《钛铝异种合金焊接的研究进展.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《钛铝异种合金焊接的研究进展.docx（26页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、本科毕业设计（论文）论文题目：钛/铝异种合金焊接的研究进展摘要钛合金和铝合金因其具有密度小、比强度高、耐蚀性强等优异性能，在军用和民用领域得到了越来越广泛的应用。铝合金熔点较低，导致铝合金在高温高压环境中易变形,钛合金熔点较高，在高温高压环境中不易变形，但价格较为昂贵。在实际生产中可以通过焊接技术制备两种材料的复合结构，有效的降低生产成本，避免材料浪费。本文介绍了钛/铝异种合金的焊接方法，调研了利用激光焊、熔钎焊、搅拌摩擦焊对钛/铝异种合金焊接的研究进展，分析了不同焊接方法对焊接接头的焊缝形貌、微观组织、力学性能、断口形貌的影响，以期对钛/铝异种合金的焊接研究提供参考。关键词：钛合金；铝合金；
2、微观组织；断口形貌论文类型：理论研究AbstractTitaniumalloyandaluminumalloyhavebeenusedmoreandmorewidelyinthemilitaryandcivilfieldsbecauseoftheirexcellentpropertiessuchaslowdensity,highspecificstrengthandstrongcorrosionresistance.Themeltingpointofaluminumalloyislow,resultingineasydeformationofaluminumalloyinhightempera
3、tureandhighpressureenvironment,andhighmeltingpointoftitaniumalloy,whichisnoteasytodeforminhightemperatureandhighpressureenvironment,butthepriceismoreexpensive.Intheactualproduction,thecompositestructureofthetwomaterialscanbepreparedbyweldingtechnology,whichcaneffectivelyreducetheproductioncostandavo
4、idmaterialwaste.Thispaperintroducestheweldingmethodoftitanium/aluminumheterogeneousalloy,andanalyzestheinfluenceoftheweldingoflaserwelding,microorganization,mechanicalpropertiesandfracturemorphologyofdifferentweldingmethods,soastoprovidereferencefortheweldingoftitanium/aluminumheterogeneousalloy.Key
5、Words:Titaniumalloy;Aluminumalloy;Microstructure;FracturemorphologyTypesisType:TheoreticalResearch摘要IAbstractII目录III1绪论11.1 研究背景11.2 钛合金和铝合金的性能11.3 钛/铝异种合金的焊接性11.4 钛/铝异种合金的焊接难点21.5 研究内容32钛/铝异种合金焊接的研究现状52.1 激光焊52.1.1 激光焊的焊接原理及特点52.1.2 钛/铝异种合金激光焊的研究现状62.2 熔钎焊92.2.1 熔钎焊的焊接原理及特点92.2.2 钛/铝异种合金熔钎焊的研究现状102
