專利名稱：一種降低鋁基復(fù)合材料與鈦合金焊接接頭殘余應(yīng)力的焊接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鋁基復(fù)合材料與鈦合金焊接領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基(SiCp/Al)復(fù)合材料主要性能優(yōu)勢(shì)在于能夠集輕質(zhì)、高模、低膨脹、高諧振頻率等特點(diǎn)于一身，其熱膨脹系數(shù)則比鋁合金低60%之多，并且具有較高的耐磨性。然而，高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料在制作結(jié)構(gòu)件時(shí)，不可避免與其它金屬進(jìn)行連接，由于鈦合金的線膨脹系數(shù)只有8. 8 X ΙΟ—Ι—1與復(fù)合材料的系數(shù)相近，所以常常會(huì)把這兩種材料連接到一起。對(duì)于高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料而言，由于其中的SiC顆粒的體積分?jǐn)?shù)超過(guò)了 50%，顆粒含量過(guò)高。當(dāng)這種復(fù)合材料作為結(jié)構(gòu)件與鈦合金連接時(shí)，如果形成純合金焊縫，如&1-A1合金或者是Al合金焊縫，其密度約為母材的2倍，彈性模量降為母材的三分之一，熱膨脹系數(shù)約為母材的2. 5倍。因?yàn)椴牧暇€膨脹系數(shù)之差合金焊縫在冷卻過(guò)程中，其收縮量大大高于母材的收縮量，會(huì)引起殘余應(yīng)力，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)件的連接強(qiáng)度下降，不能滿足高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的使用要求。因此有必要降低接頭中焊縫的線膨脹系數(shù)，緩解焊接接頭的殘余應(yīng)力。目前降低焊接接頭殘余應(yīng)力的方法有機(jī)械方法、加熱方法和改善焊縫組織的方法。但高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料難于變形，在外力作用下容易產(chǎn)生裂紋，所以機(jī)械方法不適合鈦合金與復(fù)合材料焊接接頭殘余應(yīng)力的去除；而且高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料焊后熱處理溫度較低時(shí)，殘余應(yīng)力釋放過(guò)程難于進(jìn)行，溫度過(guò)高又容易導(dǎo)致基體軟化，使構(gòu)件變形過(guò)大，所以也不適合采用加熱方法消除殘余應(yīng)力。改善焊縫組織的方法是在焊接時(shí)向釬料中直接添加增強(qiáng)相顆粒，如SiC顆粒、 Al2O3顆粒等，是希望增強(qiáng)相在釬料中可以形成復(fù)合材料的釬縫，用以降低焊縫金屬的變形， 但是直接添加增強(qiáng)相與釬料難于潤(rùn)濕，在焊接溫度較低時(shí)，釬料與直接添加的顆粒之間很難達(dá)到冶金結(jié)合的程度，未潤(rùn)濕界面成為焊縫的裂紋源，導(dǎo)致焊縫力學(xué)性能下降。因此現(xiàn)有焊接技術(shù)在焊接鈦合金與高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料時(shí)， 所形成的純合金焊縫與鈦合金基體之間產(chǎn)生的比較厚的硬脆金屬間化合物，造成接頭結(jié)合強(qiáng)度很低、且殘余應(yīng)力大，所以不能滿足精密結(jié)構(gòu)件的使用要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決現(xiàn)有焊接技術(shù)在焊接鈦合金與高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料時(shí)，所形成的純合金焊縫與鈦合金基體之間產(chǎn)生的比較厚的硬脆金屬間化合物，造成接頭結(jié)合強(qiáng)度很低、且殘余應(yīng)力大的問(wèn)題，而提供一種降低鋁基復(fù)合材料與鈦合金焊接接頭殘余應(yīng)力的焊接方法。
