CN111085766B - 薄板NiTi合金电子束焊接急冷凝固细晶装置及其焊接方法 - Google Patents

薄板NiTi合金电子束焊接急冷凝固细晶装置及其焊接方法 Download PDF

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Abstract

薄板NiTi合金电子束焊接急冷凝固细晶装置及其焊接方法，它涉及焊接技术领域。本发明为解决现有薄板NiTi合金电子束焊接后接头中晶粒粗大的问题。急冷凝固细晶装置包括压抓式夹具体、冷却紫铜和冷却紫铜紧固机构，冷却紫铜通过冷却紫铜紧固机构设置在压抓式夹具体的正上方。焊接方法包括：对待焊母材进行预处理；装夹待焊母材；装夹冷却紫铜紧固机构；焊接；冷却。本发明用于薄板NiTi合金电子束焊接。

Description

薄板NiTi合金电子束焊接急冷凝固细晶装置及其焊接方法
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，具体涉及薄板NiTi合金电子束焊接急冷凝固细晶装置及其焊接方法。
背景技术
焊接是把两个金属零件或多个金属零件连接成一个部件的最常用的加工方法，而得到的部件通常在各个方向均具有很高的强度。但是针对不同的焊接材料，焊件常常在焊后产生不同种类的焊接缺陷。对于NiTi形状记忆材料，在焊接过程中常常存在的缺陷是焊后晶粒粗大。由于NiTi形状记忆合金的导热系数较低，在高能电子束的作用下，无法有效的传导出去而造成热量的累积，液态金属在较高的温度下进行形核长大，因此出现了焊后晶粒粗大的现象，晶粒粗大会导致材料的强度、硬度以及韧性等各项力学性能发生降低。本发明针对NiTi形状记忆合金在焊接过程中温度积累导致的晶粒长大严重现象，设计了一种动力学急冷凝固细晶装置，实现了晶粒大小的调控。
发明内容
本发明为了解决现有薄板NiTi合金电子束焊接后接头中晶粒粗大的问题，进而提出薄板NiTi合金电子束焊接急冷凝固细晶装置及其焊接方法。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
薄板NiTi合金电子束焊接急冷凝固细晶装置，其组成包括压抓式夹具体、冷却紫铜和冷却紫铜紧固机构，冷却紫铜通过冷却紫铜紧固机构设置在压抓式夹具体的正上方；
所述压抓式夹具体包括夹具主体、两个支撑挡板和四个压力抓，夹具主体上端面前后两侧的中部分别各固接有一个支撑挡板，每个支撑挡板两端的外侧分别各设置有一个压力抓，压力抓的根部通过紧固螺栓固接在夹具主体的上端面上；
所述夹具主体上端面的中部沿长度方向设置有防护凹槽；
所述压力抓的根部与夹具主体的上端面之间设置有垫片，垫片套装在紧固螺栓上；
所述冷却紫铜紧固机构包括底部垫板、紧固铜罩和两个紧固铜杆，两个紧固铜杆并列设置，紧固铜罩插装在两个紧固铜杆的中部，冷却紫铜设置在紧固铜罩的下端，紧固铜罩的上端面上均布旋装有四个顶紧螺钉，顶紧螺钉的末端穿过紧固铜罩，夹具体设置在底部垫板的上端且位于两个紧固铜杆的内侧，紧固铜杆的两端分别与底部垫板的上端面固接；
所述冷却紫铜上端面的中部设置有紫铜透束孔，紧固铜罩上端面的中部设置有铜罩透束孔；
所述冷却紫铜下端面的中部沿长度方向设置有防干涉凹槽。
薄板NiTi合金电子束焊接急冷凝固细晶的焊接方法，其步骤如下：
步骤一：对待焊母材进行预处理：将两块薄板待焊母材进行预处理，将两块薄板待焊母材的对接面及距对接面10mm区域内进行机械打磨和化学清洗；
步骤二：装夹待焊母材：将两个支撑挡板用连接螺栓固定在夹具主体上，将两块待焊母材放置于夹具主体上，且对接面待焊位置与防护凹槽的位置相对应，将待焊母材的后焊接位置，即收束位置的一侧紧靠着支撑挡板，安装好后用紧固螺栓穿过压力抓的根部和垫片，然后将压力抓的尖部移至待焊母材的上端，再锁紧紧固螺栓对待焊母材进行固定；