6、.3 搅拌摩擦焊132.3.1 搅拌摩擦焊的焊接原理及特点132.3.2 钛/铝异种合金搅拌摩擦焊的研究现状142.4 本章小结163钛/铝异种合金焊接技术的应用与展望17结语19参考文献21致谢231绪论1. 1研究背景随着航空、航天、汽车、电子、船舶等现代制造业的飞速发展和科学的进步，对产品各种性能有更多的需求。如汽车的车身结构在轻量化的同时也需要有高强度和优异的抵抗变形来保证车辆的安全性。钛合金和铝合金凭借优异的抗腐蚀、力学性能和化学性能，己经成为应用于航空航天领域的重要轻质结构材料。目前许多产品结构设计优化并没有达到极致，结构设计都是采用单一合金材料，这就使得很多的结构设计中材料功能用
7、途和实际并不符合，导致材料的浪费和结构功能不能发挥到极致等缺点，特别是在某些需要特殊用途的地方。通过焊接方法制备钛合金与铝合金的复合结构，能够减轻结构重量、节约能源和降低生产成本。开展钛/铝异种材料复合结构的焊接技术研究和应用推广，对于实现结构设计的轻量化并降低成本，具有重要意义与广阔前景。1.2 钛合金和铝合金的性能钛合金有着优秀的抗腐蚀性、加工性、耐高温。钛合金分为型、(a+)型、0型。a型中最关键的合金元素为Al,Al是为数不多的效果良好的a稳固元素，Al能减少溶于钛合金中的氢聚合为的氢分子，降低有可能因为氢分子过多聚集形成的氢脆。a型钛合金在高温高压的工作环境下仍然拥有着良好的强度和优
8、异的韧性，但适应实际生产工艺要求的能力很差，不能通过加热使元素在基体中处于过饱和状态，起到固溶强化的效果。型钛合金中稳固元素分为两种，一种为P同晶元素，拥有与P钛相同的原子在晶体中排列规律的空间格架，如V、Mo、Ta等，能与钛不断互溶，产生相对较小的晶格畸变，强化合金的同时，保持较好的塑性。另一种为共析元素如Mn、Cr,Si等，在一定的温度下有限的和钛溶解，并以共析反应为特征。型钛合金有良好的可切削性、可冲压性、可冷延展性。(a+)型钛合金既加入a稳定元素又加入P稳定元素，使得a和。同时强化，(a+)钛合金具有优秀的在外力的作用下抵抗变形和断裂的性能。铝合金的比重小，在外力作用下抵抗变形和破坏
9、的能力优异，有着优秀的抵抗腐蚀的能力。铝合金分为铸造铝合金和变形铝合金两种。铸造铝合金一般含有较多的溶质，加热至液态时,在重力的作用下,可以从更好的高处流向低处，适合于铸造成型。变形铝合金所含溶质少，能够获得均匀的溶质原子完全溶解于固态金属溶剂中形成的合金相。适合进行锻造和冲压加工，常用于焊接结构生产中。由于铝合金易于空气中的氧气反应生成Al2O3,在焊接过程中容易出现气孔和热裂纹等缺陷。1.3 钛/铝异种合金的焊接性不同化学成分和不同组织性能的两种或两种以上金属的焊接要满足在一定的温度范围内能够完全相互熔融在一起，形成连续的溶质原子填入溶剂原子间的一些间隙中的合金相结构，否则接头组织会形成大
10、量的脆硬相，将导致焊接接头质量差，增加焊缝出现裂纹和脆性断裂等缺陷的概率。由图1.1钛-铝二元合金相图中可以看出，当钛和铝在液相线以上及两种金属在液态时，可以无限相互溶解，但随着温度逐渐降低，钛在铝中的溶解度快速降低，在室温时，两者基本不溶。在1456C时，生成脆性金属间化合物TiAl,随着温度持续降低，钛铝不断发生冶金反应，陆续生成Ti3Al、TiAh等金属间化合物。这些金属化合物密度小、比强度好、高温抗氧化性能较好，但是在室温条件下会加大焊接接头的脆性，影响焊接接头质量。温度/C100乜一，一，%。，二，曾，对，甲一半17001600-1500；UOO-1300:1200I100T1000
11、；900800-700-oo500-l70oC60.452oC3iAlSUPU1.AT11SSTBUCTVRCS(Ti)(6Ti)010203040Ti.aTiAl3(Al)一图1.1钛-铝合金二兀相图1.4 钛/铝异种合金的焊接难点两种金属焊接性较差，在焊接过程中易出现各种问题。如夹杂和焊缝的化学成分组成不均匀导致焊缝力学性能差，气孔和裂纹等，主要是两者的化学物理性能和电化学性能相差巨大。两种金属均为活泼金属易于氧气发生氧化反应，生成Tio2等这类高熔点氧化物，导致脆硬相组织的出现，使得焊接接头易夹杂，阻碍冶金反应。钛合金熔点远高于两种合金中添加的其他合金元素（Zn、Mn.Si）等。如AA6
