CN101797659A - 基于交流电弧激发超声的铝合金及铝基复合材料焊接方法 - Google Patents

基于交流电弧激发超声的铝合金及铝基复合材料焊接方法 Download PDF

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Abstract

基于电弧超声的铝合金及铝基复合材料焊接方法，属于铝合金及铝基复合材料的电弧焊接技术领域。本发明是在常规铝合金及铝基复合材料的焊接工艺中，利用电弧超声激励源，将电弧作为产热机构和超声发射机构。根据高通滤波器原理构建一台隔离耦合装置，将电弧超声激励源与弧焊电源通过该装置连接，使交变电信号耦合进交流电弧中，激励出的超声波直接作用于熔池，改善铝合金及铝基复合材料的焊接冶金及结晶过程，并作用于铝基复合材料的新生增强相生长过程，使其组织形态得到改善，在此基础上提高铝合金及铝基复合材料的接头强度等性能。

Description

基于交流电弧激发超声的铝合金及铝基复合材料焊接方法
技术领域
本发明涉及一种交流焊接电源与超声激励电源之间实现隔离耦合的装置，以及在此条件下的铝合金及其铝基复合材料的焊接方法。属铝合金及铝基复合材料电弧焊接技术领域。
背景技术
已有技术中，申请号为01143444.9公开号为CN 1355081A公开的“一种电弧激发超声波的方法”将超声信号通过并联或串联方式耦合进熔化极或不熔化极电弧激励信号中，得到电弧超声激励信号，使电弧激发出超声波，从而改善了金属的焊接及冶金效果。申请号为20041009170.2公开号为CN 1583340A的“一种基于电弧的超声的钛合金焊接方法”，在常规钛合金的焊接中引入电弧超声，从而改善了钛合金接头的组织形态和成分均匀度，提高了其强度和疲劳等性能。申请号为200410008468.1公开号为CN1560316A的“一种超声等离子喷涂方法”采用等离子喷枪正负极并联超声激励源的方法，将电弧超声应用于等离子喷涂中。但是上述方法用于激励超声的电弧均为直流电弧，只需采用隔直电容即可实现信号的隔离。但对于使用很广泛的交流电弧，这种方法便无能为力了，而交流电弧焊接是铝合金和铝基复合材料焊接的基本方法。电磁耦合和并联耦合是激发电弧超声的常见耦合形式，其中并联耦合较电磁耦合结构简单且耦合效率更高。
发明内容
本发明的目的是设计一种可将交流焊接电源与超声激励电源耦合的装置，可以实现交变信号与交流电弧激励信号的隔离与耦合，不但保护了超声激励电源，防止了信号的干扰，而且成功激励出电弧超声，将电弧超声的使用从直流焊接领域扩展到交流焊接领域，并将电弧超声技术应用于铝合金及铝基复合材料的焊接中。
本发明所采用的原理为高通滤波电路原理，由于交流电弧的频率为工频50Hz，而超声激励电源的频率为15KHz-70KHz，两者差别很大。利用高通滤波电路通高频阻低频的特点，选择合适的电阻和电容组成一个RC高通滤波器，RC高通滤波器应能实现将焊接电流和超声激励电流的隔离和耦合功能，即在焊接电流不会进入激励源的前提下将激励电流通过并联耦合的形式耦合进焊接信号中。滤波器的输入端接到焊接电源的两端，输出端接到高频激励电源的两端。由于高通滤波器阻低频的特点，工频交流焊接电流不能通过高通滤波器，从而起到信号隔离的作用。同时，高频激励电源由高通滤波器的输出端输入，可以通过电容直接叠加到交流焊接电流中，从而得到经高频调制的交流电弧，耦合在交流电弧中的高频交变信号使电弧激发出超声波，按常规的焊接工艺方法对铝合金及铝基复合材料进行焊接，通过对交流焊接电弧的高频调制，激发出超声，进而影响铝合金及铝基复合材料的焊接冶炼及结晶过程。
所述RC高通滤波器的电阻的电阻值和电容的容值满足
Figure GSA00000049697900011
且
Figure GSA00000049697900012
即可，式中f1为交流焊接电源的工频频率，f2为超声激励电源的激励电流频率，R为该高通滤波器中电阻的电阻值，C为该高通滤波器中电容的容值。
所述超声激励电源的交变信号功率为300W-600W，激励频率为15KHz-70KHz。
所述电阻的功率应大于100W。
本发明在已有电弧超声技术的基础上，完善了超声激励电源与焊接电源的耦合形式，成功实现了利用超声交变信号调制交流电流，从而激发出超声。将电弧超声的获得范围从调制直流电弧获得拓展到了调制交流电弧获得，同时也扩大了电弧超声技术的使用范围，将电弧超声技术拓展到铝合金及铝基复合材料的焊接领域，该技术可以改善铝基复合材料熔化焊中的增强相分布，有效的提高其焊后抗拉强度。
附图说明
图1是本发明中的隔离耦合装置原理图，图中1为容值为50nF的电容，2为电阻值为1KΩ的电阻
图2是本发明的使用连接原理图，图中1为容值为50nF的电容，2为电阻值为1KΩ的电阻，3为电弧，4为工件，5为交流焊接电源，6为超声激励电源
