钛合金与铝合金异种金属焊接的研究现状

钛合金与铝合金异种金属焊接的研究现状
发布时间：2021-06-08T15:24:22.977Z 来源：《基层建设》2021年第4期作者：李洪达周晶辉马健男[导读] 摘要：钛合金因其具有密度小、比强度高及耐腐蚀等优点，被广泛应用于工业制造、船舶以及口腔医学等领域。

中车长春轨道客车股份有限公司吉林长春 130062摘要：钛合金因其具有密度小、比强度高及耐腐蚀等优点，被广泛应用于工业制造、船舶以及口腔医学等领域。

特别在航空航天领域中钛合金的需求量很大，钛合金结构件的使用降低了航空产品的的重量。

铝合金因具有良好的可加工性和导电导热性，在在很多行业得到了广泛应用。

本文就钛合金与铝合金异种金属焊接的研究现状进行了分析。

关键词：钛合金；铝合金；异种金属；焊接引言节约能源及保护环境的全球战略对现代航空航天、轨道交通、海洋工程等结构设计轻量化提出了越来越高的要求，为了减小工程装备的自身质量，同时又要保证工程装备的安全性，使得钛合金与铝合金及其异质材料的连接构件得到日益广泛的应用。

其中，钢材的力学性能十分优越，铝材具有耐腐蚀性强、导热性好、密度低、比强度高等优点。

然而，由于钛铝两者的热物理冶金（熔点、密度、晶体结构、导热性和线膨胀系数等）及化学性能差异较大，其连接接头的可靠性成为影响构件高品质制造的关键问题，因此，有关钛合金与铝合金焊接工艺的研究便显得尤为重要。

1钛合金与铝合金异种金属焊接的重要性以及难点钛及钛合金具有比强度高、耐腐蚀性好及高温力学性能优异的特点，在航空航天、舰船等行业被广泛使用，但其价格较高。

铝合金密度小，作为主要的轻量化结构材料，是制造飞行器蒙皮的主要材料，在生产工艺和价格上较其他合金有明显优势，但其耐腐蚀性能较差，易发生大气腐蚀降低飞行器蒙皮的使用寿命。

同时，飞行器在稠密大气中超音速飞行时，受激波与机体间高温压缩气体的加热和机体表面与空气强烈摩擦的影响，飞行器蒙皮的温度随马赫数的提高而急剧上升，超过了铝合金的极限使用温度，使其强度大大削弱。

因此将二者性能有效结合起来具有重要意义。

但是，钛、铝之间的性能差异较大，直接复合具有较大的难度。

钛/铝异种金属的焊接性主要取决于它们之间物理性质和化学性质的差异。

钛和铝在熔点、热导率及线膨胀系数上都存在较大的差距。

首先，钛与铝的熔点相差约1000℃，焊接过程中铝合金开始熔化而钛合金依然处于固态，而且密度较低的铝合金熔化后会浮于钛合金之上，导致焊缝成形较差。

其次，两者之间热导率和线膨胀系数的差异会导致焊后接头处产生较大的变形和内应力，进而产生裂纹。

同时，Ti与Al之间极容易生成TiAl，TiAl3等多种金属化合物，这会大大降低钛/铝接头的力学性能。

2钛合金与铝合金异种金属焊接的研究现状 2.1熔化焊
在钛合金与铝合金的熔化焊接过程中，对于焊接热输入的精确控制要求较高，可控性较好的激光焊、电子束焊和钨极惰性气体保护焊（TIG）这3类焊接方法被广泛应用。

2.1.1无填充材料的焊接
无填充材料直接焊接的钛/铝接头中形成的大量Ti-Al金属间化合物是焊缝脆化、接头力学性能变差的主要原因。

要减少接头中裂纹的出现，就要避免焊缝中脆性Ti-Al金属间化合物的生成，这也成为了后续研究者主要关注的问题。

在钛/铝异种合金进行无填充热源偏移焊接过程中通过减少单侧母材的熔化量，降低焊缝中Ti-Al金属间化合物的含量，从而减小了接头的脆性，提高了接头的抗拉强度。

然而，热源偏移需要严格控制焊接参数，热输入过高极易在接头中产生裂纹，而且无填充材料的热源偏移焊接无法完全避免脆性Ti-Al金属间化合物的形成，接头的力学性能还有待提高。