12、060铝合金中的Zn的沸点为907,远低于钛的熔点，故在进行焊接时，两种合金中的低熔点合金元素会气化，蒸发。使得焊接接头中的化学成分会严重的不均匀，导致焊接接头的质量下降。两种金属都属于活泼元素，会在表面形成一些含有氢和氧元素的表层状物质，会在焊接后在焊缝中形成气孔，降低焊接接头的质量。而且铝合金的线膨胀系数为23.410-6远大于钛合金的线膨胀系数8.6xlq这就会使得焊缝中出现复杂的应力环境，导致焊缝易出现裂纹缺陷。综上所述，两种金属的焊接性较差，易出现各种焊接缺陷。1.5 研究内容(1)搜集和阅读文献，了解有关钛/铝异种合金焊接领域发展现状及趋势；(2)综述钛/铝异种合金焊接(激光焊、熔
13、钎焊、搅拌摩擦焊)的焊缝形貌、微观组织、断口形貌和力学性能；(3)总结钛/铝异种焊接的应用及发展趋势。2钛/铝异种合金焊接的研究现状目前对于钛/铝异种合金的焊接方法，主要以激光焊、熔钎焊和搅拌摩擦焊为主。2.1 激光焊钛合金被逐渐加热到熔化这一过程中，钛合金会与空气中的氧气发生氧化反应生成TiO2,会在焊缝中形成脆硬组织，严重影响焊接质量。而激光焊在焊接时采用氯气作为保护气体、焊接速度快、热影响区小可有效的降低Ti2的产生。激光焊的自动化程度高、操作更加简易、更偏向于工业生产。2.1.1 激光焊的焊接原理及特点激光焊本质上是光能转化为热能。气体或固体激光器通过谐振回路吸收能量，并同时释放相同频
14、率的光子便产生了激光，然后通过一系列的光学仪器把从激光发射器产生的激光聚焦反射到材料表面，作用到待加工工件表面后形成熔池使得两种材料达到原子间的结合。图2.1为激光焊接工作原理示意图。图2.1激光焊工作原理示意图激光焊相比于传统的焊接方式对于材料的焊接，热影响区小，焊接接头质量得到了显著的提升，实际生产效率也高于其他焊接方式，激光焊的自动化程度高，还可以通过光学仪器如光导纤维和棱镜等传输、偏转、聚焦到达远距离或难以接近的一些部位的焊接。焊接速度快，对于热输入敏感的材料，焊后无需进行热处理。但目前激光焊所需要的大功率激光器造价昂贵且光电转化效率都很低，其中CCh激光器效率为10%-20%,而脉冲
15、激光器的效率仅为2%-3%。金属材料的高反射率也不利于形成良好的激光焊焊接接头。2.1.2 钛/铝异种合金激光焊的研究现状激光焊熔池小、冷却速度快和热影响区小。可有效降低钛/铝异种合金在焊接时产生的脆硬金属间化合物TiAE有效提高焊接接头质量，降低焊接接头脆性。吴新勇使用激光焊对钛/铝异种合金进行了搭接焊接研究，并对不同脉冲工艺参数下的焊接接头形貌进行了分析。发现当脉冲重叠率过小或脉宽过大时，导致焊接速度过快，此时焊接接头表面会出现飞溅现象。脉冲峰值功率和重叠率过大或激光点直径过小,焊接接头会出现熔透烧穿现象。当脉冲宽度在8msJ0ms,重叠率为5O%-7O%,峰值功率为80%-90%,激光光
16、斑直径在0.8mm-1.0mm范围，氮气流速为121./min时钛合金与铝合金达到了较好的熔合（如图2.2所示），焊缝呈现均匀的银白色鱼鳞状，较美观且未出现氧化、飞溅、熔透烧穿等焊接缺陷。图2.2焊缝表面倒郭顺1刈利用3KW光纤激光，通过采用偏置铝合金一侧的焊接方式获得了良好的钛/铝异种合金焊接接头并对其进行了微观组织分析（如图2.3所示），发现钛合金和铝合金的焊缝中主要为TiAh金属间化合物,其晶型表现为块状及长条状形态。图2.3钛/铝异种合金结合界面及金属间化合物层1吴新勇等对钛/铝异种合金进行激光焊试验，发现在焊接过程中，焊缝金属熔融状态时，由于铝合金热膨胀系数大，热影响区的固态铝合金会
17、给熔池施加压应力，焊接结束后熔池开始冷却，此时压应力会随着焊接接头的凝固结晶也转变为拉应力，导致焊缝和铝合金热影响区的交界处易出现裂纹缺陷。为了研究焊接接头出现裂纹的原因，选取了焊接接头中裂纹靠近铝合金母材的钛铝融合区域（如图2.4所示）并将其分为5个区域对其界面的成分进行了分析研究。发现层状亮白色区域（PI-P3）中的Ti元素和AI元素含量十分接近，主要成分为金属间化合物TiA1.外层锯齿状区域（P4）在铝合金母材和焊缝的交界处，主要成分为金属间化合物TiAl3,这种金属间化合物强度高，塑性极差，会导致钛/铝异种合金焊接后的焊接接头在靠近铝合金一侧出现裂纹等缺陷。短棒状金属间化合物区域（P5