图3是SiCp/6061Al基复合材料常规等离子弧原位焊接接头焊缝组织的SEM图
图4为电弧超声等离子原位焊接接头焊缝组织的SEM图，图中a、b、c、d图分别为施加30KHz、40KHz、50KHz和60KHz电弧超声后的焊缝组织SEM图
具体实施方式
本发明的RC高通滤波器的电阻的电阻值和电容的容值只要满足
Figure GSA00000049697900021
且
Figure GSA00000049697900022
即可，式中f1为交流焊接电源的工频频率，f2为超声激励电源的激励电流，R为该高通滤波器中电阻的电阻值，C为该高通滤波器中电容的容值。
具体实施方式中所使用的电容的电容值为20～50nF，可以由若干单个100nF无极电容串联而成，100nF无极电容的耐压为220V；电阻为1KΩ线绕电阻，功率200W；超声激励电源的交变信号功率为300W-600W，激励频率为15KHz-70KHz。
将若干100nF无极电容通过串联方式获得不同容值，并和1KΩ线绕电阻按如图一的方式连接，组成一个高通滤波器，左端为其输入端，右端为其输出端。将该装置按图二所示与焊接电源和超声激励电源连接，输入端接焊接电源，输出端接超声激励电源。使用时先得到稳定的焊接电弧，然后打开超声激励电源，即可在交流电弧中激励出超声波。
由于不同频率的激励电流通过滤波电路后衰减不同，导致激励效果的差异，因此对于不同频率的激励电流选择不同的电容组成该隔离耦合装置，如表1所示。
表1  不同超声激励电源的频率下隔离耦合装置的电容值
 频率(KHz)   20～30   30～40   40～50   50～60   60～70
 电容(nF)   50   33   25   20   20
本发明提出的铝合金及铝基复合材料的交流电弧超声焊接方法包括以下步骤：
(1)使用若干100nF的电容及1KΩ的电阻，按照表1所示，选择所需频率对应的电容按附图一组成该隔离耦合装置，并按附图二将其与弧焊电源的超声激励源连接。
(2)弧焊电源引弧后，开通超声激励电源。激励频率为15KHz-70KHz，优选50KHz～60KHz。激励功率为300W-600W，优选600W。
(3)按常规的焊接工艺方法对铝合金及铝基复合材料进行焊接，通过对交流焊接电弧的高频调制，激发出超声，进而影响铝合金及铝基复合材料的焊接冶炼及结晶过程。
图1是本发明方法中的隔离耦合装置原理图，图2是本发明方法的使用连接原理图。该隔离耦合装置从弧焊电源连接端到超声激励源连接端为无源高通滤波电路，可以隔离低频的交变焊接电流，避免其对超声激励源造成损害；同时高频的超声激励信号可以通过该装置实现与弧焊电源的并联耦合。由于不同频率的超声激励信号通过电容后的衰减值不同，同时考虑焊接电流的隔离效果，对不同频率的激励信号选取不同容值的电容，以保证激励电流值的稳定。
以SiCp/6061Al为对象，填充材料为Al-5Ti-5Si药芯焊丝，进行了一系列电弧超声试验，选择的频率包括30KHz-70KHz，激励功率600W。焊接试验结果表明采用50KHz-60KHz范围内的电弧超声参数的焊接接头新生增强相分布明显均均匀化，粗大Al3Ti相也呈断续分布。
图3为未加超声时焊缝处的显微组织照片：组织中有连续的条状相，在其附近是具有规则外形的新生颗粒相，晶界处有大量细颗粒状的偏析相，没有发现针状Al4C3相以及气孔、微观裂纹等缺陷。图4a为施加30KHz超声波后焊缝处的显微组织照片，与图3相比，连续的条状相Al3Ti在局部出现了断续现象，晶粒尺寸、新生颗粒相以及晶界处的富Si相没有明显的变化。当加入熔池的超声波频率达到40KHz时，如图4(b)中所示，连续的条状Al3Ti相明显变短，晶界处的富Si相明显减少，同时有部分SiC颗粒进入熔池中。图4(c)和图(d)分别为加入50KHz和60KHz超声波的焊缝组织照片，Al3Ti相已经被割裂为断续的短棒状，晶界处已经看不到富Si相，同时出现了大量的AlN相，50KHz超声下生成的AlN相有团聚的现象，60KHz超声下AlN的团聚现象有所改善，新生的增强颗粒分布较为均匀。
电弧超声等离子原位合金焊接SiCp/6061Al与常规等离子弧焊接相比，其焊接接头的抗拉强度得到了明显的提高，表2是SiCp/6061Al接头拉伸性能的比较
表2  SiCp/6061Al焊接接头拉伸性能比较
 频率(KHz)   0   30   40   50   60
 抗拉强度(MPa)   191.84   239.78   241.22   253.45   246.98
在生产实践中，可以不对原有焊接设备进行改造，直接将弧焊电源和高频激励电源通过该隔离耦合器连接，利用电弧的阻性负载特性激发出超声波，实现传统设备的改善升级，改善铝合金及铝基复合材料的焊接接头质量，具有广泛的应用前景。

