专利名称：一种适用于铝合金和钛合金连接的反应搅拌摩擦焊接方法
技术领域：
本发明涉及一种适用于铝合金和钛合金连接的反应搅拌摩擦焊接方法，属于焊接技术领域。
背景技术：
钛合金具有熔点高、耐腐蚀性好、线膨胀系数和弹性模量小等优良特性，这些优良的特点使其成为工业中应用广泛的合金材料，目前，钛合金已经广泛应用于重要的承力构件。铝合金具有强度高、耐腐蚀性好、塑性好、密度小、导热和导电性能优良的特性，这使其成为工业中重要的结构材料。现今，将钛合金和铝合金采用焊接方式连接起来形成铝钛合金的复合结构已经成为工业研究的热点。现有技术中，有采用熔焊的方式连接铝合金和钛合金。然而，铝合金和钛合金的物理化学性能差距较大，采用熔焊方式连接铝合金和钛合金主要存在以下问题
第一、铝和钛极易氧化，铝的熔点为660.37° C，钛的熔点为1725°C，钛在600° C开始氧化，生成TiO2，在焊缝内形成中间脆性层，使焊缝的塑性和韧性下降，焊缝加热温度越高，钛的氧化现象越严重；而铝与氧相互作用极易生成致密难容的Al2O3, 其熔点高达2050°，在铝和钛熔化时其依然不能熔化，从而严重的阻碍了两种合金的结合，并使焊缝中容易产生夹杂，增加金属的脆性，从而使得焊缝的塑性和韧性进一步下降；
第二、在温度高达钛的熔点时，铝及其合金元素大量烧损蒸发，使得焊缝的化学成分不均匀，从而使得焊缝的强度降低。第三、铝和钛在不同的温度下发生反应和其它的杂质形成脆性金属间化合物，例如，在温度高达1460° C，极易生成TiAl型金属间化合物，在温度高达1340° C时极易生成Ti3Al型金属间化合物，从而进一步降低了焊缝的塑性和韧性。因此，现有技术中的熔焊技术由于需要在高温下对母材进行熔化，从而使得其应用于铝钛合金的连接时不能获得优良的焊缝结构。
发明内容
因此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中熔焊技术应用于铝钛或铝钛/钛合金焊接时焊缝塑性和韧性较低的缺陷，从而提供一种能够提高焊缝塑性和韧性的用于铝钛/钛合金连接的反应搅拌摩擦焊接方法。为此，本发明提供一种适用于铝合金和钛合金连接的反应搅拌摩擦焊接方法，至少包括以下步骤
A.将钛/钛合金母材待焊接的部分放入渗铝溶液中，对钛/钛合金母材待 焊接的部分的表面进行热浸铝，形成中间层铝；
B.将热浸铝后的钛/钛合金母材与铝/铝合金母材按焊接需要拼放后形 成待焊接头，采用搅拌头对所述待焊接头进行搅拌摩擦焊接，形成焊接接头。所述步骤A中的浸铝时间为20min-30min，在680-720°C温度下进行。
在所述步骤A中形成的所述中间层铝的厚度为50μπι-100μπι。在所述步骤B中，所述搅拌头的旋转速度为400-1000r/min,所述搅拌头
端部的搅拌针的长度为所述待焊接头厚度的O. 7-0. 9倍，所述搅拌头的轴肩直径d是所述搅拌针直径的3倍，焊接速度为50-150mm/min。在所述步骤B中，所述搅拌头的旋转速度为900-950r/min，所述焊接速度为110 125mm/min。所述步骤B中，所述铝/铝合金母材和钛/钛合金母材至少分别具有倾斜 的搭接界面，所述铝/铝合金母材的搭接界面的水平倾斜角Θ与所述钛/钛合金母材
的搭接界面的水平倾斜角互为补角，两者通过搭接界面配合后形成处于同一水平面的搭接 接头。将所述水平倾斜角Θ、搅拌头的轴肩直径d以及铝/铝合金母材和钛/钛合 金母材的厚度a的关系设置为
d > 2a cot Θ 。所述铝/铝合金母材和所述钛/钛合金母材还分别具有高度为h的竖直的 搭接界面，所述竖直的搭接界面位于所述倾斜的搭接界面的上部或下部。将所述水
