一种基于铝钛异种金属的焊接接头的制备方法与流程

本发明涉及异种金属焊接，尤其涉及一种基于铝钛异种金属的焊接接头的制备方法。

背景技术：

1、铝/钛异种金属结构结合了铝合金低密度、高导热性及钛合金高比强度、耐腐蚀等优点，在航空、航天、汽车制造等轻量化需求领域具有广阔应用前景。然而，铝与钛在物理性质（如熔点、热膨胀系数、导热率）和化学性质上存在显著差异，特别是两者直接焊接时易在焊缝区域生成tial3、tial2、tial等脆性金属间化合物（imc）。这些硬脆相严重恶化接头塑性，促使焊接热裂纹产生，并常常伴随未熔合、气孔及渗透裂纹等缺陷，导致接头强度低、可靠性差，制约了铝/钛复合结构的设计与应用。

2、为缓解上述问题，现有技术中多采用低热输入焊接方法（如激光焊、电子束焊、cmt焊等），并引入过渡层进行辅助焊接。过渡层材料通常为与铝、钛均可形成稳定化合物的金属元素（如nb、ni、cu等）或其组合，通过熔化吸热降低低熔点母材侧的热输入，并改变焊缝区的冶金反应路径，避免大量有害ti-al系金属间化合物的形成。纯镍因其与al、ti均可形成多种稳定性较好的三元及二元化合物，且al-ni-ti系相图中存在较宽的液相区间，有利于抑制偏析和裂纹，被认为是一种颇具潜力的过渡层材料。然而，现有技术中关于纯镍过渡层与cmt工艺结合系统应用于铝/钛焊接的研究尚不充分，尤其在工艺参数优化、界面反应控制、接头形成机理及性能调控方面仍需深入探索。

技术实现思路

1、解决的技术问题：针对现有技术冶金不相容、脆性相增多、裂纹敏感性强及接头性能差等问题，本发明提供一种基于铝钛异种金属的焊接接头的制备方法，采用纯镍过渡层辅助的cmt焊接方法，旨在通过优化过渡层设计、焊接工艺及过程控制，实现高质量、无缺陷的铝/钛焊接接头。

2、技术方案：一种基于铝钛异种金属的焊接接头的制备方法， 包括以下步骤：

3、（1）选用厚度均为4mm的5052铝合金和ti6al4v钛合金作为焊接母材；

4、（2）在5052铝合金焊接端面贴敷0.1mm厚的退火态纯镍带作为过渡层；

5、（3）对ti6al4v钛合金母材待焊侧进行机械加工，制备45°单边坡口；

6、（4）采用冷金属过渡cmt焊接设备，以直径1.2mm的ti6al4v焊丝作为填充材料，设置送丝速度为6.0 m/min、焊接速度为15 cm/min、保护气体为氩气、气体流量为20 l/min，进行焊接，焊接过程中保持焊枪与焊件表面垂直，并向钛合金侧水平偏置2mm；

7、（5）完成焊接后，获得组织均匀的基于铝钛异种金属的焊接接头。

8、上述所述的步骤（2）的退火态纯镍带的化学成分含量满足以下条件：ni ≥99.9%、si ≤ 0.02%、fe ≤ 0.02%、cu ≤ 0.01%、o ≤ 0.02%、c ≤ 0.02%。

9、上述所述的步骤（4）中的保护气体为纯度不低于99.99%的高纯氩气。

10、上述所述的步骤（4）中焊接前需对5052铝合金焊接端面进行机械打磨以去除氧化膜，并使用酒精清洗油污；对ti6al4v钛合金坡口及邻近区域采用化合物40% hno3 + 5% hf水溶液酸洗3–5分钟，清除表面氧化层后烘干；其中化合物水溶液中含有浓度为40% 的hno3和浓度为5% 的hf。

11、上述所述的步骤（5）完成焊接后，焊接接头中原过渡层区域形成宽度不超过300μm的元素混合区，该元素混合区物相包括alni2ti、niti2、al3ni2和al3ni，接头平均抗拉强度不低于62mpa。

12、本发明的制备方法的原理如下：

13、通过引入纯镍过渡层，利用镍与铝、钛均能发生冶金反应但生成相脆性较低的特性，改变了焊缝区的反应路径。在cmt焊接过程中，过渡层完全熔化并扩散，在原位形成宽度约300μm的元素混合区，该区域内主要发生al-ni-ti三元反应，生成alni2ti、niti2、al3ni2、al3ni等物相，替代了原本有害的ti-al二元脆性化合物（如tial3）。同时，纯镍层的熔化吸热有效降低了铝合金侧的热输入，抑制其过度熔化，减少了铝元素向焊缝中心的扩散，从而避免了渗透裂纹的形成。优化后的焊接参数进一步保证了熔池稳定、焊缝成形良好，实现了无未熔合、无气孔、完全焊透的优质接头。

14、有益效果：本发明提供的一种基于铝钛异种金属的焊接接头的制备方法，具有以下有益效果：

15、1.该制备方法制备得到的焊接接头的平均抗拉强度达到62mpa，且断裂发生在焊缝区域，表现出良好的连接效果。

16、2.该制备方法具有工艺稳定、重复性好、接头质量高、适用性强等优点，特别适合于对结构性能及轻量化要求较高的高端装备制造领域。

1.一种基于铝钛异种金属的焊接接头的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于铝钛异种金属的焊接接头的制备方法，其特征在于所述步骤（2）的退火态纯镍带的化学成分含量满足以下条件：ni ≥ 99.9%、si ≤ 0.02%、fe ≤ 0.02%、cu ≤ 0.01%、o ≤ 0.02%、c ≤ 0.02%。

3.根据权利要求1所述的一种基于铝钛异种金属的焊接接头的制备方法，其特征在于：所述步骤（4）中的保护气体为纯度不低于99.99%的高纯氩气。

4.根据权利要求1所述的一种基于铝钛异种金属的焊接接头的制备方法，其特征在于：所述步骤（4）中焊接前需对5052铝合金焊接端面进行机械打磨以去除氧化膜，并使用酒精清洗油污；对ti6al4v钛合金坡口及邻近区域采用化合物40% hno3 + 5% hf水溶液酸洗3–5分钟，清除表面氧化层后烘干；其中化合物水溶液中含有浓度为40% 的hno3和浓度为5% 的hf。

5.根据权利要求1所述的一种基于铝钛异种金属的焊接接头的制备方法，其特征在于：所述步骤（5）完成焊接后，焊接接头中原过渡层区域形成宽度不超过300μm的元素混合区，该元素混合区物相包括alni2ti、niti2、al3ni2和al3ni，接头平均抗拉强度不低于62mpa。