引言

现代工业的发展对资料的机能提出了更高要求,尤其是高端设备制作领域。。。在满足产品轻量化设计的同时,对资料的强度、、、塑韧性、、、不变性、、、耐蚀性等物理化学机能要求日益提高。。。Ti∕Al异种金属资料的复合构件结合了2种合金的优势,既满足了物理化学机能的要求,又使非关键部位使用铝合金资料降低了成本、、、实现了轻量化设计,两全了资料的使用机能和经济效益,拥有宽泛的利用远景[1-2]。。。

由于钛合金和铝合金的化学成分、、、物理化学机能、、、晶体结构等存在较大差距,选取传统焊接,其焊接过程中2种金属溶解混合产生冶金反映天生大量脆性的钛-铝金属间化合物[3],难以实现有效衔接。。。针对Ti∕Al异种合金衔接的钻研重要集中在节制衔接过程中脆性金属间化合物的形成。。。目前常见的步骤重要有2种:一种是通过在过渡层中参与所金元素克制脆性金属间化合物的形成[4];另一种是优化焊接步骤预防Ti∕Al异种合金大量熔融结合,如熔钎焊[5-6]、、、钎焊[7]、、、超声波焊[8]、、、复合焊等[9]。。。

本文选取MIG电弧熔钎焊的步骤,成立相宜的数学模型,探索焊接过程中的温度、、、应力变动,优化焊接工艺参数。。。结合焊缝金属化学元素的相互影响,选择相宜的填充金属,探索焊接接头界面行为。。。

1、、、模型成立及热源：：

模型成立与试验当选取的钛合金与铝合金的板材尺寸一样:为100mm×50mm×2.5mm,接头大局为开45°的V形坡口的对接接头,装配时无预留间隙。。。模型及网格划分如图1所示。。。

模型成立后,必要对模型的靠得住性进行验证,本次钻研选取熔池天堑准则。。。通过推算,可得到热源模型在分歧参数下的焊缝截面描摹(熔宽、、、熔深)与试验所得焊缝对比,确保模型的正确合用性。。。

在保障其他变量一样的情况下,拔取焊接热输入参数:焊接电流110A,焊接电压15V,焊接速度10mm∕s进行推算,了局如图2所示。。。

以温度散布660℃作为现实接头铝侧熔合线与仿照了局温度散布根基吻合,焊缝熔宽和熔深根基一样,由于仿照过程中未思考液态金属的流动,以至焊缝边缘部门略有差距。。。

2、、、温度场分析

2.1　热输入

Ti∕Al异种金属进行焊接时,既要保障填充金属和铝合金的充分熔合,又要使温度维持在钛合金熔点以下的较高温度,推进液态混合金属在钛合金理论铺展润湿形成钎焊衔接。。。此外,由于异种金属在热物理性等方面的差距,导致焊接过程温度场散布状态与传统的熔焊和钎焊分歧。。。因而,焊接热输入、、、电弧偏移等焊接工艺参数对焊接接头温度场、、、应力、、、变形及焊缝成形有着重要影响。。。

结合前期试验分析,选取焊接电压为15V,焊接速度为10mm∕s,焊接电流别离为90,100,110,120A等4种分歧焊接热输入参数进行分析,焊接过程统一时刻的温度场、、、应力场散布如图3,4所示。。。

整体来看,分歧热输入下的温度场散布均为近椭圆形,焊接进入准静态过程,由于钛合金和铝合金热导率相差较大,焊缝两侧温度场出现显著的非对称散布:铝合金一侧等温线稀少,高温区域宽,温度梯度较小;钛合金一侧等温线密集,高温区域窄,温度梯度较大。。。

对比分歧热输入下熔钎焊接头温度场的散布,随着热输入的增大,焊缝温度随之升高,钛合金一侧温度梯度显著加大,当热输入为1.44kJ∕cm时,最高温度达到了1686℃,超过了TC4钛合金的溶解温度,铝合金高温区领域扩大,铝合金母材也将产生大量溶解。。。

观察接头横截面(左侧为钛合金,右侧为铝合金)温度场散布,沿厚度方向的温度梯度随热输入的增长也随之增长,热输入较小时,钛合金一侧熔池深度较小,底部温度仅为600℃左右,同时钛合金理论温度较低,不利于填充金属溶解并在钛合金理论铺展润湿,现实焊接中存在根部未熔合景象。。。随着热输入的增长,固然钛合金一侧整体温度维持在1600℃以下的较高温度不会产生大量溶解,但铝合金母材高温区领域较大,现实焊接过程中会出现塌陷、、、烧穿等焊接缺点。。。当热输入为1.32kJ∕cm时,铝合金母材高温区较窄,钛合金界面温度散布均匀,沿接头厚度方向温差较小,整体维持在1300℃左右,有利于推进钎焊进行,形成厚度均匀的钎焊界面。。。因而,通过调节焊接电流节制焊接热输入时,选择1.32kJ∕cm的热输入获得的焊接温度场散布更为合理。。。

