量的焊接接头。由上述可以看出，目前比较成熟的也仅仅是对连续长纤维增强钛基复合材料的焊接研究与应用，而这类复合材料的焊接，实际上主要是复合材料外层基体与基体之间的连接，并非复合材料之间的连接。并且，上述各焊接工艺法，无论是扩散焊，电容放电焊，还是摩擦焊，都存在工艺复杂，不易控制等问题，对焊件的焊接接头形式或尺寸有特殊的要求，其应用的适用性有所限制，焊接接头性能与母材性能有差距，达不到使用要求，至今还未有成功用于工业批量生产的报道。相比较而言，国内的金属基复合材料的焊接研究主要集中在铝基复合材料或钛合金方面的焊接工艺研究，尚未看到有钛基复合材料，尤其是非连续增强钛基复合材料焊接研究的相关报道。综上所属，迄今为止，人们还未找到一种行之有效的焊接方法广泛用于金属基复合材料，尤其是非连续增强钛基复合材料实际结构的连接之中。在所有的焊接方法中，唯有钨极氩弧焊法因其对焊接接头形式、焊件尺寸、焊接位置等工艺适应性强，焊接设备成本低，最具有推广应用的价值。
发明内容
为克服现有技术存在的问题，本发明目的在于提供一种使非连续增强钛基复合材料得到优良综合性能、强度高的焊接接头的非连续增强钛基复合材料的氩弧焊焊接方法。
本发明的目的通过以下技术方案来实现一种非连续增强钛基复合材料的氩弧焊焊接方法，采用两个待焊的钛基复合材料焊件对接或者搭接，实现同种钛基复合材料的高质量接头焊接，包括以下步骤第一步，将非连续增强钛基复合材料母材切割成所需的焊件尺寸，用除油剂去除焊件表面所粘附的油污等杂质，再用流动的水冲洗焊件并烘干；第二步，将焊件放在熔融的浓碱溶液中进行热碱爆处理，再温水冲洗，烘干；第三步，将碱爆处理后的焊件放在一定配比的混合酸溶液中进行酸洗，常温流动水冲洗，烘干；第四步，将经酸洗后的焊件在指定酸溶液中进行光亮处理，清水冲洗，烘干，待用；第五步，将待焊的焊件用焊接夹具压紧后对接或搭接，正、反面和尾拖罩施以纯氩气对焊缝进行保护，调整焊接电压、电流，以一定的焊接速度实现非连续增强钛基复合材料的氩弧焊焊接。依照本发明所述的非连续增强钛基复合材料的氩弧焊焊接方法，其非连续增强钛基复合材料其钛基复合材料基体是各种钛及钛合金，增强体是TiB、TiC、稀土氧化物中的一种或多种。依照本发明所述的非连续增强钛基复合材料的氩弧焊焊接方法，其非连续增强钛基复合材料母材为两边等厚的板材，且其厚度为O. 5 2. 5mm。依照本发明所述的非连续增强钛基复合材料的氩弧焊焊接方法，上述的除油剂为NCRT-202型除油剂，其与水的配比为I : 5 I : 20，溶液温度为40°C 80°C。依照本发明所述的非连续增强钛基复合材料的氩弧焊焊接方法，第二步中的热碱爆处理在NaOH、KOH和NaNO3的混合熔融浓碱溶液中进行，且三者浓度按质量比计算分别为=NaOH (60 80) %；K0H(5 15) % ；NaN03 (10 25) %，浓碱液温度在 350。。 550。。，浸泡时间为5 15min。依照本发明所述的非连续增强钛基复合材料的氩弧焊焊接方法，第三步中的酸洗在室温下用质量浓度为40%的氢氟酸、质量浓度为70%的硝酸和质量浓度为40%的盐酸配比成的混合溶液中进行，且三者的浓度按体积比计算分别为氢氟酸(O. I I) % :硝酸(5 7) % 盐酸(30 40) % :浸泡时间为3 15min。依照本发明所述的非连续增强钛基复合材料的氩弧焊焊接方法，第四步中的光亮处理在用质量浓度为70%的硝酸和质量浓度为40%的氢氟酸配比成的混合溶液中进行，且两者的浓度按体积比计算分别为硝酸(10 40)% 氢氟酸(I 4)%，酸处理时间为2 6min，混合酸溶液的温度在40°C 60°C。