降低鋁基復(fù)合材料與鈦合金焊接接頭殘余應(yīng)力的焊接方法是按以下步驟完成的 一、鈦合金板表面處理對(duì)鈦合金板表面進(jìn)行拋光處理，至表面粗糙度Ra < 3. 2，然后放入丙酮中超聲清洗10 30min ；二、生成TiAl3金屬間化合物將經(jīng)過(guò)步驟一中處理的鈦合金板與厚度為3 IOOmm的純鋁板重疊放在一起，以鈦合金板在下、厚度為3 IOOmm的純鋁板在上的形式用夾具壓緊，放入電阻爐中，將電阻爐從室溫加熱至680 1200°C，并在 680 1200°C下持續(xù)加熱10 60min，即在鈦合金板上生成TiAl3金屬間化合物；三、采用超聲遷移和驅(qū)散保持步驟二加熱后的狀態(tài)不變的情況下，在加熱的鈦合金板上施加頻率為20 100kHz、振幅為10 30 μ m的超聲波，可以采用間歇性或者連續(xù)性兩種方式施加超聲波，間歇性施加超聲波的施加方式為每間隔Is的時(shí)間施加0. ^超聲波，總共超聲時(shí)間為1 5min ；連續(xù)性施加超聲波的施加方式為不間斷的施加超聲波1 5min ；四、焊接取出步驟三施加超聲波后的鈦合金板，然后在鈦合金板附著TiAl3金屬間化合物的一側(cè)放置合金釬料，并加熱至550°C使釬料全部融化，然后以頻率為20 100kHz、振幅為10 30 μ m 的超聲波連續(xù)性施加超聲1 IOs使TiAl3金屬間化合物與合金釬料充分混和，最后將高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料與鈦合金板放置釬料的一側(cè)搭接在一起，并調(diào)整釬縫間隙為10 500 μ m,加熱至200 700°C后在鈦合金側(cè)放置合金釬料，并將頻率為20 100kHz、振幅為30 80 μ m的超聲波施加在鈦合金板上，連續(xù)性施加超聲10 20s后即完成焊接；步驟一所述的鈦合金板中Al元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 001%-7%, V元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.001 % 5%，Mn元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 001% 3%，Ti元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為85% 99. 997% ；步驟二中所述的夾具間隙精確可調(diào)，且下方帶有凹槽，可以將鈦合金板直接放入，壓緊程度通過(guò)夾具上的楔形塊調(diào)整；步驟四中所述的合金釬料為熔點(diǎn)在700°C以下的鋁基合金釬料、熔點(diǎn)在700°C以下的鋅基合金釬料或者熔點(diǎn)在700°C以下的錫基合金釬料； 步驟四中所述的高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料按體積分?jǐn)?shù)是由50% 75% SiC顆粒和25% 50%鋁基體制備而成，其中鋁基體中Si元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3% 8%， Mg元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 4%，Ti元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01% 3%，Al元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 85% 96. 89%。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)一、讓鈦合金與熔融純鋁加熱到高溫后，會(huì)在鈦合金表面原位生成顆粒狀TiAl3金屬間化合物；二、采用超聲遷移和驅(qū)散可以使熔融釬料充分溶解鈦合金表面的鋁層，有利于界面的TiAl3相以小顆粒的形式遷移到焊縫中，起到降低接頭殘余應(yīng)力的效果，達(dá)到強(qiáng)化焊接接頭力學(xué)性能的目的，且形成顆粒增強(qiáng)的復(fù)合焊縫，提高焊縫的強(qiáng)度；三、 超聲波的振動(dòng)把大量的界面處TiAl3相遷移到焊縫中的同時(shí)，也減薄了界面化合物層的厚度，達(dá)到提高界面接合強(qiáng)度的目的；四、在焊接時(shí)加入合金釬料可以得到顆粒增強(qiáng)的復(fù)合焊縫；五、超聲波的振動(dòng)可以使焊縫的成分均勻化，避免釬料中的成分和TiAl3顆粒的偏聚， 進(jìn)一步提高焊縫的力學(xué)性能；六、形成顆粒增強(qiáng)的復(fù)合焊縫后，接頭的殘余應(yīng)力可以下降 50%，接頭強(qiáng)度可以從llOMI^a提高到190MPa ；七、對(duì)于同一種接頭采用本專利焊接不需要向焊縫中添加增強(qiáng)相顆粒，只需要使用價(jià)格低廉的Al基、Zn基和Sn基釬料就可達(dá)到顆粒增強(qiáng)焊縫的目的，顯著降低焊接成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決現(xiàn)有焊接技術(shù)在焊接鈦合金與高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料時(shí)，所形成的純合金焊縫與鈦合金基體之間產(chǎn)生的比較厚的硬脆金屬間化合物，造成接頭結(jié)合強(qiáng)度很低、且殘余應(yīng)力大的問(wèn)題，而提供一種降低鋁基復(fù)合材料與鈦合金焊接接頭殘余應(yīng)力的焊接方法。