專利名稱：非連續增強鈦基復合材料的氬弧焊焊接方法
技術領域：
本發明涉及金屬材料領域，尤其是鈦基復合材料的二次加工技術中的材料連接技術領域，特別涉及一種非連續增強鈦基復合材料的氬弧焊焊接方法。
背景技術：
非連續增強鈦基復合材料(TMCs)以其高比強度、比剛度和良好的抗高溫、耐腐蝕性能，在航空航天等領域有著廣闊的應用前景和發展潛力，替代目前廣泛應用的高溫鈦合金，成為超高音速宇航飛行器、先進航空發動機的理想候選材料，在氣體渦輪機發動機風扇葉片、飛機起落架、飛機構架結構、導彈結構方面具有良好的工程應用前景。目前，非連續增強鈦基復合材料的制備工藝、成型工藝、高溫蠕變機理、熱處理工 藝等方面開展了大量的研究工作，并取得諸多具有領先地位和創造性的科研成果。然而，唯有其焊接性和焊接工藝的研究遠落后于其它方面的研究，成為該材料走向實用化的嚴重障礙和瓶頸。眾所周知，一種新材料只有被加工成結構件才具有真正的實用價值，其廣泛應用肯定會涉及到其焊接連接問題，而有時甚至焊接是唯一的加工手段。就單一的鈦合金來說，常規的各種焊工藝都是廣泛使用的效率高、成本效益好的加工方法，應用范圍較廣。但對于TMCs，其由成分、結構和性能相差很大的金屬和非金屬材料復合而成，它們之間的物理、化學相容性較差，因此，與基體相比，鈦基復合材料(TMCs)的焊接性有很大的差異，困難較大。雖然從60年代金屬基復合材料問世后，國外科研工作者已較為成功地解決了航天飛機中所用連續纖維增強金屬基復合材料的焊接問題，但在如何簡化焊接工藝、提高焊接效率、降低成本和擴大應用領域等方面仍有待進一步深入的研究，焊接工藝仍是該類材料的應用難題之一。經對現有技術文獻的檢索發現，國外專家學者對纖維增強鈦基復合材料的熔焊法和固態連接法等工藝進行諸多嘗試。Hirose等(Diffusion bonding of SiC fiberreinforcedTi-6Al-4V alloy, Mat. Sci. and Tech. , 1992,8 (9) :811-815)研究以未強化合金作為中間層擴散焊連接40SiC% (纖維)強化的Ti-6A1_4V鈦合金焊接性。Baeslack等(CapacitorDischarge Resistance Spot Welding of SiC Fiber-Reinforced Ti-6A1_4V.Welding Journal, October 1993 :479-491)采用電容放電點焊方法成功地連接了 35 %SiCf/Ti-6Al-4V 欽合金。Antonio 等(Mechanical and Metallurgical Propertiesof Friction-Welded TiC ParticulateReinforced Ti-6A1_4V, Composites Scienceand Technology，2004，64 :1495-1501)研究了慣性摩擦焊對鈦基復合材料(10% TiC/Ti_6Al_4V)的影響規律與機制。Paul 等申請了“Friction Stir Welding of Metal MatrixComposites” (專利號US20080156846A1)，該方法解決了纖維增強金屬基復合材料焊接的界面問題，獲得高質量的焊接接頭。由上述可以看出，目前比較成熟的也僅僅是對連續長纖維增強鈦基復合材料的焊接研究與應用，而這類復合材料的焊接，實際上主要是復合材料外層基體與基體之間的連接，并非復合材料之間的連接。