CN102615398A - 异种金属的穿孔型tig电弧熔钎焊方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种异种金属的穿孔型TIG电弧熔钎焊方法，步骤如下：用刚性夹具和铜垫板夹紧钢/铝或钛/铝板材，装配成对接接头，确保间隙与成形槽尺寸匹配；将送丝机的导丝嘴与焊枪装配为一体，送丝角度为30-45°，送丝位置为低熔点金属侧送给，钨极与工件之间的距离控制在2-3mm范围内；穿透型小孔明显长大以后以点动送丝方式沿低熔点金属侧送入焊丝至穿透型小孔内，待熔池在坡口正反面铺展后继续沿坡口流动，形成明显的穿透型小孔后继续点动填丝，如此反复，直至熔钎焊过程完成。本发明穿孔内的等离子体压力促使液态金属向高熔点金属背面铺展，可实现单面焊双面成形。无需复杂的设备与结构，操作简单，成本低，过程稳定性好。

Description

异种金属的穿孔型TIG电弧熔钎焊方法

(一)技术领域

本发明涉及熔钎焊技术，具体说就是一种用于异种金属的穿孔型TIG电弧熔钎焊方法。

(二)背景技术

异种金属复合构件具有两种金属各自的物化性能，对航空、汽车等领域的减重和低成本设计具有重要意义，目前越来越广泛地应用于现代工业结构生产。然而，当两种金属熔点相差悬殊，各自物化性能相差很大，容易出现冶金不相容的问题，焊接接头内容易产生大量的金属间化合物脆性相，给异种金属的连接带来了极大的困难。

电弧熔钎焊技术是采用电弧为加热源，在适当的线能量条件下将熔池温度控制在两种金属熔点之间的温度范围内。低熔点金属发生熔化与熔池混合形成熔焊接头，同时高熔点金属保持固态，通过与熔池之间元素溶解扩散形成钎焊连接，线能量的控制是降低钎焊界面金属间化合物影响的关键。激光熔钎焊技术由于加热速度快，能量集中等特点，越来越广泛地应用于难焊金属的焊接。同时其能量集中的特性导致了钎焊界面上的温度分布不均匀，对接接头厚度方向的化合物脆性相组织结构不一致，从而降低了接头的力学性能。TIG电弧能量密度较激光低，电弧发散，可大幅度降低对接接头厚度方向的组织不均匀性。目前，限制电弧熔钎焊技术应用的关键在于如何促进液态熔池在高熔点金属坡口内铺展。

德国拜罗伊特大学的H.Laukant等人采用双加热源的并行加热的模式，提高铝/钢搭接中液态铝在钢表面的铺展长度，以实现铝/钢搭接接头的熔钎焊。哈尔滨工业大学的张洪涛等人提出了活性剂电弧熔钎焊技术，用以解决铝和镀锌钢MIG熔钎焊中铺展困难的问题。重庆大学的罗键通过在电弧上方添加励磁线圈，对熔池进行电磁激励，以促使液态金属在高熔点金属上铺展。这些改善铺展的技术的共同特点是都以牺牲设备复杂性和操作简便性为前提。从焊接方法的角度如何才能促进液态金属的流动？在等离子弧焊基础上发展而成了小孔型等离子弧焊技术，利用电弧熔透工件形成穿透型小孔，熔池被排挤到小孔的周围沿着熔池壁向后流动，实现薄板的单面焊双面成形。激光小孔焊则是利用母材金属的迅速熔化、汽化和电离，在金属蒸汽和等离子压力作用下形成小孔，可进行深熔焊接。

基于以上分析，如何通过普通TIG电弧实现熔池铺展？是异种金属电弧熔钎焊过程稳定性和质量控制的关键。通过调整设备装置、工艺参数与填丝模式，实现异种金属的优质电弧熔钎焊，可大幅度钎焊界面组织性能的不均匀性，促进液态金属润湿铺展以实现单面焊双面成形。同时大大降低异种金属连接的成本，简化工序。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种异种金属的穿孔型TIG电弧熔钎焊方法，解决异种金属熔钎焊时钎焊界面组织性能的不均匀性和液态金属铺展困难的问题。

本发明的目的是这样实现的：步骤如下：

步骤一：试验工件与设备准备：交流TIG焊机1台，点动式送丝机1套，自动行走机构1套，带成形槽的铜垫板1块，刚性夹具1套，工件：工件31为高熔点金属钢或钛合金，开Y型坡口，工件32为低熔点的铝合金，焊丝：直径为2.5-4mm。

步骤二：用刚性夹具和铜垫板夹紧钢/铝或钛/铝板材，装配成对接接头，确保间隙与成形槽尺寸匹配，以获得合适的背面成形尺寸；

步骤三：将送丝机的导丝嘴与焊枪装配为一体，送丝角度为30-45°，送丝位置为低熔点金属侧送给，将夹持于自动行走机构上的TIG焊枪安置于工件坡口上方，确保焊枪钨极垂直对准高熔点金属坡口钝边附近，同时将钨极与工件之间的距离控制在2-3mm范围内；

