專利名稱：異種金屬的穿孔型tig電弧熔釬焊方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及熔釬焊技術(shù)，具體說(shuō)就是一種用于異種金屬的穿孔型TIG電弧熔釬焊方法。
背景技術(shù)：
異種金屬?gòu)?fù)合構(gòu)件具有兩種金屬各自的物化性能，對(duì)航空、汽車等領(lǐng)域的減重和低成本設(shè)計(jì)具有重要意義，目前越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)結(jié)構(gòu)生產(chǎn)。然而，當(dāng)兩種金屬熔點(diǎn)相差懸殊，各自物化性能相差很大，容易出現(xiàn)冶金不相容的問(wèn)題，焊接接頭內(nèi)容易產(chǎn)生大量的金屬間化合物脆性相，給異種金屬的連接帶來(lái)了極大的困難電弧熔釬焊技術(shù)是采用電弧為加熱源，在適當(dāng)?shù)木€能量條件下將熔池溫度控制在兩種金屬熔點(diǎn)之間的溫度范圍內(nèi)。低熔點(diǎn)金屬發(fā)生熔化與熔池混合形成熔焊接頭，同時(shí)高熔點(diǎn)金屬保持固態(tài)，通過(guò)與熔池之間元素溶解擴(kuò)散形成釬焊連接，線能量的控制是降低釬焊界面金屬間化合物影響的關(guān)鍵。激光熔釬焊技術(shù)由于加熱速度快，能量集中等特點(diǎn)，越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于難焊金屬的焊接。同時(shí)其能量集中的特性導(dǎo)致了釬焊界面上的溫度分布不均勻，對(duì)接接頭厚度方向的化合物脆性相組織結(jié)構(gòu)不一致，從而降低了接頭的力學(xué)性能。TIG電弧能量密度較激光低，電弧發(fā)散，可大幅度降低對(duì)接接頭厚度方向的組織不均勻性。目前，限制電弧熔釬焊技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵在于如何促進(jìn)液態(tài)熔池在高熔點(diǎn)金屬坡口內(nèi)鋪展。德國(guó)拜羅伊特大學(xué)的H. Laukant等人采用雙加熱源的并行加熱的模式，提高鋁/鋼搭接中液態(tài)鋁在鋼表面的鋪展長(zhǎng)度，以實(shí)現(xiàn)鋁/鋼搭接接頭的熔釬焊。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的張洪濤等人提出了活性劑電弧熔釬焊技術(shù)，用以解決鋁和鍍鋅鋼MIG熔釬焊中鋪展困難的問(wèn)題。重慶大學(xué)的羅鍵通過(guò)在電弧上方添加勵(lì)磁線圈，對(duì)熔池進(jìn)行電磁激勵(lì)，以促使液態(tài)金屬在高熔點(diǎn)金屬上鋪展。這些改善鋪展的技術(shù)的共同特點(diǎn)是都以犧牲設(shè)備復(fù)雜性和操作簡(jiǎn)便性為前提。從焊接方法的角度如何才能促進(jìn)液態(tài)金屬的流動(dòng)？在等離子弧焊基礎(chǔ)上發(fā)展而成了小孔型等離子弧焊技術(shù)，利用電弧熔透工件形成穿透型小孔，熔池被排擠到小孔的周圍沿著熔池壁向后流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)薄板的單面焊雙面成形。激光小孔焊則是利用母材金屬的迅速熔化、汽化和電離，在金屬蒸汽和等離子壓力作用下形成小孔，可進(jìn)行深熔焊接。基于以上分析，如何通過(guò)普通TIG電弧實(shí)現(xiàn)熔池鋪展？是異種金屬電弧熔釬焊過(guò)程穩(wěn)定性和質(zhì)量控制的關(guān)鍵。