浅析钛合金与铝合金异种金属焊接技术

（中国飞行试验研究院，陕西 西安 710089）

1 钛合金与铝合金异种金属焊接技术的优势分析

钛合金和铝合金的特点在于耐腐蚀性较好，而且密度相对较低。当前条件下，复杂工况对工件的要求越来越高，加快了复合结构材料的发展，铝合金和钛合金构成的复合构件能够将两种材料的特性最大化的发挥出来。因为钛合金和铝合金在力学以及热物理学方面的性能出现一定的差异，导致焊接的时候很容易产生裂纹、气孔等问题，因为冶金反应产生金属间化合物导致Ti/Al异种金属在接头位置出现性能恶化等问题。钛和铝的性能对比如表1。

2 钛合金和铝合金的焊接性分析

铝元素和钛元素在液态环境下可以进行无限固溶。在固态条件时，钛和铝相容性很差。钛在铝当中的溶解度相对较小。与此同时，铝合金和钛合金在力学性能和热物理学性能方面具有一定差异。两者的差异导致铝合金和钛合金的焊接性相对较差，很容易在焊接的时候出现如下问题。

2．1 二者的相容性比较差

首先相容性相对较差，铝和钛之间的溶解度相对较低。在665℃下，钛溶解于铝的溶解量只有0.26%～0.28%。在温度降到20℃的时候，溶解度只有0.07%，这些数据可以充分地说明两种金属在实际应用的过程中很难相溶，而且铝在钛当中的溶解度更小。

2．2 在空气中容易氧化

钛和铝这两种金属在空气环境下很容易产生氧化，导致界面结合的过程中出现一定的难度。在600℃才开始氧化，逐步成为TiO2。在焊缝及界面当中出现脆性层，铝及相应的合金表面很容易产生致密的氧化膜，这样就会造成两种金属结合的过程中出现难度，在焊缝当中很容易出现夹渣等情况，导致焊缝的脆性大幅度增加。

2．3 出现脆性相的问题

铝和钛在1460℃条件下进行反应，最终会生成钛铝型金属间化合物。在1340℃的条件下，会产生Ti3Al型金属间化合物，这些化合物的出现会导致焊缝的强度和塑性大幅度的下降。

2．4 产生焊接变形的问题

钛和铝在线胀系数和热导率方面具有很大的差别，这样会导致焊接过程中形变相对较大，在脆性组织和焊接应力共同影响下很容易产生裂缝。

3 钛合金与铝合金异种金属焊接技术类型

因为铝合金和钛合金在焊接的过程中具有较大难度，相关人员正逐步开始对该领域进行研究，并且提出了各种类型的焊接方法和技术，主要有固相焊、钎焊和熔化焊等。

3．1 熔化焊

在异种金属焊接的过程中融化焊的成本较低，而且应用非常广泛。相关专家希望能够在钛合金和铝合金异种金属焊接的过程中应用这种技术。在钛合金和铝合金同时融化的过程中，会出现某些金属间化合物脆性较大等情况，对焊接的接头出现影响，导致焊接接头产生开裂的问题。另外，为了能够让这个问题有效地解决，提出了激光的方式，加热焊接的接头，以便控制焊接的质量。

3．2 固相焊

（1）扩散焊。因为异种金属在焊接的时候，扩散焊的方式能够有效地让异种金属之间进行结合。国内外对该领域进行了深入的研究，也取得了一定的效果，能够进一步提升接头的使用价值。国内的相关专家在研究的过程中，认为在5a06铝合金和Ta2钛合金焊接的时候，可以把Nb当成是阻隔层，通过检验分析发现在焊接的时候所产生的化合物主要是Al18Ti2Mg3，剪切强度能够达到105兆帕。另外，相关的学者在使用真空焊接技术最终获得60兆帕的接头强度。通过研究分析发现，国内外相关专家在钛合金和铝合金焊接的时候，焊接的接头强度绝大部分还处于100兆以内。当前专家的重点在于如何提升接头的强度。通过研究分析发现，钛棒在与铝进行焊接的过程中最佳浸铝温度为680℃，最佳时间为25min，在实际进行扩散焊接的过程中，需要控制时间在20min、压力在10MPa左右、最佳温度为490℃。在这种工艺条件下，钛/铝接头的抗拉强度最高能够控制在180MPa。