步骤四：在充氩成形槽内通入氩气，进行焊件背面保护；

步骤五：启动焊接电源加热工件，电弧稳定后填入焊丝，熔滴稍微铺展即启动行走机构，使焊枪以沿焊接方向行走，焊速：0.5-2mm/s；

步骤六：待熔池沿坡口向焊接方向流动铺展，在钨极前端汇合形成一个穿透型小孔，穿透型小孔明显长大以后以点动送丝的方式沿低熔点金属侧送入焊丝至穿透型小孔内，待熔池在坡口正反面铺展后继续沿坡口流动，形成明显的穿透型小孔后继续点动填丝，如此反复，直至熔钎焊过程完成；

步骤七：熔钎焊过程完毕后关闭电源，待工件完全冷却后关闭充氩成形槽内的氩气。

本发明与现有的技术方法相比，本发明具有明显的特征。与小孔型等离子弧焊相比，采用TIG电弧进行异种金属的连接，避免了等离子束等高能量密度热源导致的钎焊界面组织性能的不均匀性。与激光小孔焊相比，热源变为TIG电弧，小孔为穿透型小孔，利用电弧压力促使液态金属在接头背面良好地润湿铺展。与普通电弧熔钎焊相比，焊接过程中引入穿孔，明显增强了液态金属的铺展，实现了单面焊双面成型。同时电弧主要加热高熔点金属上铺展形成的液膜，降低了基体熔化量，有利于控制钎焊界面的化合物数量。

本发明具有以下优点：

1)采用TIG电弧加热，能量密度相对激光束、电子束等分布均匀，可降低接头钎焊界面因高能量密度导致的温度梯度，促使形成一致性较好的界面组织结构；

2)穿孔形成过程使高熔点金属坡口在多数情况下被液态金属覆盖，导致坡口加热方式转变为通过液膜热传导加热，可控制基体的熔化量，减少界面化合物脆性相的生成；

3)穿孔内的等离子体压力促使液态金属向高熔点金属背面铺展，可实现单面焊双面成形。

4)无需复杂的设备与结构，操作简单，成本低，过程稳定性好。

(四)附图说明

图1异种金属的穿孔型TIG电弧熔钎焊方法示意图；

图2异种金属的穿孔型TIG电弧熔钎焊熔池动态行为示意图；

图3Ti/Al异种合金穿孔型TIG电弧熔钎焊接头成形图。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明作进一步说明。

实施例1：结合图1、图2，本发明异种金属的穿孔型TIG电弧熔钎焊方法，按以下步骤实现：

步骤一：试验工件与设备准备：交流TIG焊机1台，点动式送丝机1套，自动行走机构1套，带成形槽的铜垫板1块，刚性夹具1套，工件：工件(31)为高熔点金属钢或钛合金，开Y型坡口，工件(32)为低熔点的铝合金，焊丝：直径为2.5-4mm；

步骤二：用刚性夹具和铜垫板夹紧钢/铝或钛/铝板材，装配成对接接头，确保间隙与成形槽尺寸匹配，以获得合适的背面成形尺寸；

步骤三：将送丝机的导丝嘴与焊枪装配为一体，送丝角度为30-45°，送丝位置为低熔点金属侧送给，将夹持于自动行走机构上的TIG焊枪安置于工件坡口上方，确保焊枪钨极垂直对准高熔点金属坡口钝边附近，同时将钨极与工件之间的距离控制在2-3mm范围内；

步骤四：在充氩成形槽内通入氩气，进行焊件背面保护；

步骤五：启动焊接电源加热工件，电弧稳定后填入焊丝，熔滴稍微铺展即启动行走机构，使焊枪以沿焊接方向行走，焊速：0.5-2mm/s；

步骤六：待熔池沿坡口向焊接方向流动铺展，在钨极前端汇合形成一个穿透型小孔，穿透型小孔明显长大以后以点动送丝的方式沿低熔点金属侧送入焊丝至穿透型小孔内，待熔池在坡口正反面铺展后继续沿坡口流动，形成明显的穿透型小孔后继续点动填丝，如此反复，直至熔钎焊过程完成；