18、）主要的成分相主要为TiAb和A1.这是由于在激光的加热搅拌作用下，使得原本在界面处长条状TiA13金属间化合物发生了脆性断裂后进入熔池所导致。而最后的暗灰色区域（P6）内的成分几乎全部为Al元素。反应界面层主要由层状TiAl和外层锯齿状的TiAh组成，接头界面层成分分布特别不均匀。PlP5P6图2.4焊缝区域放大图小郭亮等回研究了当激光离焦量为2mm,激光光束垂直材料表面入射时，不同焊接速度对钛/铝异种合金激光焊接，接头的抗拉强度影响（如图2.5所示）。发现当焊接速度为80mms,钛/铝异种合金之间产生了良好的冶金反应，焊接接头成型良好，抗拉强度达到242MPa,焊接速度小于80mms,抗拉
19、强度缓慢下降，这由于焊接速度降低，热输入增大，铝合金出现烧损，焊缝在靠近钛合金一侧出现下榻现象，焊接接头内部晶粒变粗，焊缝中出现大量脆性金属间化合物所导致。当焊接速度大于80mms,焊接接头强度快速下降，焊接速度过大时，焊接过程中激光在焊接区域停留时间过短，热输入过小，焊接接头部分区域内出现未熔合缺陷。26014020406080100120焊接速度v（mms）图2.5不同焊接速度的抗拉强度变化曲线I陈纪宇对钛/铝异种合金进行激光对接焊，研究了焊接线能量对焊接接头拉伸性能的影响，通过对焊接接头进行了力学拉伸试验，并对不同焊接线能量下接头断口进行成分及物相的检测。研究发现当焊接线能量较小时，接头
20、断口主要呈现为两种典型形貌,一种为韧窝特征（如图2.6a所示），其形貌与同种铝合金材料焊接接头断口相近，另一种呈解理断裂特征（如图2.6b所示），检测发现Ti和Al原子比例不同，物相分析断口表面有多种Ti-AI金属间化合物和铝固溶体。当焊接线能量较大时，断口处的韧窝状区域明显减少（如图2.7a所示），断裂区域为铝合金母材熔化区，区域中出现脆性较大的树枝晶状TiAh金属间化合物并出现沿晶断裂的特征（如图2.7b所示）。图2.6焊接线能量较小断口形貌I（a.韧窝特征，b.解理断裂形貌）图2.7焊接线能量较大断口形貌H3（a.韧窝特征，b.沿晶断裂形貌）在合适的焊接工艺参数下，钛/铝异种激光焊的焊缝
21、呈均匀的银白色鱼鳞状较美观未出现氧化、飞溅、熔透烧穿等焊接缺陷。焊接接头抗拉强度达到242MPa。在铝合金母材和焊缝的交界处，存在着晶型表现为块状及长条状形态的金属间化合物TiAl3,当焊接线能量较小时，断口形貌主要呈现为韧窝特征和解理断裂特征，当焊接线能量较大时，韧窝状区域减小，出现沿晶断裂特征。2. 2熔钎焊钛合金和铝合金的性能差异大，导致在进行传统熔焊时在焊缝中易生成金属间化合物焊接性差，熔钎焊由于兼顾熔焊和钎焊的特点，可有效减少脆性金属间化合物，已经成为钛/铝异种合金焊接的研究热门方法。2.1.1 熔钎焊的焊接原理及特点熔钎焊主要应用于熔点相差较大或在进行传统熔焊时焊接性差的异种材料材
22、料。熔钎焊分为自熔钎焊和加填充材料的熔钎焊两种。自熔钎焊主要是通过焊接热源如激光、电子束，电弧对两种材料中熔点低的材料进行加热形成熔池，通过热传导加热熔点高的材料，熔化的低熔点材料和热传导加热的高熔点材料发生铺展润湿后连接在一起。填充材料的熔钎焊，一般用于低熔点母材焊接性较差的材料，填充材料用于改善焊接接头质量，其工作原理（如图2.8所示）。图2.8熔钎焊工作原理熔钎焊焊接热源类型多样包括：激光、等离子弧、电子束等，可根据不同材料特性进行不同焊接热源的选择。熔钎焊可有效避免在对熔点相差较大的异种材料进行焊接时出现的金属元素烧损现象，有效的降低焊缝中金属间化合物的生成提高焊缝力学性能,焊接温度较
23、低工件变形小，对母材组织性能影响较小。2. 2.2钛/铝异种合金熔钎焊的研究现状与传统的熔化焊不同的是熔钎焊利用了钛、铝熔点的不同，焊接过程中只有母材铝熔化产生液相，母材钛不熔化，熔融的铝在固态钛表面润湿、铺展实现、两种材料的焊接，避免了脆性金属间化合物的产生。汪认等I利用激光为热源对钛合金和铝合金进行了自熔钎焊试验。研究发现当光束偏移距离为1.3mm时，焊缝成型平整美观，内部无任何缺陷，实现了两种材料的有效连接（如图2.9a所示）。当偏移距离小于1.3mm时焊缝在靠近钛合金母材一边出现了气孔缺陷（如图2.9b所示），这是由于光束偏移距离太小导致钛合金发生了部分熔化,在熔池中出现形成了TiAl