2.1.2填充材料的激光焊
激光聚焦在焊丝上，在激光的热作用下焊丝完全熔化而钛合金、铝合金少量熔化。

焊缝中形成针状或芽状Ti-Al-Si系金属间化合物层和以Ti-Al系金属间化合物为主的连续化合物层，接头的抗拉强度为298．5MPa，断裂发生在钛侧熔合区。

由于AlSi12焊丝的加入，焊缝中的组织以Ti-Al-Si三元化合物为主，接头的抗拉强度明显增加。

因此合理选用填充材料对焊缝界面冶金结合调控能够显著提高钛/铝接头的力学性能。

2.2钎焊
钎焊是利用熔化的液态钎料来润湿两侧母材进而实现钛/铝异种金属的连接。

与熔化焊相比，钎焊过程中的焊接应力更小，而且通过改变钎料配比和焊接时间等参数可以避免Ti-Al金属间化合物的形成，实现钛合金与铝合金的有效连接。

钎料元素和配比的选择对于钎焊是至关重要的。

合理的选择钎料体系，液态钎料在润湿母材、填充接头间隙的同时，与母材原子之间扩散形成的多元化合物会减少Ti-Al脆性金属间化合物的形成，提高钛/铝接头的力学性能。

2.3熔钎焊
熔钎焊兼具了熔焊与钎焊的共同特点，通过连续的送入焊丝对接头进行填充，铝合金处于熔化状态，而钛合金不熔化。

因此熔化的铝和焊丝对钛合金表面实现了浸润与铺展，通过原子之间的扩散和冶金反应连接在一起，这种焊接方法灵活、焊接强度高，但要严格控制热输入。

与无填充材料的焊接工艺相比，钛/铝熔钎焊接头的抗拉强度大幅提升。

通过选用合适的填充材料，利用熔钎焊工艺可以有效地抑制Ti-Al金属间化合物的形成，甚至是避免形成Ti-Al金属间化合物，以此能满足较高强度性能的使用要求。

2.4扩散焊
扩散焊是在一定温度和压力的作用下，待焊试样通过接触面发生的蠕变和扩散作用，实现连接的焊接方法，试验中大多对温度、时间和压强这3个参数进行研究。

随着保温温度的提高，钛/铝接头微观结合更加紧密，接头强度也随之增加。

当温度达到一定的极限值后，温度再升高接头强度反而下降。

适当延长保温时间可以使得钛/铝接头的界面更加平整。

当保温温度为450℃、保温时间3h，得到了界面连续的钛/铝接头。

扩散焊对钛/铝异种金属产生的影响较小。

通过添加中间层或在钛表面渗铝及合理控制工艺参数，能有效减少Ti-Al脆性金属间化合物的生成，焊后形成的金属过渡层更薄，接头的残余应力更低。

但是扩散焊得到的钛/铝接头的抗拉强度不高，难以在高强度场合广泛应用。

2.5爆炸焊
国内外有关钛/铝爆炸焊接的研究已取得一定的成果。

按照现有研究成果，炸药可选用铵油混合炸药或岩石粉状乳化炸药（加工业盐），质量比R为0.96左右，起爆方式为边部中心起爆，基覆板采用平行法安装，基覆板间距为h=0.2（δ0+δ1）；动态工艺参数在爆炸焊接窗口内可减少钛/铝合金结合界面金属间化合物的产生，有利于得到高界面结合质量的钛/铝合金。

合金爆炸焊接过程中，炸药爆炸由非稳定轰炸向稳定轰炸过渡，导致爆炸载荷逐渐变大，而且，距起爆点越远基覆板间震动越剧烈，基覆板间碰撞载荷增大，从而使波长、波高逐渐变大。

合金爆炸焊接过程中，结合界面存在的化学成分差异会产生元素扩散，适量的元素扩散会提高合金的结合强度，但过度的元素扩散会导致结合界面生成钛/铝金属间化合物，影响结合强度。

爆炸焊接技术具有不可逆性、瞬时性及危险性的特点，且工艺参数通常为经验公式与实际操作经验共同决定，为获得最优的爆炸焊接工艺须进行多次试验，从而增加试验周期，造成材料及人力的浪费，增加生产成本，因此应不断完善爆炸焊接数值模拟理论，为复合材料爆炸焊接工艺发展提供强有力的支撑。

结束语
钛/铝焊接性较差的主要是因为其物理性能和化学性能差异较大，焊缝中极易形成脆性的Ti-Al金属间化合物，导致钛/铝接头的强度降低。

这就需要科学的选择焊接方式，促进钛合金与铝合金异种金属焊接的不断发展和提升。

参考文献：
[1]姜雨昂.浅析钛合金与铝合金异种金属焊接技术[J].中国设备工程，2019（22）：128-130.
[2]殷凯，曹丽杰，王楠楠.异种金属搅拌摩擦对接焊研究进展[J].轻工机械，2019，37（01）：11-15.
[3]曲树平，许海鹰，王晓军，等.铝钛异种合金电子束焊接接头组织与界面分析[J].航空制造技术，2019，62（16）：74－78．。