CN101690991A - 铝及铝合金的超声波辅助真空电子束焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于铝及铝合金的超声波辅助真空电子束焊接方法，可以解决铝及铝合金尤其是铸造铝合金在真空电子束焊接过程中产生气孔、冷隔等空腔型缺陷的技术难题从而提高焊接接头机械性能。该工艺在真空电子束焊接过程中施加一定频率和振幅的结构负载超声波能量，超声波频率为15～50kHz，振幅为10～50μm，对真空电子束焊接产生的熔池及其附近区域进行一定程度的连续振荡，可在焊接过程中对气孔、冷隔等空腔型缺陷进行有效消除，获得优质的焊接接头。

Description

铝及铝合金的超声波辅助真空电子束焊接方法

技术领域

本发明涉及一种铝合金的超声波辅助真空电子束焊接方法，适用于铝及铝合金，尤其是铸造铝合金的焊接。

背景技术

铝及铝合金因其具有良好的耐腐蚀性、较高的比强度、易加工成形、无磁性、无低温转变、导电及导热性高等诸多优点，使铝合金广泛应用于航空、航天、汽车、机车、机械制造、船舶、化学工业及国防军事等领域，具有极其重要的应用价值和广阔的应用前景。

可应用于铝及铝合金焊接的方法很多，包括气焊、TIG焊、MIG焊、等离子弧焊、电子束焊、激光焊、电阻焊、摩擦焊、扩散焊、钎焊以及复合热源焊等等。各种方法有其不同的应用场合，由于铝及铝合金具有独特的物理化学性能，如易氧化、导热性高、热容量和线膨胀系数大、熔点低及高温强度小等，在焊接过程中会产生一系列困难。

1、较强的氧化能力：铝和氧的亲和力很大，在空气中，铝即容易与氧结合，生成致密的Al₂O₃薄膜，这层薄膜熔点(2050℃)远高于铝合金的熔点(600℃左右)，并吸附较多水分，在焊接过程中容易在焊缝中形成气孔、夹渣等缺陷，从而降低焊接接头的力学性能。

2、热导率和导电性高：铝及铝合金的导热率、比热容、熔化潜热较大。在焊接过程中大量的热能被大量地传导到基体金属内部，因此焊接铝及铝合金需要比钢消耗更多的热量。为了形成合格的焊接接头，必须采用能量集中、功率大的强焊接热源。

3、线膨胀系数大：铝的线膨胀系数为钢的两倍左右，凝固时的结晶收缩率也很大，在焊接过程中容易产生焊接变形和内应力，因此在焊接刚性较大的铝合金结构时容易产生裂纹。

4、容易形成气孔：铝及铝合金的液态熔池很容易吸收气体，在高温下熔入的大量氢，在焊后快速冷却和凝固过程中来不及析出而聚集在焊缝中形成气孔。

5、高温下的强度和塑性低：在高温下，铝的强度和塑性很低，以致不能支撑液体金属而使焊缝成形不良，有时会造成焊缝金属的塌陷或烧穿。

6、合金元素的蒸发和烧损：某些铝合金中含有低沸点的合金元素，如镁、锌等，这些合金元素在搞能量密度的焊接热源作用下极易蒸发、烧损，从而使焊缝金属的化学成分改变，以致降低焊接接头的性能。

7、无色泽变化：焊接过程中，铝及铝合金由固态转变为液态时，不像钢材料有显著的颜色变化，给焊接操作者掌握加热温度带来困难。

针对上述铝合金的物理化学特性，常用于铝及铝合金的熔化焊接方法主要有电弧焊和高能束流焊接。其中，电弧焊是铝合金焊接使用最早，也是使用最广泛的焊接方法，在有无填加金属焊丝的的情况下，均可进行铝合金的焊接，主要包括TIG焊、MIG焊和等离子弧焊。但电弧焊接方法由于焊接热源一次穿透能力有限，主要适用于薄板或中厚板铝合金的焊接。

另一种适宜于铝及铝合金的高效熔化焊接方法是高能束流焊接，包括激光焊、激光-电弧复合焊以及电子束焊。激光焊是可用于铝合金焊接的一种高功率密度的高效焊接方法。其热输入量低，熔合区和热影响区窄，焊接变形小，焊缝接头性能好，可实现大熔深焊接，而且容易进行自动化生产。激光-电弧复合焊接工艺综合了激光高能量密度和电弧加热范围大的优点，通过激光与电弧的交互作用，来改善激光能量的耦合和电弧的稳定性，以获得综合的焊接效果。但是，焊接过程比较复杂，不便调节和控制。另外，在激光的高温作用下，钨极烧损比较严重。电弧与激光束作用比较复杂，高频引弧时引起电极烧损和电弧摆动，起弧后不稳定。

