钛-铝异种合金接头激光-MIG复合熔钎焊工艺及界面调控
发布时间：2021-09-24 01:38
Ti/Al复合构件由于具有成本低、重量轻等特点在航天航空及汽车工业中具有良好的应用前景。由于铝合金与钛合金的热物理性能差别较大,且冶金相容性较差,采用传统的熔化焊容易在界面处产生大量脆性化合物,难以获得有效连接。本文采用激光-MIG复合热源进行了3 mm厚的6061-T6铝合金与Ti-6Al-4V钛合金的熔钎焊试验。通过热源空间位置调整及工艺适配控制化合物层的均匀性及焊缝成形,获得了力学性能良好的Ti/Al异种合金熔钎焊接头。使用Abaqus数值模拟软件进行了焊接过程温度场及应力场的计算,获取了不同激光-电弧偏移量及激光束偏转角度下界面的温度分布。结果表明,通过将热源向铝侧偏移可降低界面处的峰值温度,但沿界面仍存在较大温度梯度。在偏移量为1.2 mm的条件下,偏转激光束可提高对接面下部温度,获得等温线近似平行于对接面的均匀温度场分布。采用单因素法研究了激光-MIG复合焊的主要工艺参数对Ti/Al熔钎焊接头焊缝成形的影响规律。结果表明,当热源偏移量过大或热输入过小时,由于钛合金背部受热不良而导致液态金属铺展较差。激光功率及偏移量一定的条件下,送丝速度与焊接速度比值为3.94
【文章来源】：西南交通大学四川省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：96 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
钛/铝复合结构座椅导轨[4]
胡学术[14]研究了 Ti-6Al-4V 钛合金与 1060 铝合金低温扩散焊过程。扩散焊温度区间保持在 350~440℃范围内，所用压力为 2~20MPa，保温时间 30~300min。结果显示，随保温时间的增加，接头强度呈现先增加后趋于稳定，最后下降的趋势。当焊接压力增大至两种金属表面有足够的接触面积，继续增大焊接压力对接头强度及化合物层影响不大，所得接头最高剪切强度为 74 MPa。接头形成包括金属表面物理接触，元素扩散层形成，扩散层生长三个过程。韩国学者 W. H. Sohn 采用 Al-10Si-Mg 作为中间层，使用瞬间液相扩散焊实现了 Ti/Al 异种合金的连接[15]。金属间化合物层是实现钛母材与填充材料形成连接的媒介，其可分为靠近 Ti 基体的连续层 Ti7Al5Si12和靠近 Al 基体的非连续层Ti5Al12Si3，作者认为 Si 元素的存在有效的抑制了化合物层的生长。在温度为 620℃的条件下，随扩散时间增加，非连续层（Ti5Al12Si3）厚度变化不明显，而连续层（Ti7Al5Si12）厚度明显增加，如图 1-3 所示。
日本大阪大学 A.Fuji 等[23]采用摩擦焊进行了纯钛与纯铝、Al-Si 系合金的连接。结果表明，界面金属间化合物以 TiAl3为主，当 TiAl3层的厚度超过 0.2μm，接头的强度就会明显降低。陈玉华等[24]对 3mm 厚 Ti-6Al-4V 钛合金和 2A14 铝合金进行搅拌摩擦焊对接焊接，当搅拌针偏移量小于 1 mm 时，焊缝成形较差，焊缝中会产生大量裂纹，合适的搅拌针偏移量为 2~2.5 mm。Wu 等[25]进行了 Ti-6Al-4V 与 6061 铝合金的搅拌摩擦焊研究。分析了搅拌针偏移量，旋转速率，焊接速度等对焊接缺陷及接头性能的影响。当搅拌针偏移量较小，旋转速率较低时将造成接头底部无法产生有效的连接，产生如图 1-4 所示的缺陷。Bang 等人[26]则在进行 Ti/Al 搅拌摩擦焊时使用 TIG 电弧进行预热，与传统搅拌摩擦焊对比，由于 TIG 电弧的预热作用，使得接头中未焊合区域减小，最大抗拉强度达到母材的 91%，且延伸率增加近两倍。由于存在重结晶过程，热影响区的晶粒较细。
本文编号：3406838
【文章来源】：西南交通大学四川省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：96 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
钛/铝复合结构座椅导轨[4]
胡学术[14]研究了 Ti-6Al-4V 钛合金与 1060 铝合金低温扩散焊过程。扩散焊温度区间保持在 350~440℃范围内，所用压力为 2~20MPa，保温时间 30~300min。结果显示，随保温时间的增加，接头强度呈现先增加后趋于稳定，最后下降的趋势。当焊接压力增大至两种金属表面有足够的接触面积，继续增大焊接压力对接头强度及化合物层影响不大，所得接头最高剪切强度为 74 MPa。接头形成包括金属表面物理接触，元素扩散层形成，扩散层生长三个过程。韩国学者 W. H. Sohn 采用 Al-10Si-Mg 作为中间层，使用瞬间液相扩散焊实现了 Ti/Al 异种合金的连接[15]。金属间化合物层是实现钛母材与填充材料形成连接的媒介，其可分为靠近 Ti 基体的连续层 Ti7Al5Si12和靠近 Al 基体的非连续层Ti5Al12Si3，作者认为 Si 元素的存在有效的抑制了化合物层的生长。在温度为 620℃的条件下，随扩散时间增加，非连续层（Ti5Al12Si3）厚度变化不明显，而连续层（Ti7Al5Si12）厚度明显增加，如图 1-3 所示。
日本大阪大学 A.Fuji 等[23]采用摩擦焊进行了纯钛与纯铝、Al-Si 系合金的连接。结果表明，界面金属间化合物以 TiAl3为主，当 TiAl3层的厚度超过 0.2μm，接头的强度就会明显降低。陈玉华等[24]对 3mm 厚 Ti-6Al-4V 钛合金和 2A14 铝合金进行搅拌摩擦焊对接焊接，当搅拌针偏移量小于 1 mm 时，焊缝成形较差，焊缝中会产生大量裂纹，合适的搅拌针偏移量为 2~2.5 mm。Wu 等[25]进行了 Ti-6Al-4V 与 6061 铝合金的搅拌摩擦焊研究。分析了搅拌针偏移量，旋转速率，焊接速度等对焊接缺陷及接头性能的影响。当搅拌针偏移量较小，旋转速率较低时将造成接头底部无法产生有效的连接，产生如图 1-4 所示的缺陷。Bang 等人[26]则在进行 Ti/Al 搅拌摩擦焊时使用 TIG 电弧进行预热，与传统搅拌摩擦焊对比，由于 TIG 电弧的预热作用，使得接头中未焊合区域减小，最大抗拉强度达到母材的 91%，且延伸率增加近两倍。由于存在重结晶过程，热影响区的晶粒较细。
本文编号：3406838
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