步骤三：装夹冷却紫铜紧固机构：将底部垫板放入真空室底板上，将待焊母材和压抓式夹具体置于真空室工作台上，将冷却紫铜放置在待焊母材上，使其下部的防干涉凹槽中心以及上部的紫铜透束孔位于待焊位置中心，将紧固铜罩放置于冷却紫铜上方，使铜罩透束孔和紫铜透束孔同心放置，将紧固铜杆插入底部垫板的孔洞中，并用固定螺栓旋入紧固铜杆底部的螺孔进行紧固，最后通过顶部顶紧螺钉将冷却紫铜与待焊母材的上端面紧密接触，然后关闭真空室舱门，并抽真空；
步骤四：焊接：在焊接过程中，焊枪为固定状态，焊接过程进行时为工作台进行运动，当焊接过程进行时，焊枪通过铜罩透束孔和紫铜透束孔作用在待焊位置，随着工作台的移动实现待焊母材的焊接，整个过程急冷凝固细晶装置部分不发生运动，通过工作台的运动实现随焊冷却，并抑制焊接过程中的金属飞溅；
步骤五：冷却：焊接结束后焊接件随焊接真空室同步冷却，待真空室常温后，取消真空状态，打开真空室舱门，拆下冷却紫铜紧固机构部分，取出焊接件及压抓式夹具体，焊接完成。
进一步的，所述步骤二中两块待焊母材的对接面的错边小于0.2mm，对接面之间的间隙小于0.1mm。
进一步的，所述步骤四中的焊接方式为电子束焊接。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
一、本发明的目的在于调控待焊母材10在焊接过程中由于高能电子束导致的焊接熔池及其附近区域的温度过高，同时由于NiTi形状记忆合金的导热系数较低，导致热量无法及时的散失而造成的接头晶粒生长粗大的现象。由于较大的晶粒会导致接头的强度、硬度以及韧性等各项力学性能发生降低。因此，本发明设计了随动急冷凝固装置，加快热量的传导速度，降低了熔池及其附近区域的温度，增加液态金属的形核数，减小晶粒尺寸。
二、本发明的焊接动力学急冷凝固细晶装置是通过冷却紫铜12以及冷却紫铜紧固机构进行调控的，通过顶部紧固螺栓17对冷却紫铜12施加较小的约束力，使其与待焊母材10的上表面相接触，起到接触冷却的作用；冷却紫铜12与待焊母材10上表面的接触面为抛光面，可以增大接触面积以及减小滑动摩擦力，保证焊接过程的稳定进行；整个紧固机构也都为紫铜材料制作，可以达到更好的冷却效果。与此同时，整个装置一方面能够减小焊接金属蒸汽的剧烈蒸发，另一方面可以实现顶部遮挡作用，减小了焊接过程中的飞溅。利用本发明的装置可以控制NiTi合金焊后接头晶粒粗大的现象，还可以减少焊接过程中的飞溅。
三、本发明可用于薄板对接的工件，可用于电子束焊接的真空室中，通过随动急速冷却实现对接头晶粒的细化作用。
附图说明
图1是本发明的薄板NiTi合金电子束焊接急冷凝固细晶装置的整体结构示意图；
图2是本发明中冷却紫铜12的结构示意图；
图3是本发明中冷却紫铜紧固机构去掉底部垫板1后的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式为薄板NiTi合金电子束焊接急冷凝固细晶装置，其包括压抓式夹具体、冷却紫铜12和冷却紫铜紧固机构，冷却紫铜12通过冷却紫铜紧固机构设置在压抓式夹具体的正上方。
装置应用的焊接对象待焊母材10是薄板型焊接件，其长度l取值范围可为85mm～105mm，宽度w范围为125mm～145mm，厚度h范围2mm～5mm；本装置长、宽、高的范围分别为L(300mm～400mm)、W(218mm～225mm)、H(80mm～90mm)。
具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式为压抓式夹具体包括夹具主体3、两个支撑挡板5和四个压力抓7，夹具主体3上端面前后两侧的中部分别各固接有一个支撑挡板5，每个支撑挡板5两端的外侧分别各设置有一个压力抓7，压力抓7的根部通过紧固螺栓8固接在夹具主体3的上端面上。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式一相同。