降低鋁基復(fù)合材料與鈦合金焊接接頭殘余應(yīng)力的焊接方法是按以下步驟完成的 一、鈦合金板表面處理對(duì)鈦合金板表面進(jìn)行拋光處理，至表面粗糙度Ra < 3. 2，然后放入丙酮中超聲清洗10 30min ；二、生成TiAl3金屬間化合物將經(jīng)過(guò)步驟一中處理的鈦合金板與厚度為3 IOOmm的純鋁板重疊放在一起，以鈦合金板在下、厚度為3 IOOmm的純鋁板在上的形式用夾具壓緊，放入電阻爐中，將電阻爐從室溫加熱至680 1200°C，并在 680 1200°C下持續(xù)加熱10 60min，即在鈦合金板上生成TiAl3金屬間化合物；三、采用超聲遷移和驅(qū)散保持步驟二加熱后的狀態(tài)不變的情況下，在加熱的鈦合金板上施加頻率為20 100kHz、振幅為10 30 μ m的超聲波，可以采用間歇性或者連續(xù)性兩種方式施加超聲波，間歇性施加超聲波的施加方式為每間隔Is的時(shí)間施加0. ^超聲波，總共超聲時(shí)間為1 5min ；連續(xù)性施加超聲波的施加方式為不間斷的施加超聲波1 5min ；四、焊接取出步驟三施加超聲波后的鈦合金板，然后在鈦合金板附著TiAl3金屬間化合物的一側(cè)放置合金釬料，并加熱至550°C使釬料全部融化，然后以頻率為20 100kHz、振幅為10 30 μ m 的超聲波連續(xù)性施加超聲1 IOs使TiAl3金屬間化合物與合金釬料充分混和，最后將高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料與鈦合金板放置釬料的一側(cè)搭接在一起，并調(diào)整釬縫間隙為10 500 μ m,加熱至200 700°C后在鈦合金側(cè)放置合金釬料，并將頻率為20 100kHz、振幅為30 80 μ m的超聲波施加在鈦合金板上，連續(xù)性施加超聲10 20s后即完成焊接；步驟一所述的鈦合金板中Al元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 001%-7%, V元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 001% 5%，Mn元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 001% 3%，Ti元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為85% 99. 997% ；步驟二中所述的夾具間隙精確可調(diào)，且下方帶有凹槽，可以將鈦合金板直接放入，壓緊程度通過(guò)夾具上的楔形塊調(diào)整；步驟四中所述的合金釬料為熔點(diǎn)在700°C以下的鋁基合金釬料、熔點(diǎn)在700°C以下的鋅基合金釬料或者熔點(diǎn)在700°C以下的錫基合金釬料； 步驟四中所述的高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料按體積分?jǐn)?shù)是由50% 75% SiC顆粒和25% 50%鋁基體制備而成，其中鋁基體中Si元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3% 8%， Mg元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 4%，Ti元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 01% 3%，Al元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 85% 96. 89%。