24、等金属间化合物，导致氢气无法及时排出所导致。偏移距离过大时，热输入过低，液态铝合金在钛合金表面润湿性变差，无法在钛合金表面获得良好的铺展。导致焊接接头靠近钛合金一侧出现未熔合缺陷（如图2.9c所示）。图2.9光束偏移距离对焊接接头影响I川（a.无缺陷，b.气孔缺陷，c.未熔合）李永梅等明使用IPG6000光纤激光器通过激光束偏移到铝侧，获得钛铝异种合金的激光自熔钎焊对接焊接头，分析了热输入对TC4/6061钛铝异种接头组织的影响。发现当热输入高于133Jmm时，在靠近钛合金母材的一侧有一层TiAb金属间化合物组成的界面层,形态呈短棒状,在焊缝中有一些长条状金属间化合物出现（如图2.1Oa所示）
25、。这是在焊接热源的加热搅拌作用下，使得原本在界面处长条状TiAl3金属间化合物发生了脆性断裂后进入熔池所导致的。热输入低于133Jmm时，出现了一层厚度为1m由呈锯齿状的TiAb金属间化合物组成的界面（如图2.1Ob所示）。图2.10不同热输入的接头界面微观组织【（a.高于133Jmm,b.低于133Jmm）朱宝华I利用激光为焊接热源，选用A1.SiI2焊丝作为填充材料，对钛合金和铝合金进行了熔钎焊试验，并对焊接接头组织进行分析，发现靠近钛合金母材区域内焊接接头组织主要为柱状晶和等轴晶（如图2.1Ia所示），中心区域的组织为细密的等轴晶（如图2.1Ib所示），靠近铝合金区域内为向焊缝中心区域生
26、长的粗大枝晶并且枝晶周围被AI-Si共晶网所包围（如图Zllc所示）。主要是因为焊接后接头各区域冷却速度不同导致出现这种情况。图2.11焊缝不同区域的金相组织形态（a.柱状晶，b等轴晶，c.柱状枝晶）王伟旧使用激光-MlG复合热源对铝合金与钛合金的熔钎焊。通过调整激光电弧偏移量和激光偏转角度来控制化合物层的均匀性以及焊缝成形，获得了力学性能良好的Ti/Al异种合金的熔钎焊接头，并对其力学性能进行了研究（如表2.1所示）。发现当激光偏移为5,激光-电弧偏移量达到1.2mm时，焊接接头的抗拉强度最大为230MPa,达到铝合金母材的80%o表2.1不同激光-电弧焊偏移量的抗拉强度激光-电弧焊偏移量m
27、m0.20.50.81.2抗拉强度/MPa74125230122王志伟1网采用激光作为焊接热源对钛/铝异种合金进行了熔钎焊，得到良好的焊接接头，并对不同焊接速度下的钛/铝异种合金熔钎焊接头进行拉伸试验对断口进行研究。研究发现所有的断口均有粘连铝合金组织区域和界面组织区域组成，在高的焊接速度下,断口中有一些呈规则圆形状的氢气孔，这是由于焊接速度过快时，液态金属中溶解的氢来不及溢出，从而导致焊缝中产生了氢气孔（如图2.12a所示）。当在焊接速度为15mms时，断口处仅有少量的界面组织（如图2.12b所示），铝合金区域（韧性断裂区域）所占比例大,此时的钛/铝异种合金接头具有较好的拉伸性能。断口呈现韧
28、脆混合断裂特征，其断口处粘连的铝合金组织主要为韧窝和撕裂棱（如图2.13所示）。图2.12不同焊接速度下的断口宏观形貌M（a.18mm/s,b.l5mms）图2.13钛/铝异种合金熔钎焊断口微观形貌18|通过熔钎焊连接的钛/铝异种合金焊接接头，焊缝内的金属间化合物得到有效控制，焊缝成型平滑美观，抗拉强度达到230MPa。热输入对钛/铝异种合金熔钎焊有着重要的影响。热输入过小时液态的铝合金在钛合金表面润湿性变差，无法在钛合金表面获得良性的铺展，导致在靠近钛合金母材一侧出现未熔合缺陷。热输入过大会导致钛合金出现熔化，在焊缝中形成长条状金属间化合物TiAI3影响焊接质量。靠近钛合金母材区域内焊接接头
29、组织主要为柱状晶和等轴晶，中心区域的组织为细密的等轴晶，靠近铝合金区域内为向焊缝中心区域生长的粗大枝晶并且枝晶周围被Al-Si共晶网所包围，断口特征为韧脆混合断裂特征。2. 3搅拌摩擦焊相比于传统的固相连接摩擦焊，搅拌摩擦焊通过搅拌工具在待焊工件表面进行高速旋转，通过旋转产生的摩擦力导致工件受热，工件呈现热塑性状态后，搅拌混合在一起，冷却后形成焊缝，这种焊接方法受材料本身性能影响很小，因而大量运用于异种材料的焊接中。2.1.1 搅拌摩擦焊的焊接原理及特点搅拌摩擦焊主要由夹具、轴件和搅拌针组成，在进行焊接时通过夹具夹紧工件，防止在焊接工程中发生滑移或位移。随后搅拌针插入待焊母材中，直到轴肩与待焊