本实施方式中压抓式夹具体在对待焊母材10进行装配时，将待焊母材10紧靠单侧支撑挡板5，而与另一侧的支撑挡板5保留9～10mm的间距。
本实施方式中紧固螺栓8为M6螺栓。压力抓7的外形尺寸为50mm×10mm×8mm。
具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式为夹具主体3上端面的中部沿长度方向设置有防护凹槽4。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式二相同。
本实施方式中防护凹槽4的尺寸为5mm×3mm×200mm。防护凹槽4可防止电子束将试样焊透而作用在夹具上，保护夹具主体3。
具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式为压力抓7的根部与夹具主体3的上端面之间设置有垫片9，垫片9套装在紧固螺栓8上。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式二相同。
本实施方式中支撑挡板5通过一组连接螺栓6固接在夹具主体3的上端面上，连接螺栓6为M6螺栓。
具体实施方式五：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式为冷却紫铜紧固机构包括底部垫板1、紧固铜罩15和两个紧固铜杆18，紧固铜杆18的形状为倒置的“凵”字形，两个紧固铜杆18并列设置，紧固铜罩15插装在两个紧固铜杆18的中部，冷却紫铜12设置在紧固铜罩15的下端，紧固铜罩15的上端面上均布旋装有四个顶紧螺钉17，顶紧螺钉17的末端穿过紧固铜罩15，夹具体设置在底部垫板1的上端且位于两个紧固铜杆18的内侧，紧固铜杆18的两端分别与底部垫板1的上端面固接。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式一、二、三或四相同。
本实施方式中紧固铜杆18的底部设置有M4的螺孔20，底部垫板1上设置有四个孔洞，将紧固铜杆18插入底部垫板1的孔洞中，并用固定螺栓19旋入紧固铜杆18底部的螺孔20进行紧固。紧固铜罩15与紧固曲杆18制成一体。
本实施方式中为了便于实现顶紧螺钉17将冷却紫铜12顶紧与待焊母材10的上端面紧密接触，可将顶紧螺钉17的末端与冷却紫铜12的上端面转动连接。
本实施方式的夹具主体3、连接螺栓6、顶紧螺钉17和固定螺栓19均采用采用316不锈钢，该材料刚度较大，本身无磁性，适合于电子束焊接。冷却紫铜12、冷却紫铜紧固机构的材料均选用C1020紫铜，其国际牌号是C103，紫铜材料高的导热系数可以实现更好的冷却效果。
紧固铜罩15为壳体状结构，紧固铜罩15的内部尺寸为70mm×60mm×15mm，壳体的壁厚为3mm。
具体实施方式六：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式为冷却紫铜12上端面的中部设置有紫铜透束孔14，紧固铜罩15上端面的中部设置有铜罩透束孔16。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式五相同。
本实施方式中紫铜透束孔14和铜罩透束孔16的直径均为10mm。
具体实施方式七：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式为冷却紫铜12下端面的中部沿长度方向设置有防干涉凹槽13。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式六相同。
