CN102069282A - 一种铝基复合材料顶锻等离子弧焊夹具及弧焊方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铝基复合材料棒熔化连接技术,特别是一种铝基复合材料顶锻等离子弧焊工艺方法。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，有效地改善了焊缝组织恶化问题；采用的专用工装夹具，可以在铝基复合材料结合处被熔化后，利用预紧力将被熔化的焊缝金属挤出，保证被烧损的增强相被挤出，净化了接头，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，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。

Description

一种铝基复合材料顶锻等离子弧焊夹具及弧焊方法

技术领域

本发明涉及一种铝基复合材料熔化焊技术，特别是一种铝基复合材料顶锻等离子弧焊夹具及弧焊方法。

背景技术

颗粒增强铝基复合材料由于其具有综合性能高、制造成本低、各向同性、二次加工性能好等优点，在航空、航天、汽车等工业领域具有广阔的应用前景。铝基复合材料中由于增强体的引入，使得其焊接工艺过程变得相当困难，主要原因是增强体与基体铝合金之间的物理和化学性能如熔点、导电性、导热性和线膨胀系数等存在巨大差异，导致采用普通的焊接方法焊接时容易出现气孔、夹杂、成分片析和焊缝成形不良等缺陷。尽管目前有许多焊接工作者正在致力于开展铝基复合材料的焊接研究工作，但是，迄今为止，人们还没有找到行之有效的焊接方法成功实现此类材料的高质量连接，成为铝基复合材料走向实用化的瓶颈。

熔化焊由于具有应用范围广、使用成本低等优点，从而在金属的焊接中得到广泛应用。TIG、MIG 应用于铝合金焊接中取得了令人满意的焊接质量，但应用于铝基复合材料的焊接结果却很不理想，主要原因为：（1）增强相与基体铝合金物理性能特别是熔点相差很大，给熔池温度控制带来困难；（2）容易引起基体—增强相间的界面反应，生成脆性化合物，极大的降低了接头的性能，而且界面反应生成物在一定环境下变得极不稳定，将进一步降低接头的使用性能；（3）大量固态增强相存在于熔融液态铝基体中，使熔池的动力学状态与结晶方式变得复杂，同时导致产生大量夹渣、气孔、孔穴等缺陷。这严重制约着熔焊方法在铝基复合材料连接中的应用。

专利（公开号：101204760）公开了一种用于焊接记忆合金丝的专用夹具及方法，但该专利不能用于焊接杆状铝基复合材料，其原因是该专利的结构弹簧储存的能量在焊接过程中随着合金丝的熔化逐渐释放，不能产生对接头冲击与顶锻的作用，无法实现对较大直径铝基复合材料杆熔池瞬时挤压，因为无法获得优质的接头；压力大小与弹簧张开距离也不能方便调节。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种铝基复合材料顶锻等离子弧焊夹具及方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种铝基复合材料顶锻等离子弧焊夹具，包括电磁铁、动压板、静压板、电磁铁的动铁心、连杆、后挡板、底座、挡板、弹簧、前挡板；

底座上设置后挡板，后挡板上固连电磁铁，电磁铁的前方设置动压板，所述电磁铁通过电磁铁的动铁心、连杆与动压板相连，推动动压板移动，动压板的两侧设置固连于底座上的挡板，该挡板对动压板横向限位，动压板的前方设置固连于底座上的前挡板，底座上开有凹槽，该凹槽位于前挡板的前方，凹槽的中心开有通气孔；动压板上开有第一导向孔，后挡板上开有第二导向孔，第一导向孔与第二导向孔同轴设置；动压板与后挡板之间设置弹簧，动压板的上方开有螺丝孔，该螺丝孔与第一导向孔连通；底座上还开有导向槽，该导向槽与后挡板分别位于凹槽的两侧，导向槽与第一导向孔同轴设置；导向槽的上方设置固定铝基复合材料杆的静压板。

一种铝基复合材料顶锻等离子弧焊方法，包括以下步骤：

步骤1、启动电磁铁，使动压板向后移动，对弹簧进行预压缩；

步骤2、将清理后的两个被焊铝基复合材料杆装入工装夹具，其中一个杆装入导向槽上，另外一个杆装入动压板的第一导向孔中，该杆的一端位于第二导向孔中，两个被焊铝基复合材料杆相互对紧并用螺丝将位于第一导向孔中的杆子固定在动压板上；

步骤3、将熔化焊接热源垂直固定在被焊铝基复合材料接头上方；

步骤4、打开焊机电源，使焊机产生出的高能密度束流的热源对准接头位置施焊，使之熔化，在焊接过程中，同时由工装夹具的通气孔在下部向施焊部位通惰性保护气体,与焊矩中的惰性气体联合进行保护；

