CN106903398A - 一种真空/保护气氛下组合热源焊接方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种真空/保护气氛下组合热源焊接方法及其装置。所述的焊接方法为：在真空或惰性气氛保护环境下，作为基础热源的加热炉体对焊件进行整体加热至600～1200℃的较高温度，并保持该温度；然后采用作为局部加热热源的焊枪将待焊区域加热熔化，冷却凝固形成焊缝；随后在基础热源作用下使焊件以规定的冷却速度冷却至室温，从而完成焊接过程。所述焊接装置由：真空泵组、炉体、加热室、焊接电源、基础加热电源、控制柜、耐高温数控移动机构、焊枪及送丝机构组成。该焊接方法及其装置可有效避免室温低塑性金属材料的焊接裂纹问题。

Description

一种真空/保护气氛下组合热源焊接方法及其装置
技术领域
本发明涉及一种真空/保护气氛下组合热源焊接方法及其装置，属于焊接技术领域。
背景技术
随着航空航天工业的发展，对高温结构材料的性能要求也越来越高，不仅要求耐高温和抗氧化而且要求很高的比强度和比刚度。TiAl等金属间化合物以其低密度、高模量和优异的高温强度、抗蠕变、抗氧化和阻燃性能而被公认为最具有发展潜力的高温结构材料。
该类合金的自身及其与异种材料的连接技术，是该类材料工程应用的关键技术之一。目前国内外在该类材料的连接方面主要专注于其固态连接方法，如钎焊、扩散焊、摩擦焊等。
虽然通常认为固相连接技术是TiAl基金属间化合物较为有效的连接方法，但是对于复杂结构的连接，固相连接方法受到限制，且接头高温性能难以满足要求，因此有必要研究其熔焊连接工艺及接头性能。TiAl金属基复合材料室温塑性低，变形能力差，使其采用熔焊工艺进行连接时，焊缝极易形成冷裂纹，从而成为该类材料工程化应用的难点。国内外关于TiAl金属基复合材料的熔焊工艺连接方面开展的研究较少，主要通过焊前电子束扫描或者激光扫描的方法预热工件，焊后继续扫描加热以控制工件的冷却速度，降低焊接应力，从而控制裂纹的产生。但是上述方法只能局部加热工件，难以精确控制工件的温度且不能控制冷却速度，使得焊接冷裂纹问题不能完全避免。
然而，目前还没有相应的焊接方法和设备在真空或者惰性气氛环境下来精确控制焊前工件的预热温度、预热加热速度、焊后工件加热温度以及焊后冷却速度。
此外，高温合金焊接基本都有热裂纹形成的倾向，其中，沉淀强化合金比固溶强化合金的热裂倾向大，铸造合金比变形合金的热裂倾向大。焊接过程中产生的热裂纹主要有焊缝凝固裂纹和热影响区液化裂纹两种，焊后热处理过程中铝、钛含量高的沉淀强化高温合金和铸造高温合金还容易产生应变时效裂纹。裂纹产生的除了与γ’相体积分数有关外，焊接热应力是导致裂纹形成的必要条件。目前主要采用低强度的合金焊料、降低焊接热输入等措施来控制裂纹的产生。使用低强度合金焊料时，焊接接头强度、持久等室/高温力学性能与母材相比下降幅度较大，难以满足工程化应用。当采用降低焊接热输入方法控制热裂纹时存在以下问题：热输入的大小与焊接热裂纹的形成关系难以确定；针对焊接厚度较大时，为保证焊接深度，焊接热输入不能太小；不是所有铸造高温合金都适用。
发明内容
本发明正是针对上述现有技术中存在的问题而设计提供了一种真空/保护气氛下组合热源焊接方法及其装置，其目的是解决室温低塑性材料的焊接冷裂纹问题和铸造高温合金焊接热裂纹问题。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
该种真空/保护气氛下组合热源焊接方法，其特征在于：该焊接方法使用两个热源对金属基复合材料或铸造高温合金的两个焊件进行加热，两个热源分别为基础热源和局部加热焊接热源，基础热源对两个焊件同时进行加热，局部加热焊接热源对两个焊件之间的待焊面进行加热，该方法的步骤是：