并且，上述各焊接工藝法，無論是擴散焊，電容放電焊，還是摩擦焊，都存在工藝復雜，不易控制等問題，對焊件的焊接接頭形式或尺寸有特殊的要求，其應用的適用性有所限制，焊接接頭性能與母材性能有差距，達不到使用要求，至今還未有成功用于工業批量生產的報道。相比較而言，國內的金屬基復合材料的焊接研究主要集中在鋁基復合材料或鈦合金方面的焊接工藝研究，尚未看到有鈦基復合材料，尤其是非連續增強鈦基復合材料焊接研究的相關報道。綜上所屬，迄今為止，人們還未找到一種行之有效的焊接方法廣泛用于金屬基復合材料，尤其是非連續增強鈦基復合材料實際結構的連接之中。在所有的焊接方法中，唯有鎢極氬弧焊法因其對焊接接頭形式、焊件尺寸、焊接位置等工藝適應性強，焊接設備成本低，最具有推廣應用的價值。

發明內容
為克服現有技術存在的問題，本發明目的在于提供一種使非連續增強鈦基復合材料得到優良綜合性能、強度高的焊接接頭的非連續增強鈦基復合材料的氬弧焊焊接方法。
本發明的目的通過以下技術方案來實現一種非連續增強鈦基復合材料的氬弧焊焊接方法，采用兩個待焊的鈦基復合材料焊件對接或者搭接，實現同種鈦基復合材料的高質量接頭焊接，包括以下步驟第一步，將非連續增強鈦基復合材料母材切割成所需的焊件尺寸，用除油劑去除焊件表面所粘附的油污等雜質，再用流動的水沖洗焊件并烘干；第二步，將焊件放在熔融的濃堿溶液中進行熱堿爆處理，再溫水沖洗，烘干；第三步，將堿爆處理后的焊件放在一定配比的混合酸溶液中進行酸洗，常溫流動水沖洗，烘干；第四步，將經酸洗后的焊件在指定酸溶液中進行光亮處理，清水沖洗，烘干，待用；第五步，將待焊的焊件用焊接夾具壓緊后對接或搭接，正、反面和尾拖罩施以純氬氣對焊縫進行保護，調整焊接電壓、電流，以一定的焊接速度實現非連續增強鈦基復合材料的氬弧焊焊接。依照本發明所述的非連續增強鈦基復合材料的氬弧焊焊接方法，其非連續增強鈦基復合材料其鈦基復合材料基體是各種鈦及鈦合金，增強體是TiB、TiC、稀土氧化物中的一種或多種。依照本發明所述的非連續增強鈦基復合材料的氬弧焊焊接方法，其非連續增強鈦基復合材料母材為兩邊等厚的板材，且其厚度為O. 5 2. 5mm。依照本發明所述的非連續增強鈦基復合材料的氬弧焊焊接方法，上述的除油劑為NCRT-202型除油劑，其與水的配比為I : 5 I : 20，溶液溫度為40°C 80°C。依照本發明所述的非連續增強鈦基復合材料的氬弧焊焊接方法，第二步中的熱堿爆處理在NaOH、KOH和NaNO3的混合熔融濃堿溶液中進行，且三者濃度按質量比計算分別為=NaOH (60 80) %；K0H(5 15) % ；NaN03 (10 25) %，濃堿液溫度在 350。。 550。。，浸泡時間為5 15min。依照本發明所述的非連續增強鈦基復合材料的氬弧焊焊接方法，第三步中的酸洗在室溫下用質量濃度為40%的氫氟酸、質量濃度為70%的硝酸和質量濃度為40%的鹽酸配比成的混合溶液中進行，且三者的濃度按體積比計算分別為氫氟酸(O. I I) % :硝酸(5 7) % 鹽酸(30 40) % :浸泡時間為3 15min。依照本發明所述的非連續增強鈦基復合材料的氬弧焊焊接方法，第四步中的光亮處理在用質量濃度為70%的硝酸和質量濃度為40%的氫氟酸配比成的混合溶液中進行，且兩者的濃度按體積比計算分別為硝酸(10 40)% 氫氟酸(I 4)%，酸處理時間為2 6min，混合酸溶液的溫度在40°C 60°C。