Claims (5)

1.一种基于交流电弧激发超声的铝合金及铝基复合材料焊接方法，其特征在于：选择合适的电阻和电容组成一个RC高通滤波器，RC滤波器的输入端接到焊接电源的两端，RC高通滤波器的输出端接到高频激励电源的两端，高频激励电源由RC高通滤波器的输出端输入，通过电容直接叠加到交流焊接电流中，从而得到经高频调制的交流电弧，耦合在交流电弧中的高频交变信号使电弧激发出超声波，按常规的焊接工艺方法对铝合金及铝基复合材料进行焊接，通过对交流焊接电弧的高频调制，激发出超声，进而影响铝合金及铝基复合材料的焊接冶炼及结晶过程，所述RC高通滤波器的电阻的电阻值和电容的容值满足
Figure FSA00000049697800011
且即可，式中f1为交流焊接电源的工频频率，f2为超声激励电源的激励电流频率，R为该高通滤波器中电阻的电阻值，C为该高通滤波器中电容的容值，所述超声激励电源的交变信号功率为300W-600W，激励频率为15KHz-70KHz，所述电阻的功率应大于100W。
2.权利要求1所述的焊接方法，其特征在于：超声激励电源的激励频率为50KHz～60KHz。
3.权利要求1所述的焊接方法，其特征在于：所述超声激励电源的交变信号功率为600W。
4.权利要求1所述的焊接方法，其特征在于：所述RC高通滤波器的电容由若干单个100nF无极电容串联而成。
5.权利要求1所述的焊接方法，其特征在于：所述RC高通滤波器电容的电容值为20～50nF，电阻为1KΩ线绕电阻，功率200W。
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