淺析鈦合金與鋁合金異種金屬焊接技術(shù)

（中國飛行試驗(yàn)研究院，陜西 西安 710089）

1 鈦合金與鋁合金異種金屬焊接技術(shù)的優(yōu)勢分析

鈦合金和鋁合金的特點(diǎn)在于耐腐蝕性較好，而且密度相對較低。當(dāng)前條件下，復(fù)雜工況對工件的要求越來越高，加快了復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展，鋁合金和鈦合金構(gòu)成的復(fù)合構(gòu)件能夠?qū)煞N材料的特性最大化的發(fā)揮出來。因?yàn)殁伜辖鸷弯X合金在力學(xué)以及熱物理學(xué)方面的性能出現(xiàn)一定的差異，導(dǎo)致焊接的時(shí)候很容易產(chǎn)生裂紋、氣孔等問題，因?yàn)橐苯鸱磻?yīng)產(chǎn)生金屬間化合物導(dǎo)致Ti/Al異種金屬在接頭位置出現(xiàn)性能惡化等問題。鈦和鋁的性能對比如表1。

2 鈦合金和鋁合金的焊接性分析

鋁元素和鈦元素在液態(tài)環(huán)境下可以進(jìn)行無限固溶。在固態(tài)條件時(shí)，鈦和鋁相容性很差。鈦在鋁當(dāng)中的溶解度相對較小。與此同時(shí)，鋁合金和鈦合金在力學(xué)性能和熱物理學(xué)性能方面具有一定差異。兩者的差異導(dǎo)致鋁合金和鈦合金的焊接性相對較差，很容易在焊接的時(shí)候出現(xiàn)如下問題。

2．1 二者的相容性比較差

首先相容性相對較差，鋁和鈦之間的溶解度相對較低。在665℃下，鈦溶解于鋁的溶解量只有0.26%～0.28%。在溫度降到20℃的時(shí)候，溶解度只有0.07%，這些數(shù)據(jù)可以充分地說明兩種金屬在實(shí)際應(yīng)用的過程中很難相溶，而且鋁在鈦當(dāng)中的溶解度更小。

2．2 在空氣中容易氧化

鈦和鋁這兩種金屬在空氣環(huán)境下很容易產(chǎn)生氧化，導(dǎo)致界面結(jié)合的過程中出現(xiàn)一定的難度。在600℃才開始氧化，逐步成為TiO2。在焊縫及界面當(dāng)中出現(xiàn)脆性層，鋁及相應(yīng)的合金表面很容易產(chǎn)生致密的氧化膜，這樣就會造成兩種金屬結(jié)合的過程中出現(xiàn)難度，在焊縫當(dāng)中很容易出現(xiàn)夾渣等情況，導(dǎo)致焊縫的脆性大幅度增加。

2．3 出現(xiàn)脆性相的問題

鋁和鈦在1460℃條件下進(jìn)行反應(yīng)，最終會生成鈦鋁型金屬間化合物。在1340℃的條件下，會產(chǎn)生Ti3Al型金屬間化合物，這些化合物的出現(xiàn)會導(dǎo)致焊縫的強(qiáng)度和塑性大幅度的下降。

2．4 產(chǎn)生焊接變形的問題

鈦和鋁在線脹系數(shù)和熱導(dǎo)率方面具有很大的差別，這樣會導(dǎo)致焊接過程中形變相對較大，在脆性組織和焊接應(yīng)力共同影響下很容易產(chǎn)生裂縫。

3 鈦合金與鋁合金異種金屬焊接技術(shù)類型

因?yàn)殇X合金和鈦合金在焊接的過程中具有較大難度，相關(guān)人員正逐步開始對該領(lǐng)域進(jìn)行研究，并且提出了各種類型的焊接方法和技術(shù)，主要有固相焊、釬焊和熔化焊等。

3．1 熔化焊

在異種金屬焊接的過程中融化焊的成本較低，而且應(yīng)用非常廣泛。相關(guān)專家希望能夠在鈦合金和鋁合金異種金屬焊接的過程中應(yīng)用這種技術(shù)。在鈦合金和鋁合金同時(shí)融化的過程中，會出現(xiàn)某些金屬間化合物脆性較大等情況，對焊接的接頭出現(xiàn)影響，導(dǎo)致焊接接頭產(chǎn)生開裂的問題。另外，為了能夠讓這個問題有效地解決，提出了激光的方式，加熱焊接的接頭，以便控制焊接的質(zhì)量。

3．2 固相焊

（1）擴(kuò)散焊。因?yàn)楫惙N金屬在焊接的時(shí)候，擴(kuò)散焊的方式能夠有效地讓異種金屬之間進(jìn)行結(jié)合。國內(nèi)外對該領(lǐng)域進(jìn)行了深入的研究，也取得了一定的效果，能夠進(jìn)一步提升接頭的使用價(jià)值。國內(nèi)的相關(guān)專家在研究的過程中，認(rèn)為在5a06鋁合金和Ta2鈦合金焊接的時(shí)候，可以把Nb當(dāng)成是阻隔層，通過檢驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)在焊接的時(shí)候所產(chǎn)生的化合物主要是Al18Ti2Mg3，剪切強(qiáng)度能夠達(dá)到105兆帕。另外，相關(guān)的學(xué)者在使用真空焊接技術(shù)最終獲得60兆帕的接頭強(qiáng)度。通過研究分析發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外相關(guān)專家在鈦合金和鋁合金焊接的時(shí)候，焊接的接頭強(qiáng)度絕大部分還處于100兆以內(nèi)。當(dāng)前專家的重點(diǎn)在于如何提升接頭的強(qiáng)度。通過研究分析發(fā)現(xiàn)，鈦棒在與鋁進(jìn)行焊接的過程中最佳浸鋁溫度為680℃，最佳時(shí)間為25min，在實(shí)際進(jìn)行擴(kuò)散焊接的過程中，需要控制時(shí)間在20min、壓力在10MPa左右、最佳溫度為490℃。在這種工藝條件下，鈦/鋁接頭的抗拉強(qiáng)度最高能夠控制在180MPa。