依照本发明所述的非连续增强钛基复合材料的氩弧焊焊接方法，第五步中，焊件 工艺参数为根据O. 5 2. 5mm的焊接厚度调控焊接电压为5 20V，焊接电流为60 140V，焊接速度为15 60cm/min;焊件正、反面均采用高纯氩气保护，气体流量为10 35L/min，尾拖罩气体流量为5 30L/min。本发明所述的工艺方法在焊接过程中仅采用两个待焊的钛基复合材料件对接或者搭接，实现同种钛基复合材料的高质量接头焊接，焊接接头的室温抗拉强度不低于母材强度的85.6%。与现有焊接技术相比，本发明具有操作简便、焊接接头强度高、焊接接头无气孔等缺陷的优点。并且，本发明工艺对焊接接头形式、焊件尺寸、焊接位置等工艺适应性强，焊接设备成本低，可用于工业批量生产，最具有推广应用的价值。
图I为本发明非连续增强钛基复合材料的氩弧焊焊接方法的流程图；图2为本发明制备的钛基复合材料焊接接头焊缝组织低倍形貌像图；图3为本发明制备的钛基复合材料焊接接头焊缝熔合区、过渡区和热影响区组织的扫描电镜(SEM)形貌像图；图4为本发明制备的钛基复合材料焊接接头焊缝熔合区SEM形貌像图。
具体实施例方式下面结合附图并列举实施例对本发明技术方案作进一步说明，以下的实例仅为了进一步说明本发明，并不限制本发明内容。请参阅图1，一种非连续增强钛基复合材料的氩弧焊焊接方法，采用两个待焊的钛基复合材料焊件对接或搭接，实现同种钛基复合材料的高质量接头焊接，包括以下步骤Sll :将非连续增强钛基复合材料母材切割成所需的焊件尺寸，用除油剂去除焊件表面所粘附的油污等杂质，再用流动的水冲洗焊件并烘干。非连续增强钛基复合材料的基体是各种钛及钛合金，增强体是TiB、TiC、稀土氧化物中的一种或多种。且上述的母材为两边等厚的板材，其厚度为O. 5 2. 5mm。上述的除油剂为NCRT-202型除油剂，其与水的配比为I : 5 I : 20，溶液温度为 40°C 80°C。S12 :将焊件放在熔融的浓碱溶液中进行热碱爆处理，再温水冲洗，烘干。热碱爆处理在Na0H、K0H和NaNO3的混合熔融浓碱溶液中进行，且三者浓度按质量比计算分别为Na0H(60 80) %;K0H(5 15) %;NaN03(10 25) %，浓碱液温度在350°C 550°C，浸泡时间为5 15min。S13 :将碱爆处理后的焊件放在一定配比的混合酸溶液中进行酸洗，常温流动水冲洗，烘干。酸洗在室温下用质量浓度为40%的氢氟酸、质量浓度为70%的硝酸和质量浓度为40%的盐酸配比成的混合溶液中进行，且三者的浓度按体积比计算分别为氢氟酸(O. I I) % :硝酸(5 7) % 盐酸(30 40) % :浸泡时间为3 15min ；S14 :将经酸洗后的焊件在指定酸溶液中进行光亮处理，清水冲洗，烘干，待用。光亮处理在用质量浓度为70%的硝酸和质量浓度为40%的氢氟酸配比成的混合溶液中进行，且两者的浓度按体积比计算分别为硝酸(10 40)% 氢氟酸(I 4)%，酸处理时间为2 6min，混合酸溶液的温度在40°C 60°C。S15:将待焊的焊件用焊接夹具压紧后对接或搭接，正、反面和尾拖罩施以纯氩气对焊缝进行保护，调整焊接电压、电流，以一定的焊接速度实现非连续增强钛基复合材料的氩弧焊焊接。 焊件工艺参数为根据O. 5 2. 5mm的焊接厚度调控焊接电压为5 20V，焊接电流为60 140V，焊接速度为15 60cm/min。焊件正、反面均采用高纯氩气保护，气体流量为10 35L/min，尾拖罩气体流量为5 30L/min。以下列举实施例对本发明进行进一步说明实施例I将O. 5mm厚的3 % (TiB+TiC)/TillOO钛基复合材料板材线切割加工成150 X IOOmm焊件，焊前首先对板材进行表面处理，用NCRT-202型除油剂，其与水的配比为
