CN101204760B - 高能束流熔压焊工艺及专用夹具 - Google Patents

高能束流熔压焊工艺及专用夹具 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种Ti Ni形状记忆合金熔化连接技术，特别是一种高能束流熔压焊工艺及专用夹具。本发明采用具有电弧能量集中、挺直并电弧穿透力强的高能密度束流作为施焊热源，使得整个连接时间缩短、受热面积减小，并且最大程度的减少了热输入，消除了热影响区，有效地改善了焊缝组织粗大问题；采用的专用工装夹具，可以在合金丝结合处被熔化时，利用预紧力将被熔化的焊缝金属全部挤出，保持了焊接接头的晶粒与母材接近和无新相产生，被焊接头的焊缝饱满，过渡圆滑，获得基本由均匀的母材组成的接头，最大程度的保证了焊接后材料的拉伸强度和记忆功能；本发明工艺简单，夹具设计合理，使用方便，可广泛用于TiNi形状记忆合金棒料的连接技术中。

Description

高能束流熔压焊工艺及专用夹具
一技术领域
本发明涉及一种TiNi形状记忆合金熔化连接技术，特别是一种高能束流熔压焊工艺及专用夹具。
二背景技术
目前国内外可实现TiNi形状记忆合金连接的方法有熔化焊、固相焊和钎焊。TiNi形状记忆合金的熔化焊包括激光焊、电子束焊、氩弧焊、氩弧加压焊。这些熔化焊的焊接方法通常可以实现良好的接头成形，但它的不足是易使焊缝产生柱状晶，晶界上有氧化夹杂物等，导致焊接接头的拉伸强度低于母材的拉伸强度，另外，焊接接头记忆效应损失率也较大，这两点始终是熔化焊焊接形状记忆合金的难题。
日本东京K.Kimura和H.Tobushi在Journal of Intelligent material andStructures.11(7)公布了对TiNi形状记忆合金丝采用钨极氩气保护电弧焊进行焊接的方法。其过程是：焊前合金丝用320号砂纸清理丝材待焊接部位和邻近部位，去除表面氧化物，并将要对接的两端面用砂轮机磨成与轴向垂直的两个面。焊接采用TIG弧热源，其焊接过程不需要填充金属，而是通过一个可以提供弹簧压力推动合金丝的夹具来实现对熔化部位的顶锻，完成对TiNi形状记忆合金丝的连接。针对2mmTiNi形状记忆合金丝焊接工艺为：电极与工件间的距离：1.6mm；直流正接；氩气保护的流量为15升每分钟；焊接时间为0.2秒；焊接电流：10A；焊件所受压力：1.74N；焊件压入长度为1.0mm。这种方法的不足在于：首先它的TIG弧热源不够集中，使焊接接头存在热影响区，而热影响区组织都较母材粗大；其次它所依靠的夹具仅能将焊丝压短1mm，同时借助一定的顶锻力使熔化的焊缝组织致密，它并不能解决这部分焊缝组织与母材比较晶粒粗大和产生有害的新相变化的问题。而且随着温度的变化使接头处的形状记忆效果与原始母材也存在差别，粗大的焊缝组织和热影响区严重损失了焊接接头处的强度。
三发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足提供一种能保证焊接接头的拉伸强度和记忆效应与母材相当的高能束流熔压焊工艺及专用夹具。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：高能束流熔压焊工艺，其特征是该工艺的熔化焊接热源选择具有电弧能量集中、挺直并电弧穿透力强的高能密度束流作为施焊热源，具体工艺步骤如下：
1、将清理后的被焊TiNi形状记忆合金丝固定在工装夹具中，使接头位置对准并固定；
2、将熔化焊接热源垂直固定在被焊TiNi形状记忆合金丝接头的上方，其电极与TiNi形状记忆合金丝接头的垂直距离为3.5-4mm；
3、打开电源，使产生出的高能密度束流的热源对准两根对接好的合金丝的结合处施焊，使之熔化，焊接时间为2～3秒，在焊接过程中，同时由工装夹具中的通气管在下部向施焊部位通惰性保护气体；
4、由工装夹具中的预紧力将对接的TiNi形状记忆合金丝沿轴线向结合处顶锻，其顶锻力为2.701N，直至将结合部位被熔化的焊缝金属全部挤出为止，获得均匀的与母材相同的焊接接头；
5、焊接结束后继续通保护气2-3分钟，直到完全冷却至室温后，卸下被焊TiNi形状记忆合金丝，完成整个焊接过程。
为实现上述高能束流熔压焊工艺，采用的专用工装夹具由底座、弹簧、挡板、通气铜管组成。其特征是：底座为具有高低平面的阶梯状长方体，在底座的高平面沿长度方向在平面中心开有表面凹槽，在表面凹槽下部、开有与凹槽平行的通气孔，通气孔的一端与表面凹槽的一端相通，此处即为施焊区。在高平面的上部有一块用于固定凹槽内被焊合金丝的静压板；在底座低平面上设置有动压板，在动压板面对台阶的前端面中心部位开有与底座凹槽同轴的被焊丝定位孔；在动压板后端面上，沿板厚中心线、与底座长度方向平行、对称开有放置弹簧的两个孔；动压板通过固定在底座两侧的左右挡板横向定位，放入动压板中的弹簧被固定在底座的后挡板压紧，使动压板在弹簧顶锻力作用下可沿长度方向位移，底座高低平面形成的台阶起到限制动压板前端面沿底座长度方向位移的定位作用。位移距离为5mm，弹簧的顶锻力为2.701N。
