【摘 要】
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由于钛合金具有低密度、高比强度、抗腐蚀性能,铝合金具有高比强度、低成本的特点,钛合金及铝合金复合结构已经被广泛地应用在航空、航天等领域。然而,由于钛、铝的巨大物理化学性能差异,钛/铝异种合金焊接存在困难。本课题通过添加中间层获得了优良的Ti6Al4V/Al5052异种合金熔钎焊接头。将焊接电流和焊接速度作为变量,获得了合理的焊接工艺参数。研究了焊接热输入变化对接头熔焊区以及钎焊区微观组织及性能影响
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由于钛合金具有低密度、高比强度、抗腐蚀性能,铝合金具有高比强度、低成本的特点,钛合金及铝合金复合结构已经被广泛地应用在航空、航天等领域。然而,由于钛、铝的巨大物理化学性能差异,钛/铝异种合金焊接存在困难。本课题通过添加中间层获得了优良的Ti6Al4V/Al5052异种合金熔钎焊接头。将焊接电流和焊接速度作为变量,获得了合理的焊接工艺参数。研究了焊接热输入变化对接头熔焊区以及钎焊区微观组织及性能影响规律。此外,也研究了中间层成分以及磁场对Ti6Al4V/Al5052熔钎焊接头性能及微观组织影响规律。添加厚度为10μm的纯Zn中间层能增大了液态钎料在钛合金母材表面的润湿铺展性。送丝速度为0.6m/min时,改变焊接电流和焊接速度大小均对焊缝成型有很大影响。焊接电流过低（如70A）或则焊接速度过大（如0.25m/min）,钎焊界面存在无效物理连接以及未焊合缺陷。焊接电流过大（如110A）或则焊接速度过低（如0.15m/min）,焊缝存在烧穿现象。而焊接电流为90A、焊接速度为0.2m/min时,焊缝成型最佳,形成了完整、连续、光滑的焊缝;焊接接头平均抗拉强度190MPa,达到了铝合金母材强度（228MPa）的83.3%;断裂发生在铝合金热影响区,断口处存在大量韧窝为塑性断裂。接头焊缝区组织主要包含α-Al基体、Al-Si共晶相、Si相、TiAl3金属间化合物以及少量Al-Si-Fe杂质相。焊接热输入大小对焊缝组织形貌及分布有较大影响。随着焊接电流的增大焊缝内TiAl3金属间化合物数量明显增多且形貌由短棒状变为羽毛状。钎焊界面TiAl3金属间化合物层的生成是实现钎焊连接的关键。焊接热输入较低时,TiAl3金属间化合物层较薄且不连续;随着焊接热输入的增大,金属间化合物层呈现连续胞状或锯齿状并伸向焊缝区长大;然而焊接热输入过大时,界面TiAl3金属间化合物急剧长大;在电弧搅拌作用下,TiAl3发生断裂并进入焊缝。在焊接电流90A、焊接速度0.2m/min、送丝速度0.6m/min时,分别添加纯Zn、Cu-38wt.%Zn、纯Cu作为中间层对Ti6Al4V/Al5052熔钎焊进行了研究。试验结果表明添加纯Cu中间层所获得的接头成型及力学性能较差而添加纯Zn和Cu-38wt.%Zn两种中间层所获得的焊缝呈现出更加连续完整且光滑的形貌。与添加纯Zn中间层的接头相比,添加Cu-38wt.%Zn中间层的接头的熔焊区不仅含有α-Al基体、Al-Si共晶相、Si相、TiAl3金属间化合物以及少量Al-Si-Fe杂质相还含有Al2Cu相;此外,界面TiAl3反应层厚度减小;焊缝区平均显微硬度值高于添加有纯Zn中间层接头硬度;断裂均发生在铝合金热影响区,抗拉强度值均为190MPa。焊接过程加入磁场后,与原始焊接接头相比,熔融液态金属钎料在钛合金母材表面的润湿铺展性增强,气孔数量减少;焊缝内α-Al基体晶粒尺寸约减小15%且分布更加均匀;熔合线区的粗大柱状晶组织得到细化且均匀化;焊缝内物相种类未发生变化但焊缝中断续片状的TiAl3相的数量明显增多,焊缝中Zn元素扩散更加均匀,Al-Si-Fe相的数量及尺寸减少;钎焊界面TiAl3反应层厚度降低了19.8%;接头的热影响区、熔合线区以及焊缝区显微硬度均增大且焊缝区域显微硬度变化更加平缓;接头抗拉强度提升13.1%,接头断裂模式由焊缝处的准解理断裂转变为铝合金热影响区的塑性断裂。
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