依照本發明所述的非連續增強鈦基復合材料的氬弧焊焊接方法，第五步中，焊件 工藝參數為根據O. 5 2. 5mm的焊接厚度調控焊接電壓為5 20V，焊接電流為60 140V，焊接速度為15 60cm/min;焊件正、反面均采用高純氬氣保護，氣體流量為10 35L/min，尾拖罩氣體流量為5 30L/min。本發明所述的工藝方法在焊接過程中僅采用兩個待焊的鈦基復合材料件對接或者搭接，實現同種鈦基復合材料的高質量接頭焊接，焊接接頭的室溫抗拉強度不低于母材強度的85.6%。與現有焊接技術相比，本發明具有操作簡便、焊接接頭強度高、焊接接頭無氣孔等缺陷的優點。并且，本發明工藝對焊接接頭形式、焊件尺寸、焊接位置等工藝適應性強，焊接設備成本低，可用于工業批量生產，最具有推廣應用的價值。


圖I為本發明非連續增強鈦基復合材料的氬弧焊焊接方法的流程圖；圖2為本發明制備的鈦基復合材料焊接接頭焊縫組織低倍形貌像圖；圖3為本發明制備的鈦基復合材料焊接接頭焊縫熔合區、過渡區和熱影響區組織的掃描電鏡(SEM)形貌像圖；圖4為本發明制備的鈦基復合材料焊接接頭焊縫熔合區SEM形貌像圖。
具體實施例方式下面結合附圖并列舉實施例對本發明技術方案作進一步說明，以下的實例僅為了進一步說明本發明，并不限制本發明內容。請參閱圖1，一種非連續增強鈦基復合材料的氬弧焊焊接方法，采用兩個待焊的鈦基復合材料焊件對接或搭接，實現同種鈦基復合材料的高質量接頭焊接，包括以下步驟Sll :將非連續增強鈦基復合材料母材切割成所需的焊件尺寸，用除油劑去除焊件表面所粘附的油污等雜質，再用流動的水沖洗焊件并烘干。非連續增強鈦基復合材料的基體是各種鈦及鈦合金，增強體是TiB、TiC、稀土氧化物中的一種或多種。且上述的母材為兩邊等厚的板材，其厚度為O. 5 2. 5mm。上述的除油劑為NCRT-202型除油劑，其與水的配比為I : 5 I : 20，溶液溫度為 40°C 80°C。S12 :將焊件放在熔融的濃堿溶液中進行熱堿爆處理，再溫水沖洗，烘干。熱堿爆處理在Na0H、K0H和NaNO3的混合熔融濃堿溶液中進行，且三者濃度按質量比計算分別為Na0H(60 80) %;K0H(5 15) %;NaN03(10 25) %，濃堿液溫度在350°C 550°C，浸泡時間為5 15min。S13 :將堿爆處理后的焊件放在一定配比的混合酸溶液中進行酸洗，常溫流動水沖洗，烘干。酸洗在室溫下用質量濃度為40%的氫氟酸、質量濃度為70%的硝酸和質量濃度為40%的鹽酸配比成的混合溶液中進行，且三者的濃度按體積比計算分別為氫氟酸(O. I I) % :硝酸(5 7) % 鹽酸(30 40) % :浸泡時間為3 15min ；S14 :將經酸洗后的焊件在指定酸溶液中進行光亮處理，清水沖洗，烘干，待用。光亮處理在用質量濃度為70%的硝酸和質量濃度為40%的氫氟酸配比成的混合溶液中進行，且兩者的濃度按體積比計算分別為硝酸(10 40)% 氫氟酸(I 4)%，酸處理時間為2 6min，混合酸溶液的溫度在40°C 60°C。S15:將待焊的焊件用焊接夾具壓緊后對接或搭接，正、反面和尾拖罩施以純氬氣對焊縫進行保護，調整焊接電壓、電流，以一定的焊接速度實現非連續增強鈦基復合材料的氬弧焊焊接。 焊件工藝參數為根據O. 5 2. 5mm的焊接厚度調控焊接電壓為5 20V，焊接電流為60 140V，焊接速度為15 60cm/min。焊件正、反面均采用高純氬氣保護，氣體流量為10 35L/min，尾拖罩氣體流量為5 30L/min。以下列舉實施例對本發明進行進一步說明實施例I將O. 5mm厚的3 % (TiB+TiC)/TillOO鈦基復合材料板材線切割加工成150 X IOOmm焊件，焊前首先對板材進行表面處理，用NCRT-202型除油劑，其與水的配比為