从图4整体来看,阐发出由温度场不均、、、异质资料热物性参数相差较大引起的应力场在熔池两侧出现非对称散布,钛合金一侧近焊缝区域重要是焊接热影响区,其为应力集中区,熔池前方金属由于受热膨胀遭到周围冷金属约束,也形成炼应力区。。。随着热输入的增长,金属受热膨胀加大,尤其是钛合金一侧未产生溶解且屈服强度较高,不易产生变形,应力值不休增长,200~300MPa的高应力区领域显著扩大。。。当热输入达到1.44kJ∕cm时,最大应力呈此刻熔池周围的钛合金处,达到300MPa。。。从图4可知,随着焊接热输入的增长,最大应力值不休增长,高应力区的领域逐步扩大。。。

2.2　电弧偏移

为保障焊接过程中温度散布能使铝合金一侧溶解产生熔焊结合,同时使钛合金一侧维持在钛合金溶解温度(1667℃)以下的较高温度,思考扭转电弧的作用地位,探索加热地位对焊接接头温度散布的影响。。。拔取焊接电流110A,焊接电压15V,焊接速度10mm∕s,以焊道中线偏移为0,相对于焊缝中心线分歧偏移前提下,焊接接头横截面的温度场、、、应力场散布如图5所示。。。

整体来看,分歧电弧偏移量下的温度散布根基一样,峰值温度为1500℃左右。。。以向铝合金一侧偏移为正,如图5a所示,当焊接热源向钛合金一侧偏移0.5mm时,钛合金一侧沿厚度方向温度梯度加剧,坡口左近整体温度较高,温度最高地位为顶部,达到1550℃。。：：附庸讨蓄押辖鹂赡芑岵芙,和焊缝金属元素结合,产生大量脆性化合物,不利于焊接。。。如图5b所示,当焊接热源位于焊接中心线时,钛合金钎焊界面温度根基均匀,最高温度低于钛合金熔点,但沿厚度方向钛合金一侧中上部和底部高温区领域存在肯定差距,这会导致钛合金中上部钎焊界面冶金反映功夫长于下部,钎焊界面化合物散布不均匀。。。如图5c所示,当焊接热源向铝合金一侧偏移0.5mm时,钛合金钎焊界面左近温度散布均匀,不存在显著的温度梯度,等温线险些和钛合金理论平行,整体处于合理的温度领域,有利于沿厚度方向形成厚度、、、物相成分一致的化合物,有助于冶金反映产生组织均匀的钎焊界面层。。。如图5d所示,当焊接热源向铝合金一侧偏移1mm时,钎焊界面沿厚度方向存在较大温度梯度,界面与等温线订交,可能导致钎焊界面描摹、、、物相组成、、、厚度等存在沿厚度方向突变的景象,影响接头质量。。。

图6为分歧电弧偏移量的焊策应力场散布。。。

从图6可见,当电弧向钛合金一侧偏移0.5mm时,结合温度场钛合金一侧横向和厚度方向均存在较大的温度梯度,钛合金受热不均匀,高温区直接加热的钛合金部门受热膨胀加剧,受周围冷金属故障,应力最大达到320MPa。。。从图6b,c,d可见,当电弧向铝合金一侧偏移时,受热铝合金产生溶解,应力险些为0,而钛合金一侧温度梯度减小,应力降低,应力集中区领域减小。。。

3、、、组织分析

在进行Ti∕Al异种金属MIG电弧熔钎焊时,钛合金与焊缝之间熔融的填充金属通过元素扩散形成钎焊界面反映层达到冶金结合,属于部门钎焊。。。铝合金母材部门溶解与填充金属齐全熔合,形成部门熔焊接头。。。通过有关文件及试验探索选用Si含量较高的Al-Si系焊丝ER4043铝基焊丝进前进一步试验。。。试验参数为:焊接电流110A,焊接电压为15V,焊接速度10mm∕s。。：：阜斐尚渭昂附咏油泛旯勖枘∪缤7所示。。。

从图7可看出,焊缝理论成形优良,无显著焊接缺点,焊缝两侧描摹有显著差距,焊接接头出现钛合金、、、焊缝、、、铝合金3个区域。。。2A12铝合金一侧出现典型的溶解焊接头描摹:有显著的焊缝、、、熔合区、、、母材区域划分。。。TC4钛合金一侧没有发现肉眼可见的溶解,母材概括清澈可见,有显著的界面区域。。。钎焊界面处溶解的金属沿钛合金坡口充分铺展出现典型的钎焊接头大局。。。整体来说,在合理的焊接参数下,接头成形优良,焊缝填充致密,未发现显著裂纹、、、气孔、、、未熔合等焊接缺点。。。钛合金一侧液态金属铺展优良,出现“包裹”钛合金趋向。。。

