CN104923884A - 一种超音频直流脉冲熔焊方法 - Google Patents

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吴素君
邵玲
刘雪丽
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Abstract

本发明涉及一种超音频直流脉冲熔焊方法，其目的在于提供一种可以控制热输入量，得到均匀的熔深，适合单面焊双面成形的电弧焊方法；采用超音频脉冲直流电流来加热工件，在峰值电流期间加热熔化工件形成点状的熔池，在基值电流期间使熔池凝固，焊接过程是一个断续的加热过程，焊缝由一个一个点状的熔池叠加而成。本发明采用超音频的优点是控制性能好、频率范围宽和功率可平滑连续调节。采用脉冲电流，熔池金属高温停留时间短，金属冷却速度快，可以减少合金产生裂纹的倾向性；减少焊接电流的有效值，降低焊件的热输入量，电弧能量集中且挺度大，有利于薄板的焊接，焊缝热影响区和焊接变形小。

Description

一种超音频直流脉冲熔焊方法
技术领域
本发明涉及一种焊接方法，尤其涉及对不锈钢、钛、铜等薄板的精密焊接方法。
背景技术
Ti2AlNb合金不仅具有较高的比强度、比刚度，还有高温蠕变抗力、断裂韧性高、抗氧化性好、热膨胀系数低等特点，因此它已经成为最具潜力的新型航空航天用轻质高温结构材料。由于宇航部件结构复杂，多为同种或异种材料连接，因此Ti2AlNb合金的焊接研究已经成为此类材料推广应用的关键问题。Ti2AlNb合金对其焊接方法的研究已经有了很大的成果，比如真空电子束焊接已经研究得相当成熟，得到了性能优异的焊接接头。但减低焊接成本，得到性价比高的焊接接头也是一个亟待解决的问题。
常用的钨极氩弧焊方法存在能量密度低、焊接熔深浅等不足，直接影响着其应用范围。在传统氩弧焊焊接工艺的基础上，我们设计了几种新型的氩弧焊焊接方法：活性剂氩弧焊，根据钛合金氩弧焊的研究，使用活性剂的焊接工艺焊接接头明显增加焊缝熔深，缩小热影响区宽度，改善焊缝成形和结晶过程；超音频直流脉冲氩弧焊，脉冲电流的频率越高，焊缝组织越好，可有效的减少沿晶裂纹，获得优异的接头性能；改善的直流脉冲氩弧焊，将焊接过程处于充氩气的环境中，可以对焊接接头进行更好的保护，减少有害杂质气体的侵入，或将焊接位置放在铜垫板或者钢垫板上施焊会对焊接接头产生有利的影响。这些新型的氩弧焊工艺不仅能够克服传统方法的不足，又能继承其成本低操作方便等优点。然而在这几种新型的氩弧焊焊接方法中，获得的Ti2AlNb合金焊接接头性能最好的是采用超音频直流脉冲氩弧焊方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低成本、脉冲电流频率高和焊接热输入过程具有调节能力的电弧焊方法，用于实现不锈钢、钛、铜等薄板，及这些材料的中厚板的有效焊接。
本发明是一种超音频直流脉冲熔焊方法，采用超音频直流脉冲TIG焊机，在焊接过程中可以进行填充焊丝或不填充焊丝焊接。通过采用超音频脉冲直流电控制热输入量，得到均匀的熔深，细化焊缝中的晶粒和减少焊缝中的气孔量，从而提高接头的力学性能。
优选地，电源的脉冲电流频率≥20kHz，占空比调节范围10％～80％。峰值电流产生电路输出电压为50～70V，输出电流为1～300A。基值电流产生电路输出电压为50～70V，输出电流为1～300A，电流变化率di/dt≥50A/us。
本发明超音频直流脉冲TIG焊工艺稳定性好，接头表面成形连续、均匀、美观、焊接过程几乎无飞溅。焊接接头的平均抗拉剪强度为804MPa，最大的可达978MPa。因此该工艺方法可达到较高的抗拉剪强度，能够满足实际应用的需求。
本发明具有以下有益效果：通过采用脉冲电流，熔池金属高温停留时间短，金属冷却速度快，可减少合金产生裂纹的倾向性；可以减少焊接电流的有效值，降低焊接的热输入量，电弧能量集中且挺度大，有利于薄板的焊接，焊接热影响区和焊接变形小；可以控制热输入量，得到均匀的熔深，适合单面焊双面成形。脉冲电弧的振荡作用可以细化晶粒，减少气孔量，提高接头的力学性能。
附图说明
图1是Ti2AlNb合金对接接头的金相照片。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的说明，但本发明并不限于以下实施例。实施例中采用的实施条件可以根据具体使用的不同要求做进一步调整，未注明的实施条件为本行业中的常规条件。
一种Ti2AlNb合金高温结构材料超音频直流脉冲TIG焊方法，包括依次进行如下步骤：
步骤1：选取厚度为1.5mm的Ti2AlNb合金热轧板，进行喷砂处理以去除板材表面氧化皮，随后进行酸洗处理以去除表面的氧化膜；
步骤2：将试样规格为170mm×70mm的Ti2AlNb合金板材固定在焊接夹具上进行对接焊接，调节送丝装置的位置和角度，并利用氩气对焊缝进行保护，或者也可以进行无填充焊丝对接焊接；
步骤3：利用超音频直流脉冲TIG焊机的焊枪加热焊丝及Ti2AlNb合金板材形成熔池，冷却后形成熔焊接头，用肉眼观察，板材没有发现明显的变形现象；
优先地，步骤(2)中，所述的焊丝选用直径为1.6mm的TC4焊丝；电极为铈钨W-2％Ce，直径2.4mm，弧长3mm。
步骤4：根据实际情况设定焊接工艺参数，基值电流为30～35A，峰值电流为75～80A，电压为8.2～8.9V，氩气流量为13L/min，焊接速度为0.12～0.2m/min，送丝速度为0.26～0.29m/min，频率为20～60kHz，极性为DCSP(正极性)，占空比为50％～80％；
步骤5：焊接后，对焊缝成形和接头性能进行检测。采用上海TX1505型工业X射线探伤机对焊接接头进行X射线照相法探伤。测试其抗拉剪强度，Ti2AlNb合金熔焊接头的平均抗拉剪强度≥865MPa，其达到母材抗拉剪强度的84％以上。对不填加焊丝的Ti2AlNb合金熔焊接头的平均抗拉剪强度能达到母材抗拉剪强度的80％，其延伸率能达到母材的20％。
以上对本发明做了详尽的描述，其目的在于让此技术领域的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明的精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种超音频直流脉冲熔焊方法，其特征在于，采用超音频直流脉冲TIG焊机，通过超音频脉冲直流电流控制热输入量来焊接待焊材料，得到均匀的熔深。
2.根据权利要求1所述的超音频直流脉冲熔焊方法，其特征在于，所述超音频直流脉冲TIG焊机的电源的脉冲电流频率≥20kHz，占空比调节范围10％～80％，峰值电流产生电路输出电压为50～70V，输出电流为1～300A，基值电流产生电路输出电压为50～70V，输出电流为1～300A，电流变化率di/dt≥50A/us。
3.根据权利要求1所述的超音频直流脉冲熔焊方法，其特征在于，在焊接过程中进行填充焊丝或不填充焊丝焊接。
4.根据权利要求3所述的超音频直流脉冲熔焊方法，其特征在于，采用可控脉冲电流加热待焊材料，在峰值电流期间加热熔化待焊材料形成点状的熔池，在基值电流期间使熔池凝固，焊接过程是一个断续的加热过程，焊缝由点状的熔池叠加而成。
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