I 5，溫度為 40°C，溫水沖洗，烘干；然后，在 350°C 的 60wt% Na0H+15wt% K0H+25wt%NaNO3的熔融濃堿溶液中浸泡15min，溫水沖洗后烘干；之后，將板材在室溫下的O. I %HF+5% HN0s+30% HCl溶液中浸泡lOmin，進行酸洗處理；然后，在40°C的10% HNO3+1 % HF溶液中光亮處理2min，清水沖洗后烘干。最后，將預處理后的待焊件用焊接夾具壓緊，實施對焊結構，焊件正、反面加以氬氣對焊縫進行氣體保護，氣體流量為10L/min，尾拖罩氬氣保護氣體流量為5L/min，調整焊接工藝參數，電壓為8V，電流60A，焊接速度為35cm/min，實現非連續增強鈦基復合材料的氬弧焊焊接。焊接接頭拉伸試驗結果表明，焊接接頭的室溫抗拉強度Rm = 1042. 6MPa，達到母材鈦基復合材料強度的86. 7%。實施例2將I. Omm 厚的 5 % (TiB+TiC+La203)/Ti_6. 6A1-4. 6Sn_4. 6Zr-0. 9Nb_l. OMo-O. 32Si鈦基復合材料板材線切割加工成150 X IOOmm焊件，焊前首先對板材進行表面處理，用NCRT-202型除油劑，其與水的配比為I : 10，溫度為50°C，溫水沖洗，烘干；然后，在450°C的70wt % NaOH+5wt % K0H+25wt % NaNO3的熔融濃堿溶液中浸泡15min，溫水沖洗后烘干；之后將板材在室溫下的O. 2%冊+3%順03+35%!1(1溶液中浸泡151^11，進行酸洗處理；然后在45°C的20% HN03+2% HF溶液中光亮處理3min，清水沖洗，烘干。最后，將預處理后的待焊件用焊接夾具壓緊，實施對焊結構，焊件正、反面加以氬氣對焊縫進行氣體保護，氣體流量為15L/min，尾拖罩氬氣保護氣體流量為10L/min，調整焊接工藝參數，電壓為9V，電流80A，焊接速度為40cm/min，實現非連續增強鈦基復合材料的氬弧焊焊接。焊接接頭拉伸試驗結果表明，焊接接頭的室溫抗拉強度Rm = 1046. 4MPa，達到母材鈦基復合材料強度的86. 2 %。實施例3將I. 5mm厚的2 % (TiB+Y203) /Ti_6Al_4V鈦基復合材料板材線切割加工成150X IOOmm焊件，焊前首先對板材進行表面處理，用NCRT-202型除油劑，其與水的配比為I 20，溫度為 60°C，溫水沖洗，烘干；然后在 500°C 的 75wt%Na0H+5wt%K0H+20wt ^NaNO3的熔融濃堿溶液中浸泡13min，溫水沖洗后烘干，板材在室溫下的O. 5% HF+5% HN0s+30%HCl溶液中浸泡15min，酸洗處理，然后在50°C的35% HN03+2. 5% HF溶液中光亮處理5min，清水沖洗，烘干。將預處理后的待焊件用專用焊接夾具壓緊，實施對焊結構，焊件正、反面加以IS氣對焊縫進行氣體保護，氣體流量為20L/min,尾拖罩保護氣體流量為14L/min,調整焊接工藝參數，電壓為12V，電流90A，焊接速度為40cm/min，實現非連續增強鈦基復合材料的氬弧焊焊接。焊接接頭拉伸試驗結果表明，焊接接頭的室溫抗拉強度Rm = 931. 4MPa，達到母材鈦基復合材料強度的86. 7%。