电子束功率密度高，穿透力强，常用在真空环境下的焊接，适用于薄板及厚板铝合金的焊接。对于厚板铝合金材料，可以在不开坡口的前提下一次穿透。这是因为，真空电子束焊接铝合金时，在高功率密度热源作用下，铝合金材料中的低沸点合金元素将产生强烈的蒸发效应，电子束下方会立刻产生强烈的金属蒸气，在金属蒸汽压力和蒸发反作用力的作用下，液体金属向四周和熔池底部排开，使高功率密度的电子束直接作用于熔池底部金属，形成钉状的匙孔，并加剧其向深部扩展，直至蒸汽压力、蒸汽反作用力、束流压力与液体金属静压力及表面张力平衡后，匙孔不再继续深入。因此，高功率密度情况下，金属的急剧蒸发导致电子束深入匙孔内部与金属材料直接作用，即电子束与材料的直接作用机制，从而形成深宽比大的焊缝。

采用真空电子束焊接铝及铝合金，由于热输入量小，热影响区狭窄，加热周期短，所以焊缝的机械性能降低较少。但是，与常用熔化焊接方法相比，电子束焊接铝及铝合金有较大的气孔倾向。这与电子束焊缝的成形特征有关。电子束焊缝形状深而窄，结晶方式特殊，结晶速度快，气泡来不及逸出，从而残留焊缝形成气孔。另一方面，在真空条件下，氢在金属中的溶解度比在大气压下小得多，由于电子束焊接热源的能量密度高和匙孔效应，会产生一些物理因素造成的空穴、放电气孔、尖钉缺陷等物理气孔。匙孔作用于熔池时，在焊缝根部，由于液相金属表面张力较大，冷却速度较快，使液相不能及时流入匙孔内部与孔壁融合，从而形成冷隔缺陷，这也是真空电子束焊接铝合金的一种特有焊接缺陷。对于铸造铝合金材料，由于其组织结构相对于变形铝合金更为疏松，气孔、冷隔等空腔型工艺缺陷在真空电子束焊接过程中更为突出，影响了焊接质量的提高。因此要求有一套精确的操作工艺以防止气孔、冷隔等缺陷。过去，曾在电子束聚焦时，采用散焦进行焊接，可部分避免该类缺陷。但电子束散焦的焊接工艺，影响了电子束焊接热源的能量密度分布，使其深穿透能力降低，获得焊缝的熔深较浅，在某些深熔焊接的场合无法达到需要的一次焊接成形效果。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的问题，提供一种容易实施的，在铝及铝合金的真空电子束焊接过程中，用于消除焊缝中的气孔、冷隔等空腔型缺陷，使焊接质量得以提高的超声波辅助真空电子束焊接方法。

为了实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种铝及铝合金的超声波辅助真空电子束焊接方法，按以下步骤进行：

(1)将超声波导入装置压合于真空焊接室内的待焊铝合金工件表面；

(2)通过信号导线实现真空焊接室内的超声波导入装置与真空焊接室外的超声波发生器的电气连接；

(3)关闭真空焊接室，对真空电子束焊接设备和真空焊接室抽真空，获得真空度为10^-1Pa～10^-3Pa的焊接环境；

(4)启动超声波振动，超声波频率为15～50kHz，振幅为10～50μm，激振频率连续可调，并调整振动频率，使其避开待焊铝合金工件的焊缝熔池的共振频率区间；

(5)启动真空电子束焊接，并在超声波的连续振动下完成焊接操作；

(6)真空电子束焊接完成后，保持超声波振动1～2min，结束全部焊接流程；

(7)开启真空焊接室，移开超声波导入装置，焊件自然冷却。

所述的超声波针对不同的焊接接头形式可以是纵波或横波，以获得不同的振动效果来消除焊接过程中的空腔型缺陷。若采用的超声波形式为纵波，或由纵波转换而得到的横波，可以在压合面预置耦合剂10，使超声波在由导入装置传入工件时，避免过多的超声能量损失。若采用的超声波形式为横波，则在压合表面无需预置耦合剂。耦合剂可采用机油或甘油。

