CN108296621A - 高强钢-铝合金异质金属非对称多束电子束熔焊方法 - Google Patents

高强钢-铝合金异质金属非对称多束电子束熔焊方法 Download PDF

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崔海超
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Abstract

本发明提供了一种高强钢‑铝合金异质金属非对称多束电子束熔焊的方法，包括：分束预处理步骤：对包含高强钢和铝合金的待焊件进行电子束多束流控制；非对称熔焊步骤：根据高强钢以及铝合金材料各自熔点，通过工控机数值计算出高强钢材料和铝合金材料在同一个扫描周期内分布的扫描点数、扫描停留时间，通过工控机实时控制多束电子束流的扫描点数、扫描停留时间，实现不对称热输入的扫描加热方式进行焊接，使高强钢与铝合金这两种异质材料在同样时间内的熔化量相同。本发明根据高强钢与铝合金的特性，使分配在高强钢材料上的电子束总流热输入和分配在铝合金材料上的电子束总流热输入不相等，最终使这两种异质材料在同样时间内的熔化量相当。

Description

高强钢-铝合金异质金属非对称多束电子束熔焊方法
技术领域
本发明涉及钢和铝异种材料焊接领域，更具体地说，本发明涉及到一种高强钢-铝合金异质金属非对称多束电子束熔焊方法，能够实现多电子束快速高效的焊接。
背景技术
节约能源及保护环境的全球战略对机械工程装备轻量化提出了越来越高的要求，为了降低机械工程装备的重量，同时又要保证装备的安全性，使得高强钢和铝合金及其异种材料的连接构件在机械工程装备制造领域得到日益广泛的应用。然而由于钢与铝两者的热物理冶金及化学性能差异较大，其连接接头的可靠性成为影响构件高品质制造的关键问题，传统的熔化焊接方法不可避免存在脆硬的Fe-Al金属间化合物产生及残余应力较大等问题，会严重影响接头的微观结构和力学性能。特别是随着高强钢强度级别的增加，使得异种金属的连接难度进一步加大，如何实现高强钢与铝合金可靠有效的连接一直是目前机械工程装备制造领域中研究的热点和难点。
真空电子束焊因其能量密度易于控制、电子束与工件作用时间短、焊接变形和残余应力小、电子束作用位置精确可控等特点，且与传统熔化焊接相比更能有效地控制异种材料的熔化量从而抑制金属间化合物的形成，是异种材料连接中具有竞争力的焊接方法。
目前大多采用将单束电子束偏离对中线从而达到调节两侧金属热输入。为了避免铝合金一侧尽早发生熔化，则需要采用较低的电子束功率密度，而高强钢一侧需要采用较高的电子束功率密度加快熔化，故单束偏束电子束熔焊工艺参数适应性不高，且焊接速度较低，难以体现电子束快速高效的焊接特点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在上述缺陷，提供一种根据异质材料熔点分别调节两束电子束流的扫描点数、扫描停留时间等特点，实现不对称热输入的扫描加热方式进行焊接，获得异质材料熔化量相当，具体方案如下：
一种高强钢-铝合金异质金属非对称多束电子束熔焊方法，其特征在于包括：
分束预处理步骤：对包含高强钢和铝合金的待焊件进行电子束多束流控制；
非对称熔焊步骤：根据高强钢以及铝合金材料各自熔点，通过工控机数值计算出高强钢材料和铝合金材料在同一个扫描周期内分布的扫描点数、扫描停留时间，通过工控机实时控制多束电子束流的扫描点数、扫描停留时间，实现不对称热输入的扫描加热方式进行焊接，使高强钢与铝合金这两种异质材料在同样时间内的熔化量相当。
进一步的，用于对待焊件进行熔焊的真空电子束焊机设有工控机、多功能数据采集卡和至少两个电子束偏转线圈，可以把电子束束流进行分束。
进一步的，待焊件的一边为高强钢材料，另一边为铝合金材料。
进一步的，多束电子束流的一部分电子束扫描在高强钢材料上，其余电子束扫描在铝合金材料上。
进一步的，分配在高强钢材料上的电子束总流热输入和分配在铝合金材料上的电子束总流热输入不相等。
进一步的，热输入的分配比例是通过电子束流的扫描点数、扫描停留时间来控制。
进一步的，电子束流的扫描点数、扫描停留时间分配比例计算依据是待焊件高强钢和铝合金材料的各自熔点。
进一步的，分配在高强钢上电子束流的扫描点数多、扫描停留时间长，分配在铝合金上的扫描点数少、扫描停留时间短
本发明所提供的一种高强钢-铝合金异质金属非对称多束电子束熔焊方法步骤简单，使用方便，熔焊效率高，同时还可以适用于其它异种材料的电子束熔焊连接作业。
附图说明
结合附图，并通过参考下面的详细描述，将会更容易地对本发明有更完整的理解并且更容易地理解其伴随的优点和特征，其中：
图1示意性地示出了根据本发明优选实施例的高强钢-铝合金异质金属非对称多束电子束熔焊方法的简要流程图。
图2示意性地示出了根据本发明优选实施例的高强钢-铝合金异质金属非对称多束电子束熔焊方法的流程图。
图3示意性地示出了根据本发明优选实施例的非对称熔焊方法的示意图。
参考标记说明：铝合金1、高强钢2。
需要说明的是，附图用于说明本发明，而非限制本发明。注意，表示结构的附图可能并非按比例绘制。并且，附图中，相同或者类似的元件标有相同或者类似的标号。
具体实施方式
为了使本发明的内容更加清楚和易懂，下面结合具体实施例和附图对本发明的内容进行详细描述。
图1示意性地示出了根据本发明优选实施例的高强钢-铝合金异质金属非对称多束电子束熔焊方法的示意图，如图所示，本发明提供的一种高强钢-铝合金异质金属非对称多束电子束熔焊方法包括：
步骤S1、分束预处理步骤：对包含高强钢和铝合金的待焊件进行电子束多束流控制。待焊件的一边为高强钢材料，另一边为铝合金材料。
步骤S2、非对称熔焊步骤：根据高强钢以及铝合金材料各自熔点，通过工控机数值计算出高强钢材料和铝合金材料在同一个扫描周期内分布的扫描点数、扫描停留时间，通过工控机实时控制多束电子束流的扫描点数、扫描停留时间，实现不对称热输入的扫描加热方式进行焊接，使高强钢与铝合金这两种异质材料在同样时间内的熔化量相当。
参阅附图2所示，示出了优选实施例的高强钢-铝合金异质金属非对称多束电子束熔焊方法的流程图，步骤S1中，用于对待焊件进行熔焊的真空电子束焊机设有工控机、多功能数据采集卡和至少两个电子束偏转线圈，可以把电子束束流进行分束。优选地，电子束流被分成双束。
在步骤S2的熔焊过程中，多束电子束流的一部分电子束扫描在高强钢材料上，其余电子束扫描在铝合金材料上，且分配在高强钢材料上的电子束总流热输入和分配在铝合金材料上的电子束总流热输入不相等。其中，热输入的分配比例是通过电子束流的扫描点数、扫描停留时间来控制。在本发明中，电子束流的扫描点数、扫描停留时间分配比例计算依据是待焊件高强钢和铝合金材料的各自熔点，为使使高强钢与铝合金这两种异质材料在同样时间内的熔化量相同，我们分配在高强钢的一侧电子束流的扫描点数多、扫描停留时间长，分配在铝合金一侧的扫描点数少、扫描停留时间短。
图3示意性地示出了根据本发明优选实施例的非对称熔焊方法的示意图，如图所示，根据高强钢和铝合金的加热需求，通过有限元计算铝合金1加热区域一个加热周期内所需点的总数(设为n1)和高强钢2所需点的总数(设为n2)，确定高强钢-铝合金待焊件加热区域一个加热周期内所需点的总数n1+n2，再通过工控机计算一个加热周期中n1+n2个点二维坐标分量，用Xi、Yi表示，i，n1，n2为整数，0≤i≤n1+n2-1，再将所有点的Xi、Yi坐标分量按照顺序放在一个二维数组中，由数据采集卡转换为模拟量，再由功率放大器、匹配电阻输送到偏转线圈，该线圈控制电子束在X、Y方向运动。
下面简要解释本发明的工作原理：
以高强钢-铝合金待焊件接头为一个扫描周期，该加热区域由若干个点组成，在刷新率(每秒输出的电子束流点数)一定的情况下，扫描路径各部分所分配的点数决定了电子束在扫描路径各部分作用时间的长短，也即决定了扫描路径各部分的能量输入的相对大小。高熔点的高强钢点数分配较多，电子束在该区域的作用时间较长，能量输入多；低熔点的铝合金点数分配较少，电子束在该区域的作用时间较短，能量输入少。在同一时间内，高强钢-铝合金待焊件两种材料获得熔化量相同。
由此，本发明所提供的一种高强钢-铝合金异质金属非对称多束电子束熔焊方法步骤简单，使用方便，针对不同材料使用不同能量的熔焊电子束，使得熔焊效果更好。同时将本发明之机理，应用于其他不同异种材料电子束熔焊连接领域中同样适用，在此不予赘述。
可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (8)