30、母材接触后，搅拌头开始高速旋转和待焊母材产生摩擦产热使材料受热塑化，在轴肩周围产生螺旋状的塑性层，通过搅拌针搅拌混合在一起，冷却后形成焊缝（如图2.14所示）。搅拌摩擦焊相比于传统的熔焊方式，热影响区小，焊接接头质量得到了显著的提升,实际生产效率也高于其他焊接方式。搅拌摩擦焊属于固相连接，其焊接温度不超过材料熔点，可以有效避免传统熔焊在焊接时出现的金属元素烧损等焊接缺陷。在进行焊接时搅拌头高速运动，金属内部发生动态再结晶现象产生大量细小的晶粒，在得到等强度接头的同时.，材料塑性降低很小或甚至不降低。具有着广泛的工艺实用性，对环境污染小，焊接过程中无烟尘和辐射等有害物质产生。2. 3.2钛/铝异
31、种合金搅拌摩擦焊的研究现状钛/铝异种合金通过轴肩高速旋转搅拌针插入焊接件焊缝，搅拌头沿着焊缝移动，材料快速升温发生软化与强烈的塑性变形使两材料完成焊接。搅拌摩擦焊时，不发生冶金反应，可有效提高钛/铝异种合金焊接质量。苑旭冲口叫吏用搅拌摩擦焊对钛合金和铝合金进行焊接试验，研究了搅拌摩擦焊不同工艺参数对焊接形貌的影响，发现当下压量过小时，焊缝表面成型粗糙，形成沟槽缺陷及未焊合区域，下压量过大焊接接头出现飞边，同时在焊缝处出现梨沟缺陷，严重破坏接头的性能。当搅拌摩擦焊工艺参数合理时，焊缝成型美观，焊缝处弧形纹排列紧密细致（如图2.15所示）。图2.15焊缝形貌网张振华因采用差高.偏置复式接头结构对钛
32、合金和铝合金使用搅拌摩擦焊焊接，并对两种合金通过搅拌摩擦焊连接界面微观结构进行分析，发现铝合金在进行焊接时会发生强烈塑性变形，对接界面两侧钛合金母材和铝合金母材发生机械混合和相互迁移。在铝合金流场的作用下，钛合金母材的部分表层金属发生剥离，发生剥离的钛合金颗粒会嵌入铝基体并呈弥散分布，形成颗粒增强复相组织。焊核区内主要由细化的铝合金晶粒和迭层交替分布的铝基钛颗粒增强复相组织两种物质组成（如图2.16所示）。图2.16连接界面微观组织画张鑫研究了不同焊接速度对钛/铝异种合金搅拌摩擦焊接头的抗拉强度的影响规律（如图2.17所示）。发现当焊接速度为70mms,焊接接头成型良好，焊缝处弧形纹排列紧密细
33、致，焊接接头抗拉强度为152MPa。焊接速度小于70mms,导致焊接接头受热区域变大，焊接接头发生冶金反应，产生大量的金属间化合物，导致焊接接头抗拉强度降低，当焊接速度大于70mms,对接界面两侧母材塑性变形不充分，焊核区不能形成连续的热塑性材料流，导致焊接接头组织不致密，使得焊接接头抗拉强度下降。160I40-20-100,607080焊接速度v（mms）图2.17不同焊接速度的抗拉强度变化曲线】BdwN赵艳戈军委田采用搅拌摩擦焊对钛/铝异种合金进行焊接后，对焊接接头进行拉伸断裂试验，并对接头断口形貌进行研究。研究发现断口平滑、光亮，断口呈脆断特征（如图2.18a所示）。对其断口进行放大，发
34、现断口处遍布着大小不一和基体结合致密的颗粒物，颗粒物主要为接头中生成的脆性相。在颗粒物基体上又分布着数量较多和破碎的小颗粒物。颗粒周围金属有较为明显的撕裂棱，塑性较好，中间颗粒物韧性较差，出现了破碎现象（如图2.18b所示）。图2.18钛/铝异种合金搅拌摩擦焊断口形貌M（a.宏观形貌，b.微观形貌）在合适的焊接参数下，搅拌摩擦焊的焊缝成型美观，焊缝处弧形纹排列紧密细致,焊接接头抗拉强度达到375MPao焊接过程中当下压量过大时会形成沟槽缺陷及未焊合区域，下压量过小则会出现飞边和梨沟缺陷严重破坏接头的性能。轴肩移动速度过小时会导致焊缝成形粗糙并产生毛刺。焊核区内主要由细化的铝合金晶粒和迭层交替分
35、布的铝基钛颗粒增强复相组织两种物质组成。进入铝合金侧的钛合金主要两种形式存在，界面区中心区域的铝/钛复合层叠结构和复合颗粒结构。相比于传统的熔焊方法对钛/铝异种合金的连接方法，采用搅拌摩擦焊这一固相连接的方法可有效控制焊接接头中出现的金属间化合物。2. 4本章小结（1）钛/铝异种合金激光焊在合理的工艺参数下，两种合金达到较好的熔合，接头抗拉强度达到242MPa,焊缝微观组织主要为块状及长条状TiAb金属间化合物，接头断口形貌呈韧窝特征和解理断裂形貌。（2）钛/铝异种合金熔钎焊在合理的工艺参数下，焊缝成型平整美观，内部无任何缺陷，接头抗拉强度达到230MPa,靠近钛合金母材区域内焊接接头组织靠近