步骤七：熔钎焊过程完毕后关闭电源，待工件完全冷却后关闭充氩成形槽内的氩气。

实施例2：结合图2，本发明异种金属的穿孔型TIG电弧熔钎焊方法，形成了动态变化的熔池：1)焊缝凝固与工件加热，熔钎焊过程中随着焊枪向前移动，液态铝熔池从坡口及焊缝边沿开始凝固，形成椭圆形的熔池，如图2(a)。同时TIG电弧加热坡口，坡口温度逐渐升高；2)穿孔型熔池形成，TIG电弧加热一段时间后，坡口内侧温度逐渐升高。高熔点工件(31)侧电极斑点的数量增多，电极斑点大大降低了界面张力，液态金属沿着工件(31)坡口向前逐渐铺展。同时，较大的线能量使低熔点工件(32)坡口部分发生熔化，随着液态熔池的流动，TIG电弧的等离子流力吹出一个偏向铝合金侧的小孔，从而形成具有穿透型小孔型的熔池，如图2(b)。穿孔的形成和变化过程对保证熔钎焊接头的反面成形具有重要的意义；3)熔滴桥接与熔池混合，随着时间的推移，小孔型熔池中小孔逐渐长大，在小孔破坏之前通过快速点动送丝送进焊丝，熔滴在表面张力作用下过渡到熔池中，穿孔被迅速填满，熔滴的“桥接”作用使焊丝与原来的熔池混合，形成范围更广的熔池，如图2(c)；4)熔池铺展与焊缝凝固，液态铝熔池在重力作用下沿坡口向接头反面流动，低熔点工件(32)受成形槽的约束作用强制成形，液态金属在高熔点工件坡口与反面润湿铺展，该过程受界面张力阻碍，在接头反面高熔点工件(31)侧形成自由成形。接头正面液态金属在坡口内填充完毕后，剩余的液态金属在接头正面继续侧铺展，直到受界面张力限制而成形。快速点动送丝对熔池的冲击振荡促进了液态金属在正反面的润湿铺展，如图2(d)。之后随着温度的下降新熔池逐渐凝固，如此反复进行，最终形成正反面成形的Ti/Al熔钎焊接头。

实施例3：结合图1、图3，以被焊接工件2mm厚的钛合金板和铝合金板为例来说明本实施方式的实现步骤。

步骤一：在钛合金侧边开45°单边坡口，并加工0.5mm钝边，填充材料为直径3mm的AlCu6焊丝，铜垫板上成形槽宽4mm，深3mm，采用MAG焊送丝机进行点动送丝；

步骤二：将钛板和铝板夹持在铜垫板上，使对接坡口根部间隙为1.5-2mm，坡口间隙位于成形槽正中上方位置；

步骤三：将送丝机的导丝嘴(2)与TIG焊枪(1)装配为一体，送丝角度为30°，从铝合金侧送给。将夹持于自动行走机构上的TIG焊枪安置于工件坡口上方，确保钨极对准钛坡口钝边位置。同时将钨极与工件之间的距离调制在2-3mm范围内；

步骤四：在充氩成形槽内通入氩气，进行焊件背面保护，氩气流量为5L/min；

步骤五：启动TIG焊接电源加热工件，焊接电流为110A，电弧稳定后填入焊丝，焊丝熔滴稍微铺展即启动行走机构，使焊枪以1.25mm/s的速度沿焊接方向行走。

步骤六：待熔池沿坡口向焊接方向流动铺展，在钨极前端汇合形成一个穿透型小孔，小孔明显长大以后以点动送丝的方式沿送入焊丝至穿孔内，待熔池在坡口正反面铺展后继续沿坡口流动，形成穿透型小孔后继续点动填丝，如此反复，直至熔钎焊过程完成；

步骤七：熔钎焊过程完毕后关闭电源，待工件完全冷却后关闭充氩成形槽内的氩气，即实现了钛/铝异种金属的穿孔型TIG电弧熔钎焊。

最终获得的Ti/Al熔钎焊接头正反面成形如图3所示，接头抗拉强度达到270MPa。

实施例4：结合图1说明本实施方式，本实施方式的步骤1中工件(31)为3mm厚不锈钢板，工件(32)为3mm的铝板，焊丝为AlSi5焊丝。其它步骤与具体实施方式一相同。

Claims (1)

1.一种异种金属的穿孔型TIG电弧熔钎焊方法，其特征在于：步骤如下：

步骤一：试验工件与设备准备：交流TIG焊机1台，点动式送丝机1套，自动行走机构1套，带成形槽的铜垫板1块，刚性夹具1套，工件：工件(31)为高熔点金属钢或钛合金，开Y型坡口，工件(32)为低熔点的铝合金，焊丝：直径为2.5-4mm；

步骤二：用刚性夹具和铜垫板夹紧钢/铝或钛/铝板材，装配成对接接头，确保间隙与成形槽尺寸匹配，以获得合适的背面成形尺寸；

步骤三：将送丝机的导丝嘴与焊枪装配为一体，送丝角度为30-45°，送丝位置为低熔点金属侧送给，将夹持于自动行走机构上的TIG焊枪安置于工件坡口上方，确保焊枪钨极垂直对准高熔点金属坡口钝边附近，同时将钨极与工件之间的距离控制在2-3mm范围内；

步骤四：在充氩成形槽内通入氩气，进行焊件背面保护；

步骤五：启动焊接电源加热工件，电弧稳定后填入焊丝，熔滴稍微铺展即启动行走机构，使焊枪沿焊接方向行走，焊速为0.5-2mm/s；

步骤六：待熔池沿坡口向焊接方向流动铺展，在钨极前端汇合形成一个穿透型小孔，穿透型小孔明显长大以后以点动送丝的方式沿低熔点金属侧送入焊丝至穿透型小孔内，待熔池在坡口正反面铺展后继续沿坡口流动，形成明显的穿透型小孔后继续点动填丝，如此反复，直至熔钎焊过程完成；

步骤七：熔钎焊过程完毕后关闭电源，待工件完全冷却后关闭充氩成形槽内的氩气。

Images