步骤一、在真空或惰性气氛保护环境下，使用基础热源将两个焊件加热到600℃～1200℃，热透并保持温度；
步骤二、使用局部加热焊接热源对两个焊件之间的待焊面进行焊接，冷却降温到基础热源的加热温度后形成焊缝；
步骤三、形成焊缝后工件在真空或惰性气氛保护环境下，以100℃/h～500℃/h的冷却速度整体冷却至室温后完成焊接过程。
针对室温低塑性材料TiAl金属基复合材料加工的两个焊件，使用基础热源加热焊件的温度为800℃～1200℃；针对铸造高温合金加工的两个焊件，使用基础热源加热焊件整体的温度为600℃～1000℃。
针对室温低塑性材料TiAl金属基复合材料加工的两个焊件，形成焊缝后工件在真空或惰性气氛保护环境下的冷却速度为100～300℃/h；针对铸造高温合金，形成焊缝后工件在真空或惰性气氛保护环境下的冷却速度为200～500℃/h。
本发明技术方案还提出了一种用于所述的真空/保护气氛下组合热源焊接方法的装置，其特征在于：该装置包括炉体(1)和给炉体(1)提供真空/惰性气体保护的真空泵组(2)，在炉体(1)内设置有作为基础热源的加热室(3)，在加热室(3)内设置有耐高温的数控移动工作台(4)，加热室(3)包围着焊件对焊件进行全方位的整体加热，在加热室(3)上方向设置有作为局部加热焊接热源的焊枪(5)，焊枪(5)的下端垂直伸入加热室(3)内并能够沿垂直方向运动，送丝机构(6)安装在焊枪(5)一侧的炉体(1)的外壳和加热室(3)之间，送丝机构(6)的导丝管(7)引入加热室(3)内，焊枪(5)的下端与导丝管(7)的末端固定一起以保证丝材能够准确送入焊枪(5)下端的熔池，观察窗(8)置于炉体(1)的侧上部，用于观察焊接过程。
有耐高温的数控移动工作台(4)包括X方向移动工作台和旋转运动工作台以满足直线缝和环缝的焊接，驱动数控移动工作台(4)的电机、减速机以及冷端传动机构置于炉体(1)外部或炉体(1)的加热室(3)与炉体(1)外壳之间。
加热室(3)内部的热端传动机构采用耐高温材料制造，传动机构与加热室(3)外部的冷端传动机构通过联轴器连接，加热室(3)外部的冷端传动机构采用水冷方式冷却以保证电机以及传动机构能够连续正常工作。
加热室(3)采用近似长方体或其它形状总成结构，尺寸与炉体(1)尺寸相近，当加热室(3)尺寸较小时，电机、传动机构和移动工作台可置于炉体(1)内部、加热室(3)的外部。
焊枪(5)能够在数控系统控制进行Y方向摆动以适应直线缝与X轴的偏差和环缝与旋转轴的偏差。
提供基础热源的加热室(3)采用电阻辐射加热或感应加热。
焊枪(5)产生局部加热焊接热源的方式为电弧、等离子弧、真空空心阴极电弧、电子束或激光束。
真空泵组(2)采用旋片泵和罗茨泵组合达到10‐1Pa的真空度，或采用旋片泵、罗茨泵和扩散泵组合达到10‐2～10‐3Pa的真空度，焊接时在此真空度条件下或抽真空后充入氩气、氦气等惰性气体，保证高温条件下零件不被氧化。
本发明技术方案与传统预热熔化焊接的区别在于：
1)本发明的整体基础加热温度远超过传统方法的预热温度，整体加热温度可以达到1000℃以上。在此温度下，普通预热焊接存在零件氧化、无法实施焊接操作等问题；
2)预热焊接的预热加热一般在主热源加热前完成，而本发明基础热源加热贯穿于焊接前、焊接中和焊接后的整个过程，从而可方便控制焊接过程热循环，降低焊接应力，从而避免裂纹的产生；
3)本发明是在具备组合热源，并能够提供惰性保护气氛或真空条件的专用设备中完成。
附图说明
图1为采用本发明方法进行焊接的焊接装置整体结构示意图
图2为焊接装置内部的结构示意图
具体实施方式