平倾斜角Θ、搅拌头的轴肩直径d以及铝/铝合金和钛/钛合金的厚度a的关系设置为
d > 2(a — h') cot Θ 。本发明还提供一种用于铝/铝合金和钛/钛合金连接的反应搅拌摩擦焊接 方法中的接头，包括铝/铝合金母材和钛/钛合金母材，所述钛/钛合金母材的焊接面
上具有中间层铝。所述中间层铝的厚度为50μπι-100μπι。本发明提供一种用于铝/铝合金和钛/钛合金连接的反应搅拌摩擦焊接方法及接头，具有以下优点
本发明提供一种用于铝/铝合金和钛/钛合金连接的反应搅拌摩擦焊接方法，在680-720°C温度下将钛合金母材放入渗铝溶液中，对钛合金母材的表面进行热浸铝，形成中间层铝；在搅拌摩擦作用下，在钛合金母材焊接面，铝合金被加速熔化，从而使得铝元素和钛元素相互扩散，在铝合金母材焊接面，通过中间层铝实现钛元素和铝元素的溶解与相互扩散，生成中间化合物，从而实现连接。整个焊接过程中不存在熔化缺陷、焊接热裂倾向和组织热影响区，连接接头质量及其稳定性较好；克服了现有熔焊界面温度过高时容易造成高熔点母材钛合金的部分熔化从而形成过厚的金属间化合物层的缺陷，避免了裂纹的产生，从提高了焊缝的塑性和韧性。操作简单，成本低，连接效果好。
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图I是本发明的实施例I中采用的搭接接头与搅拌头配合的结构示意图。图2是本发明的实施例2中采用的搭接接头与搅拌头配合的结构示意图。
图3是本发明的实施例3中采用的搭接接头与搅拌头配合的结构示意图。图4是本发明的实施例4中采用的对接接头与搅拌头配合的结构示意图。图中附图标记表示为
I-铝/铝合金板；2_钛/钛合金板；3_中间层铝。
具体实施例方式实施例I
本实施例提供一种用于铝合金和钛合金连接的反应搅拌摩擦焊接方法及接头，其中，所述方法包括以下步骤 A.在680°C温度下将钛合金板2放入渗铝溶液中，对钛合金板2的表面 进行热浸铝，浸铝时间为30min，形成厚度为60 μ m的中间层铝3;
B.将铝合金板I和钛合金板2按焊接需要拼放后形成待焊接头，采用搅拌头对所述接头进行搅拌摩擦焊接，在钛合金板2焊接面，铝合金被加速熔化，从而使得铝元素和钛元素相互扩散，在铝合金板I焊接面，通过中间层铝3实现钛元素和铝元素的溶解与相互扩散，生成中间化合物，从而实现连接。在所述步骤B中，所述搅拌头的旋转速度可以在400_1000r/min内进行具体选择，所述搅拌头端部的搅拌针的长度可以在时所述待焊接头厚度的O. 7-0. 9倍的范围内进行具体选择，所述搅拌头的轴肩直径d是所述搅拌针直径的3倍，焊接速度可以在50-150mm/min范围内进行具体选择。本实施例中，给出具体的参数，其中，所述搅拌头的旋转速度为400r/min，所述搅拌头端部的搅拌针的长度是多数待焊接头厚度的O. 7倍，所述搅拌头的轴肩直径d是所述搅拌针直径的3倍，焊接速度为50mm/min。在本实施例中，为了减小搅拌中对搅拌头材料的损耗，保证接头更加美观且更加有利于改善焊缝的力学性能，在所述步骤B中制作所述接头时，所述铝合金板I和钛合金板2分别具有倾斜的搭接界面，所述铝合金板I的搭接界面的水平倾斜角Θ与所述钛合金板2的搭接界面的水平倾斜角互为补角，两者通过搭接界面配合后形成处于同一水平面的搭接接头，见图I。本发明中，为了保证所述中间层铝3都能位于所述搅拌头的作用区，将所述水平倾斜角Θ、搅拌头的轴肩直径d以及铝合金和钛合金的厚度a的关系设置为
cicrof θ ο在本实施例中，所述铝合金板I的搭接界面的水平倾斜角Θ为45°，所述钛合金板2搭接界面的水平倾斜角为135°，所述厚度a均为30mm，所述锐所述轴肩直径d至少为60mmo在本实施例中，在进行所述步骤A之前，还包括对所述钛合金板2进行除油、除锈和预镀的步骤，在热浸铝之后并在所述步骤B之前还包括校正、清理以及检验的步骤。
