[发明专利]一种调控钛/铝异种金属搅拌摩擦焊接头中脆性相的方法

说明书

技术领域

    本发明涉及一种调控钛/铝异种金属搅拌摩擦焊接头中脆性相的方法，属于焊接冶金领域。

背景技术

铝合金密度低，耐蚀性及经济性好，是目前航空航天、武器装备等高新技术领域中广泛应用的金属材料；钛合金由于具有耐腐蚀、比强度高以及抗冲击等优点，成为航空航天领域发展迅速的新材料。在航空航天工业和汽车工业中，由于钛/铝异种金属复合构件满足对于“减轻重量、提高推动比、增加有效载荷”的要求，使其得到广泛的应用，如座位导轨、机翼蜂窝夹层等。

但是，由于钛、铝化学性质活泼、极易吸收空气中的氮、氢、氧等元素，加之由于这两种金属之间物理化学性质差异较大，具有“冶金不相容性”焊接过程中极易形成金属间化合物，因此，传统的焊接方法焊接钛/铝异种金属时，接头力学性能较差，远远不能满足工业中的使用要求。在焊接过程中极易形成夹杂缺陷，且两种金属物化性能相差巨大，因此钛/铝异种金属的焊接性，尤其是传统的熔化焊焊接性很差，很难获得优异的焊接接头。

搅拌摩擦焊技术由英国焊接研究所发明于1991年，与传统熔化焊相比，搅拌摩擦焊过程中，材料不发生熔化，属于固相焊接的范畴，它具有焊接变形和残余应力小、焊接缺陷少、力学性能优异等优点，是一种低能耗、效率高、质量优异的新型焊接方法。目前已在工业领域的各个方面得到快速发展，但钛/铝异种金属的搅拌摩擦焊接头中容易生成脆性相、且脆性相的分布不均匀，造成了接头性能的不稳定，严重恶化了接头的力学性能，其广泛的应用前景在一定程度上被限制。

发明内容

为了减少Ti-Al系脆性相对焊接接头性能的不利影响，提高接头的性能，本发明提供了一种调控钛/铝异种金属搅拌摩擦焊接接头中脆性相的方法，通过添加锌基中间层材料，对脆性金属间化合物的形成进行阻隔和干扰，控制接头中脆性相的数量及种类，从而到达调控脆性金属间化合物的种类和数量，实现钛/铝异种金属的有效连接。

锌基中间层调控的原理为：锌的熔点为419.5℃，在钛/铝异种金属搅拌摩擦焊接过程中，当熔化的锌冷却到382℃时，锌的质量分数在80.2％～94.9％时发生共晶反应生成γ+β共晶体，γ相在275℃时发生共析反应生成共析体α(Al)+β(Zn)，冷却到室温过程中分别析出稳定的固溶体β(Zn)和α(Al)。由Al-Zn二元相图可知，无论是温度的变化，还是Zn含量的变化，均不会产生Al-Zn金属间化合物。由Zn/Ti二元相图可知，Zn和Ti在各个温度的反应简洁明了，在不同的Zn含量下所生成的Zn-Ti金属间化合物较单一，易于控制，因此通过添加锌基中间层材料引入第三种元素Zn在理论上可以达到调控Ti-Al系脆性相的目的。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案具体包括如下步骤：

第一步，安装自制搅拌头，将一定厚度的条状锌基中间层材料固定在钛/铝待焊材料的接缝处，焊接过程中，铝及铝合金置于返回侧，钛及钛合金置于前进侧，所述返回侧和所述前进侧材料接触处为接缝。

第二步，调整搅拌头的位置使其处于焊接起始位置，并将所述搅拌针与接缝对中。

第三步，设置焊接过程中的工艺参数，所述工艺参数包括搅拌头旋转速度、焊接速度、焊接倾角和下压量。

第四步，搅拌针在上述工艺参数下压入待焊接材料，同时在上述焊接速度下沿平行于待焊材料接缝方向移动，完成对待焊接材料进行搅拌摩擦焊接。

进一步地，所述锌基中间层材料的厚度范围在0.05-0.2毫米之间。

进一步地，所述搅拌头旋转速度为300-1000转/分钟，焊接速度为50-100毫米/分钟，下压量为0.1-0.4毫米，焊接倾角为1-3.5度。               

进一步地，所述铝或铝合金放置在返回侧，钛或钛合金放置于前进侧。

进一步地，所述搅拌摩擦焊接为单道次对接焊。

研究结果表明，当接头添加锌基中间层材料以后，焊缝显微硬度下降，在一定程度上能够减少Ti-Al系脆性相的生成，促使接头由脆性断裂向韧性+脆性复合断裂的方式转变。达到了调控脆性相的目的，改变了接头的强度。

本发明具有以下主要优点：

1、搅拌摩擦焊是一种固相焊接技术，焊接过程热循环中最高温度低于异种金属中较低熔点母材的熔点，相比于其他焊接方法，此技术能在较低的温度下发生待焊金属间的冶金结合，所以能够为脆性相的调控提供条件。

2、基于现有钛/铝异种金属搅拌摩擦焊焊接接头中存在的不足，通过加入中间层材料引入第三种合金元素对影响接头性能的脆性相进行调控，在不增加工艺过程复杂性的基础上，提高接头性能。