I 5，温度为 40°C，温水冲洗，烘干；然后，在 350°C 的 60wt% Na0H+15wt% K0H+25wt%NaNO3的熔融浓碱溶液中浸泡15min，温水冲洗后烘干；之后，将板材在室温下的O. I %HF+5% HN0s+30% HCl溶液中浸泡lOmin，进行酸洗处理；然后，在40°C的10% HNO3+1 % HF溶液中光亮处理2min，清水冲洗后烘干。最后，将预处理后的待焊件用焊接夹具压紧，实施对焊结构，焊件正、反面加以氩气对焊缝进行气体保护，气体流量为10L/min，尾拖罩氩气保护气体流量为5L/min，调整焊接工艺参数，电压为8V，电流60A，焊接速度为35cm/min，实现非连续增强钛基复合材料的氩弧焊焊接。焊接接头拉伸试验结果表明，焊接接头的室温抗拉强度Rm = 1042. 6MPa，达到母材钛基复合材料强度的86. 7%。实施例2将I. Omm 厚的 5 % (TiB+TiC+La203)/Ti_6. 6A1-4. 6Sn_4. 6Zr-0. 9Nb_l. OMo-O. 32Si钛基复合材料板材线切割加工成150 X IOOmm焊件，焊前首先对板材进行表面处理，用NCRT-202型除油剂，其与水的配比为I : 10，温度为50°C，温水冲洗，烘干；然后，在450°C的70wt % NaOH+5wt % K0H+25wt % NaNO3的熔融浓碱溶液中浸泡15min，温水冲洗后烘干；之后将板材在室温下的O. 2%册+3%順03+35%!1(1溶液中浸泡151^11，进行酸洗处理；然后在45°C的20% HN03+2% HF溶液中光亮处理3min，清水冲洗，烘干。最后，将预处理后的待焊件用焊接夹具压紧，实施对焊结构，焊件正、反面加以氩气对焊缝进行气体保护，气体流量为15L/min，尾拖罩氩气保护气体流量为10L/min，调整焊接工艺参数，电压为9V，电流80A，焊接速度为40cm/min，实现非连续增强钛基复合材料的氩弧焊焊接。焊接接头拉伸试验结果表明，焊接接头的室温抗拉强度Rm = 1046. 4MPa，达到母材钛基复合材料强度的86. 2 %。实施例3将I. 5mm厚的2 % (TiB+Y203) /Ti_6Al_4V钛基复合材料板材线切割加工成150X IOOmm焊件，焊前首先对板材进行表面处理，用NCRT-202型除油剂，其与水的配比为I 20，温度为 60°C，温水冲洗，烘干；然后在 500°C 的 75wt%Na0H+5wt%K0H+20wt ^NaNO3的熔融浓碱溶液中浸泡13min，温水冲洗后烘干，板材在室温下的O. 5% HF+5% HN0s+30%HCl溶液中浸泡15min，酸洗处理，然后在50°C的35% HN03+2. 5% HF溶液中光亮处理5min，清水冲洗，烘干。将预处理后的待焊件用专用焊接夹具压紧，实施对焊结构，焊件正、反面加以IS气对焊缝进行气体保护，气体流量为20L/min,尾拖罩保护气体流量为14L/min,调整焊接工艺参数，电压为12V，电流90A，焊接速度为40cm/min，实现非连续增强钛基复合材料的氩弧焊焊接。焊接接头拉伸试验结果表明，焊接接头的室温抗拉强度Rm = 931. 4MPa，达到母材钛基复合材料强度的86. 7%。