（2）摩擦焊。摩擦焊在异种金属焊接的过程中是出现较早的一种技术。比如，20世纪90年代就进行了铝合金和钛合金之间的焊接，得出的结论是需要控制化合物的厚度在200微米范围内，如果超过200微米，就会导致钛合金和铝合金化合物的强度大幅度的下降。国内相关专家在研究摩擦焊的过程中，进一步调整了工艺参数以及连接界面的组织结构，最终发现在摩擦焊条件下，接头的拉伸强度的提升是较为明显的。

（3）搅拌摩擦焊。当前国内外专家已经深入的开始研究搅拌焊技术，国外相关专家提出在纯钛板和Al-Cu合金板焊接的时候使用搅拌摩擦焊等技术，可以大幅度提高接头的强度和焊接的速度。另外，国内相关专家论证，TC1钛合金和LF6铝合金在焊接的过程中使用搅拌摩擦焊等方式可以获得非常好的效果。

3．3 钎焊

钎焊是金属焊接中一种常用方法，钎焊最有代表性的类型为直接钎焊、间接钎焊和熔钎焊。

（1）熔钎焊。熔钎焊在金属焊接过程中应用比较广泛，适用于两种金属之间的熔点较大的情况下，在对钛合金和铝合金进行焊接时，需要将接头强度作为重点。后期需要采取合理的方法重点控制化合物的生成以及界面元素的扩散。这样在应用的过程中可以取得非常明显的效果。相关学者认为，在焊接的过程中接头使用普通的二氧化碳激光来完成保护。在合理控制焊接条件的情况下，可以保证接头的强度达到200兆帕。

（2）直接钎焊与间接钎焊。因为国外在这方面的研究相对较早，20世纪80年代就提出了直接钎焊的方式，相关专家通过实验分析发现，通过Al-10Si-1Mg钎材料可以保证焊接的强度达到70兆帕，而通过Al-10Cu-8Sn和Al-30Ag-10Cu时可以保证接头的强度处于38兆帕，国内的相关厂家也开始逐步研究钎焊技术，认为通过相关方法可以保证接头强度达到70兆帕以上。间接钎焊主要是在钛合金表面上涂抹铝和铝的合金，接着进行焊接操作。在间接钎焊的过程中，首先需要重视的是钛合金的涂敷过程。这和接头质量以及接头强度具有直接影响，通过间接钎焊的方式可以在温度较低的条件下完成焊接工作，不会影响铝合金的性能、质量，可以在一些复杂精密的结构件当中进行使用，应用较为广泛。

4 钛合金与铝合金异种金属焊接技术的发展与展望

钛合金和铝合金构件相对较为复杂，在汽车、航空航天等各个领域应用非常广泛，而且具有非常大的应用潜力和价值。当前制约钛合金和铝合金复合构件应用的关键在于焊接的质量。通过大量实验分析发现，在钛合金和铝合金异种金属焊接的过程中，脆性金属间化合物的生成是需要解决的问题，这会对焊接接头性能产生较为严重的影响，所以一定要重视焊接过程中最新技术，减少化合物生成和发展时对接头力学性能的影响，提高焊接的效率，在操作的过程中获得满意的异种金属焊接接头。

5 结语

总而言之，钛合金和铝合金复合焊接技术应用非常广泛。在航空航天、汽车等诸多领域都有一定的应用。如果在焊接的时候往往会遇上一些问题，一定要有针对性地对这些问题进行分析处理，以便让接头的强度和提高，保证异种金属焊接技术的进一步发展。