CN108296665A

CN108296665A - 一种纳米颗粒介入式焊缝组织改性方法、装置及焊丝

Info

Publication number: CN108296665A
Application number: CN201810075358.9A
Authority: CN
Inventors: 桑健; 王波; 张洪涛; 高丙路; 曲长明; 于江
Original assignee: Shandong Marine Technology Research Institute; Harbin Institute of Technology Weihai
Current assignee: Shandong Marine Technology Research Institute; Harbin Institute of Technology Weihai
Priority date: 2018-01-26
Filing date: 2018-01-26
Publication date: 2018-07-20

Abstract

本发明属于焊接技术领域，公开了一种纳米颗粒介入式焊缝组织改性方法、装置及焊丝，方法如下：（1）确认焊枪冷却水循环、导电通道连通和气体通道通畅；（2）开启冷却水循环系统，启动电源，设定参数；（3）开启超声振动装置；（4）干燥纳米颗粒；（5）向熔池中加入纳米颗粒材料。本技术方案纳米变质剂在细化晶粒过程中同时起到弥散和硬化作用，提高金属强度及韧性，在焊接过程中引入纳米颗粒变质剂，消除现有焊接技术的缺陷，达到细晶强化和弥散强化，大幅度提高金属韧性，超声波振动装置的释能振动效果促进组织形成均匀分布的硬质点，阻碍晶体之间的滑移，显著提高金属材料的强度、硬度、韧性和耐磨性，改善焊缝力学性能，实现可靠连接。

Description

一种纳米颗粒介入式焊缝组织改性方法、装置及焊丝

技术领域

本发明属于焊接技术领域，具体涉及一种纳米颗粒介入式焊缝组织改性方法、装置及焊丝。

背景技术

变质处理就是向金属液体中加入一些细小的形核剂，使它在金属液中形成大量分散的人工制造的非自发晶核，从而获得细小的铸造晶粒，改善金属的强度、硬度、生长率、热冲击性和稳定性等。通常，金属强度的提高必然会伴随着韧性的下降，如何同时提高金属强度及韧性的综合效果是现有技术面临的重要研究课题。在焊接领域的现有技术中，该技术问题也没有得到解决。因此，提供一种能够实现可靠连接、改善焊缝力学性能的焊接装置和焊接方法是很有必要的。

发明内容

本发明的目的在于针对上述技术问题，提供一种纳米颗粒介入式焊缝组织改性方法及装置，通过以下技术方案实现。

一种纳米颗粒介入式焊缝组织改性方法，包括以下步骤（1）确认焊枪冷却水循环、导电通道连通和气体通道通畅；（2）开启冷却水循环系统，启动电源，设定参数；（3）开启超声振动装置；（4）干燥纳米颗粒；（5）通过改性焊丝或纳米颗粒喷射装置向熔池中加入纳米颗粒材料。

焊缝组织改性方法对于气体保护熔化极电弧焊，通过表面冷喷涂、在药粉或熔炼合金掺杂的方式将纳米颗粒送入熔池；对于气体保护非熔化极电弧焊，利用喷射装置，通过中空钨极，向熔池同轴喷射纳米颗粒。若受限于设备或者焊接条件，也可旁轴喷射纳米颗粒。

一种纳米颗粒介入式焊缝组织改性装置，包括焊枪、设置在焊枪中的中空钨极、与中空钨极连接的纳米颗粒喷射装置和超声振动装置。

中空钨极端部为对称锥形，直径为6~12mm，上下端部锥角为60。

纳米颗粒喷射装置由吹气管、螺旋叶片送进管、进料管、螺旋叶片及电机组成。

纳米颗粒喷射装置吹入的气体为氩气。

纳米颗粒喷射装置的喷射量和喷射速度可通过螺旋叶片的旋转速度和氩气气流量来调节。

利用超声振动装置对焊接工件进行振动，以提高纳米颗粒在熔池内分布的均匀性和弥散性，同时协助释放焊接过程的内应力，提高焊缝综合性能，其频率、振幅等参数根据不同母材进行选取。超声波振动装置的施加方式有三种：当焊接薄板或形状不规则的试样时，对工件施加焊枪跟随式的超声振动；当焊接厚板时，利用超声波滚焊压头对工件直接施加超声振动或通过在工件背面放置超声波换能器来对工件施加超声振动。