步骤5、焊接完毕熄弧瞬间关闭电磁铁，弹簧将储存的能量释放，推动动压板运动，并最终推动被焊铝基复合材料杆运动，实现对接头的冲击顶锻；

步骤6、焊接结束后继续由通气孔通保护气2-3分钟，直到完全冷却至室温后，卸下被焊工件，完成整个焊接过程。

本发明与现有技术相比，其显著优点： 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，有效地改善了焊缝组织恶化的问题；2、采用的专用工装夹具，可实现焊接熔池凝固前瞬时冲击顶锻，将被熔化的焊缝金属及增强相全部挤出，吸取了熔化焊与闪光对焊的突出优点，保持了焊接接头组织与母材接近，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，显著提高了接头的拉伸强度；3、本发明工艺简单，用于该工艺的夹具设计合理，使用方便，可铝基复合材料棒料的连接技术中；4、本发明的目的是针对铝基复合材料熔化焊现有技术的不足提供一种能保证焊接接头的80%拉伸强度的顶锻高能束流焊工艺方法。可实现6mm以下棒状铝基复合材料的焊接，也可实现棒状铝基复合材料与铝合金棒异种材料之间的焊接等，实现焊缝无夹杂、孔洞、未熔合等缺陷的优质焊接接头。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是顶锻等离子束铝基复合材料弧焊方法示意图。

图2是顶锻等离子束铝基复合材料弧焊专用夹具主视图。

图3是顶锻等离子束铝基复合材料弧焊专用夹具俯视图。

图4是本发明所述顶锻等离子束铝基复合材料弧焊的工艺流程图。

具体实施方式

结合图1、图2、图3，本发明的一种铝基复合材料顶锻等离子弧焊夹具，包括电磁铁1、动压板2、静压板4、电磁铁的动铁心6、连杆7、后挡板9、底座10、挡板12、弹簧13、前挡板14；

底座10上设置后挡板9，后挡板9上固连电磁铁1，电磁铁1的前方设置动压板2，所述电磁铁1通过电磁铁的动铁心6、连杆7与动压板2相连，推动动压板2移动，动压板2的两侧设置固连于底座10上的挡板12，该挡板12对动压板2横向限位，动压板2的前方设置固连于底座10上的前挡板14，底座10上开有凹槽15，该凹槽15位于前挡板14的前方，凹槽15的中心开有通气孔17；动压板2上开有第一导向孔8，后挡板9上开有第二导向孔18，第一导向孔8与第二导向孔18同轴设置；动压板2与后挡板9之间设置弹簧13，动压板2的上方开有螺丝孔11，该螺丝孔与第一导向孔8连通；底座10上还开有导向槽16,该导向槽与后挡板9分别位于凹槽15的两侧，导向槽16与第一导向孔8同轴设置；导向槽16的上方设置固定铝基复合材料杆的静压板4。弹簧13的数量为两个，该两个弹簧位于第一导向孔8的两侧。

结合图4，一种铝基复合材料顶锻等离子弧焊方法，包括以下步骤：

步骤1、启动电磁铁，使动压板2向后移动，对弹簧13进行预压缩；

步骤2、将清理后的两个被焊铝基复合材料杆装入工装夹具，其中一个杆装入导向槽16上，另外一个杆装入动压板2的第一导向孔8中，该杆的一端位于第二导向孔18中，两个被焊铝基复合材料杆相互对紧并用螺丝将位于第一导向孔8中的杆子固定在动压板2上；

步骤3、将熔化焊接热源垂直固定在被焊铝基复合材料接头上方；

步骤4、打开焊机电源，使焊机产生出的高能密度束流的热源对准接头位置施焊，使之熔化，在焊接过程中，同时由工装夹具的通气孔17在下部向施焊部位通惰性保护气体,与焊矩中的惰性气体联合进行保护；

步骤5、焊接完毕熄弧瞬间关闭电磁铁，弹簧将储存的能量释放，推动动压板运动，并最终推动被焊铝基复合材料杆运动，实现对接头的冲击顶锻；直至将结合部位被熔化的焊缝金属及部分增强相挤出，获得均匀的与母材相同的焊接接头；

步骤6、焊接结束后继续由通气孔17通保护气2-3分钟，直到完全冷却至室温后，卸下被焊工件，完成整个焊接过程。

具体而言，等离子焊接系统作为施焊热源3，它通过支架垂直固定在被焊杆状铝基复合材料5接头的上方，等离子热源3的电极与被焊复合材料棒接头的垂直距离视具体焊接工艺规范而定；对接焊接时，应保证两根被焊铝基复合材料棒5的准确同轴对紧，电磁铁1启动吸合条件下，弹簧13被预压紧，但铝基复合材料5之间并无预紧力，可进行正常焊接。通过调整弹簧的弹力及电磁铁的提升高度来调节顶锻力及顶锻距离。通气孔17与惰性气体相接，工作时，保护气体通过通气孔17喷出，同时焊矩3内也有保护气体喷出，局部排开焊接部位空气，起到对焊接接头的联合保护作用。