以下将结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步地详述：
实施例1
参见附图1、2所示，焊接装置包括炉体1和给炉体1提供真空/惰性气体保护的真空泵组2，在炉体1内设置有作为基础热源的加热室3，在加热室3内设置有耐高温的数控移动工作台4，加热室3包围着焊件对焊件进行全方位的整体加热，在加热室3上方向设置有作为局部加热焊接热源的焊枪5，焊枪5的下端垂直伸入加热室3内并能够沿垂直方向运动，送丝机构6安装在焊枪5一侧的炉体1的外壳和加热室3之间，送丝机构6的导丝管7引入加热室3内，焊枪5的下端与导丝管7的末端固定一起以保证丝材能够准确送入焊枪5下端的熔池，观察窗8置于炉体1的侧上部，用于观察焊接过程。
有耐高温的数控移动工作台4包括X方向移动工作台和旋转运动工作台以满足直线缝和环缝的焊接，驱动数控移动工作台4的电机、减速机以及冷端传动机构置于炉体1外部或炉体1的加热室3与炉体1外壳之间；
加热室3内部的热端传动机构与加热室3外部的冷端传动机构通过联轴器连接，加热室3外部的冷端传动机构采用水冷方式冷却以保证电机以及传动机构能够连续正常工作。
焊枪5能够在数控系统控制进行Y方向摆动以适应直线缝与X轴的偏差和环缝与旋转轴的偏差。
提供基础热源的加热室3采用电阻辐射加热或感应加热。
焊枪5产生局部加热焊接热源的方式为电弧、等离子弧、真空空心阴极电弧、电子束或激光束。
采用该焊接装置进行焊接的方法步骤如下：
步骤一
焊接2.0mm厚γ‐TiAl合金板材。焊前将TiAl合金板材平口对接装夹于工装中并放置在移动工作平台上，试板上表面距钨针2.0mm，在数控系统中记录钨针与焊缝的相对位置，关闭炉门后抽真空。采用旋片泵和罗茨泵组合方式，真空度达到2*10‐1Pa以下时，停止抽真空。设定基础加热温度为1000℃，开启加热室加热电源，同时向炉体内充入氩气或其它惰性气体，保证在加热过程中炉体内部压强小于0.1MPa；当炉体内部温度达到设定温度时，自动进入保温状态。
步骤二
在控制系统中编制工作台的坐标、移动速度以及焊接电流。焊接电源种类为电弧，焊枪夹持钨针。准备就绪后开启施焊，焊接工艺参数见表1。
表1焊接工艺参数
预热温度/℃ 钨极直径/mm 电弧电压/V 焊接电流/A 焊接速度/mm/s
1000 3.0 9.5 90 4.0
步骤三
焊后待工件温度降至基础加热温度后调整加热室加热功率，以300℃/h的冷却速度冷却至300℃后，关闭基础加热电源，待炉温降至100℃一下时向炉体内部充入空气，取出焊件。
检测结果表明：采用此种组合热源焊接装置及焊接方法能够获得无裂纹的γ‐TiAl合金焊缝。
实施例2
焊接装置与实施例1相同，采用该焊接装置进行焊接的方法步骤如下：
步骤一
2mm厚K465铸造高温合金板材，平口对接。采用电弧作为焊接热源的产生方式。焊前将K465合金板材平口对接装夹于工装中并放置在移动工作平台上，试板上表面距钨针2.0mm，在数控系统中记录钨针与焊缝的相对位置，关闭炉门后抽真空。真空度达到2*10‐1Pa以下时，停止抽真空。设定基础加热温度为700℃，开启加热室加热电源，同时向炉体内充入氩气或其它惰性气体，保证在加热过程中炉体内部压强小于0.1MPa；当炉体内部温度达到设定温度时，自动进入保温状态。
步骤二
在控制系统中编制工作台的坐标、移动速度以及焊接电流。焊接电源种类为电弧，焊枪夹持钨针。准备就绪后开启施焊，焊接工艺参数见表2。
表2焊接工艺参数
预热温度/℃ 钨极直径/mm 电弧电压/V 焊接电流/A 焊接速度/mm/s
700 3.0 9.0 120 3.5
步骤三