實施例4將2. Omm厚的8 % (TiB+TiC) /Ti-6Al-2Sn-4Zr_2Mo鈦基復合材料板材線切割加工成150 X IOOmm焊件，焊前首先對板材進行表面處理，用NCRT-202型除油劑，其與水的配比為I : 30，溫度為70°C，溫水沖洗，烘干；然后在520°C的80wt% Na0H+3wt% K0H+17wt%NaNO3的熔融濃堿溶液中浸泡15min，溫水沖洗后烘干，板材在室溫下的O. 5 % HF+6 %HN0s+35% HCl溶液中浸泡12min，酸洗處理，然后在55°C的35% HN0s+3. 5% HF溶液中光亮處理6min，清水沖洗，烘干。將預處理后的待焊件用專用焊接夾具壓緊，實施對焊結構，焊件正、反面加以氬氣對焊縫進行氣體保護，氣體流量為20L/min，尾拖罩氬氣保護氣體流量為25L/min，調整焊接工藝參數，電壓為15V，電流120A，焊接速度為50cm/min，實現非連續增強鈦基復合材料的氬弧焊焊接。焊件接頭拉伸試驗結果表明，焊接接頭的室溫抗拉強度Rm = 1065MPa，達到母材鈦基復合材料強度的87. 3%。實施例5將2. 5mm 厚的 10% (TiB+La203) /Ti-5Al-3Sn-3Zr-lNb-lMo-0. 25Si 鈦基復合材料板材線切割加工成150 X IOOmm焊件，焊前板材須進行焊前表面預處理，用NCRT-202型除油齊U，其與水配比為I : 15，溫度為80°C，溫水沖洗，烘干；然后在550°C的80wt%Na0H+2wt%K0H+18wt% NaNO3的熔融濃堿溶液中浸泡15min，溫水沖洗后烘干，板材在室溫下的O. 8%HF+7 % HN03+40 % HCl溶液中酸洗12min，然后在6(TC的40% HN03+4% HF溶液中光亮處理5min，清水沖洗，烘干。將預處理后的待焊件用專用焊接夾具壓緊，實施對焊結構，焊件正、反面加以氬氣對焊縫進行氣體保護，氣體流量為25L/min，尾拖罩氬氣保護氣體流量為15L/min，調整焊接工藝參數，電壓為20V，電流130A，焊接速度為55cm/min，實現非連續增強鈦基復合材料的氬弧焊焊接。焊接接頭拉伸試驗結果表明，焊接接頭的室溫抗拉強度Rni=1121. 3MPa，達到母材鈦基復合材料強度的88. 3%。請再同時參閱圖2至圖4，圖I表明，用本發明技術以對焊方法成功地獲得干凈、均勻和幾乎無焊接變形與缺陷的鈦基復合材料焊接接頭，表明該類鈦基復合材料具有良好的焊接性。本發明技術所得到的鈦基復合材料焊接接頭的組織均勻，TiB等增強體得到細化并彌散分布，無不良界面反應發生，具有良好的熱穩定性，如圖2和圖3所示。以上僅是本發明的具體應用范例，對本發明保護范圍不構成任何限制。凡采用同等變換或者替換而形成的技術方案，均落在本發明權利保護范圍之內。
權利要求
1.一種非連續增強鈦基復合材料的氬弧焊焊接方法，采用兩個待焊的鈦基復合材料焊件對接或者搭接，實現同種鈦基復合材料的高質量接頭焊接，其特征在于，包括以下步驟 第一歩，將非連續增強鈦基復合材料母材切割成所需的焊件尺寸，用除油劑去除焊件表面所粘附的油污等雜質，再用流動的水沖洗焊件并烘干； 第二步，將焊件放在熔融的濃堿溶液中進行熱堿爆處理，再溫水沖洗，烘干； 第三步，將堿爆處理后的焊件放在一定配比的混合酸溶液中進行酸洗，常溫流動水沖洗，烘干； 第四步，將經酸洗后的焊件在指定酸溶液中進行光亮處理，清水沖洗，烘干，待用； 第五步，將待焊的焊件用焊接夾具壓緊后對接或搭接，正、反面和尾拖罩施以純氬氣對焊縫進行保護，調整焊接電壓、電流，以一定的焊接速度實現非連續增強鈦基復合材料的氬弧焊焊接。