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)一、讓鈦合金與熔融純鋁加熱到高溫后，會(huì)在鈦合金表面原位生成顆粒狀TiAl3金屬間化合物；二、采用超聲遷移和驅(qū)散可以使熔融釬料充分溶解鈦合金表面的鋁層，有利于界面的TiAl3相以小顆粒的形式遷移到焊縫中，起到降低接頭殘余應(yīng)力的效果，達(dá)到強(qiáng)化焊接接頭力學(xué)性能的目的，且形成顆粒增強(qiáng)的復(fù)合焊縫，提高焊縫的強(qiáng)度；三、 超聲波的振動(dòng)把大量的界面處TiAl3相遷移到焊縫中的同時(shí)，也減薄了界面化合物層的厚度，達(dá)到提高界面接合強(qiáng)度的目的；四、在焊接時(shí)加入合金釬料可以得到顆粒增強(qiáng)的復(fù)合焊縫；五、超聲波的振動(dòng)可以使焊縫的成分均勻化，避免釬料中的成分和TiAl3顆粒的偏聚， 進(jìn)一步提高焊縫的力學(xué)性能；六、形成顆粒增強(qiáng)的復(fù)合焊縫后，接頭的殘余應(yīng)力可以下降 30% 80%，接頭強(qiáng)度也可以從90 IlOMPa提高到170 190MPa ；七、對(duì)于同一種接頭采用本專利焊接不需要向焊縫中添加增強(qiáng)相顆粒，只需要使用價(jià)格低廉的Al基、Si基和Sn基釬料就可達(dá)到顆粒增強(qiáng)焊縫的目的，顯著降低焊接成本。


圖1是具體實(shí)施方式
十六對(duì)步驟二完成后鈦合金板和其表面生成TiAl3金屬間化合物的XRD測(cè)試圖；圖2是具體實(shí)施方式
十六進(jìn)行步驟三Imin后帶有TiAl3金屬間化合物鈦合金板的掃描電鏡圖。圖3是具體實(shí)施方式
十六沒(méi)有經(jīng)過(guò)驟三中采用超聲遷移和驅(qū)散的帶有TiAl3金屬間化合物鈦合金板的掃描電鏡具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一本實(shí)施方式提供一種降低鋁基復(fù)合材料與鈦合金焊接接頭殘余應(yīng)力的焊接方法，具體是按以下步驟完成的一、鈦合金板表面處理對(duì)鈦合金板表面進(jìn)行拋光處理，至表面粗糙度Ra < 3. 2， 然后放入丙酮中超聲清洗10 30min ；二、生成TiAl3金屬間化合物將經(jīng)過(guò)步驟一處理的鈦合金板與厚度為3 IOOmm的純鋁板重疊放在一起，以鈦合金板在下、厚度為3 IOOmm 的純鋁板在上的形式用夾具壓緊，放入電阻爐中，將電阻爐從室溫加熱至680 1200°C，并在680 1200°C下持續(xù)加熱10 60min，即在鈦合金板上生成TiAl3金屬間化合物；三、采用超聲遷移和驅(qū)散保持步驟二加熱后的狀態(tài)不變的情況下，在加熱的鈦合金板上施加頻率為20 100kHz、振幅為10 30 μ m的超聲波，可以采用間歇性或者連續(xù)性兩種方式施加超聲波，間歇性施加超聲波的施加方式為每間隔Is的時(shí)間施加0. ^超聲波，共超聲時(shí)間為1 5min ；連續(xù)性施加超聲波的施加方式為不間斷的施加超聲波1 5min ；四、焊接取出步驟三施加超聲波后的鈦合金板，然后在鈦合金板附著TiAl3金屬間化合物的一側(cè)放置合金釬料，并加熱至550°C使釬料全部融化，然后以頻率為20 100kHz、振幅為10 30 μ m 的超聲波連續(xù)性施加超聲1 IOs使TiAl3金屬間化合物與合金釬料充分混和，最后將高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料與鈦合金板放置釬料的一側(cè)搭接在一起，并調(diào)整釬縫間隙為10 500 μ m,加熱至200 700°C后在鈦合金側(cè)放置合金釬料，并將頻率為20 IOOkHz、振幅為30 80 μ m的超聲波施加在鈦合金板上，連續(xù)性施加超聲10 20s后即完成焊接。本實(shí)施方式步驟一中所述的鈦合金板中Al元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.001 % 7%，V元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 001% 5%，Mn元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 001% 3%，Ti元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 85% 99. 997%。本實(shí)施方式步驟二中所述的夾具間隙精確可調(diào)，且下方帶有凹槽，可以將鈦合金板直接放入，壓緊程度通過(guò)夾具上的楔形塊調(diào)整。本實(shí)施方式步驟四中所述的合金釬料為熔點(diǎn)在700°C以下的鋁基合金釬料、熔點(diǎn)在700°C以下的鋅基合金釬料或者熔點(diǎn)在700°C以下的錫基合金釬料。