实施例2
本实施例提供一种用于铝合金和钛连接的反应搅拌摩擦焊接方法及接头，其中，所述方法包括以下步骤A.在720°C温度下将钛板2放入渗铝溶液中，对钛板2的表面进行 热浸铝，浸铝时间为20min，形成厚度为50 μ m的中间层铝3;
B.将铝合金板I和钛板2按焊接需要拼放后形成待焊接头，采用搅拌头对所述接头进行搅拌摩擦焊接，在钛板2焊接面，铝合金被加速熔化，从而使得铝元素和钛元素相互扩散，在铝合金板I焊接面，通过中间层铝3实现钛元素和铝元素的溶解与相互扩散，生成中间化合物，从而实现连接。在所述步骤B中，所述搅拌头的旋转速度可以在400_1000r/min内进行具体选择，所述搅拌头端部的搅拌针的长度可以在时所述待焊接头厚度的O. 7-0. 9倍的范围内进行具体选择，所述搅拌头的轴肩直径d是所述搅拌针直径的3倍，焊接速度可以在50-150mm/min范围内进行具体选择。本实施例中给出具体的参数，其中，所述搅拌头的旋转速度为lOOOr/min，所述搅拌头端部的搅拌针的长度是多数待焊接头厚度的O. 9倍，所述搅拌头的轴肩直径d是所述搅拌针直径的3倍，焊接速度为150mm/min。
在本实施例中，为了减小搅拌中对搅拌头材料的损耗，保证接头更加美观且更加有利于改善焊缝的力学性能，在所述步骤B中制作所述接头时，所述铝合金板I和钛板2分别具有倾斜的搭接界面和位于所述倾斜的搭接界面上的高度为h的竖直的搭接界面，所述铝合金板I的倾斜的搭接界面的水平倾斜角Θ与所述钛板2的倾斜的搭接界面的水平倾斜角互为补角，两者通过搭接界面配合后形成处于同一水平面的搭接接头，见图2。本发明中，为了保证所述中间层铝都能位于所述搅拌头的作用区，将所述水平倾斜角Θ、搅拌头的轴肩直径d以及铝合金板和钛板的厚度a的关系设置为
d > 2(a — h^cot Θ 。在本实施例中，所述铝合金板I的搭接界面的水平倾斜角Θ为30°，所述钛板2搭接界面的水平倾斜角为150°，所述厚度a均为30mm，所述高度h为10mm，所述轴肩直径d至少为69_。在本实施例中，在进行所述步骤A之前，还包括对所述钛合金板2进行除油、除锈和预镀的步骤，在热浸铝之后并在所述步骤B之前还包括校正、清理以及检验的步骤。实施例3
本实施例提供一种用于铝和钛连接的反应搅拌摩擦焊接方法及接头，其中，所述方法包括以下步骤
A.在700°C温度下将钛板2放入渗铝溶液中，对钛板2的表面进行热浸 铝，浸铝时间为28min，形成厚度为IOOym的中间层铝3;
B.将铝板I和钛板2按焊接需要拼放后形成待焊接头，采用搅拌头对所述接头进行搅拌摩擦焊接，在钛板2焊接面，铝合金被加速熔化，从而使得铝元素和钛元素相互扩散，在铝合金板I焊接面，通过中间层铝3实现钛元素和铝元素的溶解与相互扩散，生成中间化合物，从而实现连接。在所述步骤B中，所述搅拌头的旋转速度可以在900-950r/min内进行具体选择，所述搅拌头端部的搅拌针的长度可以在时所述待焊接头厚度的O. 7-0. 9倍的范围内进行具体选择，所述搅拌头的轴肩直径d是所述搅拌针直径的3倍，焊接速度可以在110-125mm/min范围内进行具体选择。本实施例中给出具体的参数，其中，所述搅拌头的旋转速度为950r/min，所述搅拌头端部的搅拌针的长度是多数待焊接头厚度的O. 8倍，所述搅拌头的轴肩直径d是所述搅拌针直径的3倍，焊接速度为125mm/min。在本实施例中选择的所述热浸铝的温度、时间、所述中间层铝3的厚度、焊接速度以及所述搅拌头的旋转速度的组合可以使本实施例中提供焊接方法能够形成最佳质量的焊接接头。