[发明专利]一种钛-铝异种金属高强冶金结合的电子束连接方法

说明书

本发明为一种钛‑铝异种金属高强冶金结合的电子束连接方法，该方法步骤为：待焊试件接头，在I型接头两个对接面上分别设置一个沿焊接件厚度方向的凸起平台，两个平台在焊接件长度及宽度方向等长，在厚度方向的高度之和为对接试板厚度。其次，进行焊前处理并优化电子束焊接参数，完成第一次熔钎焊接；之后，在熔钎焊缝相邻的钛侧，进行第二次改性焊接，两焊缝相近但不交叉。本发明的连接方法利用异种金属高熔点差异特点，在高熔点钛侧相邻熔钎焊道旁进行第二次焊接，通过第二次焊接温度场对钛铝结合界面进行重熔改性，优化结合界面处相结构，减弱接头脆性，同时采用特殊的接头结构，提高焊缝根部结合强度，增加接头可靠性。

技术领域

本发明涉及异种金属连接领域，具体涉及Ti-6Al-4V钛合金与6061铝合金的电子束熔化连接方法。

背景技术

科学技术的不断进步对各类工程机械结构的性能提出了更高的要求，金属材料在结构设计与制造上正面临着新的挑战，多层次、轻量化、功能一体化、和低成本设计与制造正成为了当下材料研究的前沿。然而单一结构材料在经过不断优化改进的同时也逐渐面临性能的瓶颈。除了满足常规的力学性能之外，还有如高温强度、耐磨性、耐腐蚀性、低温韧性等多方面的性能要求。鉴于此，异种材料连接正得到越来越广泛的重视，异种金属的复合结构可以兼有多种金属的优点，通过整合不同材料之间的性能优势，将具有不同特性和功能的材料连接为一个完整单元，从而匹配工业生产应用，提升产品综合性能，所以，异种结构的综合性能将超过单一的金属结构。目前，异种金属的复合结构在航空航天、造船、电力工业等领域应用越来越广泛。

钛合金因其耐热性强、比强度高、具有良好的塑性、韧性以及耐蚀性，广泛应用于航空航天、石油化工等领域。铝及铝合金由于具有低密度、高强度等优点成为工业中应用量最大的有色金属，在航空，汽车，机械等行业中得到了广泛应用。但两种金属存在各自的短板，价格昂贵和比强度不足分别限制了钛合金和铝合金的广泛应用。因此，将该两种材料进行优势整合，形成复合结构并保证高强的连接强度将推动钛铝更广泛的商业应用，同时，该结构更加节能环保，在航空航天、汽车、电力工业具有很好的应用前景。

对于异种金属材料的焊接，无论从焊接技术操作和机理研究都比同种金属材料的焊接要难很多，物理性质和化学性质是决定了异种金属材料的焊接性，一方面，金属材料的物理性质(包括热膨胀系数、熔点及沸点、热导率，原子相容性等)对焊接本身的焊接影响就很大，不同的金属材料的不同物理性质对异种金属的焊接就会产生巨大影响。例如：材料热膨胀系数差异大，导致金属材料的焊接变形不一样，焊缝会产生较大的残余应力，导致焊缝的整体性能较差；熔点及沸点差异较大，会导致焊接过程当中元素的损失，力学性能难以控制，有色金属焊接这一现象尤其容易出现等；另一方面，金属材料的化学性质差异对焊缝的性能影响也很大，当化学性质相差较大时，不同的合金元素在相变过程中会产生金属间化合物脆性相，如果脆性金属间化合物是以极细夹杂物弥散在合金晶粒之间，则可能无害，但是如果金属间化物以针状或者带状在晶界间生长，或者两种合金间出现较厚的金属间化合物过渡层，则对焊接接头会产生巨大的影响，焊接接头极易发生脆断。

对于铝/钛异种金属组合，由于其物理性质相差较大，在焊接中主要存在以下问题： a.铝与钛极易氧化，合金元素容易烧损蒸发；b.铝与钛在不同温度、不同组分下发生反应，生成多种脆性化合物；c.铝与钛的焊接变形大，铝的导热率和线性膨胀系数分别约是钛的16倍和3倍，在焊接应力作用下容易产生热裂纹。其中，最关键的问题在于金属间化合物的控制问题，它是由温度-时间-成分关系共同决定的。伴随着金属间相的形成，焊接区域变脆，性能恶化。从钛铝二元相图可以看出钛铝体系中的相结构，铝钛之间溶解度很小。当钛铝液相中铝元素质量分数在13％左右时，会形成Ti₃Al。随着液相中铝含量的增加，凝固后会形成TiAl、TiAl₂、Ti₂Al₅。当液相中主要成分为铝元素时，液相会形成TiAl₃。钛铝体系中复杂的金属间化合物使得钛铝的连接接头性能难以控制，极易脆断。

发明内容