一種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)鈦基復(fù)合材料的鎢極氬弧焊焊接方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)鈦基復(fù)合材料的焊接方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鈦基復(fù)合材料(TMCs)較鈦合金具有諸多優(yōu)異的力學(xué)性能可廣泛應(yīng)用于航空航天工業(yè)中，特別是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的TiBw/TC4復(fù)合材料(ZL200810136852.8)不僅具有鈦基復(fù)合材料高比剛度、高比強(qiáng)度、高耐磨性，而且較均勻結(jié)構(gòu)TiBw/TC4復(fù)合材料具有更高的室溫與高溫強(qiáng)度、更高的高溫抗蠕變性能、彈性模量、更高的塑形及成形能力。因此，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的TiBw/TC4復(fù)合材料具有廣泛的應(yīng)用前景，這也讓網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)TiBw/TC4復(fù)合材料焊接技術(shù)顯得尤為重要。
[0003]采用釬焊可成功焊接網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的TiBw/TC4復(fù)合材料(專利201310137981.X，201310150024.0)，并且取得較為優(yōu)異的焊接效果，但是釬焊方法只適合大尺寸及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的構(gòu)件，對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)件、特別是薄壁件難以實(shí)現(xiàn)焊接，且由于釬料熔點(diǎn)較低，對(duì)于焊后構(gòu)件在高溫下的應(yīng)用非常不利。采用傳統(tǒng)的鎢極氬弧焊(TIG)焊接可對(duì)鈦合金進(jìn)行有效的焊接，上海交通大學(xué)曾嘗試采用TIG對(duì)增強(qiáng)相均勻分布的軋制態(tài)(TiB+La203)/Ti復(fù)合材料進(jìn)行焊接，由于無(wú)需控制增強(qiáng)相分布，因此與鈦合金焊接技術(shù)相比基本沒(méi)有區(qū)別。
[0004]但是，目前TIG焊接不適用于網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)鈦基復(fù)合材料的焊接，因?yàn)樵诤附犹師o(wú)法保持增強(qiáng)相仍呈現(xiàn)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)分布，而且接頭性能也低于網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)鈦基復(fù)合材料，在后期使用過(guò)程中容易發(fā)生斷裂。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是為了解決目前釬焊只適合大尺寸及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的構(gòu)件、釬料熔點(diǎn)低，以及現(xiàn)有TIG焊接無(wú)法保持焊接處增強(qiáng)相仍呈現(xiàn)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)分布、接頭性能低的問(wèn)題，而提供的一種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)鈦基復(fù)合材料的TIG焊接方法。
[0006]本發(fā)明網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)鈦基復(fù)合材料的鎢極氬弧焊焊接方法按以下步驟進(jìn)行:
[0007]一、將網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)鈦基復(fù)合材料拋光和清洗，然后緊靠在一起、固定于焊接平臺(tái)上；
[0008]二、焊接前向焊接密封箱中通入保護(hù)氣、焊接電源預(yù)熱；
[0009]三、將固定于焊接平臺(tái)上的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)鈦基復(fù)合材料加熱至500?700°C，然后進(jìn)行TIG焊接，電弧長(zhǎng)度為15?20mm，焊接電流為70?110A，焊接速度為120?210mm/min，保護(hù)氣流量為8?10L/min ；
[0010]四、TIG焊接后對(duì)固定于焊接平臺(tái)上的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)鈦基復(fù)合材料繼續(xù)加熱的同時(shí)繼續(xù)通入保護(hù)氣5?6min，保護(hù)氣流量為15?20L/min，即完成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)鈦基復(fù)合材料的鎢極氬弧焊焊接；
[0011]其中，步驟四中網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)鈦基復(fù)合材料的溫度由TIG焊接后的500?700°C逐漸降低至室溫，降溫過(guò)程持續(xù)5?6min。
[0012]本發(fā)明中網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)鈦基復(fù)合材料即增強(qiáng)相準(zhǔn)連續(xù)網(wǎng)狀分布的鈦基復(fù)合材料。本發(fā)明方法適合各種形狀、結(jié)構(gòu)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)鈦基復(fù)合材料構(gòu)件的焊接。