通過(guò)調(diào)整設(shè)備裝置、工藝參數(shù)與填絲模式，實(shí)現(xiàn)異種金屬的優(yōu)質(zhì)電弧熔釬焊，可大幅度釬焊界面組織性能的不均勻性，促進(jìn)液態(tài)金屬潤(rùn)濕鋪展以實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形。同時(shí)大大降低異種金屬連接的成本，簡(jiǎn)化工序。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種異種金屬的穿孔型TIG電弧熔釬焊方法，解決異種金屬熔釬焊時(shí)釬焊界面組織性能的不均勻性和液態(tài)金屬鋪展困難的問(wèn)題。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的步驟如下步驟一試驗(yàn)工件與設(shè)備準(zhǔn)備交流TIG焊機(jī)I臺(tái)，點(diǎn)動(dòng)式送絲機(jī)I套，自動(dòng)行走機(jī)構(gòu)I套，帶成形槽的銅墊板I塊，剛性?shī)A具I套，工件工件31為高熔點(diǎn)金屬鋼或鈦合金，開Y型坡口，工件32為低熔點(diǎn)的鋁合金，焊絲直徑為2. 5-4_。步驟二 用剛性?shī)A具和銅墊板夾緊鋼/鋁或鈦/鋁板材，裝配成對(duì)接接頭，確保間隙與成形槽尺寸匹配，以獲得合適的背面成形尺寸；步驟三將送絲機(jī)的導(dǎo)絲嘴與焊槍裝配為一體，送絲角度為30-45°，送絲位置為低熔點(diǎn)金屬側(cè)送給，將夾持于自動(dòng)行走機(jī)構(gòu)上的TIG焊槍安置于工件坡口上方，確保焊槍鎢極垂直對(duì)準(zhǔn)高熔點(diǎn)金屬坡口鈍邊附近，同時(shí)將鎢極與工件之間的距離控制在2-3_范圍內(nèi)；步驟四在充氬成形槽內(nèi)通入氬氣，進(jìn)行焊件背面保護(hù)；步驟五啟動(dòng)焊接電源加熱工件，電弧穩(wěn)定后填入焊絲，熔滴稍微鋪展即啟動(dòng)行走機(jī)構(gòu)，使焊槍以沿焊接方向行走，焊速0. 5-2mm/s ；步驟六待熔池沿坡口向焊接方向流動(dòng)鋪展，在鎢極前端匯合形成一個(gè)穿透型小孔，穿透型小孔明顯長(zhǎng)大以后以點(diǎn)動(dòng)送絲的方式沿低熔點(diǎn)金屬側(cè)送入焊絲至穿透型小孔內(nèi)，待熔池在坡口正反面鋪展后繼續(xù)沿坡口流動(dòng)，形成明顯的穿透型小孔后繼續(xù)點(diǎn)動(dòng)填絲，如此反復(fù)，直至熔釬焊過(guò)程完成；步驟七熔釬焊過(guò)程完畢后關(guān)閉電源，待工件完全冷卻后關(guān)閉充氬成形槽內(nèi)的氬氣。本發(fā)明與現(xiàn)有的技術(shù)方法相比，本發(fā)明具有明顯的特征。與小孔型等離子弧焊相t匕，采用TIG電弧進(jìn)行異種金屬的連接，避免了等離子束等高能量密度熱源導(dǎo)致的釬焊界面組織性能的不均勻性。與激光小孔焊相比，熱源變?yōu)門IG電弧，小孔為穿透型小孔，利用電弧壓力促使液態(tài)金屬在接頭背面良好地潤(rùn)濕鋪展。與普通電弧熔釬焊相比，焊接過(guò)程中引入穿孔，明顯增強(qiáng)了液態(tài)金屬的鋪展，實(shí)現(xiàn)了單面焊雙面成型。同時(shí)電弧主要加熱高熔點(diǎn)金屬上鋪展形成的液膜，降低了基體熔化量，有利于控制釬焊界面的化合物數(shù)量。