纳米颗粒成分根据焊接母材类型选取，以达到细化组织、改善焊缝性能为目的，如在焊接6061或7075铝合金过程中，可根据不同板材厚度的焊缝截面尺寸，采用体积分数为1%的ZrH₂纳米颗粒对其进行组织改善，其中对于组织改善有良好效果的纳米颗粒还有TiC、SiC、TiN等。

纳米颗粒在加入前应对其进行干燥处理。

本技术方案纳米变质剂在细化晶粒过程中同时起到弥散和硬化作用，同时提高金属强度及韧性，通过在焊接过程中引入纳米颗粒变质剂，消除现有焊接技术的缺陷，达到细晶强化和弥散强化，大幅度提高金属韧性，同时又能在组织中形成均匀分布的硬质点，阻碍晶体之间的滑移，显著地提高金属材料的强度、硬度、韧性和耐磨性，改善了焊缝力学性能，实现了可靠连接。

附图说明

图1：本发明的气体保护非熔化极焊接纳米颗粒介入式焊缝组织改性装置结构及焊接示意图（一）；

图2：本发明的气体保护非熔化极焊接纳米颗粒介入式焊缝组织改性装置图（二）；

图3：本发明的气体保护非熔化极焊接纳米颗粒介入式焊缝组织改性装置图（三）；

图4：本发明的气体保护非熔化极焊接纳米颗粒介入式焊缝组织改性装置图（四）；

图5：本发明中气体保护熔化极焊接所用药芯焊丝或实芯焊丝结构图。

其中，1.吹气管；2.螺旋叶片送进管；3.进料管；4.螺旋叶片；5.电机；6.纳米颗粒；7.顶部盖板；8.上螺帽；9.气体转接头；10.导电杆绝缘套；11.接线杆；12.转接头；13.焊枪外体；14.下端螺母；15.中空钨极；16.气罩；17.超声波振动装置；18.焊缝；19.母材；20.锁紧螺母；21.钨极夹；22.下端螺母；23.隔离环；24.下绝缘体；25.导电体；26.上绝缘体。

具体实施方式

如附图1-5所示，图1是本发明的气体保护非熔化极焊接装置结构及焊接过程示意图；图2是施加焊枪跟随式超声振动；图3是在工件背面放置超声波换能器来对工件施加超声振动；图4是利用超声波滚焊压头对工件直接施加超声振动；图5是气体保护熔化极焊接所用药芯焊丝或实芯焊丝。下面结合具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1所示，气体保护非熔化极焊接装置，包括吹气管1、螺旋叶片送进管2、进料管3、螺旋叶片4、电机5、纳米颗粒6、顶部盖板7、上螺帽8、气体转接头9、导电杆绝缘套10、接线杆11、转接头12、焊枪外体13、下端螺母14、中空钨极15、气罩16、超声波振动装置 17、焊缝18、母材19、锁紧螺母20、钨极夹21、下端螺母22、隔离环23、下绝缘体24、导电体25、上绝缘体26。

纳米颗粒6经进料管3送入后，由螺旋叶片4旋转送入吹气管1，在氩气的吹力和重力的共同作用下，经过中空钨极15，最终落入熔池，最后经过超声波振动装置17的振动分散，均匀的分布于熔池中，形成性能及组织良好的焊缝18。

中空钨极15端部为对称锥形，直径为6~12mm，上下端部锥角为60。

纳米颗粒喷射装置包括吹气管1、螺旋叶片送进管2、进料管3、螺旋叶片4及电机5。

纳米颗粒喷射装置吹入的气体为氩气，氩气与吹气管1连接。

纳米颗粒喷射装置的喷射量和喷射速度可通过螺旋叶片4的旋转速度和氩气气流量来调节。

一种纳米颗粒介入式焊缝组织改性方法，对于气体保护熔化极电弧焊，通过表面冷喷涂、在药粉或熔炼合金掺杂的方式将纳米颗粒送入熔池；对于气体保护非熔化极电弧焊，利用喷射装置，通过中空钨极15，向熔池同轴喷射纳米颗粒。若受限于设备或者焊接条件，也可利用旁轴喷射纳米颗粒。