2.根據權利要求I所述的非連續增強鈦基復合材料的氬弧焊焊接方法，其特征在干，所述的非連續增強鈦基復合材料的基體是各種鈦及鈦合金，增強體是TiB、TiC、稀土氧化物中的ー種或多種。
3.根據權利要求I所述的非連續增強鈦基復合材料的氬弧焊焊接方法，其特征在干，所述的非連續增強鈦基復合材料母材為兩邊等厚的板材，且其厚度為0. 5 2. 5mm。
4.根據權利要求I所述的非連續增強鈦基復合材料的氬弧焊焊接方法，其特征在干，所述的除油劑為NCRT-202型除油劑，其與水的配比為I : 5 I : 20，溶液溫度為40°C 80。。。
5.根據權利要求I所述的非連續增強鈦基復合材料的氬弧焊焊接方法，其特征在干，第二步中所述的熱堿爆處理在NaOH、KOH和NaNO3的混合熔融濃堿溶液中進行，且三者濃度按質量比計算分別為Na0H(60 80) % ；K0H(5 15) % ；NaN03(10 25) %，濃堿液溫度在350°C 550°C，浸泡時間為5 15min。
6.根據權利要求I所述的非連續增強鈦基復合材料的氬弧焊焊接方法，其特征在干，第三步中所述的酸洗在室溫下用質量濃度為40%的氫氟酸、質量濃度為70%的硝酸和質量濃度為40%的鹽酸配比成的混合溶液中進行，且三者的濃度按體積比計算分別為氫氟酸(0. I I) % :硝酸(5 7) % 鹽酸(30 40) %，浸泡時間為3 15min。
7.根據權利要求I所述的非連續增強鈦基復合材料的氬弧焊焊接方法，其特征在干，第四步中所述的光亮處理在用質量濃度為70%的硝酸和質量濃度為40%的氫氟酸配比成的混合溶液中進行，且兩者的濃度按體積比計算分別為硝酸(10 40) % :氫氟酸(I 4) %，處理時間為2 6min，混合酸溶液的溫度在40°C 60°C。
8.根據權利要求I所述的非連續增強鈦基復合材料的氬弧焊焊接方法，其特征在干，第五步中，焊件エ藝參數為根據0. 5 2. 5mm焊接板材的厚度來調控焊接エ藝參數，焊接電壓為5 20V，焊接電流為60 140V，焊接速度為15 60cm/min ;焊件正、反面均采用高純氬氣保護，氣體流量為10 35L/min，尾拖罩氣體流量為5 30L/min。
全文摘要
一種非連續增強鈦基復合材料的氬弧焊焊接方法，先將非連續增強鈦基復合材料母材切割成所需的焊件尺寸，用除油劑去除焊件表面所粘附的油污等雜質，用流動的水沖洗焊件并烘干；再將焊件放在熔融的濃堿溶液中進行熱堿爆處理，溫水沖洗，烘干；之后焊件放在一定配比的混合酸溶液中進行酸洗，常溫流動水沖洗，烘干；然后將焊件在指定酸溶液中進行光亮處理，清水沖洗，烘干，待用；最后，將待焊的焊件用焊接夾具壓緊后對接或搭接，正、反面和尾拖罩施以純氬氣對焊縫進行保護，調整焊接電壓、電流，以一定的焊接速度實現非連續增強鈦基復合材料的氬弧焊焊接。本發明具有簡單易行、成本低、焊接接頭強度高，適合規?；I生產的優點。
文檔編號B23K9/16GK102649190SQ20121001304
公開日2012年8月29日 申請日期2012年1月16日 優先權日2012年1月16日
發明者呂維潔, 孫錫建, 張小龍, 張荻, 朱曉星, 毛建偉, 王立強, 賈繼寧 申請人:上海交通大學, 上海航天精密機械研究所