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)I)采用TIG電弧加熱，能量密度相對(duì)激光束、電子束等分布均勻，可降低接頭釬焊界面因高能量密度導(dǎo)致的溫度梯度，促使形成一致性較好的界面組織結(jié)構(gòu)；2)穿孔形成過(guò)程使高熔點(diǎn)金屬坡口在多數(shù)情況下被液態(tài)金屬覆蓋，導(dǎo)致坡口加熱方式轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄟ^(guò)液膜熱傳導(dǎo)加熱，可控制基體的熔化量，減少界面化合物脆性相的生成；3)穿孔內(nèi)的等離子體壓力促使液態(tài)金屬向高熔點(diǎn)金屬背面鋪展，可實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形。4)無(wú)需復(fù)雜的設(shè)備與結(jié)構(gòu)，操作簡(jiǎn)單，成本低，過(guò)程穩(wěn)定性好。
圖I異種金屬的穿孔型TIG電弧熔釬焊方法示意圖；
圖2異種金屬的穿孔型TIG電弧熔釬焊熔池動(dòng)態(tài)行為示意圖；圖3Ti/Al異種合金穿孔型TIG電弧熔釬焊接頭成形圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
實(shí)施例I :結(jié)合圖I、圖2，本發(fā)明異種金屬的穿孔型TIG電弧熔釬焊方法，按以下步驟實(shí)現(xiàn)
步驟一試驗(yàn)工件與設(shè)備準(zhǔn)備交流TIG焊機(jī)I臺(tái)，點(diǎn)動(dòng)式送絲機(jī)I套，自動(dòng)行走機(jī)構(gòu)I套，帶成形槽的銅墊板I塊，剛性?shī)A具I套，工件工件(31)為高熔點(diǎn)金屬鋼或鈦合金，開Y型坡口，工件(32)為低熔點(diǎn)的鋁合金，焊絲直徑為2. 5-4mm；步驟二 用剛性?shī)A具和銅墊板夾緊鋼/鋁或鈦/鋁板材，裝配成對(duì)接接頭，確保間隙與成形槽尺寸匹配，以獲得合適的背面成形尺寸；步驟三將送絲機(jī)的導(dǎo)絲嘴與焊槍裝配為一體，送絲角度為30-45°，送絲位置為低熔點(diǎn)金屬側(cè)送給，將夾持于自動(dòng)行走機(jī)構(gòu)上的TIG焊槍安置于工件坡口上方，確保焊槍鎢極垂直對(duì)準(zhǔn)高熔點(diǎn)金屬坡口鈍邊附近，同時(shí)將鎢極與工件之間的距離控制在2-3_范圍內(nèi)；步驟四在充氬成形槽內(nèi)通入氬氣，進(jìn)行焊件背面保護(hù)；步驟五啟動(dòng)焊接電源加熱工件，電弧穩(wěn)定后填入焊絲，熔滴稍微鋪展即啟動(dòng)行走機(jī)構(gòu)，使焊槍以沿焊接方向行走，焊速0. 5-2mm/s ；步驟六待熔池沿坡口向焊接方向流動(dòng)鋪展，在鎢極前端匯合形成一個(gè)穿透型小孔，穿透型小孔明顯長(zhǎng)大以后以點(diǎn)動(dòng)送絲的方式沿低熔點(diǎn)金屬側(cè)送入焊絲至穿透型小孔內(nèi)，待熔池在坡口正反面鋪展后繼續(xù)沿坡口流動(dòng)，形成明顯的穿透型小孔后繼續(xù)點(diǎn)動(dòng)填絲，如此反復(fù)，直至熔釬焊過(guò)程完成；步驟七熔釬焊過(guò)程完畢后關(guān)閉電源，待工件完全冷卻后關(guān)閉充氬成形槽內(nèi)的氬氣。實(shí)施例2 :結(jié)合圖2，本發(fā)明異種金屬的穿孔型TIG電弧熔釬焊方法，形成了動(dòng)態(tài)變化的熔池1)焊縫凝固與工件加熱，熔釬焊過(guò)程中隨著焊槍向前移動(dòng)，液態(tài)鋁熔池從坡口及焊縫邊沿開始凝固，形成橢圓形的熔池，如圖2(a)。同時(shí)TIG電弧加熱坡口，坡口溫度逐漸升高；2)穿孔型熔池形成，TIG電弧加熱一段時(shí)間后，坡口內(nèi)側(cè)溫度逐漸升高。高熔點(diǎn)工件(31)側(cè)電極斑點(diǎn)的數(shù)量增多，電極斑點(diǎn)大大降低了界面張力，液態(tài)金屬沿著工件(31)坡口向前逐漸鋪展。