1.一种高强钢-铝合金异质金属非对称多束电子束熔焊方法，其特征在于包括：
分束预处理步骤：对包含高强钢和铝合金的待焊件进行电子束多束流控制；
非对称熔焊步骤：根据高强钢以及铝合金材料各自的熔点，通过工控机数值计算出高强钢材料和铝合金材料在同一个扫描周期内分布的扫描点数、扫描停留时间，通过工控机实时控制多束电子束流的扫描点数、扫描停留时间，实现不对称热输入的扫描加热方式进行焊接，使高强钢与铝合金这两种异质材料在同样时间内的熔化量相当。
2.根据权利要求1所述的高强钢-铝合金异质金属非对称多束电子束熔焊方法，其特征在于，用于对待焊件进行熔焊的真空电子束焊机设有工控机、多功能数据采集卡和至少两个电子束偏转线圈，可以把电子束束流进行分束。
3.根据权利要求1所述的高强钢-铝合金异质金属非对称多束电子束熔焊方法，其特征在于，待焊件的一边为高强钢材料，另一边为铝合金材料。
4.根据权利要求1所述的高强钢-铝合金异质金属非对称多束电子束熔焊方法，其特征在于，多束电子束流的一部分电子束扫描在高强钢材料上，其余电子束扫描在铝合金材料上。
5.根据权利要求1或4所述的高强钢-铝合金异质金属非对称多束电子束熔焊方法，其特征在于，分配在高强钢材料上的电子束总流热输入和分配在铝合金材料上的电子束总流热输入不相等。
6.根据权利要求5所述的高强钢-铝合金异质金属非对称多束电子束熔焊方法，其特征在于，热输入的分配比例是通过电子束流的扫描点数、扫描停留时间来控制。
7.根据权利要求6所述的高强钢-铝合金异质金属非对称多束电子束熔焊方法，其特征在于，电子束流的扫描点数、扫描停留时间分配比例计算依据是待焊件高强钢和铝合金材料的各自熔点。
8.根据权利要求7所述的高强钢-铝合金异质金属非对称多束电子束熔焊方法，其特征在于，分配在高强钢上电子束流的扫描点数多、扫描停留时间长，分配在铝合金上的扫描点数少、扫描停留时间短。
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