CN113600962B - 一种高能量密度加热焊接非晶合金的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及非晶合金焊接技术领域，尤其涉及一种高能量密度加热焊接非晶合金的方法，包括S1、清洁待焊接的非晶合金板；S2、将待焊接的第一非晶合金板和待焊接的第二非晶合金板分别放置在第一平台内和第二平台上，支撑件支撑住第二非晶合金板；S3、将压辊和冷却装置调控至非晶合金待焊接的初始位置并贴住非晶合金板，将高能量密度装置的喷头指向非晶合金待焊接的初始位置，将温度传感器放置在非晶合金待焊接的初始位置，在主机系统上输入待焊接的非晶合金的型号；S4、启动主机系统；S5、将S4获得的非晶合金块体与其他非晶合金板重复进行S2～S4步骤，获得体积增加的非晶块体，该方法能快速准确地升温和快速冷却非晶合金焊接位。

Description

一种高能量密度加热焊接非晶合金的方法

技术领域

本发明涉及非晶合金焊接技术领域，尤其涉及一种高能量密度加热焊接非晶合金的方法。

背景技术

块体非晶合金因具有优于传统晶态合金独特的物理和化学性能而受到广泛关注，但是非晶合金的形成能力有限。其中，压铸成型非晶合金需要极高的冷却速度，在当前有限的冷却速度条件下大部分只能形成毫米或厘米级别的铸造非晶合金；而且，在高温下非晶合金极易发生晶化，这些都阻碍了大尺寸非晶合金的制备。

目前，利用先进制造的方法制备出大尺寸非晶合金是解决大尺寸非晶合金制备问题的有效途径之一，焊接技术是一种以加热、高温或者高压的方式接合金属或其他热塑性材料的制造工艺及技术，它适用于高速率冷却成形的非晶合金焊接。近几年来，应用焊接技术来连接非晶合金的专利及相关研究已有不少，比如利用激光、电流焊接对非晶合金进行焊接。它们的原理都是利用激光或电流产生的热量使合金温度升高至过冷液相区，此时非晶合金具有超塑性，然后通过施压并冷却成形，最终实现两非晶合金的焊接。

例如在申请号为201910621588.5的发明创造中,公开了一种非晶合金、其激光焊接方法以及焊接辅助装置，该方法提出了一种能够在焊接过程中对待焊接件进行冷却的激光焊接方法，该方法的优点是避免焊缝晶化问题，但是该方法在焊接前需要人为选取在一定范围之内的激光参数来避免晶化，这无疑增加了焊接的难度以及焊接的精确度，且该范围内的激光参数不一定适用于焊接其他种类的非晶合金，这就严重影响了非晶合金焊接的质量。

在申请号为201911228983.3的发明创造中,公开了一种非晶合金真空焊接装置和方法，该方法在真空腔内设置有焊接平台，实现真空激光焊接技术在真空环境下对非晶合金进行焊接，该方法的优点是有效避免非晶合金氧化和减少气孔，但该方法需要根据经验来人为调整焊接参数，并且该冷却效果不佳，不利于保证非晶合金焊接过程的完全非晶态。

在申请号为202011054489.2的发明创造中,公开了一种非晶合金电阻焊接方法，该方法利用直流电源正负极连接被焊接的两块非晶合金，焊接处升温至过冷液相区发生塑性变形后通过气缸挤压连接在一起，该方法的优点是能解决以往焊接连接性能不理想的问题。但是针对不同材质的非晶合金的过冷液相区不同的情况下，该方法具有能量不可控的局限性。