本實(shí)施方式步驟四中所述的高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料按體積分?jǐn)?shù)由50% 75% SiC顆粒和25% 50%鋁基體制備而成，其中鋁基體中Si元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3% 8%，Mg元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 4%，Ti元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 01% 3%， Al元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為85% 96. 89%。本實(shí)施方式的步驟二中讓鈦合金與熔融純鋁加熱到高溫后，會(huì)在鈦合金表面原位生成顆粒狀TiAl3金屬間化合物。
本實(shí)施方式的步驟三中采用超聲遷移和驅(qū)散可以使熔融釬料充分溶解鈦合金表面的鋁層，有利于界面的TiAl3相以小顆粒的形式遷移到焊縫中，起到降低接頭殘余應(yīng)力的效果，強(qiáng)化焊接接頭力學(xué)性能的目的，且形成顆粒增強(qiáng)的復(fù)合焊縫，提高焊縫的強(qiáng)度；同時(shí)也減薄了界面化合物層的厚度，達(dá)到提高界面接合強(qiáng)度的目的。本實(shí)施方式步驟四中在焊接時(shí)加入合金釬料可以得到顆粒增強(qiáng)的復(fù)合焊縫；超聲波的振動(dòng)可以使焊縫的成分均勻化，避免釬料中的成分和TiAl3顆粒的偏聚，進(jìn)一步提高焊縫的力學(xué)性能。應(yīng)用本實(shí)施方式焊接形成顆粒增強(qiáng)的復(fù)合焊縫后，接頭的殘余應(yīng)力可以下降 30% 80%，接頭強(qiáng)度也可以從90 IlOMPa提高到170 190MPa。
具體實(shí)施方式
二 本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同點(diǎn)是步驟一中放入丙酮中超聲清洗20min。其它與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
三本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一或二之一不同點(diǎn)是步驟二中采用的純鋁板的厚度為20 80mm。其它與具體實(shí)施方式
一或二相同。
具體實(shí)施方式
四本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至三之一不同點(diǎn)是步驟二中采用的純鋁板的厚度為40 60mm。其它與具體實(shí)施方式
一或三相同。
具體實(shí)施方式
五本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至四之一不同點(diǎn)是步驟二中采用的純鋁板的厚度為50mm。其它與具體實(shí)施方式
一或四相同。
具體實(shí)施方式
六本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至五之一不同點(diǎn)是步驟二中將電阻爐從室溫加熱至800 1000°C，并在800 1000°C下持續(xù)加熱30 50min。其它與具體實(shí)施方式
一或五相同。
具體實(shí)施方式
七本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至六之一不同點(diǎn)是步驟二中將電阻爐從室溫加熱至900°C，并在900°C下持續(xù)加熱40min。其它與具體實(shí)施方式
一或六相同。
具體實(shí)施方式
八本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至七之一不同點(diǎn)是步驟三中在加熱的鈦合金板上施加頻率為40 80kHz、振幅為15 25 μ m的超聲波。其它與具體實(shí)施方式
一或七相同。
具體實(shí)施方式
九本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至八之一不同點(diǎn)是步驟三中在加熱的鈦合金板上施加頻率為60kHz、振幅為20 μ m的超聲波。其它與具體實(shí)施方式
一或八相同。
具體實(shí)施方式
十本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至九之一不同點(diǎn)是步驟三中采用間歇性施加超聲波的總時(shí)間為2 ^iin ；采用連續(xù)性施加超聲波的總時(shí)間為2 ％iin。 其它與具體實(shí)施方式
一或九相同。
具體實(shí)施方式