[0013]本發(fā)明采用無(wú)焊絲TIG焊接網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)鈦基復(fù)合材料，回避了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)鈦基復(fù)合材料焊絲難以制備的技術(shù)難題，解決了采用鈦合金焊絲焊接接頭處呈鈦合金接頭，因而降低接頭處力學(xué)性能的問(wèn)題。
[0014]本發(fā)明方法在焊接過(guò)程中對(duì)焊接構(gòu)件施加輔助加熱，不僅降低焊接熱輸入；并能夠降低焊縫熔區(qū)冷卻速度，因此焊接后焊縫處仍處于母材局部融化狀態(tài)，在隨后的降溫過(guò)程中通過(guò)基體組織形核長(zhǎng)大的推擠效應(yīng)，使得增強(qiáng)相呈網(wǎng)狀分布，獲得力學(xué)性能高于網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)鈦基復(fù)合材料母材的焊接接頭。
[0015]本發(fā)明方法通過(guò)輔助加熱溫度、焊接電流與焊接速度的配合，避免了熔焊過(guò)程中熔區(qū)內(nèi)增強(qiáng)相呈均勻分布的問(wèn)題，相反由于焊接過(guò)程中電弧穩(wěn)定，熔池波動(dòng)不大，無(wú)鈦合金焊絲引入，輔助加熱降低熔區(qū)凝固速度，通過(guò)基體組織形核長(zhǎng)大對(duì)TiB晶須產(chǎn)生推擠作用，形成微小網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)對(duì)于焊接接頭力學(xué)性能是非常有利的。
[0016]本發(fā)明方法熔區(qū)內(nèi)無(wú)宏觀焊接缺陷，熔區(qū)與熱影響區(qū)結(jié)合良好，熔區(qū)與熱影響區(qū)及母材厚度完全一致，保持一平面無(wú)需后續(xù)修復(fù)(如圖1所示)。而且，焊接接頭處增強(qiáng)相呈微小網(wǎng)狀分布(如圖3所示)。由于網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的保持、網(wǎng)狀尺寸的減小、基體組織的改變，獲得了室溫屈服強(qiáng)度及高溫強(qiáng)度均高于母材網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)鈦基復(fù)合材料的焊接接頭。
【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1是焊接后接頭處橫截面宏觀金相照片，圖1中接頭被分為三個(gè)區(qū)域:母材，熱影響區(qū)及熔區(qū)。
[0018]圖2是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)TiBw/TC4復(fù)合材料500倍掃描電鏡照片；其中網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)大小為200 μπι, TiB晶須分布在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)周圍起釘扎作用，網(wǎng)內(nèi)為TC4鈦合金等軸α相與相間殘余β相平衡組織。
[0019]圖3是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)鈦基復(fù)合材料焊接后接頭熔區(qū)1000倍掃描電鏡照片；焊接接頭處微型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)尺寸為20?30 μπι，TiB晶須分布在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)周圍。
【具體實(shí)施方式】
[0020]本發(fā)明技術(shù)方案不局限于以下所列舉【具體實(shí)施方式】，還包括各【具體實(shí)施方式】間的任意組合。
[0021]【具體實(shí)施方式】一:本實(shí)施方式網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)鈦基復(fù)合材料的鎢極氬弧焊焊接方法按以下步驟進(jìn)行:
[0022]一、將網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)鈦基復(fù)合材料拋光和清洗，然后緊靠在一起、固定于焊接平臺(tái)上；
[0023]二、焊接前向焊接密封箱中通入保護(hù)氣、焊接電源預(yù)熱；
[0024]三、將固定于焊接平臺(tái)上的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)鈦基復(fù)合材料加熱至500?700°C，然后進(jìn)行TIG焊接，電弧長(zhǎng)度為15?20mm，焊接電流為70?110A，焊接速度為120?210mm/min，保護(hù)氣流量為8?10L/min ；
[0025]四、TIG焊接后對(duì)固定于焊接平臺(tái)上的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)鈦基復(fù)合材料繼續(xù)加熱的同時(shí)繼續(xù)通入保護(hù)氣5?6min，保護(hù)氣流量為15?20L/min，即完成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)鈦基復(fù)合材料的鎢極氬弧焊焊接；
[0026]其中，步驟四中網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)鈦基復(fù)合材料的溫度由TIG焊接后的500?700°C逐漸降低至室溫，降溫過(guò)程持續(xù)5?6min。
[0027]本實(shí)施方式方法步驟四對(duì)固定于焊接平臺(tái)上的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)鈦基復(fù)合材料繼續(xù)加熱，使增強(qiáng)相可以在較長(zhǎng)的冷卻時(shí)間內(nèi)借助基體組織形核長(zhǎng)大被推擠到基體顆粒周圍呈網(wǎng)狀分布O