同時(shí)，較大的線能量使低熔點(diǎn)工件(32)坡口部分發(fā)生熔化，隨著液態(tài)熔池的流動(dòng)，TIG電弧的等離子流力吹出一個(gè)偏向鋁合金側(cè)的小孔，從而形成具有穿透型小孔型的熔池，如圖2(b)。穿孔的形成和變化過(guò)程對(duì)保證熔釬焊接頭的反面成形具有重要的意義；3)熔滴橋接與熔池混合，隨著時(shí)間的推移，小孔型熔池中小孔逐漸長(zhǎng)大，在小孔破壞之前通過(guò)快速點(diǎn)動(dòng)送絲送進(jìn)焊絲，熔滴在表面張力作用下過(guò)渡到熔池中，穿孔被迅速填滿，熔滴的“橋接”作用使焊絲與原來(lái)的熔池混合，形成范圍更廣的熔池，如圖2(c) ；4)熔池鋪展與焊縫凝固，液態(tài)鋁熔池在重力作用下沿坡口向接頭反面流動(dòng)，低熔點(diǎn)工件(32)受成形槽的約束作用強(qiáng)制成形，液態(tài)金屬在高熔點(diǎn)工件坡口與反面潤(rùn)濕鋪展，該過(guò)程受界面張力阻礙，在接頭反面高熔點(diǎn)工件(31)側(cè)形成自由成形。接頭正面液態(tài)金屬在坡口內(nèi)填充完畢后，剩余的液態(tài)金屬在接頭正面繼續(xù)側(cè)鋪展，直到受界面張力限制而成形?？焖冱c(diǎn)動(dòng)送絲對(duì)熔池的沖擊振蕩促進(jìn)了液態(tài)金屬在正反面的潤(rùn)濕鋪展，如圖2(d)。之后隨著溫度的下降新熔池逐漸凝固，如此反復(fù)進(jìn)行，最終形成正反面成形的Ti/Al熔釬焊接頭。實(shí)施例3 :結(jié)合圖I、圖3，以被焊接工件2mm厚的鈦合金板和鋁合金板為例來(lái)說(shuō)明本實(shí)施方式的實(shí)現(xiàn)步驟。
步驟一在鈦合金側(cè)邊開45°單邊坡口，并加工0. 5mm鈍邊,填充材料為直徑3mm的AlCu6焊絲,銅墊板上成形槽寬4mm,深3mm,采用MAG焊送絲機(jī)進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)送絲；
步驟二 將鈦板和鋁板夾持在銅墊板上，使對(duì)接坡口根部間隙為I. 5-2mm,坡口間隙位于成形槽正中上方位置；步驟三將送絲機(jī)的導(dǎo)絲嘴(2)與TIG焊槍(I)裝配為一體，送絲角度為30°，從鋁合金側(cè)送給。將夾持于自動(dòng)行走機(jī)構(gòu)上的TIG焊槍安置于工件坡口上方，確保鎢極對(duì)準(zhǔn)鈦坡口鈍邊位置。同時(shí)將鎢極與工件之間的距離調(diào)制在2-3_范圍內(nèi)；步驟四在充氬成形槽內(nèi)通入氬氣，進(jìn)行焊件背面保護(hù)，氬氣流量為5L/min ；步驟五啟動(dòng)TIG焊接電源加熱工件，焊接電流為110A，電弧穩(wěn)定后填入焊絲，焊絲熔滴稍微鋪展即啟動(dòng)行走機(jī)構(gòu)，使焊槍以I. 25mm/s的速度沿焊接方向行走。步驟六待熔池沿坡口向焊接方向流動(dòng)鋪展，在鎢極前端匯合形成一個(gè)穿透型小孔，小孔明顯長(zhǎng)大以后以點(diǎn)動(dòng)送絲的方式沿送入焊絲至穿孔內(nèi)，待熔池在坡口正反面鋪展后繼續(xù)沿坡口流動(dòng)，形成穿透型小孔后繼續(xù)點(diǎn)動(dòng)填絲，如此反復(fù)，直至熔釬焊過(guò)程完成；步驟七熔釬焊過(guò)程完畢后關(guān)閉電源，待工件完全冷卻后關(guān)閉充氬成形槽內(nèi)的氬氣，即實(shí)現(xiàn)了鈦/鋁異種金屬的穿孔型TIG電弧熔釬焊。最終獲得的Ti/Al熔釬焊接頭正反面成形如圖3所示，接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)到270MPa。實(shí)施例4 :結(jié)合圖I說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的步驟I中工件(31)為3mm厚不銹鋼板，工件(32)為3mm的鋁板，焊絲為AlSi5焊絲。其它步驟與具體實(shí)施方式