发明内容

本发明的目的为是克服了现有技术的问题，提供了一种的高能量密度加热焊接非晶合金的方法，该方法能快速准确地升温和快速冷却非晶合金焊接位以避免非晶合金晶化的问题。

为了达到上述目的，本发明采用以下方案：

提供一种高能量密度加热焊接非晶合金的方法，包括采用非晶合金的高能量密度焊接系统，所述非晶合金的高能量密度焊接系统包括第一平台和第二平台，所述第一平台和所述第二平台在直线上对齐，所述第一平台和所述第二平台二者的侧边均设有若干限位件，所述限位件将所述第一平台围设为用于放置第一非晶合金板的第一定位空间，所述限位件将所述第二平台围设为用于放置第二非晶合金板的第二定位空间，所述第二平台的朝上端面设有向上突出的用于支撑起第二非晶合金板的支撑件，所述支撑件的外端为弹性端，所述第二非晶合金板的焊接端能伸至所述第一非晶合金板的焊接端上方且能与所述第一非晶合金板的焊接端连接；

冷却装置和压辊，所述冷却装置贴在所述第一非晶合金板的焊接端的正下方，所述压辊贴在所述第二非晶合金板的焊接端的正上方，所述冷却装置和所述压辊能沿着第一非晶合金板与第二非晶合金板的焊接移动路径同步移动；

温度传感器，所述温度传感器位于所述第一非晶合金板的焊接端与所述第二非晶合金板的焊接端之间的位置并能沿着第一非晶合金板与第二非晶合金板的焊接移动路径而移动；

高能量密度装置，所述高能量密度装置的喷头指向第一非晶合金板的焊接端与所述第二非晶合金板的焊接端之间的位置并能移动；

主机系统，所述主机系统连接所述冷却装置、所述压辊、温度传感器和所述高能量密度装置的喷头，所述主机系统内储存有若干非晶合金材料的性能数据，所述主机系统根据所述温度传感器测量的温度来控制所述冷却装置、所述压辊和所述高能量密度装置的喷头的工作状态。

焊接非晶合金时，包括以下步骤：

S1、清洁待焊接的第一非晶合金板和待焊接的第二非晶合金板；

S2、将待焊接的第一非晶合金板和待焊接的第二非晶合金板分别放置在第一平台内和第二平台上，所述支撑件支撑住所述第二非晶合金板，使得所述第二非晶合金板的焊接端伸至所述第一非晶合金板的焊接端上方，所述第一非晶合金板的焊接端与所述第二非晶合金板的焊接端之间留有空间位置；

S3、将压辊和冷却装置调控至非晶合金待焊接的初始位置并贴住非晶合金板，将高能量密度装置的喷头指向非晶合金待焊接的初始位置，将温度传感器放置在非晶合金待焊接的初始位置，在所述主机系统上输入待焊接的非晶合金的型号；

S4、启动主机系统，所述主机系统控制高能量密度装置的喷头逐渐加热非晶合金的连接界面，同时控制压辊将第二非晶合金板的焊接端逐渐压合在与第一非晶合金板的焊接端上，控制冷却装置、温度传感器与压辊同步移动，使得第一非晶合金板与第二非晶合金板的焊接连接，获得非晶合金块体；

S5、将S4获得的非晶合金块体与其他非晶合金板重复进行S2～S4步骤，获得体积增加的非晶块体。

上述的高能量密度加热焊接非晶合金的方法的工作原理：所述第一平台内放置待焊接的第一非晶合金板，所述第二平台放置待焊接的第二非晶合金板，所述第一非晶合金板与所述第二非晶合金板在竖直方向上错位排布，使得第一非晶合金板与第二非晶合金板具有错位叠合的区域，在该区域中，第一非晶合金板和第二非晶合金板未连接前，其二者的焊接端留有间隙，高能量密度装置的喷头朝向该间隙则逐步移动从而逐渐将非晶合金的连接界面逐步加热以使连接界面转换为塑性流变，压辊滚动并将第一非晶合金板压在第二非晶合金板上以使发生塑料流变的界面连接起来，冷却装置随着移动将连接在一起的焊接部位瞬时冷却。