实施例4将2. Omm厚的8 % (TiB+TiC) /Ti-6Al-2Sn-4Zr_2Mo钛基复合材料板材线切割加工成150 X IOOmm焊件，焊前首先对板材进行表面处理，用NCRT-202型除油剂，其与水的配比为I : 30，温度为70°C，温水冲洗，烘干；然后在520°C的80wt% Na0H+3wt% K0H+17wt%NaNO3的熔融浓碱溶液中浸泡15min，温水冲洗后烘干，板材在室温下的O. 5 % HF+6 %HN0s+35% HCl溶液中浸泡12min，酸洗处理，然后在55°C的35% HN0s+3. 5% HF溶液中光亮处理6min，清水冲洗，烘干。将预处理后的待焊件用专用焊接夹具压紧，实施对焊结构，焊件正、反面加以氩气对焊缝进行气体保护，气体流量为20L/min，尾拖罩氩气保护气体流量为25L/min，调整焊接工艺参数，电压为15V，电流120A，焊接速度为50cm/min，实现非连续增强钛基复合材料的氩弧焊焊接。焊件接头拉伸试验结果表明，焊接接头的室温抗拉强度Rm = 1065MPa，达到母材钛基复合材料强度的87. 3%。实施例5将2. 5mm 厚的 10% (TiB+La203) /Ti-5Al-3Sn-3Zr-lNb-lMo-0. 25Si 钛基复合材料板材线切割加工成150 X IOOmm焊件，焊前板材须进行焊前表面预处理，用NCRT-202型除油齐U，其与水配比为I : 15，温度为80°C，温水冲洗，烘干；然后在550°C的80wt%Na0H+2wt%K0H+18wt% NaNO3的熔融浓碱溶液中浸泡15min，温水冲洗后烘干，板材在室温下的O. 8%HF+7 % HN03+40 % HCl溶液中酸洗12min，然后在6(TC的40% HN03+4% HF溶液中光亮处理5min，清水冲洗，烘干。将预处理后的待焊件用专用焊接夹具压紧，实施对焊结构，焊件正、反面加以氩气对焊缝进行气体保护，气体流量为25L/min，尾拖罩氩气保护气体流量为15L/min，调整焊接工艺参数，电压为20V，电流130A，焊接速度为55cm/min，实现非连续增强钛基复合材料的氩弧焊焊接。焊接接头拉伸试验结果表明，焊接接头的室温抗拉强度Rni=1121. 3MPa，达到母材钛基复合材料强度的88. 3%。请再同时参阅图2至图4，图I表明，用本发明技术以对焊方法成功地获得干净、均匀和几乎无焊接变形与缺陷的钛基复合材料焊接接头，表明该类钛基复合材料具有良好的焊接性。本发明技术所得到的钛基复合材料焊接接头的组织均匀，TiB等增强体得到细化并弥散分布，无不良界面反应发生，具有良好的热稳定性，如图2和图3所示。以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明保护范围不构成任何限制。凡采用同等变换或者替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。
权利要求
1.一种非连续增强钛基复合材料的氩弧焊焊接方法，采用两个待焊的钛基复合材料焊件对接或者搭接，实现同种钛基复合材料的高质量接头焊接，其特征在于，包括以下步骤 第一歩，将非连续增强钛基复合材料母材切割成所需的焊件尺寸，用除油剂去除焊件表面所粘附的油污等杂质，再用流动的水冲洗焊件并烘干； 第二步，将焊件放在熔融的浓碱溶液中进行热碱爆处理，再温水冲洗，烘干； 第三步，将碱爆处理后的焊件放在一定配比的混合酸溶液中进行酸洗，常温流动水冲洗，烘干； 第四步，将经酸洗后的焊件在指定酸溶液中进行光亮处理，清水冲洗，烘干，待用； 第五步，将待焊的焊件用焊接夹具压紧后对接或搭接，正、反面和尾拖罩施以纯氩气对焊缝进行保护，调整焊接电压、电流，以一定的焊接速度实现非连续增强钛基复合材料的氩弧焊焊接。