本发明采用高能密度束流作为施焊热源，它通过三种压缩效应集中作用，使产生的电弧能量十分集中、挺直，并具有温度高(可达3万度)、电弧穿透力强的特点，该热源可以缩短接头连接时间、减小受热面积，最大程度的减少热输入，并通过工装夹具的预紧力对被焊丝结合处5mm距离的强力顶锻，保证了接头处的形状记忆效应。本发明所述的专用工装夹具主要用于TiNi形状记忆合金棒料的连接。工作时，将两根被焊合金丝的其中一根固定在底座高平面的凹槽中，并由静压板在上面固定；另一根被焊合金丝放置于位于底座低平面的动压板中的定位孔内，并可随动压板在顶锻力的作用下沿长度方向运动，此时，设置在动压板中的弹簧预紧力始终加在该段合金丝的一端，一旦电弧熔化了两根对接好的被焊丝的结合处，该段合金丝就会在顶锻力的作用下向结合处强力顶锻，将结合部位被熔化的焊缝金属全部挤出，使焊接接头晶粒保持了与母材接近，接头处无新相产生，获得基本由均匀的母材组成的接头，最大程度的保证了焊接后材料的拉伸强度和记忆功能。另外，专用工装夹具中还设置了通气孔，它主要用于在焊接过程中，通过方形槽由被焊合金丝底部向被焊处表面喷射惰性保护气体，与焊接热源中的惰性保护气体上下共同作用，形成局部惰性气体保护区域，起到对焊接接头的保护作用。
本发明与现有技术相比其显著的效果是：1、采用高能密度束流作为熔化焊接热源，使得整个连接时间缩短、受热面积减小，并且最大程度的减少了热输入，消除了热影响区，有效地改善了焊缝组织粗大问题；2、采用的专用工装夹具，可以在合金丝结合处被熔化时，利用预紧力将被熔化的焊缝金属全部挤出，保持了焊接接头的晶粒与母材接近和无新相产生，并且被焊接头的焊缝饱满，过渡圆滑，获得基本由均匀的母材组成的接头，最大程度的保证了焊接后材料的拉伸强度和记忆功能；3、本发明工艺简单，用于该工艺的夹具设计合理，使用方便，可广泛用于TiNi形状记忆合金棒料的连接技术中，在其结构进行适当改进后，还可实现对环形料和板形料的焊接。
本发明的具体结构由以下附图和实施例给出。
四附图说明
图1是本发明所述高能束流熔压焊的工艺流程图。
图2是高能束流熔压焊工艺专用夹具结构示意图。
图3是高能束流熔压焊工艺专用夹具中底座(6)俯视图。
图4是图3的A-A剖视图。
图5是高能束流熔压焊工艺专用夹具中动压板(1)厚度方向中心剖视图。
五具体实施方式
下面结合附图，以常用2mmTiNi形状记忆合金丝棒料焊接为例，对本发明作进一步详细描述。
参见附图，本发明所说的高能束流熔压焊工艺，选用美国产的具有高能束流的WC-100B“飞马特”逆变等离子焊接系统作为施焊热源4，其离子气流量为0.6-0.7L·min-1，热源4的电极采用1.5mm钨棒，等离子热源4中的保护气体为氩气，气流量为13L·min-1，它通过支架垂直固定在被焊合金丝5接头的上方，等离子热源4的电极与被焊合金丝5接头的垂直距离为3mm；焊接电流13A，本发明所说的专用工装夹具，由具有两高低平面的阶梯状长方形底座6、动压板1、左右挡板3、后挡板2、静压板7以及弹簧12组成。底座6采用45#钢制作，其长、宽度分别为85mm*50mm，高低平面厚度分别为15mm、12mm。底座6的高平面沿长度方向开有半径为1mm的凹槽9，在凹槽9下部，开有与凹槽9平行的φ8mm通气孔10，通气孔10的一端与表面凹槽9的一端相通，此处即为施焊区14。动压板1面对台阶的前端面中心部位的定位孔11应与凹槽9同轴，孔径为2mm；左右挡板3由螺钉固定在底座6低平面两侧并将动压板1在底座6上横向固定；在动压板1后端面上的两个弹簧12在孔13内应伸出10mm，用后挡板2将弹簧12压入孔13内，并由螺钉将后挡板2固定在底座6上。焊接时，被焊合金丝5其中一根放置在底座6的凹槽9中，由静压板7通过螺钉将它固定，被焊合金丝5的另一根放置在动压板1中的定位孔11中，应保证两根被焊合金丝5的准确同轴定位，这样，弹簧12的推力就会加在被焊合金丝5轴线上，此时，弹簧12的推力即顶锻力可达到2.701N。通气孔10通过一铜管8与惰性气体相接，工作时，保护气体一路通过通气孔10从施焊区14喷出，另一路通过焊接热源4内的喷气孔喷出，局部排开焊接部位空气，起到对焊接接头的保护作用。
焊接工艺与第五部分所述相同。焊接后的接头拉伸强度与母材比较见下表：
Figure G2006101613408D00041

