1、毕业设计（论文）开题报告课题名称：钛-铝异种合金激光-MIG 复合熔钎焊工艺研究学 号：012006027827学生姓名：王杨指导教师：刘德健材料科学与工程学院二 0 一 0 年 4 月 5 日一课题来源本课题来源于激光加工实验室自选课题。二课题目的和意义钛合金具有重量轻、强度大、耐热性强、耐腐蚀等许多优特性，被誉为“未来的金属”，是具有发展前途的新型结构材料。钛及其合金不仅在航空、宇宙航行工业中有着十分重要的应用，而且已经开始在化工、石油、轻工、冶金、发电等许多工业部门中广泛应用。铝合金具有比强度高、加工性好、物理、力学性能优越、抗腐蚀等优点，在很多应用领域中被认为是最为经济实用的材料。在大
2、多数环境条件下，包括在空气、水(或盐水)、石油化学和很多化学体系中，铝合金能显示出优良的抗腐蚀性。铝的表面具有高度的反射性。铝通常显示出优良的电导率和热导率，具有高电阻率的一些特定铝合金也已经研制成功，这些合金可用于如高转矩的电动机中。铝由于它的优良电导率而常被选用。在重量相等的基础上，铝的电导率近于铜的两倍。钛合金和铝合金在工业上的应用非常重要，有很多工业交叉的领域，这使得铝和钛的连接具有重要意义。但是，铝和钛的连接难度很大。在焊接过程中，由于在室温条件下Ti和Al之间的溶解度极小，采用一般焊接方法很难实现Ti和Al的高效、可靠焊接。例如，液态焊接方法会产生大量脆性金属间化合物，固态焊接方法
3、又对接头形式要求过于苛刻。采用熔钎焊的方法，将铝材熔化，钛保持固态，这样能有效避免钛铝之间形成大量的脆硬的金属间化合物，能够获得高强度的接头，与熔化焊和固相焊接相比，具有明显的优越性。在熔钎焊发展初期，通常采用电弧作为热源。国内外学者关于Ti、Al电弧熔钎焊问题进行了广泛的研究。但是，电弧能量密度低，且热输入不易于控制，在熔钎焊接头通常会形成较多的金属间化合物，接头脆性较大。针对电弧熔钎焊存在的上述问题，近年来一些科研工作者采用激光作为热源，利用激光熔钎焊的方法来焊接钛合金和铝合金。由于激光能量密度高、且热输入精确可控，能够有效控制接头内部及Ti/Al界面处的金属间化合物，接头具有较高的强度，
4、其抗拉强度达到母材85% 1。但是正是由于激光能量密度高的原因，激光熔钎焊时熔池温度梯度高，在焊接过程中填充材料铺展性能较差。针对上述问题，本课题采用激光-MIG电弧复合作为热源来焊接钛合金和铝合金。激光-MIG 电弧复合热源可以有效发挥激光热源及其电弧热源的特性。如激光的热源具有柔性好、能量密度高、光斑形式可调、热输入精确可控以及冷却速度快等一系列优点。其接头具有良好的特性。当激光-MIG电弧复合热源焊接铝钛合金时，在相同焊接热输入量条件下，复合焊获得的焊缝熔深大于相同电流的脉冲MIG焊；在获得相同焊缝熔深的条件下，复合焊与相同电流的脉冲MIG 焊相比具有更高的焊接速度、更低的热输入量和更小
5、的变形。采用这种焊接方法其焊接板厚大、焊接适应性更高。通过调节电弧与激光的不同作用位置，可有效提高对间隙的容忍度，减少焊缝边缘的处理工作量。它的高适应性带来的优点在于，不仅对间隙、错边、对中偏离的敏感性降低，还可以减少焊接装夹，定位等焊后处理工作。所以借助复合热源的高能量效应，有望焊接两种单热源难以完成的接头形式，获得高质量的焊接接头。三国内外发展概况由于铝钛金属之间的热物理化学性能相差很大，用传统的焊接方法焊接时会产生大量的脆性的金属间化合物,从而影响接头性能。目前，Ti/Al 异种合金的传统的焊接方法主要有电弧熔钎焊、扩散焊、钎焊、摩擦焊等，下面简单加以介绍。1. 扩散焊扩散焊是将两焊件紧
6、密结合，在真空或保护气氛中，在一定温度和压力下保持一段时间，使接触面之间的原子相互扩散完成焊接。因此扩散焊依然能有效避免铝钛材料熔点差异较大难于连接的特点。经检验后证明，真空扩散焊的焊接接头的机械强度、热稳定性、密封性、耐腐蚀性和弹性都能满足重要构件的技术要求。尤为突出的是扩散焊接的工件的尺寸可以从几微米到几米。因此，真空扩散焊接具有良好的经济效果。但是，在钛和铝直接扩散焊时接头强度较低。李亚江和王娟等人9引进了一种新的扩散焊方法。采用先在钛板表面渗铝，然后再进行扩散焊。通过这种焊接方法，Ti/Al扩散焊接头区由钛侧界面、扩散过渡区和铝侧界面组成。Ti/Al界面附近显微硬度符合两侧材料自身的特
7、性。离界面较远处的铝基体一侧显微硬度为30-40HM,钛基体一侧的界面附近没有明显的显微硬度增大, 没有脆性相生成。Ti/Al扩散焊过渡区中可能形成Ti3Al，TiAl 和TiAl3金属间化合物。合理控制工艺参数可以减小生成的金属间化合物层的厚度,从而减小生成脆性金属间化合物的不良影响。采用这种焊接方法能获得较为优良的焊缝。但是这种焊接方法要求真空环境下成型，从经济生产性来看，成本较大，不适合大批量铝钛材料连接成型。2.电弧钎焊电弧加热集中，热输入量小，操作方便，节能高效又易于实现自动化，这种焊接方法钎焊后变形很小，对装配间隙不敏感,并且加热时间短,消耗小,成本低; 加热区窄 ,加热更为集中,