主机系统存储多种非晶合金材料的性能数据，通过在主机系统中选择相应的非晶合金材料，主机系统根据待焊接的非晶合金的过冷液相区计算和控制输出加热功率，确保非晶合金不晶化，同时又避免了传统试错法寻找优化功率的繁琐工作，即，主机系统控制高能量密度装置的喷头对非晶合金的加热，主机系统还控制压辊、冷却装置和温度传感器沿焊接移动路径而同步移动，使得能瞬时加热和瞬时冷却，这样使得加热和冷却同步进行从而实现快速升温和快速冷却的效果，即已经焊接部位能及时冷却成形，避免非晶合金晶化。而温度传感器则实时监测加热温度，并将监测的数据反馈到主机系统，使得主机系统实时调控压辊、冷却装置等，确保了非晶合金的连接界面能达到过冷液相区的温度，保证连接效果。

进一步地，所述第一平台和所述第二平台之间留有空位，所述冷却装置放在所述空位中。

进一步地，所述限位件为限位柱，所述限位柱的圆面指向所述平台的中部。

进一步地，所述支撑件包括固定设置的管壳，所述管壳内设有弹簧条，所述弹簧条的外端伸出所述管壳并固定有向上拱起的顶帽。

进一步地，所述冷却装置包括肋板型的冷却板，所述冷却板能贴住所述第一非晶合金板的焊接端的下侧面移动。

进一步地，所述高能量密度装置包括机械臂，所述喷头连接在所述机械臂上，所述机械臂驱动所述喷头多向移动。

进一步地，所述机械臂与所述主机系统连接。

进一步地，还包括惰性气体喷嘴，所述惰性气体喷嘴指向第一非晶合金板与第二非晶合金板的焊接移动路径的侧边处且能沿第一非晶合金板与第二非晶合金板的焊接移动路径而移动。

进一步地，所述惰性气体喷嘴滑动连接在导轨上，所述导轨连接所述主机系统。

进一步地，所述高能量密度装置的能量为气体焰、激光或电子束中的一种。

与现有的技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明将压辊、冷却装置同步运动，当加热温度瞬速升到预计温度后，实现边加热边压合和边冷却的目的，达到两非晶板焊接为一体的效果，有效避免了晶化的问题。

(2)本发明的主机系统根据其存储的非晶合金参数来控制高能量密度装置的喷头加热非晶合金的温度，以及通过智能控制来控制压辊和冷却装置移动速度和路径，并且根据温度传感器来控制压辊、冷却装置移动，不但保证了加热温度的精确度，还确保了瞬时加热和瞬时冷却的同步性，避免了非晶合金晶化的可能性。

(3)本发明先将两个非晶合金板焊接连接，再将焊接连接好的非晶合金板重复焊接连接，从而获得体积增大的非晶合金块体。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。

图1是本发明的非晶合金的高能量密度焊接系统的结构示意图。

图2是本发明的压辊在压合第二非晶合金板状态的示意图。

图3是本发明的温度传感器与主机系统和加热系统的工作流程图。

图4是本发明的机械臂与喷头的示意图。

图5是本发明的压辊将第二非晶合金板压合在第一非晶合金板上状态的示意图。

图中包括：

第一平台1；第二平台2；限位件3；第一非晶合金板4；第二非晶合金板5；支撑件6；冷却装置7；压辊8；温度传感器9；高能量密度装置10；主机系统11；空位12；管壳13；弹簧条14；顶帽15；机械臂16；导轨17；焊接端18；喷头19；能量线20。

具体实施方式

结合附图和以下实施例对本申请作进一步描述。

实施例1

本实施例公开的一种高能量密度加热焊接非晶合金的方法，采用图1所示的非晶合金的高能量密度焊接系统，所述非晶合金的高能量密度焊接系统包括第一平台1和第二平台2，所述第一平台1和所述第二平台2在直线上对齐，所述第一平台1和所述第二平台2二者的侧边均设有若干限位件3，所述限位件3将所述第一平台1围设为用于放置第一非晶合金板4的第一定位空间，所述限位件3将所述第二平台2围设为用于放置第二非晶合金板5的第二定位空间，所述第二平台2的朝上端面设有向上突出的用于支撑起第二非晶合金板5的支撑件6，所述支撑件6的外端为弹性端，所述第二非晶合金板5的焊接端18能伸至所述第一非晶合金板4的焊接端18上方且能与所述第一非晶合金板4的焊接端18连接；

