一种钛、铝异种金属大气条件下的中温钎焊方法
【专利摘要】本发明提供了一种钛、铝异种金属大气条件下的中温钎焊方法，本发明的要点是在钎焊之前首先对钛板进行热浸镀铝，在钛板表面形成一定厚度的镀铝层，随后通过机械刮擦熔覆的方式在铝板及钛板镀铝层表面制备锌铝钎料熔覆层，再进行钎焊连接。本方法通过机械刮擦去除氧化膜，使锌铝钎料在铝板及钛板镀铝层表面得以润湿铺展，形成均匀熔覆，后续钎焊过程中无需再添加钎料。由于钎焊温度较低，能够在一定程度上限制界面上钛铝脆性金属间化合物的大量生成，进而改善接头强韧性。本法操作简单易行，可在大气条件下进行，无需特殊气氛保护，适于实际工程应用。
【专利说明】一种钛、铝异种金属大气条件下的中温钎焊方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及焊接【技术领域】，具体地说是一种钛、铝异种金属大气条件下的中温钎焊方法。
【背景技术】
[0002]钛合金和铝合金作为轻质高强材料已被广泛应用于航空、航天及汽车等领域。钛合金具有高比强度和优良的低温韧性，耐腐蚀性好，然而其高成本严重限制了钛合金的大量应用。铝合金塑韧性良好，比重轻，且相对于钛合金，铝合金在成本方面均具有明显的优势，然而铝合金强度和耐热性不佳，也限制了其进一步应用。钛铝异种金属复合构件既可以兼顾两种金属各自的特性，收到物尽其用的效果，又在很大程度上降低了成本，同时有助于实现现代工业的轻量化、结构功能一体化要求。因此，钛铝复合构件在上述领域具有非常广阔的应用前景，近年来钛铝异种金属的连接问题也引起了业内学者们的高度重视和广泛关注。
[0003]如何实现钛铝异种金属的可靠连接是扩大其应用领域、充分发挥其独特优势的关键，也是一直困扰着业内学者的的主要问题和困难所在。由于钛、铝异种金属在晶格类型、晶格常数、原子序数、电负性等方面差异巨大，存在冶金上的不形容性，室温下钛原子在铝晶格内的固溶度很小，焊接过程中易生成多种脆性的金属间化合物，并且二者热导率、线膨胀系数等物理化学性能差异也很大，容易导致钛铝连接接头存在较大残余应力，使接头易产生低应力破坏，降低了接头的使用性能。
[0004]就所掌握的文献内容而言，目前钛、铝异种金属的连接方法主要有钎焊、扩散焊、激光焊、摩擦焊及熔钎焊等，普通的熔焊方法由于连接过程中母材的大量熔化致使焊缝内生成大量脆性金属间化合物而使接头性能严重恶化，已不适用于钛、铝异种金属的连接。
[0005]钎焊是利用熔点较低(低于被焊金属)的钎剂熔化后与被焊金属发生一系列理化反应从而实现其连接的一种方法，就加热方式而言又可以分为炉中钎焊、火焰钎焊及高频感应钎焊等。由于钎焊温度低于母材熔点，钎焊过程中母材不发生熔化，故钎焊钛铝异种金属能够有效抑制脆性金属间化合物的生成和长大，进而在一定程度上提高钛铝钎焊接头的强韧性。但由于铝基钎料在钛表面的润湿性很差，使获得高质量的钛铝钎焊接头的难度增大。基于此，本发明旨在于提供一种改善铝基钎料在钛表面的润湿性并控制金属间化合物生成数量，获得良好钛铝钎焊接头的方法。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供一种钛、铝异种金属大气条件下的中温钎焊方法，解决普通钎焊过程中铝基钎料难以润湿钛母材的问题，实现钛、铝异种金属的可靠钎接。
[0007]为实现上述目的，本发明提供了一种钛、铝异种金属大气条件下的中温钎焊方法，具体包括以下步骤:
[0008](I)钛板表面热浸镀铝[0009]将表面处理干净的纯铝焊丝截成段，放入石墨坩埚，将石墨坩埚加热至700°C?750°C使纯铝焊丝熔化，保温半小时以上以保证铝液温度均匀化；将被连接钛板端部去除氧化膜及油污；将N0C0L0K钎剂溶于丙酮形成悬浊液，刷涂于钛板的端部10?20mm宽度的正反表面；待丙酮挥发后将涂有钎剂一侧的钛板垂直浸入铝液中，保持0.5?3min后以2cm/s?3cm/s的速度勻速抽出，完成热浸镀,形成镀招层；
[0010](2)锌铝钎料的刮擦熔覆
[0011]用可燃气体火焰加热待焊铝板端部和钛板镀铝层部位，将锌铝钎料熔化于铝板和钛板镀铝层处，边加热边用金属丝反复刮擦熔化的锌铝钎料和试件表面，使熔化的锌铝钎料在铝板和钛板镀铝层上形成润湿铺展并均匀熔覆。
[0012](3)大气条件下钎焊
[0013]将上述熔覆锌铝钎料后的铝板和镀铝钛板装配成搭接接头(锌铝钎料熔覆层相接触)，用可燃性气体火焰均匀加热使钎料层熔化并反应结合，并对接头搭接部位施以一定的压力保证试件紧密接触，焊后可得质量良好的钛铝钎焊接头。
[0014]本发明还具有如下特征:
[0015]1、以上所述的N0C0L0K钎剂或为活性较强的氯化物和氟化物混合钎剂。
[0016]2、以上所述的可燃性气体火焰为乙炔和氧气火焰或为丙烷和氧气火焰。
[0017]3、以上所述的步骤(I)中将表面处理干净的纯铝焊丝为采用丙酮擦拭去除纯铝焊丝表面油污。
[0018]4、以上所述的步骤(2)中用金属丝刮擦钛板镀铝层表面不宜过度，防止将镀铝层严重破坏，金属丝需具有一定刚度且不与钎料反应。
[0019]5、以上所述的步骤(2) (3)中加热温度控制在390°C?420°C左右使锌铝钎料熔化即可，以防止母材熔化及金属间化合物的大量生成。
[0020]6、以上所述的步骤(3)中可燃性气体火焰加热或为高频感应加热。
[0021]7、以上所述的步骤(3)中对接头搭接部位施加的一定压力可为静力，
[0022]8、以上所述的步骤(3)中对接头搭接部位施加的一定压力或为机械振动或超声振动。
[0023]本发明的效果在于:
[0024](I)在钛板表面热浸镀铝作为前处理工艺，使钛板表面形成一定厚度的纯铝层，使锌铝钎料在钛板表面的润湿成为可能，为后续刮擦熔覆过程创造了条件。
[0025](2)熔覆过程中，机械刮擦能够去除铝板和钛板镀铝层表面氧化膜，促进锌铝钎料的润湿铺展，操作简单，同时省去了钎剂的使用。
[0026](3)由于锌铝钎料得以均匀熔覆，钎焊时无需再添加钎料，且钎焊温度较低，为390°C?420°C左右，一定程度上限制了脆性金属间化合物的大量生长，在均匀加热和一定压力作用下易于得到较高质量的钛铝钎焊接头。
[0027](4)钎焊过程可在大气条件下进行，无需特殊气氛保护，简单易行。
[0028]本发明所提供的钛-铝异种金属大气条件下的中温钎焊方法，操作简单易行，受工件尺寸及形状复杂性等限制小，无需特殊气氛保护，适于工程实际应用。
【专利附图】
【附图说明】[0029]图1钛铝中温钎焊过程流程图；
[0030]图2电阻炉中热浸镀铝过程示意图；
[0031]图3锌铝钎料熔覆过程示意图，a)钛板表面熔覆锌铝钎料，b)铝板表面熔覆锌铝钎料；
[0032]图4铝板与镀铝钛板钎焊过程示意图；
[0033]图中，1、钛板，2、石墨坩埚，3、铝液，4、电热丝，5、镀铝层，6、熔化的锌铝钎料，7、金属丝，8、火焰炬，9、铝板，IO、镀铝层和锌铝钎料熔覆层。
【具体实施方式】
[0034]下面结合说明书附图举例对本发明作进一步说明:
[0035]实施例1
[0036]一种钛、铝异种金属大气条件下的中温钎焊方法，它包括以下步骤:
[0037](I)热浸镀铝
[0038]将用丙酮擦拭去除油污的纯铝焊丝截成小段放入石墨坩埚2，将石墨坩埚2放入带有电热丝4的炉中加热至700°C使纯铝焊丝熔化，保温半小时以上，以保证铝液3温度均匀化。将被连接钛板I端部用砂纸清理并用丙酮清洗去除氧化膜及油污。将N0C0L0K钎剂溶于丙酮形成悬浊液，刷涂于钛板I端部IOmm的宽度的正反表面。待丙酮挥发后将涂有钎剂一侧的钛板I垂直浸入铝液3中，保持0.5min后以2cm/s的速度匀速抽出，完成热浸镀，形成锻招层5。
[0039](2)锌铝钎料的刮擦熔覆
[0040]用可燃性气体火焰将锌铝钎料加热熔化于铝板9端部/钛板镀铝层5表面，用金属丝7反复刮擦熔化的锌铝钎料6和试件表面，至锌铝钎料在铝板/钛板镀铝层表面形成润湿铺展并均匀熔覆，加热温度控制在390°C?420°C左右。
[0041](3)铝板和镀铝钛板的钎焊
[0042]将熔覆锌铝钎料后的镀铝钛板和铝板装配成搭接接头，搭接长度8mm，锌铝钎料层相接触，在搭接部位施以一定压力保证试件紧密接触，用乙炔氧气火焰或丙烷氧气火焰进行均匀加热，钎焊温度控制在390°C?420°C左右，焊后可得良好的钎焊接头。
[0043]实施例2
[0044]一种钛、铝异种金属大气条件下的中温钎焊方法，它包括以下步骤:
[0045](I)热浸镀铝
[0046]将用丙酮擦拭去除油污的纯铝焊丝截成小段放入石墨坩埚2，将石墨坩埚2放入带有电热丝4的炉中加热至750°C使纯铝焊丝熔化，保温半小时以上，以保证铝液3温度均匀化。将被连接钛板I端部用砂纸清理并用丙酮清洗去除氧化膜及油污。将N0C0L0K钎剂溶于丙酮形成悬浊液，刷涂于钛板I端部20mm的宽度的正反表面。待丙酮挥发后将涂有钎剂一侧的钛板I垂直浸入铝液3中，保持3min后以3cm/s的速度匀速抽出，完成热浸镀，形成镀铝层5。
[0047](2)锌铝钎料的刮擦熔覆
[0048]用乙炔氧气或丙烷氧气火焰将锌铝钎料加热熔化于铝板9端部/钛板镀铝层5表面，用金属丝7反复刮擦熔化的锌铝钎料6和试件表面，至锌铝钎料在铝板/钛板镀铝层表面形成润湿铺展并均匀熔覆，加热温度控制在390°C?420°C左右。
[0049](3)铝板和镀铝钛板的钎焊
[0050]将熔覆锌铝钎料后的镀铝钛板和铝板装配成搭接接头，搭接长度16mm，锌铝钎料层相接触，在搭接部位施以一定压力保证试件紧密接触，用乙炔氧气火焰或丙烷氧气火焰进行均匀加热，钎焊温度控制在390°C?420°C左右，焊后可得良好的钎焊接头。
[0051]实施例3
[0052]母材为50mmX40mmX2mm的TC4钛合金板与LF6防锈招板,将清理后的纯招焊丝截成小段放入石墨坩埚，将坩埚放入电炉中加热至750°C，保温一小时使铝液温度均匀化。将氯化物、氟化物混合钎剂或N0C0L0K钎剂溶于丙酮制成悬浊液后涂于钛板材边缘15mm范围内的正反两面，待风干后将钛板涂有钎剂的一侧垂直浸入铝液中，浸镀Imin后将钛板以2cm/s的速度匀速抽出，自然冷却。将锌铝钎料均匀地刮擦熔覆于铝板端部和TC4镀铝层表面，并将熔覆锌铝钎料后的铝板和TC4板装配成搭接接头，搭接长度12_，锌铝钎料层相接触。对接头搭接部位施以一定压力保证试件紧密接触，用可燃性气体火焰(乙炔+氧气，碳化焰和中性焰相结合)均匀加热搭接接头部位使锌铝钎料熔化并结合，钎焊温度控制在390 C?420 C左右，焊后可得良好钦招针焊接头。
[0053]实施例4