十一本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至十之一不同點(diǎn)是步驟三中采用間歇性施加超聲波的總時(shí)間為:3min ；采用連續(xù)性施加超聲波的總時(shí)間為3min。其它與具體實(shí)施方式
一或十相同。
具體實(shí)施方式
十二 本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至十一之一不同點(diǎn)是步驟四中以頻率為40 80kHz、振幅為10 30 μ m的超聲波連續(xù)性施加超聲2 7s使TiAl3金屬間化合物與釬料充分混和。其它與具體實(shí)施方式
一或十一相同。
具體實(shí)施方式
十三本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至十二之一不同點(diǎn)是步驟四中以頻率為60kHz、振幅為20 μ m的超聲波連續(xù)性施加超聲k使TiAl3金屬間化合物與釬料充分混和。其它與具體實(shí)施方式
一或十二相同。
具體實(shí)施方式
十四本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至十三之一不同點(diǎn)是步驟四中調(diào)整釬縫間隙為100 300 μ m,加熱至400 600°C后在鈦合金側(cè)放置釬料，并將頻率為 40 80kHz、振幅為50 70 μ m的超聲波施加在鈦合金板上，連續(xù)性施加超聲1 后即完成焊接。其它與具體實(shí)施方式
一或十三相同。
具體實(shí)施方式
十五本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至十四之一不同點(diǎn)是步驟四中調(diào)整釬縫間隙為200 μ m,加熱至500°C后在鈦合金側(cè)放置釬料，并將頻率為60kHz、振幅為60 μ m的超聲波施加在鈦合金板上，連續(xù)性施加超聲1 后即完成焊接。其它與具體實(shí)施方式
一或十四相同。
具體實(shí)施方式
十六本實(shí)施方式提供一種降低鋁基復(fù)合材料與鈦合金焊接接頭殘余應(yīng)力的焊接方法，具體是按以下步驟完成的一、鈦合金板表面處理對(duì)鈦合金板表面進(jìn)行拋光處理，至表面粗糙度Ra < 3. 2， 然后放入丙酮中超聲清洗20min ；二、生成TiAl3金屬間化合物將經(jīng)過(guò)步驟一中處理的鈦合金板與厚度為50mm的純鋁板面對(duì)面對(duì)正，以鈦合金板在下、厚度為50mm的純鋁板在上的形式用夾具壓緊，放入電阻爐中，將電阻爐從室溫加熱至900°C，并在900°C下持續(xù)加熱 40min,即在鈦合金板上生成TiAl3金屬間化合物；三、采用超聲遷移和驅(qū)散保持步驟一加熱后的狀態(tài)不變的情況下，在加熱的鈦合金板上施加頻率為60kHz、振幅為20 μ m的超聲波，施加超聲波采用兩種形式進(jìn)行，一種為間歇性施加，即每間隔Is的時(shí)間施加0. 5s超聲波，共超聲時(shí)間為:3min ；另一種為連續(xù)性施加，即不間斷的施加超聲波:3min ；四、焊接取出步驟二施加超聲波后的鈦合金板，然后在鈦合金板附著TiAl3金屬間化合物的一側(cè)放置釬料，并加熱至550°C使釬料全部融化，然后以頻率為60kHz、振幅為20μπι的超聲波連續(xù)性施加超聲^使TiAl3金屬間化合物與釬料充分混和，最后將高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料與鈦合金板放置釬料的一側(cè)搭接在一起，并調(diào)整釬縫間隙為200 μ m,加熱至 500°C后在鈦合金側(cè)放置釬料，并將頻率為60kHz、振幅為60 μ m的超聲波施加在鈦合金板上，連續(xù)性施加超聲1 后即完成焊接。本實(shí)施方式步驟一中所述的鈦合金板中Al元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%，V元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%，Mn元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 01%, Ti元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為89. 99%。本實(shí)施方式步驟二中所述的夾具為間隙精確可調(diào)，且下方帶有凹槽，可以將鈦合金板直接放入，壓緊程度通過(guò)夾具上的楔形塊調(diào)整。本實(shí)施方式步驟四中所述的合金釬料為熔點(diǎn)在550°C以下的鋁基合金釬料、熔點(diǎn)在550°C以下的鋅基合金釬料或者熔點(diǎn)在550°C以下的錫基合金釬料。