焊缝组织改性方法利用超声振动装置17对焊接工件进行振动，以提高纳米颗粒在熔池内分布的均匀性和弥散性，同时协助释放焊接结构的内应力，提高焊缝综合性能，其频率、振幅等参数根据不同母材进行选取。超声波振动装置17的施加方式有三种：当焊接薄板或形状不规则的试样时，对工件施加焊枪跟随式的超声振动；当焊接厚板时，利用超声波滚焊压头对工件直接施加超声振动或通过在工件背面放置超声波换能器来对工件施加超声振动。

纳米颗粒成分根据焊接母材类型选取，以达到细化组织、改善焊缝性能为目的，如在焊接6061或7075铝合金过程中，可根据不同板材厚度的焊缝截面尺寸，采用体积分数为1%的ZrH₂纳米颗粒对其进行组织改善。纳米颗粒在加入前应对其进行干燥处理。其中纳米颗粒喷射装置的喷射量和喷射速度可通过螺旋叶片的旋转速度和氩气气流量来调节。

以焊接厚度为6mm的6061铝合金为例。焊接接头形式为对接接头，确定纳米颗粒变质剂成分为1%体积分数的ZrH₂，焊前依次确认冷却水循环，导电通道连通，气体通道效果，焊接时依次建立水、电、气连接，先开启冷却水循环系统，启动电源，设定合适的参数后开始焊接。如图4所示，对于气体保护非熔化极电弧焊，焊接过程中，先开启TIG焊接电源，随后开启超声振动装置电源，最后开启纳米颗粒喷射装置，通过纳米颗粒喷射装置，源源不断的向熔池输送纳米颗粒（变质剂），消除现有焊接技术的缺陷，达到细晶强化和弥散强化的目的，大幅度的提高金属的韧性，同时又能在组织中形成均匀分布的硬质点，阻碍晶体之间的滑移，显著地提高金属材料的强度、硬度、韧性和耐磨性。

本方法除应用于上述领域外，还可应用于电弧增材制造等领域。本领域的普通技术人员都会理解，在本发明的保护范围内，对于上述设计原理和技术参数进行修改或替换都是可能的，其都没有超出本发明的保护范围。实施例仅说明本发明的技术方案，而非对其进行任何限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种纳米颗粒介入式焊缝组织改性方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）确认焊枪冷却水循环、导电通道连通和气体通道通畅；

（2）开启冷却水循环系统，启动电源，设定参数；

（3）开启超声振动装置；

（4）干燥纳米颗粒；

（5）向熔池中加入纳米颗粒。

2.根据权利要求1所述的一种纳米颗粒介入式焊缝组织改性方法，其特征在于：纳米颗粒材料可为ZrH₂或TiC或SiC或TiN。

3.根据权利要求1所述的一种纳米颗粒介入式焊缝组织改性方法，其特征在于：步骤（3）中超声振动装置为焊枪跟随式超声振动或超声波换能器或超声波滚焊压头。

4.根据权利要求1所述的一种纳米颗粒介入式焊缝组织改性方法，其特征在于：对于气体保护非熔化极电弧焊向熔池同轴喷射纳米颗粒。

5.一种纳米颗粒介入式焊缝组织改性装置，其特征在于：包括焊枪、设置在焊枪中的中空钨极、与中空钨极连接的纳米颗粒喷射装置和超声振动装置。

6.根据权利要求5所述的一种纳米颗粒介入式焊缝组织改性装置，其特征在于：所述中空钨极端部为对称锥形，直径为6~12mm，上下端部锥角为60°。

7.根据权利要求5所述的一种纳米颗粒介入式焊缝组织改性装置，其特征在于：纳米颗粒喷射装置包括吹气管、螺旋叶片送进管、进料管、螺旋叶片及电机。

8.根据权利要求5所述的一种纳米颗粒介入式焊缝组织改性装置，其特征在于：纳米颗粒喷射装置的喷射量和喷射速度可调。

9.一种纳米颗粒介入式改性焊丝，其特征在于：表面超音速冷喷涂纳米颗粒。

10.根据权利要求9所述的一种纳米颗粒介入式改性焊丝，其特征在于：对于药芯焊丝，直接将纳米颗粒均匀掺杂在药粉中；对于实芯焊丝，在熔炼的过程中加入纳米颗粒。