冷却装置7和压辊8，所述冷却装置7贴在所述第一非晶合金板4的焊接端18的正下方，所述压辊8贴在所述第二非晶合金板5的焊接端18的正上方，所述冷却装置7和所述压辊8能沿着第一非晶合金板4与第二非晶合金板5的焊接移动路径同步移动；

温度传感器9，所述温度传感器9位于所述第一非晶合金板4的焊接端18与所述第二非晶合金板5的焊接端18之间的位置并能沿着第一非晶合金板4与第二非晶合金板5的焊接移动路径而移动；

高能量密度装置10，如图所示，所述高能量密度装置10的喷头19指向第一非晶合金板4的焊接端18与所述第二非晶合金板5的焊接端18之间的位置并能移动，能量线20射向焊接位。

主机系统11，所述主机系统11连接所述冷却装置7、所述压辊8、温度传感器9和所述高能量密度装置10的喷头19，所述主机系统11内储存有若干非晶合金材料的性能数据，所述主机系统11根据所述温度传感器9测量的温度来控制所述冷却装置7、所述压辊8和所述高能量密度装置10的喷头19的工作状态。即，如图3所示，温度传感器9测量焊接温度并将变化的焊接温度数据传入，主机系统11对比温度传感器9测量到的温度并根据主机系统11设定的温度控制能量输出功率，形成检测-反馈-检测的闭环系统，调控压辊8移动速度和冷却装置7移动速度，保证温度稳定在过冷液相区的所对应的温度，实现精确控温实时控制。

焊接非晶合金时，包括以下步骤：

S1、清洁待焊接的第一非晶合金板4和待焊接的第二非晶合金板5，优选地，分别用400、800、1200目的砂纸打磨去掉氧化层，并用无水乙醇浸泡进行超声清洗3-5min，焊接前用酒精擦拭除去污渍后用风筒吹干；

S2、将待焊接的第一非晶合金板4和待焊接的第二非晶合金板5分别放置在第一平台1内和第二平台2上，所述支撑件6支撑住所述第二非晶合金板4，使得所述第二非晶合金板5的焊接端18伸至所述第一非晶合金板4的焊接端18上方，所述第一非晶合金板4的焊接端18与所述第二非晶合金板5的焊接端18之间留有空间位置；

S3、将压辊8和冷却装置7调控至非晶合金待焊接的初始位置并贴住非晶合金板，将高能量密度装置10的喷头19指向非晶合金待焊接的初始位置，将温度传感器9放置在非晶合金待焊接的初始位置，在所述主机系统11上输入待焊接的非晶合金的型号；

S4、启动主机系统11，所述主机系统11控制高能量密度装置10的喷头19逐渐加热非晶合金的连接界面，同时控制压辊将第二非晶合金板5的焊接端逐渐压合在与第一非晶合金板4的焊接端上，控制冷却装置7、温度传感器9与压辊8同步移动，使得第一非晶合金板4与第二非晶合金板5的焊接连接，获得非晶合金块体；

S5、将S4获得的非晶合金块体与其他非晶合金板重复进行S2～S4步骤，获得体积增加的非晶块体。

上述的高能量密度加热焊接非晶合金的方法的工作原理：所述第一平台1的定位空间内放置待焊接的第一非晶合金板4，所述第二平台2的定位空间内放置待焊接的第二非晶合金板5，所述第一非晶合金板4与所述第二非晶合金板5在竖直方向上错位排布，使得第一非晶合金板4与第二非晶合金板5的具有错位叠合的区域，在该区域中，第一非晶合金板4和第二非晶合金板5未连接前，其二者的焊接端18留有空位12，高能量密度装置10的喷头19则逐步移动从而逐渐将非晶合金的连接界面逐步加热以使连接界面转换为塑性流变，压辊8滚动并将第一非晶合金板4压在第二非晶合金板5上以使发生塑料流变的界面连接起来，冷却装置7随着移动将焊接部位瞬时冷却；