36、钛合金主要为柱状晶和等轴晶，中心区域的组织为细密的等轴晶，靠近铝合金区域内为向焊缝中心区域生长的粗大枝晶并且枝晶周围被Al-Si共晶网所包围，断口呈韧脆混合断裂特征。（3）钛/铝异种合金搅拌摩擦焊在合理的工艺参数下，焊缝成型美观，焊缝处弧形纹排列紧密细致，接头抗拉强度达到375MPa,进入铝合金侧的钛合金主要以两种形式存在,界面区中心区域的铝/钛复合层叠结构和复合颗粒结构，断口呈脆断特征。3钛/铝异种合金焊接技术的应用与展望随着如今工业现代化的发展，各类合金材料在许多领域中被大规模使用，尤其随着航空航天、核工业和汽车等高新制造业的高速发展，对合金材料的需求量与日剧增，并且随着全世界的自然资源紧
37、缺和全球环境污染等诸多问题使得合金材料的生产制造成本不断上涨。随着高新科技产业的出现和发展，目前传统的合金材料逐渐无法满足现代制造业对材料的综合性能的要求。为此，通过使用焊接技术将两种或多种材料连接制备成复合结构，将各种合金材料的优势发挥到最大，在满足产品性能的同时节约资源，降低生产成本。铝合金凭借优异的性能，己成为航空航天轻量化材料，但铝合金熔点较低，导致铝合金在高温高压环境中易变形。钛合金具有铝合金的优点，同时其熔点较高，在高温高压环境中不易变形，常用于航空航天工业中承受较高温度的构件，但钛合金价格较为昂贵，在实际生产中无法大量使用。因此，两种材料通过焊接技术合理的结合使用可以有效的降低生
38、产成本，避免材料浪费。如飞机机翼就是将钛合金蒙皮使用激光焊连接到机翼内部的铝合金蜂巢状构件上制造的已引，飞机机舱内部的散热器是由钛合金管和铝合金叶片通过熔钎焊连接而成的复合结构，空客公司在飞机的座椅导轨等易磨损腐蚀的区域均采用了钛/铝异种合金焊接而成的复合结构，钛/铝异种合金焊接技术在满足飞机性能要求的同时，有效的避免了飞机制造中的材料浪费、降低了飞机的生产成本、减轻了飞机质量和提高了飞机的使用寿命。钛/铝异种合金的焊接技术在实际生产中大量应用，目前仍存在很多不足之处，需要进一步探索更多新的工艺方法。另外，通过对相关理论研究的不断深入，将会使得该技术可以用于其他领域。在未来，焊接技术将继续发展
39、和创新，为了更好地满足金属材料的需求，使其在其他领域充分发挥作用，未来钛/铝异种合金焊接技术将更加注重如何控制在焊接中出现的Ti-Al金属间化合物，优化焊缝的微观组织结构和提高焊接接头的力学性能。18采用焊接技术制备钛合金和铝合金的复合结构件，有助于实现产品的轻量化，避免材料的浪费，具有重要的现实意义。本文综述了不同焊接方法对钛/铝异种合金焊接接头的焊缝形貌、微观组织、力学性能和断口形貌的影响，主要有一下几个方面：（1）钛/铝异种合金激光焊的焊缝呈均匀的银白色鱼鳞状，焊接速度过小时，会导致焊缝在靠近钛合金一侧出现下榻现象，焊接速度过大时，则会导致焊接接头出现未熔合缺陷。在铝合金母材和焊缝的交界
40、处，存在着晶型表现为块状及长条状形态的金属间化合物TiAb,反应界面层主要由层状TiAl和外层锯齿状的TiAb组成。焊接速度达到80mms时，钛/铝异种合金之间会产生良好的冶金反应，焊接接头成型良好，抗拉强度达到242MPa0焊接线能量较小时，断口形貌主要呈现为韧窝特征和解理断裂特征，当焊接线能量较大时，韧窝状区域减小，出现沿晶断裂特征。（2）通过熔钎焊连接的钛/铝异种合金焊接接头，焊缝内的金属间化合物得到有效控制，焊缝成型平滑美观，光束偏移距离太小时，焊接接头会出现气孔缺陷，光束偏移距离过大时，焊接接头底部会出现未熔合缺陷。由于焊接后接头各区域冷却速度不同，导致靠近钛合金母材区域内焊接接头组
41、织主要为柱状晶和等轴晶，中心区域的组织为细密的等轴晶，靠近铝合金区域内为向焊缝中心区域生长的粗大枝晶，并且枝晶周围被Al-Si共晶网所包围。激光-电弧偏移量达到1.2mm时，焊接接头抗拉强度达到最大为230MPao断口处粘连着少量的铝合金组织，断口特征为韧脆混合断裂特征。（3）利用搅拌摩擦焊对钛/铝异种合金焊接时，焊缝成型美观，焊缝处弧形纹排列紧密细致，肩轴下压量过小时，母材塑性变形不充分，焊接接头组织不致密，会形成沟槽缺陷及未焊合区域，下压量过大则会出现飞边和梨沟缺陷，严重破坏接头的性能。焊核区内主要由细化的铝合金晶粒和迭层交替分布的铝基钛颗粒增强复相组织两种物质组成。当焊接速度为70mms