焊后待工件温度降至基础加热温度后调整加热室加热功率，以500℃/h的冷却速度冷却至300℃后，关闭基础加热电源，待炉温降至100℃一下时向炉体内部充入空气，取出焊件。
检测结果表明：采用此种组合热源焊接装置及焊接方法能够获得无液化裂纹的K465合金焊缝。

Claims (8)

1.一种真空/保护气氛下组合热源焊接方法，其特征在于：该焊接方法使用两个热源对室温低塑性材料/焊件进行加热，两个热源分别为基础热源和局部加热焊接热源，基础热源对两个焊件同时进行加热，局部加热焊接热源对两个焊件之间的待焊面进行加热，该方法的步骤是：
步骤一、在真空或惰性气氛保护环境下，使用基础热源将两个焊件加热到600℃～1200℃，热透并保持温度；
步骤二、使用局部加热焊接热源对两个焊件之间的待焊面进行焊接，冷却凝固后形成焊缝，并降温到基础热源的加热温度；
步骤三、形成焊缝后工件在真空或惰性气氛保护环境下，以100℃/h～500℃/h的冷却速度或者按照规定的冷却速度整体冷却至室温后完成焊接过程。
2.根据权利要求1所述的真空/保护气氛下组合热源焊接方法，其特征在于：针对室温低塑性材料TiAl金属基复合材料加工的两个焊件，使用基础热源加热焊件的温度为800℃～1200℃；针对铸造高温合金加工的两个焊件，使用基础热源加热焊件整体的温度为600℃～1000℃。
3.根据权利要求1所述的真空/保护气氛下组合热源焊接方法，其特征在于：针对室温低塑性材料TiAl金属基复合材料加工的两个焊件，形成焊缝后工件在真空或惰性气氛保护环境下的冷却速度为100～300℃/h；针对铸造高温合金，形成焊缝后工件在真空或惰性气氛保护环境下的冷却速度为200～500℃/h。
4.用于权利要求1所述的真空/保护气氛下组合热源焊接方法的装置，其特征在于：该装置包括炉体(1)和给炉体(1)提供真空/惰性气体保护的真空泵组(2)，在炉体(1)内设置有作为基础热源的加热室(3)，在加热室(3)内设置有耐高温的数控移动工作台(4)，加热室(3)包围着焊件对焊件进行全方位的整体加热，在加热室(3)上方向设置有作为局部加热焊接热源的焊枪(5)，焊枪(5)的下端垂直伸入加热室(3)内并能够沿垂直方向运动，送丝机构(6)安装在焊枪(5)一侧的炉体(1)的外壳和加热室(3)之间，送丝机构(6)的导丝管(7)引入加热室(3)内，焊枪(5)的下端与导丝管(7)的末端固定一起以保证丝材能够准确送入焊枪(5)下端的熔池，观察窗(8)置于炉体(1)的侧上部，用于观察焊接过程。
5.根据权利要求4所述的用于真空/保护气氛下组合热源焊接方法的装置，其特征在于：有耐高温的数控移动工作台(4)包括X方向移动工作台和旋转运动工作台以满足直线缝和环缝的焊接，驱动数控移动工作台(4)的电机、减速机以及冷端传动机构置于炉体(1)外部或炉体(1)的加热室(3)与炉体(1)外壳之间；
加热室(3)内部的热端传动机构与加热室(3)外部的冷端传动机构通过联轴器连接，加热室(3)外部的冷端传动机构采用水冷方式冷却以保证电机以及传动机构能够连续正常工作。
6.根据权利要求4所述的用于真空/保护气氛下组合热源焊接方法的装置，其特征在于：焊枪(5)能够在数控系统控制进行Y方向摆动以适应直线缝与X轴的偏差和环缝与旋转轴的偏差。
7.根据权利要求4所述的用于真空/保护气氛下组合热源焊接方法的装置，其特征在于：提供基础热源的加热室(3)采用电阻辐射加热或感应加热。
8.根据权利要求4所述的用于真空/保护气氛下组合热源焊接方法的装置，其特征在于：焊枪(5)产生局部加热焊接热源的方式为电弧、等离子弧、真空空心阴极电弧、电子束或激光束。
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