[0028]本實(shí)施方式方法通過(guò)輔助加熱溫度、焊接電流與焊接速度的配合，避免了熔焊過(guò)程中熔區(qū)內(nèi)增強(qiáng)相呈均勻分布，相反由于焊接過(guò)程中電弧穩(wěn)定，熔池波動(dòng)不大，無(wú)鈦合金焊絲引入，輔助加熱降低了熔區(qū)的凝固速度，通過(guò)基體組織形核長(zhǎng)大對(duì)增強(qiáng)相晶須產(chǎn)生推擠作用，形成微小網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了焊接接頭力學(xué)性能。
[0029]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著輔助加熱溫度的增加、焊接電流的降低，焊接接頭處增強(qiáng)相網(wǎng)狀尺寸變大。隨著焊接速度的降低，增強(qiáng)相的網(wǎng)狀尺寸增加。在焊接與輔助加熱參數(shù)一定的情況下，隨著增強(qiáng)相含量的增加，增強(qiáng)相的網(wǎng)狀尺寸減小。
[0030]【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:步驟一網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)鈦基復(fù)合材料中增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)為2%?10%。其它步驟及參數(shù)與實(shí)施方式一相同。
[0031]【具體實(shí)施方式】三:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一或二的不同點(diǎn)是:步驟一網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)鈦基復(fù)合材料中增強(qiáng)相網(wǎng)狀尺寸為50?200 μπι。其它步驟及參數(shù)與實(shí)施方式一或二相同。
[0032]【具體實(shí)施方式】四:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至三之一的不同點(diǎn)是:步驟一網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)鈦基復(fù)合材料為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)TiBw/TC4復(fù)合材料。其它步驟及參數(shù)與實(shí)施方式一至三之一相同。
[0033]【具體實(shí)施方式】五:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至四之一的不同點(diǎn)是:步驟一中網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)鈦基復(fù)合材料焊接處厚度< 5_。其它步驟及參數(shù)與實(shí)施方式一至四之一相同。
[0034]本發(fā)明可以焊接不同形狀的型材，由于無(wú)焊絲添加所以焊接部單側(cè)厚度建議不超過(guò) 5mm。
[0035]這個(gè)發(fā)明除了板材，還可以是其它型材，如管材、其他形狀，但是由于無(wú)焊絲添加，所以局部厚度不超過(guò)5_。
[0036]【具體實(shí)施方式】六:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至五之一的不同點(diǎn)是:步驟二中焊接前向焊接密封箱中通入保護(hù)氣lOmin，保護(hù)氣流量為8L/min。其它步驟及參數(shù)與實(shí)施方式一至五之一相同。
[0037]【具體實(shí)施方式】七:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至六之一的不同點(diǎn)是:保護(hù)氣為高純氬氣。其它步驟及參數(shù)與實(shí)施方式一至六之一相同。
[0038]【具體實(shí)施方式】八:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至七之一的不同點(diǎn)是:步驟二中焊接前焊接電源預(yù)熱30min。其它步驟及參數(shù)與實(shí)施方式一至七之一相同。
[0039]【具體實(shí)施方式】九:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至八之一的不同點(diǎn)是:步驟三中網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)鈦基復(fù)合材料加熱采用電阻加熱。其它步驟及參數(shù)與實(shí)施方式一至八之一相同。
[0040]實(shí)施例1
[0041]網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)鈦基復(fù)合材料的鎢極氬弧焊焊接方法按以下步驟進(jìn)行:
[0042]一、將網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)鈦基復(fù)合材料拋光和清洗，然后緊靠在一起、固定于焊接平臺(tái)上；
[0043]二、焊接前向焊接密封箱中通入保護(hù)氣、焊接電源預(yù)熱30min ；
[0044]三、將固定于焊接平臺(tái)上的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)鈦基復(fù)合材料加熱至500°C，然后進(jìn)行TIG焊接，電弧長(zhǎng)度為15?20mm，焊接電流為100A，焊接速度為150mm/min，保護(hù)氣流量為8L/min ；
[0045]四、TIG焊接后對(duì)固定于焊接平臺(tái)上的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)鈦基復(fù)合材料繼續(xù)加熱的同時(shí)繼續(xù)通入保護(hù)氣5min，保護(hù)氣流量為15L/min，即完成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)鈦基復(fù)合材料的鎢極氬弧焊焊接；
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