淺析鈦合金與鋁合金異種金屬焊接技術

（中國飛行試驗研究院，陜西 西安 710089）

1 鈦合金與鋁合金異種金屬焊接技術的優勢分析

鈦合金和鋁合金的特點在于耐腐蝕性較好，而且密度相對較低。當前條件下，復雜工況對工件的要求越來越高，加快了復合結構材料的發展，鋁合金和鈦合金構成的復合構件能夠將兩種材料的特性最大化的發揮出來。因為鈦合金和鋁合金在力學以及熱物理學方面的性能出現一定的差異，導致焊接的時候很容易產生裂紋、氣孔等問題，因為冶金反應產生金屬間化合物導致Ti/Al異種金屬在接頭位置出現性能惡化等問題。鈦和鋁的性能對比如表1。

2 鈦合金和鋁合金的焊接性分析

鋁元素和鈦元素在液態環境下可以進行無限固溶。在固態條件時，鈦和鋁相容性很差。鈦在鋁當中的溶解度相對較小。與此同時，鋁合金和鈦合金在力學性能和熱物理學性能方面具有一定差異。兩者的差異導致鋁合金和鈦合金的焊接性相對較差，很容易在焊接的時候出現如下問題。

2．1 二者的相容性比較差

首先相容性相對較差，鋁和鈦之間的溶解度相對較低。在665℃下，鈦溶解于鋁的溶解量只有0.26%～0.28%。在溫度降到20℃的時候，溶解度只有0.07%，這些數據可以充分地說明兩種金屬在實際應用的過程中很難相溶，而且鋁在鈦當中的溶解度更小。

2．2 在空氣中容易氧化

鈦和鋁這兩種金屬在空氣環境下很容易產生氧化，導致界面結合的過程中出現一定的難度。在600℃才開始氧化，逐步成為TiO2。在焊縫及界面當中出現脆性層，鋁及相應的合金表面很容易產生致密的氧化膜，這樣就會造成兩種金屬結合的過程中出現難度，在焊縫當中很容易出現夾渣等情況，導致焊縫的脆性大幅度增加。

2．3 出現脆性相的問題

鋁和鈦在1460℃條件下進行反應，最終會生成鈦鋁型金屬間化合物。在1340℃的條件下，會產生Ti3Al型金屬間化合物，這些化合物的出現會導致焊縫的強度和塑性大幅度的下降。

2．4 產生焊接變形的問題

鈦和鋁在線脹系數和熱導率方面具有很大的差別，這樣會導致焊接過程中形變相對較大，在脆性組織和焊接應力共同影響下很容易產生裂縫。

3 鈦合金與鋁合金異種金屬焊接技術類型

因為鋁合金和鈦合金在焊接的過程中具有較大難度，相關人員正逐步開始對該領域進行研究，并且提出了各種類型的焊接方法和技術，主要有固相焊、釬焊和熔化焊等。

3．1 熔化焊

在異種金屬焊接的過程中融化焊的成本較低，而且應用非常廣泛。相關專家希望能夠在鈦合金和鋁合金異種金屬焊接的過程中應用這種技術。在鈦合金和鋁合金同時融化的過程中，會出現某些金屬間化合物脆性較大等情況，對焊接的接頭出現影響，導致焊接接頭產生開裂的問題。另外，為了能夠讓這個問題有效地解決，提出了激光的方式，加熱焊接的接頭，以便控制焊接的質量。

3．2 固相焊

（1）擴散焊。因為異種金屬在焊接的時候，擴散焊的方式能夠有效地讓異種金屬之間進行結合。國內外對該領域進行了深入的研究，也取得了一定的效果，能夠進一步提升接頭的使用價值。國內的相關專家在研究的過程中，認為在5a06鋁合金和Ta2鈦合金焊接的時候，可以把Nb當成是阻隔層，通過檢驗分析發現在焊接的時候所產生的化合物主要是Al18Ti2Mg3，剪切強度能夠達到105兆帕。另外，相關的學者在使用真空焊接技術最終獲得60兆帕的接頭強度。通過研究分析發現，國內外相關專家在鈦合金和鋁合金焊接的時候，焊接的接頭強度絕大部分還處于100兆以內。當前專家的重點在于如何提升接頭的強度。通過研究分析發現，鈦棒在與鋁進行焊接的過程中最佳浸鋁溫度為680℃，最佳時間為25min，在實際進行擴散焊接的過程中，需要控制時間在20min、壓力在10MPa左右、最佳溫度為490℃。在這種工藝條件下，鈦/鋁接頭的抗拉強度最高能夠控制在180MPa。