下面结合附图，以常用直径为6mmAl₂O_3P/Al复合材料棒料焊接为例，对本发明作进一步详细描述。

选用美国产的具有高能束流的WC-100B“飞马特”逆变等离子弧电源。实施时，启动电磁铁1，动铁心6提升，通过连杆7带动动压板2产生位移；将两根6mm铝基复合材料杆5分别放入导向槽16及第一导向孔8及第二导向孔18中，然后采用静压板4将铝基复合材料棒压紧固定，调整铝基复合材料棒5使两根棒对紧，用螺丝孔11中的螺丝将杆紧固。焊接时，预先使通气孔17中通气对铝基复合材料进行保护，启动焊机，使焊矩3产生等离子弧，对对接铝基复合材料棒5接缝进行焊接，焊接电流为150A，焊接时间2.2S，弹簧力为1.47N。熄弧的同时使电磁铁1断电，电磁吸力消失，弹簧13储存的弹力得到释放，对焊缝进行顶锻。结合部位熔化的金属及部分增强颗粒被挤出，获得高质量的焊接接头。焊接后继续通保护气，对焊缝进行延时保护。该方法可实现对焊缝的瞬时冲击顶锻，挤出烧损的增强颗粒，具有质量可靠，内部无杂质、外观成形良好等优点。

Claims (3)

1.一种铝基复合材料顶锻等离子弧焊夹具，其特征在于，包括电磁铁[1]、动压板[2]、静压板[4]、电磁铁的动铁心[6]、连杆[7]、后挡板[9]、底座[10]、挡板[12]、弹簧[13]、前挡板[14]；

底座[10]上设置后挡板[9]，后挡板[9]上固连电磁铁[1]，电磁铁[1]的前方设置动压板[2]，所述电磁铁[1]通过电磁铁的动铁心[6]、连杆[7]与动压板[2]相连，推动动压板[2]移动，动压板[2]的两侧设置固连于底座[10]上的挡板[12]，该挡板[12]对动压板[2]横向限位，动压板[2]的前方设置固连于底座[10]上的前挡板[14]，底座[10]上开有凹槽[15]，该凹槽[15]位于前挡板[14]的前方，凹槽[15]的中心开有通气孔[17]；动压板[2]上开有第一导向孔[8]，后挡板[9]上开有第二导向孔[18]，第一导向孔[8]与第二导向孔[18]同轴设置；动压板[2]与后挡板[9]之间设置弹簧[13]，动压板[2]的上方开有螺丝孔[11]，该螺丝孔与第一导向孔[8]连通；底座[10]上还开有导向槽[16],该导向槽与后挡板[9]分别位于凹槽[15]的两侧，导向槽[16]与第一导向孔[8]同轴设置；导向槽[16]的上方设置固定铝基复合材料杆的静压板[4]。

2.根据权利要求1所述的铝基复合材料顶锻等离子弧焊夹具，其特征在于，弹簧[13]的数量为两个，该两个弹簧位于第一导向孔[8]的两侧。

3.一种基于权利要求1所述铝基复合材料顶锻等离子弧焊夹具的弧焊方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、启动电磁铁，使动压板[2]向后移动，对弹簧[13]进行预压缩；

步骤2、将清理后的两个被焊铝基复合材料杆装入工装夹具，其中一个杆装入导向槽[16]上，另外一个杆装入动压板[2]的第一导向孔[8]中，该杆的一端位于第二导向孔[18]中，两个被焊铝基复合材料杆相互对紧并用螺丝将位于第一导向孔[8]中的杆子固定在动压板[2]上；

步骤3、将熔化焊接热源垂直固定在被焊铝基复合材料接头上方；

步骤4、打开焊机电源，使焊机产生出的高能密度束流的热源对准接头位置施焊，使之熔化，在焊接过程中，同时由工装夹具的通气孔[17]在下部向施焊部位通惰性保护气体,与焊矩中的惰性气体联合进行保护；

步骤5、焊接完毕熄弧瞬间关闭电磁铁，弹簧将储存的能量释放，推动动压板运动，并最终推动被焊铝基复合材料杆运动，实现对接头的冲击顶锻；

步骤6、焊接结束后继续由通气孔[17]通保护气2-3分钟，直到完全冷却至室温后，卸下被焊工件，完成整个焊接过程。

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