（2）摩擦焊。摩擦焊在異種金屬焊接的過程中是出現(xiàn)較早的一種技術(shù)。比如，20世紀(jì)90年代就進(jìn)行了鋁合金和鈦合金之間的焊接，得出的結(jié)論是需要控制化合物的厚度在200微米范圍內(nèi)，如果超過200微米，就會導(dǎo)致鈦合金和鋁合金化合物的強(qiáng)度大幅度的下降。國內(nèi)相關(guān)專家在研究摩擦焊的過程中，進(jìn)一步調(diào)整了工藝參數(shù)以及連接界面的組織結(jié)構(gòu)，最終發(fā)現(xiàn)在摩擦焊條件下，接頭的拉伸強(qiáng)度的提升是較為明顯的。

（3）攪拌摩擦焊。當(dāng)前國內(nèi)外專家已經(jīng)深入的開始研究攪拌焊技術(shù)，國外相關(guān)專家提出在純鈦板和Al-Cu合金板焊接的時(shí)候使用攪拌摩擦焊等技術(shù)，可以大幅度提高接頭的強(qiáng)度和焊接的速度。另外，國內(nèi)相關(guān)專家論證，TC1鈦合金和LF6鋁合金在焊接的過程中使用攪拌摩擦焊等方式可以獲得非常好的效果。

3．3 釬焊

釬焊是金屬焊接中一種常用方法，釬焊最有代表性的類型為直接釬焊、間接釬焊和熔釬焊。

（1）熔釬焊。熔釬焊在金屬焊接過程中應(yīng)用比較廣泛，適用于兩種金屬之間的熔點(diǎn)較大的情況下，在對鈦合金和鋁合金進(jìn)行焊接時(shí)，需要將接頭強(qiáng)度作為重點(diǎn)。后期需要采取合理的方法重點(diǎn)控制化合物的生成以及界面元素的擴(kuò)散。這樣在應(yīng)用的過程中可以取得非常明顯的效果。相關(guān)學(xué)者認(rèn)為，在焊接的過程中接頭使用普通的二氧化碳激光來完成保護(hù)。在合理控制焊接條件的情況下，可以保證接頭的強(qiáng)度達(dá)到200兆帕。

（2）直接釬焊與間接釬焊。因?yàn)閲庠谶@方面的研究相對較早，20世紀(jì)80年代就提出了直接釬焊的方式，相關(guān)專家通過實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，通過Al-10Si-1Mg釬材料可以保證焊接的強(qiáng)度達(dá)到70兆帕，而通過Al-10Cu-8Sn和Al-30Ag-10Cu時(shí)可以保證接頭的強(qiáng)度處于38兆帕，國內(nèi)的相關(guān)廠家也開始逐步研究釬焊技術(shù)，認(rèn)為通過相關(guān)方法可以保證接頭強(qiáng)度達(dá)到70兆帕以上。間接釬焊主要是在鈦合金表面上涂抹鋁和鋁的合金，接著進(jìn)行焊接操作。在間接釬焊的過程中，首先需要重視的是鈦合金的涂敷過程。這和接頭質(zhì)量以及接頭強(qiáng)度具有直接影響，通過間接釬焊的方式可以在溫度較低的條件下完成焊接工作，不會影響鋁合金的性能、質(zhì)量，可以在一些復(fù)雜精密的結(jié)構(gòu)件當(dāng)中進(jìn)行使用，應(yīng)用較為廣泛。

4 鈦合金與鋁合金異種金屬焊接技術(shù)的發(fā)展與展望

鈦合金和鋁合金構(gòu)件相對較為復(fù)雜，在汽車、航空航天等各個領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，而且具有非常大的應(yīng)用潛力和價(jià)值。當(dāng)前制約鈦合金和鋁合金復(fù)合構(gòu)件應(yīng)用的關(guān)鍵在于焊接的質(zhì)量。通過大量實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，在鈦合金和鋁合金異種金屬焊接的過程中，脆性金屬間化合物的生成是需要解決的問題，這會對焊接接頭性能產(chǎn)生較為嚴(yán)重的影響，所以一定要重視焊接過程中最新技術(shù)，減少化合物生成和發(fā)展時(shí)對接頭力學(xué)性能的影響，提高焊接的效率，在操作的過程中獲得滿意的異種金屬焊接接頭。

5 結(jié)語

總而言之，鈦合金和鋁合金復(fù)合焊接技術(shù)應(yīng)用非常廣泛。在航空航天、汽車等諸多領(lǐng)域都有一定的應(yīng)用。如果在焊接的時(shí)候往往會遇上一些問題，一定要有針對性地對這些問題進(jìn)行分析處理，以便讓接頭的強(qiáng)度和提高，保證異種金屬焊接技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。