8、热输入量小,热影响区窄,钎焊后变形小。电弧钎焊还具有节能高效的特点。由于氩气流对电弧具有压缩作用,热量较集中,加热升温速度快,钎焊接头在高温停留时间短,母材金属不易产生晶粒过大并使热影响区变窄,其组织与性能变化也较小,钎缝成形美观,速度快,钎焊接头强度较高。在实现铝钛异种金属连接成型的过程中，如果采用一般电弧钎焊方法，焊接过程有如下缺点：钛金属的散热大、现有设备昂贵、生产周期长。参考2008年哈尔滨工业大学在综合评述上申请的专利，采用异种金属交流钨极氩弧焊电弧微熔钎焊方法，可以获得较好的焊缝：将钛或钛合金板对接处开坡口和钝边，其下部固定在带有循环冷却水装置的铜卡具上，其上部安有振动装置，将它们
9、置充满惰性气体的焊接舱中；启动循环冷却水装置和振动装置并焊接，利用交流钨极氩弧焊电弧微熔钎焊方法在钛或钛合金板的坡口处堆敷铝合金，完成后将铝合金开成1-5cm厚的铝合金层，并开坡口和钝边；将另一块待焊的铝或铝合金板的对接处开坡口和钝边，置焊接舱中，启动循环冷却水装置和振动装置并焊接，焊件在焊接舱中冷却至室温。所开的坡口和钝边都为-的坡口和1-3mm的钝边，之后也置于焊接舱中，启动循环冷却水装置和振动装置，在钛板或钛合金板上一侧降温和超声振动或机械振动，并进行焊接，焊件焊接完成后在焊接舱中冷却至室温。此方法能有效防止上述的缺点。这种焊接方法焊接质量比直接采用电弧钎焊的方法要好很多。3.激光熔钎焊
10、采用激光作为热源,具有柔性好、能量密度高、光斑形式可调、热输入精确可控以及冷却速度快等一系列优点,成为熔钎焊热源的首选。哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点实验室采用激光作为热源，填充焊丝自动送入，利用钛/铝两种合金熔点差异大特点，在焊接过程中使铝合金和钎料熔化，形成熔焊接头；而钛合金保持固态，与熔化的钎料之间形成钎焊接头，这样可避免两种材料充分反应生成大量的脆性金属间化合物。通过这种焊接方法，焊缝中界面处形成了不均匀分布的金属间化合物，厚度较小；金属间化合物在界面上部较厚，呈锯齿状或棒状，界面下部界面呈薄层状。接头的平均强度达到铝母材抗拉强度的85%以上，最高可达铝母材的94%。由于焊接环
11、境易于实现，接头性能令人满意，所以这种焊接方法有很大的优势。上部界面锯齿状金属间化合物起钉扎作用，裂纹不容易在这部分扩展，具有较高的强度。但是接头的下部为连接的较为薄弱的环节，容易成为断裂的起始位置，这是本次课题研究的重点。哈尔滨工业大学的陈树海和李俐群等人对激光的光斑形式做出了研究，在进行铝钛异种金属连接时，如果采用椭圆光斑，能获得性能良好的焊接接头，但是工艺参数范围较窄，稳定性一般。采用矩形光斑不仅工艺参数范围宽和焊接稳定性好，而且能促进接头下部的界面反应。 1,4综上所述，采用激光熔钎焊实现铝钛金属成型能获得良好的焊缝，焊接环境容易实现，采用这种方法具有很大的前景。四预计达到的目标获得钛
12、-铝异种合金激光-MIG复合焊接优化工艺参数，定量表征接头微观组织结构，阐明激光-MIG复合焊接工艺参数对接头组织结构的影响规律，建立接头强度与工艺参数之间的内在联系。五应用到的技术1.金属学及其热处理应用这门理论，对金属化合物进行分析，了解微观组织形态性能等。这样能合理的选择金属材料和订制加工工艺规程，获得优质的金属材料。同时，在焊接中通过对这门理论的学习，了解金属中微量元素，了解其形态和性能，判定它对焊接过程的作用。在焊接后，对接头及其母材进行拉伸试验，直观分析接头的力学性能。图 1. Ti-Al 二元合金相图2.激光加工理论及其电弧焊接理论作为本实验的主要和辅助热源，只有学习好热源的输入
13、形式，才能更好的控制焊接过程中的工艺参数，调整两种热源的配合方式，达到焊缝组织的大为改进。六完成方案的主要措施1.MIG 工艺参数中，改变焊接电流研究焊接接头性能。2.改变激光功率输入研究焊接接头性能。3 改变焊接速度研究焊接接头性能。4.通过拉伸试验，对焊接接头性能做出评估，改善焊接工艺。七课题进程安排第 1 周：熟悉实验内容，工作环境。第 2 周：学习铝钛金属各自的特点。第 3 周：学习铝钛金属的融合特点，分析二元平衡相图，并初步建立起非平衡状态下接近试验环境的试验模型。第 4 周：学习激光加工特点，学习激光熔钎焊的特点。第 5 周：熟悉激光熔钎焊的操作过程 。第 6 周：通过第五周的学习