本實(shí)施方式步驟四中所述的高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料按體積分?jǐn)?shù)是由50% 75% SiC顆粒和25% 50%鋁基體制備而成，其中鋁基體中Si元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%，Mg元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 3%，Ti元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 1%，A1元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 92. 6%。對(duì)本實(shí)施方式步驟二制備的生成TiAl3金屬間化合物進(jìn)行檢測(cè)，如圖1所示，通過(guò)對(duì)鈦合金板與鋁界面進(jìn)行XRD測(cè)試可知，界面只有TiAl3金屬間化合物生成，由于檢測(cè)的深度比較大，也同時(shí)測(cè)到了鈦合金基體。
通過(guò)對(duì)比步驟三中采用超聲遷移和驅(qū)散Imin后的帶有TiAl3金屬間化合物鈦合金板的掃描電鏡圖2與沒(méi)有經(jīng)過(guò)驟三中采用超聲遷移和驅(qū)散的帶有TiAl3金屬間化合物鈦合金板的掃描電鏡圖3可知，生成的TiAl3金屬間化合物在施加超聲波遷移和驅(qū)散后，隨著超聲時(shí)間的逐漸增加，TiAl3開始向遠(yuǎn)處遷移，最后全部離開界面，被驅(qū)散至遠(yuǎn)處。對(duì)本實(shí)施方式形成顆粒增強(qiáng)的復(fù)合焊縫后，經(jīng)檢測(cè)整個(gè)接頭的殘余應(yīng)力可以下降 30% 80%，接頭強(qiáng)度也可以從90 IlOMPa提高到170 190MPa，大大提高了結(jié)構(gòu)件使用的可靠性和擴(kuò)大了應(yīng)用范圍。
權(quán)利要求
1.一種降低鋁基復(fù)合材料與鈦合金焊接接頭殘余應(yīng)力的焊接方法，其特征在于降低鋁基復(fù)合材料與鈦合金焊接接頭殘余應(yīng)力的焊接方法是按以下步驟完成的一、鈦合金板表面處理對(duì)鈦合金板表面進(jìn)行拋光處理，至表面粗糙度Ra < 3. 2，然后放入丙酮中超聲清洗10 30min ；二、生成TiAl3金屬間化合物將經(jīng)過(guò)步驟一處理的鈦合金板與厚度為3 IOOmm的純鋁板重疊放在一起，以鈦合金板在下、厚度為3 IOOmm的純鋁板在上的形式用夾具壓緊，放入電阻爐中，將電阻爐從室溫加熱至680 1200°C，并在680 1200°C下持續(xù)加熱10 60min，即在鈦合金板上生成TiAl3金屬間化合物；三、采用超聲遷移和驅(qū)散保持步驟二加熱后的狀態(tài)不變的情況下，在加熱的鈦合金板上施加頻率為20 100kHz、振幅為10 30 μ m的超聲波，可以采用間歇性或者連續(xù)性兩種方式施加超聲波，間歇性施加超聲波的施加方式為每間隔Is的時(shí)間施加0. ^超聲波，共超聲時(shí)間為1 5min ；連續(xù)性施加超聲波的施加方式為不間斷的施加超聲波1 5min ；四、焊接取出步驟三施加超聲波后的鈦合金板，然后在鈦合金板附著TiAl3金屬間化合物的一側(cè)放置合金釬料，并加熱至550°C 使釬料全部融化，然后以頻率為20 100kHz、振幅為10 30 μ m的超聲波連續(xù)性施加超聲 1 IOs使TiAl3金屬間化合物與合金釬料充分混和，最后將高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料與鈦合金板放置釬料的一側(cè)搭接在一起，并調(diào)整釬縫間隙為10 500 μ m，加熱至200 700°C后在鈦合金側(cè)放置合金釬料，并將頻率為20 100kHz、振幅為30 80 μ m 的超聲波施加在鈦合金板上，連續(xù)性施加超聲10 20s后即完成焊接；步驟一所述的鈦合金板中Al元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 001% 7%，V元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 001% 5%，Mn元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 001 % 3%，Ti元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為85% 99. 