在本实施例中，为了减小搅拌中对搅拌头材料的损耗，保证接头更加美观且更加有利于改善焊缝的力学性能，在所述步骤B中制作所述接头时，所述铝板I和钛板2分别具有倾斜的搭接界面，所述铝板I的倾斜的搭接界面的水平倾斜角Θ与所述钛板2的倾斜的搭接界面的水平倾斜角互为补角，两者通过搭接界面配合后形成处于同一水平面的搭接接头，见图3。本发明中，为了保证所述中间层铝都能位于所述搅拌头的作用区，将所述水平倾斜角Θ、搅拌头的轴肩直径d以及铝板和钛板的厚度a的关系设置为 d > 2q COt β 。在本实施例中，所述铝合金板I的搭接界面的水平倾斜角Θ为60°，所述钛板2搭接界面的水平倾斜角为120°，所述厚度a均为30mm，因此，本实施例提供的搭接接头适合的搅拌头的轴肩直径至少为34. 6_。在本实施例中，在进行所述步骤A之前，还包括对所述钛合金板2进行除油、除锈和预镀的步骤，在热浸铝之后并在所述步骤B之前还包括校正、清理以及检验的步骤。实施例4
本实施例提供一种用于铝和钛合金连接的反应搅拌摩擦焊接方法，
至少包括以下步骤
A.在690°C温度下将钛合金板2放入渗铝溶液中，对钛合金板2的表面 进行热浸铝，浸铝时间为25min，形成厚度为70 μ m的中间层铝3;
B.将铝板I和钛合金板2按焊接需要拼放后形成待焊接头，采用搅拌头对所述接头进行搅拌摩擦焊接，在钛合金板2焊接面，铝合金被加速熔化，从而使得铝元素和钛元素相互扩散，在铝合金板I焊接面，通过中间层铝3实现钛元素和铝元素的溶解与相互扩散，生成中间化合物，从而实现连接。在所述步骤B中，所述搅拌头的旋转速度可以在400_1000r/min内进行具体选择，所述搅拌头端部的搅拌针的长度可以在时所述待焊接头厚度的O. 7-0. 9倍的范围内进行具体选择，所述搅拌头的轴肩直径d是所述搅拌针直径的3倍，焊接速度可以在50-150mm/min范围内进行具体选择。本实施例中给出具体的参数，其中，所述搅拌头的旋转速度为800r/min，所述搅拌头端部的搅拌针的长度是多数待焊接头厚度的O. 8倍，所述搅拌头的轴肩直径d是所述搅拌针直径的3倍，焊接速度为100mm/min。在本实施例中，所述步骤B中的接头为对接接头，见图4。采用本实施例中的对接接头，焊接过程中，所述搅拌头可以完全作用于中间层铝，搅拌使得晶粒细化，位错密度增大，界面反应更加迅速。需要说明的是，上述实施例1-4中对热浸铝时间以及温度的选择不是唯一的，事实上，所述热浸铝的温度可以在680-720°C范围内选择，所述热浸铝的时间可以在20min-30min之间选择,在上述温度和时间范围内具体数值的选择原则是保证形成厚度为50-100 μ m的中间层铝3。更为具体的，所述中间层铝3的厚度确定过后，可以进一步确定具体的焊接参数。在本实施例中，在进行所述步骤A之前，还包括对所述钛合金板2进行除油、除锈和预镀的步骤，在热浸铝之后并在所述步骤B之前还包括校正、清理以及检验的步骤。上述实施例1-4中采用的焊接设备以通用的搅拌摩擦焊接设备为主。上述实施例1-4中的焊接方法，通过中间层铝实现钛元素和铝元素的溶解与相互扩散，生成中间化合物，从而实现连接，提高接头强度。拉伸强度一般可达到250. OMPa以上。 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。对于所属领域的普通技术人员来说，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。
权利要求