2.根据权利要求I所述的非连续增强钛基复合材料的氩弧焊焊接方法，其特征在干，所述的非连续增强钛基复合材料的基体是各种钛及钛合金，增强体是TiB、TiC、稀土氧化物中的ー种或多种。
3.根据权利要求I所述的非连续增强钛基复合材料的氩弧焊焊接方法，其特征在干，所述的非连续增强钛基复合材料母材为两边等厚的板材，且其厚度为0. 5 2. 5mm。
4.根据权利要求I所述的非连续增强钛基复合材料的氩弧焊焊接方法，其特征在干，所述的除油剂为NCRT-202型除油剂，其与水的配比为I : 5 I : 20，溶液温度为40°C 80。。。
5.根据权利要求I所述的非连续增强钛基复合材料的氩弧焊焊接方法，其特征在干，第二步中所述的热碱爆处理在NaOH、KOH和NaNO3的混合熔融浓碱溶液中进行，且三者浓度按质量比计算分别为Na0H(60 80) % ；K0H(5 15) % ；NaN03(10 25) %，浓碱液温度在350°C 550°C，浸泡时间为5 15min。
6.根据权利要求I所述的非连续增强钛基复合材料的氩弧焊焊接方法，其特征在干，第三步中所述的酸洗在室温下用质量浓度为40%的氢氟酸、质量浓度为70%的硝酸和质量浓度为40%的盐酸配比成的混合溶液中进行，且三者的浓度按体积比计算分别为氢氟酸(0. I I) % :硝酸(5 7) % 盐酸(30 40) %，浸泡时间为3 15min。
7.根据权利要求I所述的非连续增强钛基复合材料的氩弧焊焊接方法，其特征在干，第四步中所述的光亮处理在用质量浓度为70%的硝酸和质量浓度为40%的氢氟酸配比成的混合溶液中进行，且两者的浓度按体积比计算分别为硝酸(10 40) % :氢氟酸(I 4) %，处理时间为2 6min，混合酸溶液的温度在40°C 60°C。
8.根据权利要求I所述的非连续增强钛基复合材料的氩弧焊焊接方法，其特征在干，第五步中，焊件エ艺參数为根据0. 5 2. 5mm焊接板材的厚度来调控焊接エ艺參数，焊接电压为5 20V，焊接电流为60 140V，焊接速度为15 60cm/min ;焊件正、反面均采用高纯氩气保护，气体流量为10 35L/min，尾拖罩气体流量为5 30L/min。
全文摘要
一种非连续增强钛基复合材料的氩弧焊焊接方法，先将非连续增强钛基复合材料母材切割成所需的焊件尺寸，用除油剂去除焊件表面所粘附的油污等杂质，用流动的水冲洗焊件并烘干；再将焊件放在熔融的浓碱溶液中进行热碱爆处理，温水冲洗，烘干；之后焊件放在一定配比的混合酸溶液中进行酸洗，常温流动水冲洗，烘干；然后将焊件在指定酸溶液中进行光亮处理，清水冲洗，烘干，待用；最后，将待焊的焊件用焊接夹具压紧后对接或搭接，正、反面和尾拖罩施以纯氩气对焊缝进行保护，调整焊接电压、电流，以一定的焊接速度实现非连续增强钛基复合材料的氩弧焊焊接。本发明具有简单易行、成本低、焊接接头强度高，适合规模化工业生产的优点。
文档编号B23K9/16GK102649190SQ20121001304
公开日2012年8月29日 申请日期2012年1月16日 优先权日2012年1月16日
发明者吕维洁, 孙锡建, 张小龙, 张荻, 朱晓星, 毛建伟, 王立强, 贾继宁 申请人:上海交通大学, 上海航天精密机械研究所