CN108406057A - 一种超声辅助钴基合金-镍基合金钨极氩弧焊装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种超声辅助钴基合金‑镍基合金钨极氩弧焊装置及方法。该装置包括超声振动装置、钨极氩弧焊焊枪、工作台和行走小车；其中，所述的工作台的两端，分别固定有一条导轨，两条导轨平行；“门”字形的行走小车的两根竖粱分别设置在两条导轨上；所述的行走小车的左侧竖粱上，固定有超声振动装置；超声振动装置水平放置，其滚压头位于待焊点的上方；行走小车的横梁上，固定有钨极氩弧焊焊枪。本发明解决了钴基合金、镍基合金连接中的组织粗大、内部缺陷、融合不充分以及流动性不足的等问题。

Description

一种超声辅助钴基合金-镍基合金钨极氩弧焊装置及方法

技术领域

本发明涉及一种钴基合金、镍基合金钨极氩弧焊装置及组合方法，具体涉及一种超生辅助钴基合金、镍基合金钨极氩弧焊装置及组合方法，属于连接工程，焊接技术领域。

背景技术

在航空、航天及能源应用领域，出于降低生产成本以及充分利用不同材料的特殊使用性能等方面考虑，钴基合金在高温环境下具有较高的强度、良好的抗热疲劳、抗热腐蚀和耐磨蚀性能，且具有良好的焊接性，所以钴基合金常被用于制作航空喷气发动机、工业燃气轮机、舰船燃气轮机的导向叶片和喷嘴导叶以及柴油机喷嘴等。但是钴基合金造价昂贵，且密度较大，只适用于关键部位，与其连接的为非钴基合金，本发明是为了实现钴基合金与镍基合金的焊接。在异种材料复合结构的设计过程中，实现两者的连接是关键，榫卯等机械结合无法满足密封性及特殊的使用性能要求。而在生产实践中多采用焊接方法实现钴基合金与镍基合金的结合。但是钴基合金与镍基合金的化学成分、物理性能差别较大，导致其焊接性较差，常规的焊接方法难以实现优质高效连接，从而影响其使用寿命，因此需要开发新的连接方法，对其进行优化改善，这对于其他异质材料焊接问题也存在重要的参考价值。

钨极氩弧焊设备包括弧焊电源、控制箱、供水系统、供气系统及焊枪等，其原理是在惰性气体的保护下，利用钨极与焊件之间产生的电弧热融化母材和填充焊丝，形成焊缝的焊接方法。焊接过程中根据工件的具体要求可以加或者不加填充焊丝。焊接过程中氩气具有极好的保护作用，能够有效的隔绝周围空气，且本身也不与金属起化学反应，也不溶于金属。从而保证获得较高质量的焊缝。另一方面钨极电弧非常稳定，在小电流情况下仍可稳定燃烧，因此钨极氩弧焊适合薄板焊接。但手工氩弧焊的电流密度大，发出的光比较强烈，它的电弧产生的紫外线辐射，约为普通焊条电弧焊的5～30倍，红外线约为焊条电弧焊的1～1.5倍，在焊接时产生的臭氧含量较高，对人体伤害极大；另一方面手工氩弧焊因为是要人工操作，所以焊接质量与工人操作成直接关系。超声焊接是一种焊接速度快、焊接强度高、密封性好，清洁无污染且不会伤害工件的一种焊接方法。然而，在钴基合金、镍基合金钨极氩弧焊接接头中，仍然存在组织粗大、内部缺陷、融合不充分以及流动性不足的等问题。

超声波是频率高于20000赫兹的声波，在实际应用中又分为功率超声波及检测超声波。它方向性好，穿透能力强。可用于测距、工业探伤、医用B超声、清洗、焊接、钻孔、碎石、杀菌消毒等。而在焊接领域方面，利用超声波的超声空化作用与超声声流效应可以有效改善焊缝质量。超声空化过程会产生强烈的冲击波，打碎初生的粗大晶体和正在长大的枝晶，增加形核质点，提高形核率，从而细化晶粒。此外超声波还可以增强材料流动性，使异质材料充分融合，形成优质接头。