一相同。
權(quán)利要求
1.一種異種金屬的穿孔型TIG電弧熔釬焊方法，其特征在于步驟如下 步驟一試驗(yàn)工件與設(shè)備準(zhǔn)備交流TIG焊機(jī)I臺(tái)，點(diǎn)動(dòng)式送絲機(jī)I套，自動(dòng)行走機(jī)構(gòu)I套，帶成形槽的銅墊板I塊，剛性?shī)A具I套，工件工件(31)為高熔點(diǎn)金屬鋼或鈦合金，開Y型坡口，工件(32)為低熔點(diǎn)的鋁合金，焊絲直徑為2. 5-4mm ； 步驟二 用剛性?shī)A具和銅墊板夾緊鋼/鋁或鈦/鋁板材，裝配成對(duì)接接頭，確保間隙與成形槽尺寸匹配，以獲得合適的背面成形尺寸； 步驟三將送絲機(jī)的導(dǎo)絲嘴與焊槍裝配為一體，送絲角度為30-45°，送絲位置為低熔點(diǎn)金屬側(cè)送給，將夾持于自動(dòng)行走機(jī)構(gòu)上的TIG焊槍安置于工件坡口上方，確保焊槍鎢極垂直對(duì)準(zhǔn)高熔點(diǎn)金屬坡口鈍邊附近，同時(shí)將鎢極與工件之間的距離控制在2-3_范圍內(nèi)；步驟四在充氬成形槽內(nèi)通入氬氣，進(jìn)行焊件背面保護(hù)； 步驟五啟動(dòng)焊接電源加熱工件，電弧穩(wěn)定后填入焊絲，熔滴稍微鋪展即啟動(dòng)行走機(jī)構(gòu)，使焊槍沿焊接方向行走，焊速為0. 5-2mm/s ； 步驟六待熔池沿坡口向焊接方向流動(dòng)鋪展，在鎢極前端匯合形成一個(gè)穿透型小孔，穿透型小孔明顯長(zhǎng)大以后以點(diǎn)動(dòng)送絲的方式沿低熔點(diǎn)金屬側(cè)送入焊絲至穿透型小孔內(nèi)，待熔池在坡口正反面鋪展后繼續(xù)沿坡口流動(dòng)，形成明顯的穿透型小孔后繼續(xù)點(diǎn)動(dòng)填絲，如此反復(fù)，直至熔釬焊過(guò)程完成； 步驟七熔釬焊過(guò)程完畢后關(guān)閉電源，待工件完全冷卻后關(guān)閉充氬成形槽內(nèi)的氬氣。
全文摘要
本發(fā)明提供一種異種金屬的穿孔型TIG電弧熔釬焊方法，步驟如下用剛性?shī)A具和銅墊板夾緊鋼/鋁或鈦/鋁板材，裝配成對(duì)接接頭，確保間隙與成形槽尺寸匹配；將送絲機(jī)的導(dǎo)絲嘴與焊槍裝配為一體，送絲角度為30-45°，送絲位置為低熔點(diǎn)金屬側(cè)送給，鎢極與工件之間的距離控制在2-3mm范圍內(nèi)；穿透型小孔明顯長(zhǎng)大以后以點(diǎn)動(dòng)送絲方式沿低熔點(diǎn)金屬側(cè)送入焊絲至穿透型小孔內(nèi)，待熔池在坡口正反面鋪展后繼續(xù)沿坡口流動(dòng)，形成明顯的穿透型小孔后繼續(xù)點(diǎn)動(dòng)填絲，如此反復(fù)，直至熔釬焊過(guò)程完成。本發(fā)明穿孔內(nèi)的等離子體壓力促使液態(tài)金屬向高熔點(diǎn)金屬背面鋪展，可實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形。無(wú)需復(fù)雜的設(shè)備與結(jié)構(gòu)，操作簡(jiǎn)單，成本低，過(guò)程穩(wěn)定性好。
文檔編號(hào)B23K9/23GK102615398SQ201210089338
公開日2012年8月1日 申請(qǐng)日期2012年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月20日
發(fā)明者呂世雄, 徐永強(qiáng), 敬小軍, 鄭傳奇, 黃永憲 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)