鈦合金和鋁/鋁鎂合金的焊接問題

鈦合金和鋁合金的焊接問題隨著航空航天工業的發展而受到各個國家和眾多研究者的重視。然而由于鈦合金和鋁合金在晶體結構、熱膨脹系數、熔點和熱導率等方面存在著較大的差異，常規的焊接方法很難獲得可以滿足使用要求的焊接接頭。為了解決鈦合金和鋁合金在焊接過程中存在的問題，研究者對鈦合金/鋁合金的擴散焊、攪拌摩擦焊、電子束熔釬焊、激光焊、真空釬焊、液相擴散焊等方法進行了大量實驗和研究。

采用擴散焊技術對TA2/LF6異種金屬進行了實驗，研究發現當焊接溫度超過525℃時，Ti/Al/Mg三種元素將會發生擴散反應生成Al18Ti2Mg3型中間相，焊接接頭的結合強度取決于擴散反應產生的新相區和固溶冶金結合區，結合強度隨擴散反應新相區的增大而降低，隨固溶冶金結合區的增大而升高。圖1顯示了焊接溫度對TA2/LF6擴散焊焊接接頭剪切強度的影響。可以看出當焊接溫度為500℃時，焊接接頭的抗剪強度隨保溫時間的延長而增加，當保溫時間為600 min時達到最大值74 MPa；當焊接溫度為525℃時，焊接接頭的抗剪強度在保溫240 min 時達到最大值83MPa，之后急劇減小；當焊接溫度分別為550℃和565℃時，焊接接頭的抗剪強度最大值降低，分別為61 MPa 和55MPa。

對TC4鈦合金與5A06鋁合金進行了攪拌摩擦焊接實驗，指出采用最佳工藝條件（n=1500 r/min，ν=60 mm/min，T=0.1 mm）進行焊接時獲得的Ti /Al對接焊縫的抗拉強度達到可以達到5A06 鋁合金抗拉強度的 88%左右，且其斷裂主要發生在鋁側焊合區內。為最佳工藝條件下TC4/5A06攪拌摩擦焊焊接接頭對應的鈦合金一側斷裂面掃描圖。可以看出圓形標記區域為平坦光滑的脆性解理面，說明該處界面為脆性連接，界面結合強度較低。矩形標記區域的局部放大圖，該區域大量分布的緊密排列的韌窩說明該處界面為韌性連接，界面結合強度較高。采用電子束熔釬焊對TC4鈦合金和5A06鋁合金進行了冶金結合，研究發現Ti/Al元素在焊接過程中在界面處產生了互擴散現象，并形成了寬度約為1.0～1.6 mm的中間層，其中在鈦合金一側形成了寬度約為20～40 μm的擴散層，而在鋁合金一側則分布著大量金屬間化合物。該法所形成的界面能夠提高鈦合金/鋁合金焊接接頭的力學性能。

鎂合金因具有比強度和比剛度高、地磁屏蔽性能和阻尼性能好等優點而被廣泛的應用于航空航天、汽車工業和電子產品等領域中。將鈦合金和鎂合金進行異種金屬焊接，可以有效改善鎂合金高溫力學性能和耐腐蝕性能差的缺點，解決鎂合金性能短板，結合鈦合金和鎂合金的性能優勢，提高其應用范圍。目前鈦合金和鎂合金之間主要存在著擴散焊、爆炸焊、電阻焊和攪拌摩擦焊等焊接方法。

對ZK60鎂合金和鈦合金板材進行攪拌摩擦焊，重點研究其界面擴散區的微觀組織和接頭的力學性能，并與純鎂-鈦的攪拌摩擦焊接頭進行對比。研究顯示可以通過攪拌摩擦焊的方法來實現ZK60鎂合金與鈦合金板材之間的冶金連接。拉伸試驗發現斷裂面主要發生在接頭界面部分的ZK60鎂合金與攪拌區之間。此外，ZK60鎂合金中的鋅、鋯等合金元素在攪拌摩擦焊過程中與鈦在接頭界面處發生反應形成一很薄的反應層，由于純鎂和鈦合金接頭界面處沒有形成反應層，使得ZK60鎂合金與鈦合金接頭的抗拉強度要高于純鎂和鈦合金接頭。

以50μm厚的純Al作為過渡金屬對AZ31B鎂合金/Ti-6A1-4V異種金屬間進行了擴散焊實驗。研究發現若保溫時間控制在3h，焊接溫度是改變接頭微觀組織、界面新生相與連接強度的重點影響因子。若焊接溫度比450℃小，則在Mg/Al接觸層沒有共晶組織形成，不能完成鎂合金和鈦合金之間有效結合；若焊接溫度在450℃到480℃，則焊接溫度成為Mg/Al/Ti接觸層的主要控制因素，主要對連接界面處反應產物的組織形貌與結構產生波動變化。若焊接溫度達到470℃，保溫時間達到3h，則連接界面剪切強度最高，是72.4MPa，達到了AZ31B母材（86MPa）的84.2%。