[0054]母材为50mmX40mmX2mm的TC4钛合金板与LF6防锈招板,将清理后的纯招焊丝截成小段放入石墨坩埚，将坩埚放入电炉中加热至700°C，保温一小时使铝液温度均匀化。将N0C0L0K钎剂溶于丙酮制成悬浊液后涂于钛板材边缘IOmm范围内的正反两面，待风干后将钛板涂有钎剂的一侧垂直浸入铝液中，浸镀2min后将钛板以2.5cm/s的速度匀速抽出，自然冷却。将锌铝钎料分别均匀地刮擦熔覆于铝板端部和TC4镀铝层表面，并将熔覆锌铝钎料后的铝板和TC4板装配成搭接接头，搭接长度8_，锌铝钎料层相接触。对接头搭接部位施以一定压力保证试件紧密接触，用可燃性气体火焰(乙炔+氧气，碳化焰和中性焰相结合)均匀加热搭接接头部位使锌铝钎料熔化并结合，钎焊温度控制在390°C?420°C左右，焊后可得良好钛铝钎焊接头。
【权利要求】
1.一种钛、铝异种金属大气条件下的中温钎焊方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)钛板表面热浸镀铝 将表面处理干净的纯铝焊丝截成段，放入石墨坩埚，将石墨坩埚加热至70(TC-750°C使纯铝焊丝熔化，保温半小时以上以保证铝液温度均匀化；将被连接钛板端部去除氧化膜及油污-fNOCOLOK钎剂溶于丙酮形成悬浊液，刷涂于钛板的端部10-20mm宽度的正反表面；待丙酮挥发后将涂有钎剂一侧的钛板垂直浸入铝液中，保持0.5-3min后以2cm/s-3cm/s的速度匀速抽出，完成热浸镀，形成镀铝层； (2)锌铝钎料的刮擦熔覆 用可燃气体火焰加热待焊铝板端部和钛板镀铝层部位，将锌铝钎料熔化于铝板和钛板镀铝层处，边加热边用金属丝反复刮擦熔化的锌铝钎料和试件表面，使熔化的锌铝钎料在铝板和钛板镀铝层上形成润湿铺展并均匀熔覆； (3)大气条件下钎焊 将上述熔覆锌铝钎料后的铝板和镀铝钛板装配成搭接接头，搭接长度小于镀层长度，用可燃性气体火焰均匀加热使锌铝钎料层熔化并反应结合，并对接头搭接部位施以压力保证试件紧密接触，焊后得到质量良好的钛铝钎焊接头。
2.根据权利要求1所述的一种钛、铝异种金属大气条件下的中温钎焊方法，其特征在于:所述的可燃性气体火焰为乙炔和氧气火焰或为丙烷和氧气火焰。
3.根据权利要求1所述的一种钛、铝异种金属大气条件下的中温钎焊方法，其特征在于:所述的步骤(I)中将表面处理干净的纯铝焊丝为采用丙酮擦拭去除纯铝焊丝表面油污。
4.根据权利要求1所述的一种钛、铝异种金属大气条件下的中温钎焊方法，其特征在于:所述的步骤(2)中使用的金属丝不与钎料反应。
5.根据权利要求1所述的一种钛、铝异种金属大气条件下的中温钎焊方法，其特征在于:所述的步骤(2)和(3)中加热温度控制在390°C-420°C使锌铝钎料熔化。
6.根据权利要求1所述的一种钛、铝异种金属大气条件下的中温钎焊方法，其特征在于:所述的步骤(3)中·可燃性气体火焰加热或为高频感应加热。
7.根据权利要求1所述的一种钛、铝异种金属大气条件下的中温钎焊方法，其特征在于:所述的步骤(3)中对接头搭接部位施加的压力为静力。
8.根据权利要求1所述的一种钛、铝异种金属大气条件下的中温钎焊方法，其特征在于:所述的步骤(3)中对接头搭接部位施加的压力或为机械振动或超声振动。
【文档编号】B23K1/002GK103433584SQ201310270332
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年6月19日 优先权日:2013年6月19日
【发明者】吕世雄, 徐永强, 黄永宪, 郑传奇, 崔庆龙, 李充 申请人:哈尔滨工业大学