中国专利CN 102059453 A公开了一种超声波非接触式辅助激光焊接的方法。为解决钛合金、铝合金焊接过程中产生的气孔、裂纹等问题设计了一种非接触式超声波辅助激光焊接装置。但是在此过程中，超声振动装置为非接触的形式施加，从而降低了超声波的利用率，弱化了超声有效作用。

中国专利CN 107009039 A公开了一种随焊超声振动装置及方法。其原理为先由钨极氩弧焊设备对镁合金或铝合金工件进行焊接，并同时采用超声振动针对焊枪后方熔池进行振动处理，通过超声波对熔池的流动和凝固的影响作用，可以细化焊接接头的晶粒，排除气孔、夹渣，减小或消除残余应力，提高焊接接头的力学性能。但是，在焊接过程中，熔池温度较高，较高的熔池温度对超声振动针产生不良影响，从而导致超声有效作用降低。

本发明结合钨极氩弧焊自动焊与超声振动装置的各自优点，将焊接过程稳定化，并充分利用超声的有效效果，改善焊接接头性能，并具有广泛的实用性。

发明内容

本发明的目的是针对当前技术中存在的不足，提供一种超声辅助钴基合金、镍基合金钨极氩弧焊装置及组合方法。本发明将钨极氩弧焊自动焊与超声振动装置结合，充分发挥各自的优点，自动焊提高了焊接质量的稳定性，接触式且在焊接前施加超声振动，避免了其他因素对超声的影响，从而解决钴基合金、镍基合金连接中的组织粗大、内部缺陷、融合不充分以及流动性不足的等问题。

本发明的技术方案为：

一种超声辅助钴基合金-镍基合金钨极氩弧焊装置，该装置包括超声振动装置、钨极氩弧焊焊枪、工作台和行走小车；

其中，所述的工作台的两端，分别固定有一条导轨，两条导轨平行；两条导轨之间的工作台的边缘，设置有两套卡具，分别用于固定待焊的钴基合金板与对接镍基合金板；

“门”字形的行走小车的两根竖粱分别设置在两条导轨上；所述的行走小车的左侧竖粱上，固定有超声振动装置；超声振动装置水平放置，其滚压头位于待焊点的上方；行走小车的横梁上，固定有钨极氩弧焊焊枪；

所述的钨极氩弧焊焊枪置于待焊工件间隙中心正上方，并且钨极氩弧焊焊枪与待焊工件间隙中心成60°～70°；所述超声振动装置的滚压头作用于对焊区域；所述超声振动装置1的滚压头超声作用中心位置与钨极氩弧焊焊枪的中心位置间距为40～50mm；

所述的钴基合金板为UMCo50，镍基合金板为Inconel600。

所述的超声辅助钴基合金-镍基合金钨极氩弧焊方法，包括以下步骤：

步骤一：将钴基合金UMCo50板与Inconel600板固定在工作台上，并将焊缝周围40mm内清理干净，并在两侧添加引弧板与熄弧板；对接钴基合金板与对接镍基合金板厚度为3mm，焊前开20°～30°的坡口，并预留0.5mm的钝边；

步骤二：将超声振动装置启动，并将超声振动装置施加于预定路线的起始位置，距离焊缝50mm～150mm；

步骤三：将钨极氩弧焊焊枪置于预计的起始位置，启动钨极氩弧焊装置；超声振动频率为20kHz-200kHz，振幅8μm～20μm；

步骤四：调节好焊接工艺参数；焊接电流140～160A，焊接电压15-17V；

步骤五：引弧，并启动行走小车进行施焊；行走小车的行进速度为10cm/min；

步骤六：按照既定轨迹运行完毕后，钨极氩弧焊焊枪于焊接结束位置脱离焊缝；

步骤七：钨极氩弧焊焊枪脱离焊缝后，关闭超声振动装置。

本发明的有益效果为：

本发明针对钴基合金、镍基合金焊接中焊接接头组织粗大、焊缝内部缺陷、母材流动性差、母材融合不充分、焊接接头性能较差的问题，设计了一种超声辅助钴基合金、镍基合金钨极氩弧焊装置并提供了相关工艺。通过加入超声振动装置，从而改善焊接接头的组织形貌与使用性能。与传统的钨极氩弧焊相比，本发明具有如下优势：

