钛铝异种合金焊接的研究进展.docx

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1、本科毕业设计（论文）论文题目：钛/铝异种合金焊接的研究进展摘要钛合金和铝合金因其具有密度小、比强度高、耐蚀性强等优异性能，在军用和民用领域得到了越来越广泛的应用。铝合金熔点较低，导致铝合金在高温高压环境中易变形,钛合金熔点较高，在高温高压环境中不易变形，但价格较为昂贵。在实际生产中可以通过焊接技术制备两种材料的复合结构，有效的降低生产成本，避免材料浪费。本文介绍了钛/铝异种合金的焊接方法，调研了利用激光焊、熔钎焊、搅拌摩擦焊对钛/铝异种合金焊接的研究进展，分析了不同焊接方法对焊接接头的焊缝形貌、微观组织、力学性能、断口形貌的影响，以期对钛/铝异种合金的焊接研究提供参考。关键词：钛合金；铝合金；

2、微观组织；断口形貌论文类型：理论研究AbstractTitaniumalloyandaluminumalloyhavebeenusedmoreandmorewidelyinthemilitaryandcivilfieldsbecauseoftheirexcellentpropertiessuchaslowdensity,highspecificstrengthandstrongcorrosionresistance.Themeltingpointofaluminumalloyislow,resultingineasydeformationofaluminumalloyinhightempera

3、tureandhighpressureenvironment,andhighmeltingpointoftitaniumalloy,whichisnoteasytodeforminhightemperatureandhighpressureenvironment,butthepriceismoreexpensive.Intheactualproduction,thecompositestructureofthetwomaterialscanbepreparedbyweldingtechnology,whichcaneffectivelyreducetheproductioncostandavo

4、idmaterialwaste.Thispaperintroducestheweldingmethodoftitanium/aluminumheterogeneousalloy,andanalyzestheinfluenceoftheweldingoflaserwelding,microorganization,mechanicalpropertiesandfracturemorphologyofdifferentweldingmethods,soastoprovidereferencefortheweldingoftitanium/aluminumheterogeneousalloy.Key

5、Words:Titaniumalloy;Aluminumalloy;Microstructure;FracturemorphologyTypesisType:TheoreticalResearch摘要IAbstractII目录III1绪论11.1 研究背景11.2 钛合金和铝合金的性能11.3 钛/铝异种合金的焊接性11.4 钛/铝异种合金的焊接难点21.5 研究内容32钛/铝异种合金焊接的研究现状52.1 激光焊52.1.1 激光焊的焊接原理及特点52.1.2 钛/铝异种合金激光焊的研究现状62.2 熔钎焊92.2.1 熔钎焊的焊接原理及特点92.2.2 钛/铝异种合金熔钎焊的研究现状102

6、.3 搅拌摩擦焊132.3.1 搅拌摩擦焊的焊接原理及特点132.3.2 钛/铝异种合金搅拌摩擦焊的研究现状142.4 本章小结163钛/铝异种合金焊接技术的应用与展望17结语19参考文献21致谢231绪论1. 1研究背景随着航空、航天、汽车、电子、船舶等现代制造业的飞速发展和科学的进步，对产品各种性能有更多的需求。如汽车的车身结构在轻量化的同时也需要有高强度和优异的抵抗变形来保证车辆的安全性。钛合金和铝合金凭借优异的抗腐蚀、力学性能和化学性能，己经成为应用于航空航天领域的重要轻质结构材料。目前许多产品结构设计优化并没有达到极致，结构设计都是采用单一合金材料，这就使得很多的结构设计中材料功能用