1.一种适用于铝合金和钛合金连接的反应搅拌摩擦焊接方法，其特征在于至少包括以下步骤 A.将钛/钛合金母材待焊接的部分放入渗铝溶液中，对钛/钛合金母材待焊接的部分的表面进行热浸铝，形成中间层铝； B.将热浸铝后的钛/钛合金母材与铝合金母材按焊接需要拼放后形成待 焊接头，采用搅拌头对所述待焊接头进行搅拌摩擦焊接，形成焊接接头。
2.根据权利要求I所述的用于铝/铝合金和钛/钛合金连接的反应搅拌摩擦焊接方法，其特征在于所述步骤A中的浸铝时间为20min-30min，在680-720°C温度下进行。
3.根据权利要求I或2所述的用于铝/铝合金和钛/钛合金连接的反应搅拌摩擦焊接方法，其特征在于在所述步骤A中形成的所述中间层铝的厚度为50 μ m-100 μ m。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的用于铝/铝合金和钛/钛合金连接的反应搅拌摩擦焊接方法，其特征在于在所述步骤B中,所述搅拌头的旋转速度为400-1000r/min,所述搅拌头端部的搅拌针的长度为所述待焊接头厚度的O. 7-0. 9倍，所述搅拌头的轴肩直径d是所述搅拌针直径的3倍，焊接速度为50-150mm/min。
5.根据权利要求4所述的用于铝/铝合金和钛/钛合金连接的反应搅拌摩擦焊接方法，其特征在于在所述步骤B中，所述搅拌头的旋转速度为900-950r/min，所述焊接速度为 110 125mm/min0
6.根据权利要求1-5中任一项所述的铝/铝合金和钛/钛合金连接的反应搅拌摩擦焊接方法，其特征在于所述步骤B中，铝/铝合金母材和钛/钛合金母材至少分别具有倾斜的搭接界面，所述铝/铝合金母材的搭接界面的水平倾斜角Θ与所述钛/钛合金母材的搭接界面的水平倾斜角互为补角，两者通过搭接界面配合后形成处于同一水平面的搭接接头。
7.根据权利要求6所述的用于铝/铝合金和钛/钛合金连接的反应搅拌摩擦焊接方法，其特征在于将所述水平倾斜角Θ、搅拌头的轴肩直径d以及铝合金和钛合金的厚度a的关系设置为Cf > 2a cot Θ。
8.根据权利要求6所述的用于铝/铝合金和钛/钛合金连接的反应搅拌摩擦焊接方法，其特征在于所述铝/铝合金母材和所述钛/钛合金母材还分别具有高度为h的竖直的搭接界面，所述竖直的搭接界面位于所述倾斜的搭接界面的上部或下部，将所述水平倾斜角Θ、搅拌头的轴肩直径d以及铝/铝合金和钛/钛合金的厚度a的关系设置为d > 2(α — It.) cot Θ 。
9.一种用于铝/铝合金和钛/钛合金连接的反应搅拌摩擦焊接方法中的接头，包括铝合金母材和钛合金母材，其特征在于所述钛/钛合金母材的焊接面上具有中间层铝。
10.根据权利要求9所述的用于铝/铝合金和钛/钛合金连接的反应搅拌摩擦焊接方法中的接头，其特征在于所述中间层铝的厚度为50 μ m-100 μ m。
全文摘要
本发明提供一种适用于铝合金和钛合金连接的反应搅拌摩擦焊接方法，至少包括以下步骤A. 在680-720℃温度下将钛合金母材放入渗铝溶液中，对钛合金母材的表面进行热浸铝，浸铝时间为20min-30min，形成中间层铝;B.将铝合金和钛合金制成接头；C.采用搅拌头对所述接头进行搅拌摩擦焊接，在钛合金焊接面，铝合金被加速熔化，从而使得铝元素和钛元素相互扩散，在铝合金焊接面，通过中间层铝实现钛元素和铝元素的溶解与相互扩散，生成中间化合物，从而实现连接。该种焊接方法改善了焊缝的结构，提高了焊缝的塑性和韧性。
文档编号B23K20/12GK102794564SQ20121030713
公开日2012年11月28日 申请日期2012年8月24日 优先权日2012年8月24日
发明者张华 , 马芳芳, 吴会强, 黄继华, 赵兴科, 陈树海 申请人:北京科技大学