14、及其文献的参考，找出本试验的焊丝及其母材。第 7 周：调整激光加入的工艺参数，分析其对本试验金属焊接的影响。第 8 周：调整激光加入的工艺参数，分析其对本试验金属焊接的影响。并找出其内在的规律。第 9 周：分析 MIG-激光熔钎焊对本试验焊接的影响。第 10 周：通过改变电流大小，找出这种焊接方法优于激光熔钎焊的原因 。第 11 周：综合改变激光工艺参数及其激光工艺参数，找到电流辅助下激光熔钎焊的最优化参数组合 。第 12 周：综合改变激光工艺参数及其激光工艺参数，找到 MIG-激光熔钎焊的最优化参数组合 。第 13 周：总结试验结果，找出 MIG-激光熔钎焊对铝钛焊接的适用范围。第 14 周
15、：毕业论文写作。第 15 周：毕业论文写作与修改。第 16 周：答辩。参考文献1 陈树海, 李俐群, 陈彦宾. 铝/钛异种合金激光熔钎界面特性. 中国有 色金属学报. 2008, 18(6):991-9962 T. Takemoto, I. Okamoto. Intermetallic Compounds Formed during Brazing of Titanium with Aluminum Filler Metals. Journal of Material Science. 1988, 23(4): 1301-13083 赵鹏飞, 康慧. Al-Ti 异种合金真空钎焊的研究. 材料
16、工程. 2001, (4): 25284 陈树海，李俐群，陈彦宾. 光斑形式对钛/铝异种合金激光熔钎焊特性的影响 .焊接学报. 2008, 29(6):49-525 W. H. Sohn, H. H. Bong, S. H. Hong. Microstructure and Bonding Mechanism of Al/Ti Bonded Joint Using Al-10Si-1Mg Filler Metal. Materials Science and Engineering A. 2003, 355: 231-2406 陈树海,李俐群，陶汪，陈彦宾，刁旺战. 电流辅助钛/ 铝异种合金激
17、光熔钎焊的特性. 中国有色金属学报. 2009, 19(11):1973-19467 封小松 ,陈树海 ,李俐群,陈彦宾. 铝/钛异种合金激光熔钎焊接头温度分布. 焊接学报. 2000,30(10):10-168 陈敦军,向毅斌,吴诗,李淼泉.激光成形工艺方法及其发展前景.热加工工艺2000, 3:50-519 李亚江, S.A.Gerasimov ,王娟 ,马海军,任江伟. Ti/Al 异种材料真空扩散焊及界面结构研究. 材料科学与工艺. 2007, 15(2):207-20910于治水,祁凯,李瑞峰,周方明,吴铭方,钱乙余.钛及钛合金电弧钎焊及接头强度. 稀有金属材料与工程. 2003,3
18、2（12）1049-105211T. Takemoto. Intermetallic compounds formed during brazing of titanium with aluminum filler metals. Journal of Material Science , 1988 , 23(4) : 1301-1308.12Y. C. Kim, A. Fuji. Joint characteristics in Ti-Al friction welds.Science and Technology of Welding and Joining, 2002, 7 (3):14
19、9-15413N. Kahraman, B. Gulenc, F. Findik. Corrosion and mechanical microstructural aspects of dissimilar joints of Ti-6Al-4V and Al plates. International Journal of Impact Engineering, 2007, 34 (8):1423-142614M. Kreimeyer, F. Wagner, F. Vollertsen. Laser processing of aluminum titanium tailored blanks. Optics and Lasers in Engineering, 2005, 43 (9): 1021-103515S. P. GUPTA. Intermetallic compounds in diffusion couples of Ti with an Al-Si eutectic alloyJ. Materials Characterization, 2002,49(4): 321330