所述待焊铝合金工件的焊接接头形式可以是对接接头、角接接头、丁字型接头、搭接接头以或环形接头。

本发明的创新在于在铝及铝合金的真空电子束焊接过程中加入了超声波进行辅助，超声波是频率大于20kHz的声波，利用压电晶片的逆压电效应，超声波发生器及声学系统把超声频率的振荡电流转换成相同或相近频率的纵向或横向弹性机械振动能，再把该振动放大到一定程度，并输出给焊件。对于不同结构形状的焊件和不同接头形式的焊缝，横向或纵向弹性机械振动能可以产生不同的振动效果，形成对焊件及熔池的超声振动。超声振动效应作用于熔池壁及匙孔壁，有助于熔池中的熔融金属对空腔的填充。超声振动效应作用于熔池中的熔融金属，有助于影响熔池的流场流动，从而有利于气孔的上浮，达到以机械方式消除缺陷的效果。这样的超声振动效应对铝合金焊接过程的影响原理如图1所示，其工作原理如图5所示。图1.a为焊缝纵截面，超声振动效应G通过固体介质传输，并作用于熔融焊缝金属D，尤其是匙孔F的液态壁表面，增加熔融金属对匙孔F底部的填充作用，一定程度上避免由于填充不及时形成的焊缝尖端部位的空腔缺陷。图1.b为焊缝横截面，超声振动效应G作用于焊缝熔池中的熔融金属D，增强熔池中的浮力、重力等体积力的作用效果，进一步驱动熔池流体流动，有利于提高熔池金属的致密度和气孔H的上浮，在一定程度上避免焊缝中过多的气孔缺陷和组织疏松。

本发明提出的超声波辅助真空电子束焊接方法与现有的铝合金真空电子束焊接工艺相比，在不增加额外工艺程序的前提下，通过施加一定能量的超声波振动，有利于低熔点铝合金材料熔池中气体介质的上浮及熔融金属对空腔型缺陷的填充，从而成功消除气孔、冷隔等空腔型缺陷，提高铝及铝合金焊缝致密性，获得高质量焊接接头，从而可以实现铝及铝合金材料的高质量、高效焊接，是对铝合金焊接加工方法的丰富与补充，该方法具体具有以下优点和效果：

1、可大量消除铝及铝合金，尤其是铸造铝合金真空电子束焊接产生的气孔、冷隔等空腔型缺陷，提高焊接质量。

2、在真空条件下焊接，不影响焊接质量，以结构负载形式施加超声波能量，不受真空环境的局限，不增加额外焊接加工成本，生产效率高，工艺灵活，可满足一般产品的需求。

3、超声波能量从母材施加，导入位置灵活，实施方便，可连续调节超声波振动特征参数，具有针对性，可高效率地使超声振动获得最佳效果。

4、可根据焊接接头形式、焊件结构形式选择施加的超声波和超声波导入声学部件，受结构形式的局限小，适用范围广。

5、通过引出导线真空密封结构外接超声波控制系统，便于超声波控制信号的传输。

附图说明

图1是铝合金的超声波辅助真空电子束焊接原理示意图，其中图1a是焊接方向上，即焊缝纵截面超声波对熔池的振动效应，图1b是焊缝横截面上超声波对熔池的振动效应。

图2是铝合金的超声波辅助真空电子束焊接设备的结构示意图。

图3、图4分别是实施例1和实施例2的焊接工艺流程图。

图5是超声波辅助真空电子束焊接的工艺原理示意图。

图中：A聚焦电子束、B金属蒸气等离子体、C凝固的焊缝、D熔池中的熔融焊缝金属、E铝合金母材、F匙孔、G超声振动效应、H气孔、v工件移动速度；

f超声波频率、I焊接束流、I_c聚焦电流、t₁超声波振动周期、t₂电子束焊接周期、t₃电子束重熔周期、I₁电子束初始扫描采用的焊接束流、I₂电子束重熔采用的焊接束流；

1聚焦线圈、2偏转线圈、3真空焊接室、4电子束流、5稳压电源、6超声波发生器、7引出导线的真空密封结构、8信号导线、9超声波导入装置、10耦合剂、11铝合金焊件、12工作台及传动系统。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。