为进一步探索焊缝界面特点,选取光学显微镜和扫描电子显微镜对两侧焊缝区域进行分析,得到的铝合金一侧焊缝组织如图8所示,钛合金一侧焊缝组织如图9所示。。。

从图8a可知,焊接接头出现显著的溶解焊接头组织特点。。。白线中央部门为熔合区,柱状晶组织显著,且根基垂直于熔合区,柱状晶组织之间存在少量共晶组织。。。由图8b可见,有Al-Si焊丝填充形成的熔焊接头内部出现典型的Al-Si合金铸造态组织,其晶粒尺寸粗壮,晶界处存在肯定数量的共晶组织。。。由于Si的参与可能有效地降低铝合金的熔点,因而揣度晶界处深色共晶组织为Al-Si共晶相。。。

由图9a可见,钎焊层界面左近焊缝组织描摹与铝合金融合区左近焊缝组织根基一样,呈铸造态组织。。。由粗壮的α-Al晶：：途Ы绱Φ腁l-Si共晶组织组成,越靠近钎焊层一侧,晶粒尺寸越大。。。在晶粒内部存在少量尺寸较大的短棒状灰色析出相。。。图9b,c别离为钎焊界面上部电弧直接加热区域和沿厚度方向钎焊界面中下部显微组织。。。钎焊界面直接加热区未发现钛合金大量溶解或未熔合景象。。。钎焊界面出现多层结构,由锯齿状反映层、、、中央灰白色反映层和灰暗色薄层组成。。。其中,灰白色反映层厚度均匀,接头上部反映层较厚,由此可揣摩接头上部钛合金受电弧直接加热产生了微量溶解,导致形成了肯定厚度的钛铝熔合区,熔合区内应为Ti∕Al液态混合形成的一系列金属间化合物。。。熔合区和钛合金之间的界面为灰暗色、、、平直的薄层,根基无组织过渡。。。

最外层锯齿状的界面增大了与熔融焊缝金属的接触面积,可有利于提高结合强度。。。

4、、、结论

针对Ti∕Al异种合金MIG电弧熔钎焊工艺,通过成立靠得住的有限元模型,对焊接过程中瞬态温度场、、、应力场变动进行了分析。。。选取优化的焊接工艺参数进行试验,探索焊接接头界面状态,得出以下结论:(1)熔钎焊过程中两侧温度场、、、应力场呈非对称式散布。。。钛合金一侧温度梯度较大,焊缝左近应力集中景象较为显著。。：：附尤仁淙、、、电弧偏移量对焊接过程的影响表此刻钛合金界面的温度梯度变动。。。

优化后合理的工艺参数为:焊接电流110A,焊接电压15V,焊接速度10mm∕s,电弧向铝合金一侧偏移0.5mm。。。(2)选取优化的工艺参数进行试验,焊缝成形优良,接头熔钎焊特点显著。。：：阜祛押辖鸾缑娴缁≈苯蛹尤惹虿⒘咳芙,形成拥有肯定厚度的多层结构熔合区。。。钎焊截面周围焊缝中存在肯定数量的棒状、、、块状的析出相,揣摩为Ti∕Al金属间化合物。。。

参考文件:

[1] 吴宪吉,田娟娟,张　 科, 等. Ti∕Al 异种金属焊接钻研进展[J]. 焊接技术, 2015, 44(10): 1-5. 

[2] 冯立桥,马港恒,刘亚鑫,等.钛合金与铝合金异种轻质金 属焊接技术钻研进展[ J] .世界有色金属,2017( 13) : 227 - 229. 

[3] 王志伟.钛∕铝异种合金激光自熔钎焊工艺与界面形成机制钻研[D].天津: 天津大学, 2021.

[4] 郑德宇,夏玉峰,滕海灏, 等. 化学元素在钛铝异种合金焊接增 材中的作用钻研进展[J]. 资料热处置学报,2021,42(6): 11- 21. 

[5] 李永梅,陈利华,王延龙,等. 热输入对钛铝异种合金激光自熔 钎焊接头组织与力学机能的影响[ J].热加工工艺,2023( 9): 47-50. 

[6] 吕世雄,敬小军,黄永宪,等.Ti∕Al 异种合金电弧熔钎焊接头温 度场与界面微观组织[J].焊接学报,2012,33(7): 13-16. 

[7] Zhou X, Duan Ji’ an, Zhang F, et al. The study on mechanical strength of titanium-aluminum dissimilar butt joints by laser weldingbrazingprocess[J]. Materials,2019,12(5): 712. 

[8] Zhang C Q, Robson J D and Prangnell P B. Dissimilar ultrasonic spot welding of aerospace aluminum alloy AA2139 to titanium alloy TiAl6V4 [ J].Journal of Materials Processing Technology,2016,231: 382-388. 

[9] 李　 杰, 周　 鹏. 钛∕铜异种金属焊接步骤钻研近况[ J]. 焊接 技术, 2021, 50(9): 1-6.

作者简介: 汪保良 (1982—), 男, 硕士, 高级工程师, 重要从事特 种设备检验检测、、、 结构应力测试、、、 失效分析等方面的科研工作, 发 表论文 10 余篇.