7、途和实际并不符合，导致材料的浪费和结构功能不能发挥到极致等缺点，特别是在某些需要特殊用途的地方。通过焊接方法制备钛合金与铝合金的复合结构，能够减轻结构重量、节约能源和降低生产成本。开展钛/铝异种材料复合结构的焊接技术研究和应用推广，对于实现结构设计的轻量化并降低成本，具有重要意义与广阔前景。1.2 钛合金和铝合金的性能钛合金有着优秀的抗腐蚀性、加工性、耐高温。钛合金分为型、(a+)型、0型。a型中最关键的合金元素为Al,Al是为数不多的效果良好的a稳固元素，Al能减少溶于钛合金中的氢聚合为的氢分子，降低有可能因为氢分子过多聚集形成的氢脆。a型钛合金在高温高压的工作环境下仍然拥有着良好的强度和优

8、异的韧性，但适应实际生产工艺要求的能力很差，不能通过加热使元素在基体中处于过饱和状态，起到固溶强化的效果。型钛合金中稳固元素分为两种，一种为P同晶元素，拥有与P钛相同的原子在晶体中排列规律的空间格架，如V、Mo、Ta等，能与钛不断互溶，产生相对较小的晶格畸变，强化合金的同时，保持较好的塑性。另一种为共析元素如Mn、Cr,Si等，在一定的温度下有限的和钛溶解，并以共析反应为特征。型钛合金有良好的可切削性、可冲压性、可冷延展性。(a+)型钛合金既加入a稳定元素又加入P稳定元素，使得a和。同时强化，(a+)钛合金具有优秀的在外力的作用下抵抗变形和断裂的性能。铝合金的比重小，在外力作用下抵抗变形和破坏

9、的能力优异，有着优秀的抵抗腐蚀的能力。铝合金分为铸造铝合金和变形铝合金两种。铸造铝合金一般含有较多的溶质，加热至液态时,在重力的作用下,可以从更好的高处流向低处，适合于铸造成型。变形铝合金所含溶质少，能够获得均匀的溶质原子完全溶解于固态金属溶剂中形成的合金相。适合进行锻造和冲压加工，常用于焊接结构生产中。由于铝合金易于空气中的氧气反应生成Al2O3,在焊接过程中容易出现气孔和热裂纹等缺陷。1.3 钛/铝异种合金的焊接性不同化学成分和不同组织性能的两种或两种以上金属的焊接要满足在一定的温度范围内能够完全相互熔融在一起，形成连续的溶质原子填入溶剂原子间的一些间隙中的合金相结构，否则接头组织会形成大

10、量的脆硬相，将导致焊接接头质量差，增加焊缝出现裂纹和脆性断裂等缺陷的概率。由图1.1钛-铝二元合金相图中可以看出，当钛和铝在液相线以上及两种金属在液态时，可以无限相互溶解，但随着温度逐渐降低，钛在铝中的溶解度快速降低，在室温时，两者基本不溶。在1456C时，生成脆性金属间化合物TiAl,随着温度持续降低，钛铝不断发生冶金反应，陆续生成Ti3Al、TiAh等金属间化合物。这些金属化合物密度小、比强度好、高温抗氧化性能较好，但是在室温条件下会加大焊接接头的脆性，影响焊接接头质量。温度/C100乜一，一，%。，二，曾，对，甲一半17001600-1500；UOO-1300:1200I100T1000

11、；900800-700-oo500-l70oC60.452oC3iAlSUPU1.AT11SSTBUCTVRCS(Ti)(6Ti)010203040Ti.aTiAl3(Al)一图1.1钛-铝合金二兀相图1.4 钛/铝异种合金的焊接难点两种金属焊接性较差，在焊接过程中易出现各种问题。如夹杂和焊缝的化学成分组成不均匀导致焊缝力学性能差，气孔和裂纹等，主要是两者的化学物理性能和电化学性能相差巨大。两种金属均为活泼金属易于氧气发生氧化反应，生成Tio2等这类高熔点氧化物，导致脆硬相组织的出现，使得焊接接头易夹杂，阻碍冶金反应。钛合金熔点远高于两种合金中添加的其他合金元素（Zn、Mn.Si）等。如AA6

