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構、熱膨脹系數(shù)、熔點和熱導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/鋁合金的擴散焊、攪拌摩擦焊、電子束熔釬焊、激光焊、真空釬焊、液相擴散焊等方法進行了大量實驗和研究。

采用擴散焊技術對TA2/LF6異種金屬進行了實驗，研究發(fā)現(xiàn)當焊接溫度超過525℃時，Ti/Al/Mg三種元素將會發(fā)生擴散反應生成Al18Ti2Mg3型中間相，焊接接頭的結合強度取決于擴散反應產生的新相區(qū)和固溶冶金結合區(qū)，結合強度隨擴散反應新相區(qū)的增大而降低，隨固溶冶金結合區(qū)的增大而升高。圖1顯示了焊接溫度對TA2/LF6擴散焊焊接接頭剪切強度的影響?？梢钥闯霎敽附訙囟葹?00℃時，焊接接頭的抗剪強度隨保溫時間的延長而增加，當保溫時間為600 min時達到最大值74 MPa；當焊接溫度為525℃時，焊接接頭的抗剪強度在保溫240 min 時達到最大值83MPa，之后急劇減小；當焊接溫度分別為550℃和565℃時，焊接接頭的抗剪強度最大值降低，分別為61 MPa 和55MPa。

對TC4鈦合金與5A06鋁合金進行了攪拌摩擦焊接實驗，指出采用最佳工藝條件（n=1500 r/min，ν=60 mm/min，T=0.1 mm）進行焊接時獲得的Ti /Al對接焊縫的抗拉強度達到可以達到5A06 鋁合金抗拉強度的 88%左右，且其斷裂主要發(fā)生在鋁側焊合區(qū)內。為最佳工藝條件下TC4/5A06攪拌摩擦焊焊接接頭對應的鈦合金一側斷裂面掃描圖?？梢钥闯鰣A形標記區(qū)域為平坦光滑的脆性解理面，說明該處界面為脆性連接，界面結合強度較低。矩形標記區(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，界面結合強度較高。采用電子束熔釬焊對TC4鈦合金和5A06鋁合金進行了冶金結合，研究發(fā)現(xiàn)Ti/Al元素在焊接過程中在界面處產生了互擴散現(xiàn)象，并形成了寬度約為1.0～1.6 mm的中間層，其中在鈦合金一側形成了寬度約為20～40 μm的擴散層，而在鋁合金一側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性能。

鎂合金因具有比強度和比剛度高、地磁屏蔽性能和阻尼性能好等優(yōu)點而被廣泛的應用于航空航天、汽車工業(yè)和電子產品等領域中。將鈦合金和鎂合金進行異種金屬焊接，可以有效改善鎂合金高溫力學性能和耐腐蝕性能差的缺點，解決鎂合金性能短板，結合鈦合金和鎂合金的性能優(yōu)勢，提高其應用范圍。目前鈦合金和鎂合金之間主要存在著擴散焊、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行攪拌摩擦焊，重點研究其界面擴散區(qū)的微觀組織和接頭的力學性能，并與純鎂-鈦的攪拌摩擦焊接頭進行對比。研究顯示可以通過攪拌摩擦焊的方法來實現(xiàn)ZK60鎂合金與鈦合金板材之間的冶金連接。拉伸試驗發(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)生反應形成一很薄的反應層，由于純鎂和鈦合金接頭界面處沒有形成反應層，使得ZK60鎂合金與鈦合金接頭的抗拉強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異種金屬間進行了擴散焊實驗。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度的重點影響因子。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產物的組織形貌與結構產生波動變化。若焊接溫度達到470℃，保溫時間達到3h，則連接界面剪切強度最高，是72.4MPa，達到了AZ31B母材（86MPa）的84.2%。