本实施方式中防干涉凹槽13的尺寸为30mm×5mm×60mm，防护凹槽13罩于待焊母材10的对接面待焊位置11的上方。冷却紫铜12与待焊母材10接触的下表面为光滑的抛光面，降低焊接过程中其与待焊母材10上表面的滑动摩擦力。
装置的制造过程：
依据二维图纸通过机械加工制造。
(1)利用电火花线切割、车床、铣床将压抓式夹具体、冷却紫铜、冷却紫铜紧固机构等部件加工成形。
(2)对加工后的各部件进行表面打磨处理，提高表面的光滑度，减小装配误差，并对冷却紫铜的下表面进行机械抛光处理。
(3)对压抓式夹具体以及冷却紫铜紧固机构进行钻孔处理，为装配做准备。
(4)将各部件按照图纸进行装配成形，其中支撑挡板以及螺栓可以根据焊件的不同进行调整替换。
具体实施方式八：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式为薄板NiTi合金电子束焊接急冷凝固细晶的焊接方法，其步骤如下：
步骤一：对待焊母材10进行预处理：将两块薄板待焊母材10进行预处理，将两块薄板待焊母材10的对接面及距对接面10mm区域内进行机械打磨和化学清洗；
步骤二：装夹待焊母材10：将两个支撑挡板5用连接螺栓6固定在夹具主体3上，将两块待焊母材10放置于夹具主体3上，且对接面待焊位置11与防护凹槽4的位置相对应，将待焊母材10的后焊接位置，即收束位置的一侧紧靠着支撑挡板5，安装好后用紧固螺栓8穿过压力抓7的根部和垫片9，然后将压力抓7的尖部移至待焊母材10的上端，再锁紧紧固螺栓8对待焊母材10进行固定；
步骤三：装夹冷却紫铜紧固机构：将底部垫板1放入真空室底板上，将待焊母材10和压抓式夹具体置于真空室工作台2上，将冷却紫铜12放置在待焊母材10上，使其下部的防干涉凹槽13中心以及上部的紫铜透束孔14位于待焊位置11中心，将紧固铜罩15放置于冷却紫铜12上方，使铜罩透束孔16和紫铜透束孔14同心放置，将紧固铜杆18插入底部垫板1的孔洞中，并用固定螺栓19旋入紧固铜杆18底部的螺孔20进行紧固，最后通过顶部顶紧螺钉17将冷却紫铜12与待焊母材10的上端面紧密接触，然后关闭真空室舱门，并抽真空；
步骤四：焊接：在焊接过程中，焊枪为固定状态，焊接过程进行时为工作台2进行运动，当焊接过程进行时，焊枪通过铜罩透束孔16和紫铜透束孔14作用在待焊位置11，随着工作台2的移动实现待焊母材10的焊接，整个过程急冷凝固细晶装置部分不发生运动，通过工作台2的运动实现随焊冷却，并抑制焊接过程中的金属飞溅；
步骤五：冷却：焊接结束后焊接件随焊接真空室同步冷却，待真空室常温后，取消真空状态，打开真空室舱门，拆下冷却紫铜紧固机构部分，取出焊接件及压抓式夹具体，焊接完成。
具体实施方式九：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式为步骤二中两块待焊母材10的对接面的错边小于0.2mm，对接面之间的间隙小于0.1mm。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式八相同。
具体实施方式十：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式为步骤四中的焊接方式为电子束焊接。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式九相同。

Claims (4)

1.薄板NiTi合金电子束焊接急冷凝固细晶装置，其特征在于：所述薄板NiTi合金电子束焊接急冷凝固细晶装置包括压抓式夹具体、冷却紫铜(12)和冷却紫铜紧固机构，冷却紫铜(12)通过冷却紫铜紧固机构设置在压抓式夹具体的正上方；