钨极氩弧焊自动焊与手工氩弧焊相比，焊接过程稳定，焊接质量可靠，对人造成伤害较小。

超声波的空化作用可以细化晶粒，改善组织结构。超声空化过程会产生强烈的冲击波，打碎初生的粗大晶体和正在长大的枝晶，从而增加形核质点，提高形核率。

在超声振动的作用下，产生类似搅拌作用，从而使得焊接凝固过程中的气泡溢出，从而减少焊缝中得内部缺陷。

在超声振动的作用下，母材流动性增强，使得在焊缝区域充分融合，从而形成良好的焊缝。本发明工艺操作简单，适用范围广，可以推广到其他异质合金钨极氩弧焊连接中。

附图说明

图1是实施例1所述的一种超声辅助钴基合金、镍基合金钨极氩弧焊装置及组合方法的示意图。

其中，1-超声振动装置；2-钨极氩弧焊焊枪；3-工作台；4-行走小车；5-钴基合金UMCo50板；6-镍基合金Inconel600板；7-导轨。

图2是焊缝未经随焊超声振动处理后的金相组织图片。

图3是焊缝经随焊超声振动处理后的金相组织图片。

具体实施方式

在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。

实施例1：如图1所示，本实施例的一种超声辅助钴基合金、镍基合金钨极氩弧焊装置，包括超声振动装置1、钨极氩弧焊焊枪2、工作台3和行走小车4，小车为门型结构；对接钴基合金板与对接镍基合金板构成待焊工件，待焊工件通过夹具固定在工作台3上，超声振动装置1和钨极氩弧焊焊枪2通过固定在行走小车上，

其中，所述的工作台3的两端，分别固定有一条导轨7，两条导轨7平行；两条导轨7之间的工作台3的表面上，设置有两套卡具，用于固定待焊的钴基合金板与对接镍基合金板；将工件按照要求设计的间隙放置好后，分别用夹具在上下边缘以及非焊接边缘将工件固定好，以防止工件在焊接过程中位置发生变动，另一方面也可以起到控制工件变形的作用。超声装置通过双“U”卡具固定在行走小车的左侧竖梁上，卡具通过螺栓结构固定在超声振动装置和行走小车左侧竖梁上。钨极氩弧焊焊枪通过卡具固定在行走小车的横梁上，其中卡具包裹在横梁上，通过螺栓紧固，松动螺栓可以使卡具绕横梁转动从而调节焊枪与待焊工件角度，紧固螺栓则卡具不可转动，焊枪与工件角度固定，其中焊枪与卡具通过固定成整体结构。

“门”字形的行走小车4的两根竖粱分别设置在两条导轨7上，行走小车4的横梁上，固定有钨极氩弧焊焊枪2；所述的行走小车4的左侧竖粱上，固定有超声振动装置1；超声振动装置1水平放置，其滚压头位于待焊点的上方；

其中钨极氩弧焊焊枪位于行走小车横梁中心位置，并且可以绕行走小车横梁转动，以此来调节焊枪与工件角度，但工作时一旦角度固定，便不能再发生转动，与小车一起通过在轨道行走。钨极氩弧焊焊枪置于待焊工件间隙中心正上方，并且钨极氩弧焊焊枪2与待焊工件间隙中心成60°-70°。所述超声振动装置的滚压头作用于对焊区域；所述超声振动装置1的滚压头超声作用中心位置与钨极氩弧焊焊枪的中心位置间距为50mm；所述超声振动装置1与钨极氩弧焊焊枪2无直接刚性连接；所述超声振动装置(超声滚压头)通过卡具固定在行走小车侧面，其中滚压头作用于焊件中心位置，另一侧与超声发生装置连接,焊接过程中，超声振动装置通过卡具与行走小车相连，从而实现了与小车一起运动；所述超声振动装置1的滚压头的超声作用位置位于钴基合金板和镍基合金板的上表面；进一步地：所述超声振动装置1的滚压头为带有纹路的不平整表面；进一步地：焊枪应在钴基合金UMCo50板与镍基合金Inconel600板对接焊缝中心。对接钴基合金板与对接镍基合金板厚度为3mm，焊前开20°-30°的坡口，并预留0.5mm的钝边。