42、时，焊接接头抗拉强度达到375MPa,焊接速度过小，焊缝中出现大量的金属间化合物，同时焊核区和对接界面处会出现许多孔洞缺陷，导致焊接接头抗拉强度降低。焊接速度过大，两种材料塑性变形不充分，焊核区不能形成连续的热塑性材料流，导致焊接接头组织不致密，导致焊接接头抗拉强度下降。在拉伸测试中，断口呈脆断特征，断口处遍布着大小不一和基体结合致密的脆相颗粒物。20参考文献1陈玉华.铝/钛异种金属焊接技术研究进展J.航空制造技术，2012,(21):42-45.2王毅.TiAl异种金属电子束熔钎焊重熔改性连接工艺研究D.南京：南京理工大学，2018.3向阳.钛/铝异种金属电子束熔钎复合焊接研究D.南京：南京
43、理工大学，2017.4于得水，张岩，周建平，等.钛合金与铝合金异种金属焊接的研究现状J.焊接,2020,(11):43-51.15张亚飞.TA2薄板搅拌摩擦焊接及温度场研究D.镇江：江苏科技大学，20146郭克星.铝合金研究的进展J.热处理，2021,(5):7-11.7何锡鑫.TiAl异种合金MlG电弧熔钎焊参数优化及连接机理研究D.青岛：青岛科技大学,2021.8李冰.TC4钛合金2A12铝合金TIG电弧熔钎焊接头组织和性能研究D.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2019.19吴新勇.钛/铝异种轻合金脉冲激光焊接工艺及接头性能研究D.福州：福州大学，2020.10郭顺，彭勇,朱军，等.钛/铝激光焊
44、接的微观组织及力学性能J.中国激光，2018,45(11):102-110.11吴新勇，廖娟，薛新，等.钛/铝异种合金脉冲激光焊接接头裂纹产生机理U1.精密成型工程，2018,10(6):95-101.12郭亮，张鑫，陈鱼，等.钛/铝异种合金激光焊接研究J.机械制造文摘(焊接分册)，2018,(2):14-19.13陈纪宇.钛合金/铝合金脉冲激光焊接头组织与力学性能研究D.吉林：吉林大学，2019.14汪认，阚晓阳，赵勇，等.钛/铝异种合金激光熔钎焊接头组织与性能J.江苏：江苏科技大学学报(自然科学版)，2017,31(2):153-157.15李永梅，陈利华，王延龙，等.热输入对钛铝异种合金
45、激光自熔钎焊接头组织与力学性能的影响J.热加工工艺,2023,52(9):47-50.16朱宝华.AlZTi异种合金的激光熔钎焊工艺及接头组织性能研究D哈尔滨：哈尔滨工业大学,2006.17王伟.钛-铝异种合金接头激光MIG复合熔钎焊工艺及界面调控D.成都：西南交通大学,2019.18王志伟.钛/铝异种合金激光自熔钎焊工艺与界面形成机制研究D.天津：天津大学，2021.19苑旭冲.钛/铝异种合金搅拌摩擦焊搭接工艺及微观组织与性能研究D.秦皇岛：燕山大学，2021.20张振华.钛/铝异种金属复合接头搅拌摩擦焊工艺及连接机制D.南京：南京航空航天大学，2014.21张鑫.中间层材料对Ti/Al异种
46、金属搅拌摩擦焊接头组织及性能的影响D.南昌：南昌航空大学,2015.22戈军委.Ti/Al异种金属搅拌摩擦焊接头组织性能研究D.南昌：南昌航空大学，2014.23SchubertE,KlassenM,ZernerI,etal.1.ight-weightstructuresproducedbylaserbeamjoiningforfutureapplicationsinautomobileandaerospaceindustryJ.JoumalofMaterialsProcessingTechnology,2001,115(1):2-8.22白驹过隙，时光荏苒转眼间两年的本科学习生活，随着毕业论文的完成已悄然接近尾声。感谢在这两年的学习中的任课老师，在他们两年的悉心教导下，对本专业的知识有了更加深入的了解和系统化的认知为独立完成毕业论文打下了坚实的基础。感谢我的指导老师刘百幸副教授，在毕业论文期间对我的悉心指导和关怀。从论文的选题、构思到撰写和修改，无不凝结着刘老师的心血，刘老师严谨的治学态度和渊博的学术知识使我获益匪浅。感谢我的父母，二十多年来，他们含辛茹苦，一直默默地奉献，承受太大的生活重担。正是他们无私的支持和鼓励，才使得我能专注于学习，顺利完成学业。最后我还要感谢在百忙之中评审这篇论文的各位专家教授。