实施例1：如图2和图3所示，待焊接的铝合金焊件11为两块厚度10mm的平板结构的对接。通过夹具将两块焊件11装夹在真空焊接室3内的工作台及传动系统12上，涂敷耦合剂10于超声波导入装置9的压合面上，然后将超声波导入装置9通过弹簧压力机构压合于其中一块待焊工件的焊道表面。连接超声波导入装置9的信号导线8于引出导线真空密封结构7上，使真空室3内外超声波振动系统实现电气连接，稳压电源5为超声波发生器6提供电源。然后关闭真空焊接室3，抽电子枪到真空度2.3×10^-3Pa，抽真空焊接室3到真空度3.8×10^-2Pa，从而获得一定真空度的焊接环境。接着，启动超声波发生器6，调整超声振动频率f到数值30kHz，此时超声波振动开始施加于铝合金焊件11。设定焊接参数，使加速电压为60kV，焊接束流I为25mA，工作台12行走速度为9mm/s，聚焦线圈1的聚焦电流I_c为470mA，调整偏转线圈2的偏转电流使电子束偏转角为零。完成参数设定后开始进行焊接操作，在超声波的连续振动下，电子束4扫描过程经过t₂时间进行完毕。保持超声波振动1min，关闭超声波发生器6，此时超声波振动周期为t₁，结束焊接工艺流程。启动真空焊接室3恢复常压状态，同时焊件11自然冷却，再开启真空焊接室3，移开超声波导入装置9。

实施例2：如图2和图4所示，与图3所示工艺流程相比，图4工艺流程增加了超声波辅助下的电子束重熔工艺。铝合金焊件11为一块厚度10mm的横板和一块10mm的立板的角接。通过夹具将两块焊件装夹在工作台及传动系统12上，涂敷耦合剂10于超声波导入装置9的压合面上，然后将超声波导入装置9通过弹簧压力机构压合于待焊工件横板的一侧焊道表面。连接超声波导入装置9的信号导线8于引出导线真空密封结构7上，使真空焊接室3内外超声波振动发生器6实现电气连接。关闭真空焊接室3，抽电子枪到真空度3.9×10^-3Pa，抽真空室3到真空度4.3×10^-2Pa，从而获得一定真空度的焊接环境。启动超声波发生器6，调整超声振动频率f到数值24kHz，此时超声波振动开始施加于铝合金焊件11。设定焊接参数，使加速电压为60kV，焊接束流I₁为35mA，工作台行走速度为6mm/s，聚焦线圈1的聚焦电流I_c为470.5mA，调整偏转线圈2的偏转电流使电子束偏转角为零。完成参数设定后开始进行焊接操作，在超声波的连续振动下，电子束4扫描过程经过t₂时间进行完毕。工作台移动，使重新回到铝合金焊件11的焊缝起始点。设定重熔采用的焊接束流I₂为30mA，其余焊接参数维持不变；或者改变聚焦电流I_c为460mA，即电子束聚焦状态为散焦，其余焊接参数维持不变，同时也维持超声波振动频率f不变。完成参数设定后开始进行焊接操作，在超声波的连续振动下，电子束4重熔的扫描过程经过t₃时间进行完毕。保持超声波振动1min，关闭超声波发生器6，此时超声波振动周期为t₁，结束焊接工艺流程。启动真空焊接室3恢复常压状态，同时焊件11自然冷却，再开启真空焊接室3，移开超声波导入装置9。

Claims (4)

1.一种铝及铝合金超声波辅助真空电子束焊接方法，其特征在于所述焊接方法的步骤如下：

(1)将超声波导入装置压合于真空焊接室内的待焊铝合金工件表面；

(2)通过信号导线实现真空焊接室内的超声波导入装置与真空焊接室外的超声波发生器的电气连接；

(3)关闭真空焊接室，对真空电子束焊接设备和真空焊接室抽真空，获得真空度为10^-1Pa～10^-3Pa的焊接环境；

(4)启动超声波振动，超声波频率为15～50kHz，振幅为10～50μm，激振频率连续可调，并调整振动频率，使其避开待焊铝合金工件的焊缝熔池的共振频率区间；

(5)启动真空电子束焊接，并在超声波的连续振动下完成焊接操作；

(6)真空电子束焊接完成后，保持超声波振动1～2min，结束全部焊接流程；

(7)开启真空焊接室，移开超声波导入装置，焊件自然冷却。

2.根据权利要求1所述的铝及铝合金超声波辅助真空电子束焊接方法，其特征在于：所述的超声波形式是纵波或横波；若采用的超声波形式为纵波，或由纵波转换而得到的横波，在超声波导入装置与待焊铝合金工件表面的压合面预置耦合剂，使超声波在由导入装置传入工件时，避免过多的超声能量损失。

3.根据权利要求1或2所述的铝及铝合金超声波辅助真空电子束焊接方法，其特征在于：所述待焊铝合金工件的焊接接头形式为对接接头、角接接头、丁字型接头、搭接接头或环形接头。

4.根据权利要求1或2所述的铝及铝合金超声波辅助真空电子束焊接方法，其特征在于：所述耦合剂采用机油或甘油。

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