鈦合金和鋁/鋁鎂合金的焊接問題

鈦合金和鋁合金的焊接問題隨著航空航天工業(yè)的發(fā)展而受到各個國家和眾多研究者的重視。然而由于鈦合金和鋁合金在晶體結(jié)構(gòu)、熱膨脹系數(shù)、熔點(diǎn)和熱導(dǎo)率等方面存在著較大的差異，常規(guī)的焊接方法很難獲得可以滿足使用要求的焊接接頭。為了解決鈦合金和鋁合金在焊接過程中存在的問題，研究者對鈦合金/鋁合金的擴(kuò)散焊、攪拌摩擦焊、電子束熔釬焊、激光焊、真空釬焊、液相擴(kuò)散焊等方法進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)和研究。

采用擴(kuò)散焊技術(shù)對TA2/LF6異種金屬進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)焊接溫度超過525℃時，Ti/Al/Mg三種元素將會發(fā)生擴(kuò)散反應(yīng)生成Al18Ti2Mg3型中間相，焊接接頭的結(jié)合強(qiáng)度取決于擴(kuò)散反應(yīng)產(chǎn)生的新相區(qū)和固溶冶金結(jié)合區(qū)，結(jié)合強(qiáng)度隨擴(kuò)散反應(yīng)新相區(qū)的增大而降低，隨固溶冶金結(jié)合區(qū)的增大而升高。圖1顯示了焊接溫度對TA2/LF6擴(kuò)散焊焊接接頭剪切強(qiáng)度的影響。可以看出當(dāng)焊接溫度為500℃時，焊接接頭的抗剪強(qiáng)度隨保溫時間的延長而增加，當(dāng)保溫時間為600 min時達(dá)到最大值74 MPa；當(dāng)焊接溫度為525℃時，焊接接頭的抗剪強(qiáng)度在保溫240 min 時達(dá)到最大值83MPa，之后急劇減?。划?dāng)焊接溫度分別為550℃和565℃時，焊接接頭的抗剪強(qiáng)度最大值降低，分別為61 MPa 和55MPa。

對TC4鈦合金與5A06鋁合金進(jìn)行了攪拌摩擦焊接實(shí)驗(yàn)，指出采用最佳工藝條件（n=1500 r/min，ν=60 mm/min，T=0.1 mm）進(jìn)行焊接時獲得的Ti /Al對接焊縫的抗拉強(qiáng)度達(dá)到可以達(dá)到5A06 鋁合金抗拉強(qiáng)度的 88%左右，且其斷裂主要發(fā)生在鋁側(cè)焊合區(qū)內(nèi)。為最佳工藝條件下TC4/5A06攪拌摩擦焊焊接接頭對應(yīng)的鈦合金一側(cè)斷裂面掃描圖?？梢钥闯鰣A形標(biāo)記區(qū)域?yàn)槠教构饣拇嘈越饫砻?，說明該處界面為脆性連接，界面結(jié)合強(qiáng)度較低。矩形標(biāo)記區(qū)域的局部放大圖，該區(qū)域大量分布的緊密排列的韌窩說明該處界面為韌性連接，界面結(jié)合強(qiáng)度較高。采用電子束熔釬焊對TC4鈦合金和5A06鋁合金進(jìn)行了冶金結(jié)合，研究發(fā)現(xiàn)Ti/Al元素在焊接過程中在界面處產(chǎn)生了互擴(kuò)散現(xiàn)象，并形成了寬度約為1.0～1.6 mm的中間層，其中在鈦合金一側(cè)形成了寬度約為20～40 μm的擴(kuò)散層，而在鋁合金一側(cè)則分布著大量金屬間化合物。該法所形成的界面能夠提高鈦合金/鋁合金焊接接頭的力學(xué)性能。

鎂合金因具有比強(qiáng)度和比剛度高、地磁屏蔽性能和阻尼性能好等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛的應(yīng)用于航空航天、汽車工業(yè)和電子產(chǎn)品等領(lǐng)域中。將鈦合金和鎂合金進(jìn)行異種金屬焊接，可以有效改善鎂合金高溫力學(xué)性能和耐腐蝕性能差的缺點(diǎn)，解決鎂合金性能短板，結(jié)合鈦合金和鎂合金的性能優(yōu)勢，提高其應(yīng)用范圍。目前鈦合金和鎂合金之間主要存在著擴(kuò)散焊、爆炸焊、電阻焊和攪拌摩擦焊等焊接方法。

對ZK60鎂合金和鈦合金板材進(jìn)行攪拌摩擦焊，重點(diǎn)研究其界面擴(kuò)散區(qū)的微觀組織和接頭的力學(xué)性能，并與純鎂-鈦的攪拌摩擦焊接頭進(jìn)行對比。研究顯示可以通過攪拌摩擦焊的方法來實(shí)現(xiàn)ZK60鎂合金與鈦合金板材之間的冶金連接。拉伸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)斷裂面主要發(fā)生在接頭界面部分的ZK60鎂合金與攪拌區(qū)之間。此外，ZK60鎂合金中的鋅、鋯等合金元素在攪拌摩擦焊過程中與鈦在接頭界面處發(fā)生反應(yīng)形成一很薄的反應(yīng)層，由于純鎂和鈦合金接頭界面處沒有形成反應(yīng)層，使得ZK60鎂合金與鈦合金接頭的抗拉強(qiáng)度要高于純鎂和鈦合金接頭。

以50μm厚的純Al作為過渡金屬對AZ31B鎂合金/Ti-6A1-4V異種金屬間進(jìn)行了擴(kuò)散焊實(shí)驗(yàn)。研究發(fā)現(xiàn)若保溫時間控制在3h，焊接溫度是改變接頭微觀組織、界面新生相與連接強(qiáng)度的重點(diǎn)影響因子。若焊接溫度比450℃小，則在Mg/Al接觸層沒有共晶組織形成，不能完成鎂合金和鈦合金之間有效結(jié)合；若焊接溫度在450℃到480℃，則焊接溫度成為Mg/Al/Ti接觸層的主要控制因素，主要對連接界面處反應(yīng)產(chǎn)物的組織形貌與結(jié)構(gòu)產(chǎn)生波動變化。若焊接溫度達(dá)到470℃，保溫時間達(dá)到3h，則連接界面剪切強(qiáng)度最高，是72.4MPa，達(dá)到了AZ31B母材（86MPa）的84.2%。