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钛合金和铝/铝镁合金的焊接问题

钛丝

钛合金和铝合金的焊接问题随着航空航天工业的发展而受到各个国家和众多研究者的重视。然而由于钛合金和铝合金在晶体结构、热膨胀系数、熔点和热导率等方面存在着较大的差异,常规的焊接方法很难获得可以满足使用要求的焊接接头。为了解决钛合金和铝合金在焊接过程中存在的问题,研究者对钛合金/铝合金的扩散焊、搅拌摩擦焊、电子束熔钎焊、激光焊、真空钎焊、液相扩散焊等方法进行了大量实验和研究。


采用扩散焊技术对TA2/LF6异种金属进行了实验,研究发现当焊接温度超过525℃时,Ti/Al/Mg三种元素将会发生扩散反应生成Al18Ti2Mg3型中间相,焊接接头的结合强度取决于扩散反应产生的新相区和固溶冶金结合区,结合强度随扩散反应新相区的增大而降低,随固溶冶金结合区的增大而升高。图1显示了焊接温度对TA2/LF6扩散焊焊接接头剪切强度的影响。可以看出当焊接温度为500℃时,焊接接头的抗剪强度随保温时间的延长而增加,当保温时间为600 min时达到最大值74 MPa;当焊接温度为525℃时,焊接接头的抗剪强度在保温240 min 时达到最大值83MPa,之后急剧减小;当焊接温度分别为550℃和565℃时,焊接接头的抗剪强度最大值降低,分别为61 MPa 和55MPa。

TC4钛合金与5A06铝合金进行了搅拌摩擦焊接实验,指出采用最佳工艺条件(n=1500 r/min,ν=60 mm/min,T=0.1 mm)进行焊接时获得的Ti /Al对接焊缝的抗拉强度达到可以达到5A06 铝合金抗拉强度的 88%左右,且其断裂主要发生在铝侧焊合区内。为最佳工艺条件下TC4/5A06搅拌摩擦焊焊接接头对应的钛合金一侧断裂面扫描图。可以看出圆形标记区域为平坦光滑的脆性解理面,说明该处界面为脆性连接,界面结合强度较低。矩形标记区域的局部放大图,该区域大量分布的紧密排列的韧窝说明该处界面为韧性连接,界面结合强度较高。采用电子束熔钎焊对TC4钛合金和5A06铝合金进行了冶金结合,研究发现Ti/Al元素在焊接过程中在界面处产生了互扩散现象,并形成了宽度约为1.0~1.6 mm的中间层,其中在钛合金一侧形成了宽度约为20~40 μm的扩散层,而在铝合金一侧则分布着大量金属间化合物。该法所形成的界面能够提高钛合金/铝合金焊接接头的力学性能。

镁合金因具有比强度和比刚度高、地磁屏蔽性能和阻尼性能好等优点而被广泛的应用于航空航天、汽车工业和电子产品等领域中。将钛合金和镁合金进行异种金属焊接,可以有效改善镁合金高温力学性能和耐腐蚀性能差的缺点,解决镁合金性能短板,结合钛合金和镁合金的性能优势,提高其应用范围。目前钛合金和镁合金之间主要存在着扩散焊、爆炸焊、电阻焊和搅拌摩擦焊等焊接方法。

对ZK60镁合金和钛合金板材进行搅拌摩擦焊,重点研究其界面扩散区的微观组织和接头的力学性能,并与纯镁-钛的搅拌摩擦焊接头进行对比。研究显示可以通过搅拌摩擦焊的方法来实现ZK60镁合金与钛合金板材之间的冶金连接。拉伸试验发现断裂面主要发生在接头界面部分的ZK60镁合金与搅拌区之间。此外,ZK60镁合金中的锌、锆等合金元素在搅拌摩擦焊过程中与钛在接头界面处发生反应形成一很薄的反应层,由于纯镁和钛合金接头界面处没有形成反应层,使得ZK60镁合金与钛合金接头的抗拉强度要高于纯镁和钛合金接头。

以50μm厚的纯Al作为过渡金属对AZ31B镁合金/Ti-6A1-4V异种金属间进行了扩散焊实验。研究发现若保温时间控制在3h,焊接温度是改变接头微观组织、界面新生相与连接强度的重点影响因子。若焊接温度比450℃小,则在Mg/Al接触层没有共晶组织形成,不能完成镁合金和钛合金之间有效结合;若焊接温度在450℃到480℃,则焊接温度成为Mg/Al/Ti接触层的主要控制因素,主要对连接界面处反应产物的组织形貌与结构产生波动变化。若焊接温度达到470℃,保温时间达到3h,则连接界面剪切强度最高,是72.4MPa,达到了AZ31B母材(86MPa)的84.2%。

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