12、060铝合金中的Zn的沸点为907,远低于钛的熔点，故在进行焊接时，两种合金中的低熔点合金元素会气化，蒸发。使得焊接接头中的化学成分会严重的不均匀，导致焊接接头的质量下降。两种金属都属于活泼元素，会在表面形成一些含有氢和氧元素的表层状物质，会在焊接后在焊缝中形成气孔，降低焊接接头的质量。而且铝合金的线膨胀系数为23.410-6远大于钛合金的线膨胀系数8.6xlq这就会使得焊缝中出现复杂的应力环境，导致焊缝易出现裂纹缺陷。综上所述，两种金属的焊接性较差，易出现各种焊接缺陷。1.5 研究内容(1)搜集和阅读文献，了解有关钛/铝异种合金焊接领域发展现状及趋势；(2)综述钛/铝异种合金焊接(激光焊、熔

13、钎焊、搅拌摩擦焊)的焊缝形貌、微观组织、断口形貌和力学性能；(3)总结钛/铝异种焊接的应用及发展趋势。2钛/铝异种合金焊接的研究现状目前对于钛/铝异种合金的焊接方法，主要以激光焊、熔钎焊和搅拌摩擦焊为主。2.1 激光焊钛合金被逐渐加热到熔化这一过程中，钛合金会与空气中的氧气发生氧化反应生成TiO2,会在焊缝中形成脆硬组织，严重影响焊接质量。而激光焊在焊接时采用氯气作为保护气体、焊接速度快、热影响区小可有效的降低Ti2的产生。激光焊的自动化程度高、操作更加简易、更偏向于工业生产。2.1.1 激光焊的焊接原理及特点激光焊本质上是光能转化为热能。气体或固体激光器通过谐振回路吸收能量，并同时释放相同频

14、率的光子便产生了激光，然后通过一系列的光学仪器把从激光发射器产生的激光聚焦反射到材料表面，作用到待加工工件表面后形成熔池使得两种材料达到原子间的结合。图2.1为激光焊接工作原理示意图。图2.1激光焊工作原理示意图激光焊相比于传统的焊接方式对于材料的焊接，热影响区小，焊接接头质量得到了显著的提升，实际生产效率也高于其他焊接方式，激光焊的自动化程度高，还可以通过光学仪器如光导纤维和棱镜等传输、偏转、聚焦到达远距离或难以接近的一些部位的焊接。焊接速度快，对于热输入敏感的材料，焊后无需进行热处理。但目前激光焊所需要的大功率激光器造价昂贵且光电转化效率都很低，其中CCh激光器效率为10%-20%,而脉冲

15、激光器的效率仅为2%-3%。金属材料的高反射率也不利于形成良好的激光焊焊接接头。2.1.2 钛/铝异种合金激光焊的研究现状激光焊熔池小、冷却速度快和热影响区小。可有效降低钛/铝异种合金在焊接时产生的脆硬金属间化合物TiAE有效提高焊接接头质量，降低焊接接头脆性。吴新勇使用激光焊对钛/铝异种合金进行了搭接焊接研究，并对不同脉冲工艺参数下的焊接接头形貌进行了分析。发现当脉冲重叠率过小或脉宽过大时，导致焊接速度过快，此时焊接接头表面会出现飞溅现象。脉冲峰值功率和重叠率过大或激光点直径过小,焊接接头会出现熔透烧穿现象。当脉冲宽度在8msJ0ms,重叠率为5O%-7O%,峰值功率为80%-90%,激光光斑直径在0.8mm-1.0mm范围，氮气流速为121./min时钛合金与铝合金达到了较好的熔合（如图2.2所示），焊缝呈现均匀的银白色鱼鳞状，较美观且未出现氧化、飞溅、熔透烧穿等焊接缺陷。图2.2焊缝表面倒郭顺1刈利用3KW光纤激光，通过采用偏置铝合金一侧的焊接方式获得了良好的钛/铝异种合金焊接接头并对其进行了微观组织分析（如图2.3所示），发现钛合金和铝合金的焊缝中主要为TiAh金属间化合物,其晶型表现为块状及长条状形态。图2.3钛/铝异种合金结合界面及金属间化合物层1