实施例2：本实施例依托实施例1所述的超声辅助的钨极氩弧焊装置实现，本实施例是通过以下步骤实现的：

步骤一：将钴基合金UMCo50与Inconel600按要求固定在工作台上，并将焊缝周围40mm内清理干净，并在两侧添加引弧板与熄弧板；

步骤二：将超声振动装置启动，并将超声振动装置施加于预定路线的起始位置；

步骤三：将钨极氩弧焊焊枪置于预计的起始位置，启动钨极氩弧焊装置；

步骤四：调节好焊接工艺参数；

步骤五：引弧，并启动行走小车，按照预定速度行走，进行施焊；

步骤六：按照既定轨迹运行完毕后，钨极氩弧焊焊枪于焊接结束位置脱离焊缝；

步骤七：钨极氩弧焊焊枪脱离焊缝后，关闭超声振动装置。

其中，超声振动频率为20kHz-200kHz，振幅8μm-20μm。

其中，钨极氩弧焊焊接工艺参数为,焊接电流140-160A，焊接电压15-17V。

其中，行走小车的行进速度为10cm/min。

实施例3：焊接结束后切取焊缝部位，分别用400目、800目、1200目、2000目的砂纸打磨，并在抛光机上进行抛光处理。抛光后，用盐酸、硝酸、氯化亚铁、氯化铜配置而成的腐蚀液对其进行腐蚀，然后拿到金相显微镜下观察，并与之前未施加超声振动的试样进行对比。如图2，图3所示，其中图2为焊缝未经随焊超声振动处理后的金相组织图片，图3为经随焊超声振动化处理后的金相组织图片。对比可以看出，经过超声振动处理后，焊缝组织明显变得细小，且无气孔等缺陷。

虽然本发明所揭示的实施方式如上，但其内容只是为了便于理解本发明的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭示的核心技术方案的前提下，可以在实施的形式和细节上做任何修改与变化，但本发明所限定的保护范围，仍须以所附的权利要求书限定的范围为准。

本发明未尽事宜为公知技术。

Claims (3)

1.一种超声辅助钴基合金-镍基合金钨极氩弧焊装置，其特征为该装置包括超声振动装置、钨极氩弧焊焊枪、工作台和行走小车；

其中，所述的工作台的两端，分别固定有一条导轨，两条导轨平行；两条导轨之间的工作台的边缘，设置有两套卡具，分别用于固定待焊的钴基合金板与对接镍基合金板；

“门”字形的行走小车的两根竖粱分别设置在两条导轨上；所述的行走小车的左侧竖粱上，固定有超声振动装置；超声振动装置水平放置，其滚压头位于待焊点的上方；行走小车的横梁上，固定有钨极氩弧焊焊枪；

所述的钨极氩弧焊焊枪置于待焊工件间隙中心正上方，并且钨极氩弧焊焊枪与待焊工件间隙中心成60°~70°；所述超声振动装置的滚压头作用于对焊区域；所述超声振动装置的滚压头超声作用中心位置与钨极氩弧焊焊枪的中心位置间距为40~50mm。

2.如权利要求1所述的超声辅助钴基合金-镍基合金钨极氩弧焊装置，其特征为所述的钴基合金板为UMCo50，镍基合金板为Inconel600。

3.如权利要求1所述的超声辅助钴基合金-镍基合金钨极氩弧焊方法，其特征为包括以下步骤：

步骤一：将钴基合金UMCo50板与镍基合金Inconel600板固定在工作台上，并将焊缝周围40mm内清理干净，并在两侧添加引弧板与熄弧板；对接钴基合金板与对接镍基合金板厚度为3mm，焊前开20°~30°的坡口，并预留0.5mm的钝边；

步骤二：将超声振动装置启动，并将超声振动装置施加于预定路线的起始位置，距离焊缝50mm~150mm；

步骤三：将钨极氩弧焊焊枪置于预计的起始位置，启动钨极氩弧焊装置；超声振动频率为20kHz-200kHz，振幅8μm~20μm；

步骤四：调节好焊接工艺参数：焊接电流140~160A，焊接电压15~17V；

步骤五：引弧，并启动行走小车进行施焊，行走小车的行进速度为10cm/min；

步骤六：按照既定轨迹运行完毕后，钨极氩弧焊焊枪于焊接结束位置脱离焊缝；

步骤七：钨极氩弧焊焊枪脱离焊缝后，关闭超声振动装置。