997% ；步驟二中所述的夾具間隙精確可調(diào)，且下方帶有凹槽，可以將鈦合金板直接放入，壓緊程度通過(guò)夾具上的楔形塊調(diào)整；步驟四中所述的合金釬料為熔點(diǎn)在700°C以下的鋁基合金釬料、熔點(diǎn)在700°C以下的鋅基合金釬料或者熔點(diǎn)在700°C以下的錫基合金釬料；步驟四中所述的高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料按體積分?jǐn)?shù)由50% 75% SiC顆粒和25% 50%鋁基體制備而成，其中鋁基體中Si元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3% 8%，Mg元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 4%，Ti 元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 01% 3%，Al元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為85% 96. 89%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種降低鋁基復(fù)合材料與鈦合金焊接接頭殘余應(yīng)力的焊接方法，其特征在于步驟一中放入丙酮中超聲清洗20min。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種降低鋁基復(fù)合材料與鈦合金焊接接頭殘余應(yīng)力的焊接方法，其特征在于步驟二中采用的純鋁板的厚度為50mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的一種降低鋁基復(fù)合材料與鈦合金焊接接頭殘余應(yīng)力的焊接方法，其特征在于步驟二中將電阻爐從室溫加熱至900°C，并在900°C下持續(xù)加熱 40min。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種降低鋁基復(fù)合材料與鈦合金焊接接頭殘余應(yīng)力的焊接方法，其特征在于步驟三中在加熱的鈦合金板上施加頻率為60kHz、振幅為20 μ m的超聲波。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種降低鋁基復(fù)合材料與鈦合金焊接接頭殘余應(yīng)力的焊接方法，其特征在于步驟三中采用間歇性方式施加超聲波的總時(shí)間為:3min ；采用連續(xù)性方式施加超聲波的總時(shí)間為3min。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種降低鋁基復(fù)合材料與鈦合金焊接接頭殘余應(yīng)力的焊接方法，其特征在于步驟四中以頻率為60kHz、振幅為20 μ m的超聲波連續(xù)性施加超聲k使 TiAl3金屬間化合物與釬料充分混和。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種降低鋁基復(fù)合材料與鈦合金焊接接頭殘余應(yīng)力的焊接方法，其特征在于步驟四中調(diào)整釬縫間隙為200μπι，加熱至500°C后在鈦合金側(cè)放置釬料， 并將頻率為60kHz、振幅為60 μ m的超聲波施加在鈦合金板上，連續(xù)性施加超聲1 后即完成焊接。
全文摘要
一種降低鋁基復(fù)合材料與鈦合金焊接接頭殘余應(yīng)力的焊接方法，它涉及鋁基復(fù)合材料與鈦合金焊接領(lǐng)域。本發(fā)明要解決現(xiàn)有焊接技術(shù)在焊接鈦合金與高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料時(shí)，所形成的純合金焊縫與鈦合金基體之間產(chǎn)生的比較厚的硬脆金屬間化合物，造成接頭結(jié)合強(qiáng)度很低、且殘余應(yīng)力大的問(wèn)題。本發(fā)明的具體操作步驟為一、鈦合金板表面處理；二、生成TiAl3金屬間化合物；三、采用超聲遷移和驅(qū)散；四、焊接。本發(fā)明主要用于鈦合金與高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的焊接。
文檔編號(hào)B23K31/02GK102248315SQ20111017342
公開日2011年11月23日 申請(qǐng)日期2011年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月24日
發(fā)明者孫天嬌, 李大成, 田澤, 閆久春, 馬志鵬 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)