所述压抓式夹具体包括夹具主体(3)、两个支撑挡板(5)和四个压力抓(7)，夹具主体(3)上端面前后两侧的中部分别各固接有一个支撑挡板(5)，每个支撑挡板(5)两端的外侧分别各设置有一个压力抓(7)，压力抓(7)的根部通过紧固螺栓(8)固接在夹具主体(3)的上端面上；
所述夹具主体(3)上端面的中部沿长度方向设置有防护凹槽(4)；
所述压力抓(7)的根部与夹具主体(3)的上端面之间设置有垫片(9)，垫片(9)套装在紧固螺栓(8)上；
所述冷却紫铜紧固机构包括底部垫板(1)、紧固铜罩(15)和两个紧固铜杆(18)，两个紧固铜杆(18)并列设置，紧固铜罩(15)插装在两个紧固铜杆(18)的中部，冷却紫铜(12)设置在紧固铜罩(15)的下端，紧固铜罩(15)的上端面上均布旋装有四个顶紧螺钉(17)，顶紧螺钉(17)的末端穿过紧固铜罩(15)，夹具体设置在底部垫板(1)的上端且位于两个紧固铜杆(18)的内侧，紧固铜杆(18)的两端分别与底部垫板(1)的上端面固接；
所述冷却紫铜(12)上端面的中部设置有紫铜透束孔(14)，紧固铜罩(15)上端面的中部设置有铜罩透束孔(16)；
所述冷却紫铜(12)下端面的中部沿长度方向设置有防干涉凹槽(13)。
2.利用权利要求1所述的薄板NiTi合金电子束焊接急冷凝固细晶装置实现薄板NiTi合金电子束焊接急冷凝固细晶的焊接方法，其特征在于，所述焊接方法包括如下步骤：
步骤一：对待焊母材(10)进行预处理：将两块薄板待焊母材(10)进行预处理，将两块薄板待焊母材(10)的对接面及距对接面10mm区域内进行机械打磨和化学清洗；
步骤二：装夹待焊母材(10)：将两个支撑挡板(5)用连接螺栓(6)固定在夹具主体(3)上，将两块待焊母材(10)放置于夹具主体(3)上，且对接面待焊位置(11)与防护凹槽(4)的位置相对应，将待焊母材(10)的后焊接位置，即收束位置的一侧紧靠着支撑挡板(5)，安装好后用紧固螺栓(8)穿过压力抓(7)的根部和垫片(9)，然后将压力抓(7)的尖部移至待焊母材(10)的上端，再锁紧紧固螺栓(8)对待焊母材(10)进行固定；
步骤三：装夹冷却紫铜紧固机构：将底部垫板(1)放入真空室底板上，将待焊母材(10)和压抓式夹具体置于真空室工作台(2)上，将冷却紫铜(12)放置在待焊母材(10)上，使其下部的防干涉凹槽(13)中心以及上部的紫铜透束孔(14)位于待焊位置(11)中心，将紧固铜罩(15)放置于冷却紫铜(12)上方，使铜罩透束孔(16)和紫铜透束孔(14)同心放置，将紧固铜杆(18)插入底部垫板(1)的孔洞中，并用固定螺栓(19)旋入紧固铜杆(18)底部的螺孔(20)进行紧固，最后通过顶部顶紧螺钉(17)将冷却紫铜(12)与待焊母材(10)的上端面紧密接触，然后关闭真空室舱门，并抽真空；
步骤四：焊接：在焊接过程中，焊枪为固定状态，焊接过程进行时为工作台(2)进行运动，当焊接过程进行时，焊枪通过铜罩透束孔(16)和紫铜透束孔(14)作用在待焊位置(11)，随着工作台(2)的移动实现待焊母材(10)的焊接，整个过程急冷凝固细晶装置部分不发生运动，通过工作台(2)的运动实现随焊冷却，并抑制焊接过程中的金属飞溅；
步骤五：冷却：焊接结束后焊接件随焊接真空室同步冷却，待真空室常温后，取消真空状态，打开真空室舱门，拆下冷却紫铜紧固机构部分，取出焊接件及压抓式夹具体，焊接完成。
3.根据权利要求2所述的焊接方法，其特征在于：所述步骤二中两块待焊母材(10)的对接面的错边小于0.2mm，对接面之间的间隙小于0.1mm。
4.根据权利要求2所述的焊接方法，其特征在于：所述步骤四中的焊接方式为电子束焊接。
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