[发明专利]钛合金和铝合金异种材料的激光焊接方法

说明书

本发明涉及一种钛合金和铝合金异种材料的激光焊接方法，属于激光焊接与高熵合金技术领域。首先对待焊接工件执行清理操作，然后将待焊件放置在夹具上，利用焊接夹具施以夹紧力，将激光入射角度调整为40~45度，将母材搭接，钛板在上铝板在下；将装配好的工件放置于光纤激光器焊接室内，将配置好的高熵合金粉末预置在搭接接头处，调节好焊接参数后，将激光束对准焊缝中心，对待焊工件进行激光焊接，焊接过程中高熵合金粉末先熔化，由于激光束完全照射在高熵合金粉末上，避免了母材对激光的反射，通过热对流与热传导，利用熔池传递的热量熔化母材，降低了母材的熔化量，自然冷却。提高了能量的利用率，极大改善TC4钛合金/6082铝合金异种材料激光焊接性。

技术领域

本发明涉及激光焊接技术领域与高熵合金技术领域，特别涉及一种钛合金和铝合金异种材料的激光焊接方法。

背景技术

钛合金（Ti）和铝合金(Al)具有密度低、耐腐蚀、机械性能优异等优点。它们在航空航天、武器制造、轨道交通等领域具有广阔的应用前景。为了结合Ti合金和Al合金的优良性能，对Ti-Al复合结构的研究越来越受到重视。然而，由于两种材料在熔点、热导率、冶金性能、晶体显微组织等材料性能上存在巨大差异，难以制造可靠的Ti/Al接头，易形成脆性Ti-Al金属间氧化物（IMCs）。钛/铝焊缝中极易形成脆性的 Ti-Al 金属间化合物，导致钛/铝接头强度的降低。目前在激光焊、电子束焊过程中，通过热源偏移的方式可以降低 Ti-Al 金属间化合物含量; 采用合理的中间层，既能降低 Ti-Al 金属间化合物的含量又能形成塑性更好的金属间化合物。采用熔钎焊工艺并选用合适的填充材料，可以有效地抑制 Ti-Al金属间

化合物的生成。采用扩散焊工艺、通过添加中间层、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，但接头的抗拉强度不高。采用搅拌摩擦焊并通过添加中间层抑制钛 /铝接头中 Ti-Al 脆性金属间化合物的形成，获得性能良好的钛/铝接头，但会受到焊件的形状的影响。采用爆炸焊工艺，可以细化界面中的金属颗粒，提高钛/铝接头的强度，但制造成本高且过程危险。

由于在连接异种金属时具有明显的优势，使用激光作为热源已成为焊接钛合金和铝合金的常用熔焊方法。大多数研究集中在通过控制光束偏移的位置和距离来控制基材的熔化量来减少Ti-Al IMC的产量。其他一些研究表明，通过使用双束焊接，IMC 的厚度会更均匀，而硅有利于减少焊缝中的裂纹。需要注意的是，上述方法可以减少Ti-Al IMCs的量，但不能完全抑制Ti/Al接头中IMCs的形成。Ti-Al IMC的存在降低了接头的力学性能。

高熵合金是由中国台湾学者叶均蔚等于2004年提出的一种新型合金设计理念，是冶金学研究的一个全新领域，通常被定义为含有五种或五种以上元素以等摩尔或近摩尔比组成，且每种主元含量介于5at.%到35at.%之间的合金材料。高熵合金中较大的混合熵抵消了混合焓的作用，使得合金体系处于较低的自由能，抑制了金属间化合物的形成，更倾向于形成简单BCC和FCC的固溶体相结构。高熵合金因其特殊的高熵效应，晶格畸变效应、迟滞扩散效应等特点具有许多传统合金不具备的高强度、高耐磨性，高耐腐蚀性等性能。利用高熵合金的这些特性可能为完全抑制Ti-Al复合结构中IMCs的形成提供新的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钛合金和铝合金异种材料的激光焊接方法，解决了现有技术存在的Ti-Al激光焊接过程中难以形成有效连接，装配复杂，焊前清理严格，气孔，裂纹，同时受激光器功率的限制等问题。本发明使用CoNiCuNb0.5V1.5粉末作为填料，通过减少Ti/Al IMC的数量大幅提高Ti-Al接头的性能。突破了钛铝焊接时冶金不相容的限制，减少母材金属熔化量，完全抑制了焊缝中金属间化合物的产生，克服TC4钛合金/6082铝合金异种材料激光焊接裂纹，气孔缺陷，提高焊接接头室温塑性，简化工艺操作。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：