（2）摩擦焊。摩擦焊在異種金屬焊接的過程中是出現較早的一種技術。比如，20世紀90年代就進行了鋁合金和鈦合金之間的焊接，得出的結論是需要控制化合物的厚度在200微米范圍內，如果超過200微米，就會導致鈦合金和鋁合金化合物的強度大幅度的下降。國內相關專家在研究摩擦焊的過程中，進一步調整了工藝參數以及連接界面的組織結構，最終發現在摩擦焊條件下，接頭的拉伸強度的提升是較為明顯的。

（3）攪拌摩擦焊。當前國內外專家已經深入的開始研究攪拌焊技術，國外相關專家提出在純鈦板和Al-Cu合金板焊接的時候使用攪拌摩擦焊等技術，可以大幅度提高接頭的強度和焊接的速度。另外，國內相關專家論證，TC1鈦合金和LF6鋁合金在焊接的過程中使用攪拌摩擦焊等方式可以獲得非常好的效果。

3．3 釬焊

釬焊是金屬焊接中一種常用方法，釬焊最有代表性的類型為直接釬焊、間接釬焊和熔釬焊。

（1）熔釬焊。熔釬焊在金屬焊接過程中應用比較廣泛，適用于兩種金屬之間的熔點較大的情況下，在對鈦合金和鋁合金進行焊接時，需要將接頭強度作為重點。后期需要采取合理的方法重點控制化合物的生成以及界面元素的擴散。這樣在應用的過程中可以取得非常明顯的效果。相關學者認為，在焊接的過程中接頭使用普通的二氧化碳激光來完成保護。在合理控制焊接條件的情況下，可以保證接頭的強度達到200兆帕。

（2）直接釬焊與間接釬焊。因為國外在這方面的研究相對較早，20世紀80年代就提出了直接釬焊的方式，相關專家通過實驗分析發現，通過Al-10Si-1Mg釬材料可以保證焊接的強度達到70兆帕，而通過Al-10Cu-8Sn和Al-30Ag-10Cu時可以保證接頭的強度處于38兆帕，國內的相關廠家也開始逐步研究釬焊技術，認為通過相關方法可以保證接頭強度達到70兆帕以上。間接釬焊主要是在鈦合金表面上涂抹鋁和鋁的合金，接著進行焊接操作。在間接釬焊的過程中，首先需要重視的是鈦合金的涂敷過程。這和接頭質量以及接頭強度具有直接影響，通過間接釬焊的方式可以在溫度較低的條件下完成焊接工作，不會影響鋁合金的性能、質量，可以在一些復雜精密的結構件當中進行使用，應用較為廣泛。

4 鈦合金與鋁合金異種金屬焊接技術的發展與展望

鈦合金和鋁合金構件相對較為復雜，在汽車、航空航天等各個領域應用非常廣泛，而且具有非常大的應用潛力和價值。當前制約鈦合金和鋁合金復合構件應用的關鍵在于焊接的質量。通過大量實驗分析發現，在鈦合金和鋁合金異種金屬焊接的過程中，脆性金屬間化合物的生成是需要解決的問題，這會對焊接接頭性能產生較為嚴重的影響，所以一定要重視焊接過程中最新技術，減少化合物生成和發展時對接頭力學性能的影響，提高焊接的效率，在操作的過程中獲得滿意的異種金屬焊接接頭。

5 結語

總而言之，鈦合金和鋁合金復合焊接技術應用非常廣泛。在航空航天、汽車等諸多領域都有一定的應用。如果在焊接的時候往往會遇上一些問題，一定要有針對性地對這些問題進行分析處理，以便讓接頭的強度和提高，保證異種金屬焊接技術的進一步發展。