Claims (3)

1.一种高能束流熔压焊工艺，其特征是该工艺的熔化焊接热源选择具有电弧能量集中、挺直并电弧穿透力强的高能密度束流作为施焊热源，具体工艺步骤如下：
a将清理后的被焊TiNi形状记忆合金丝固定在工装夹具中，使接头位置对准固定；
b将熔化焊接热源(4)垂直固定在被焊TiNi形状记忆合金丝(5)接头处的上方，热源与TiNi形状记忆合金丝(5)接头的垂直距离为3.5-4mm；
c打开电源，使产生出的高能密度束流的热源(4)对准两根对接好的TiNi形状记忆合金丝(5)的结合处施焊，使之熔化，焊接时间为2～3秒，在焊接过程中，同时由工装夹具中的通气管向施焊部位通惰性保护气体；
d工装夹具中的顶锻力将对接的TiNi形状记忆合金丝沿轴线向结合处顶锻，其顶锻力为2.701N，底座高低平面形成的台阶起到限制动压板前端面沿底座长度方向位移的定位作用，可顶锻间隙为5mm，直至将结合部位被熔化的焊缝金属全部挤出为止，获得均匀的与母材相同的焊接接头；
e焊接结束后继续通保护气2-3分钟，直到焊接接头完全冷却至室温后，卸下被焊TiNi形状记忆合金丝，完成整个焊接过程。
2.一种实现权利要求1所述高能束流熔压焊工艺的专用工装夹具，由底座(6)、弹簧(12)、挡板、通气铜管组成，其特征是底座(6)为具有两高低平面的阶梯状长方体，在底座(6)的高平面沿长度方向在平面中心开有表面凹槽(9)，在表面凹槽(9)下部、开有与凹槽平行的通气孔(10)，通气孔(10)的一端与表面凹槽(9)的一端相通，此处即为施焊区；在高平面的上部有一块用于固定表面凹槽(9)内被焊合金丝(5)的静压板(7)；在底座(6)低平面上设置有动压板(1)，在动压板(1)面对底座(6)台阶的前端面中心部位开有与底座(6)上凹槽(9)同轴的被焊丝定位孔(11)，在动压板(1)后端面上，沿板厚中心线、与底座(6)长度方向平行、对称开有放置弹簧(12)的两个孔(13)；在动压板(1)后端面上，动压板(1)通过固定在底座(6)两侧的左右挡板(3)横向定位，放入动压板(1)中的弹簧(12)被固定在底座(6)的后挡板(2)压紧，使动压板(1)在弹簧顶锻力作用下可沿长度方向位移，底座(6)高低平面形成的台阶起到限制动压板(1)前端面沿底座(6)长度方向位移的定位作用。
3.根据权利要求2所述的专用工装夹具，其特征是动压板(1)的轴向位移距离为5mm，弹簧(12)的顶锻力为2.701N。
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