主机系统11存储多种非晶合金材料的性能数据，通过在主机系统11中选择相应的非晶合金材料，主机系统11根据待焊接的非晶合金的过冷液相区计算和控制输出加热功率，确保合金不晶化的同时又避免了传统试错法寻找优化功率的繁琐工作，主机系统11则控制高能量密度装置10的喷头19对非晶合金的加热，主机系统11还控制压辊8、冷却装置7和温度传感器9沿焊接移动路径而同步移动，使得能瞬时加热和瞬时冷却，并且加热和冷却同步进行从而实现快速升温和快速冷却的效果，被及时冷却成形，避免非晶合金晶化；而温度传感器9则实时监测加热温度，确保了非晶合金的连接界面能达到过冷液相区的温度，保证连接效果。

如图1所示，所述第一平台1和所述第二平台2之间留有空位12，所述冷却装置7放在所述空位12中，这样便于放置冷却装置7。

如图1所示，所述限位件3为限位柱，所述限位柱的圆面指向所述平台的中部。限位柱的端面为平面，使得非晶合金板能准确地定位在定位空间内，提高装夹效率。

如图2所示，所述支撑件6包括固定设置的管壳13，所述管壳13内设有弹簧条14，所述弹簧条14的外端伸出所述管壳13并固定有向上拱起的顶帽15。该管壳13能支撑住弹簧条14，弹簧条14则提供了缓冲支撑的作用，既能支撑第二非晶合金板5，亦不会妨碍第二非晶合金板5与第一非晶合金板4焊接。

如图1所示，所述冷却装置7包括肋板型的冷却板，所述冷却板能贴住所述第一非晶合金板4的焊接端18的下侧面移动。该冷却装置7可以是水冷的冷却装置7，冷却板可以是黄铜、紫铜和黄金的材质。

如图4所示，所述高能量密度装置10包括机械臂16，所述喷头19连接在所述机械臂16上，所述机械臂16驱动所述喷头19多向移动。所述机械臂16与所述主机系统11连接。主机系统11根据温度传感器9的测量的参数控制机械臂16的移动路径进而控制焊接移动路径。

如图1所示，还包括惰性气体喷嘴(图中未示出)，所述惰性气体喷嘴指向第一非晶合金板4与第二非晶合金板5的焊接移动路径的侧边处且能沿第一非晶合金板4与第二非晶合金板5的焊接移动路径而移动。该惰性气体喷嘴提供适当流速的惰性气体避免氧化，惰性气体保护持续时间为：从焊接开始前到冷却成形结束，有效避免了焊接的氧化问题，在焊接的全过程有惰性气体保护，有效避免了空气与高温熔融的合金发生氧化反应，保证非晶合金的纯度。该惰性气体可以是氩气或氦气。

如图1所示，所述惰性气体喷嘴滑动连接在导轨17上，所述导轨17连接所述主机系统11。该导轨17便于实现惰性气体喷嘴移动。

本实施例中，所述高能量密度装置10的能量为气体焰、激光或电子束中的一种。这些高能量密度的加热方式，让合金瞬速升温，并且焊接速度为50mm/s，具有较高的焊接效率。

实施例2

本实施例与实施例1的不同之处在于，为实现冷却装置和压辊移动的效果，将第一平台和第二平台设置为能移动，这样就方便冷却装置和压辊同步移动，且第一平台和第二平台与主机系统连接并能同步移动，其他结构与实施例1相同，此处不再赘述。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对本申请保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本申请作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本申请的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本申请技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种高能量密度加热焊接非晶合金的方法，其特征在于：采用非晶合金的高能量密度焊接系统，所述非晶合金的高能量密度焊接系统包括第一平台和第二平台，所述第一平台和所述第二平台在直线上对齐，所述第二平台的朝上端面设有向上突出的用于支撑起第二非晶合金板的支撑件，所述支撑件的外端为弹性端；

冷却装置和压辊，所述冷却装置贴在第一非晶合金板的焊接端的正下方，所述压辊贴在所述第二非晶合金板的焊接端的正上方，所述冷却装置和所述压辊能沿着第一非晶合金板与第二非晶合金板的焊接移动路径同步移动；

温度传感器，所述温度传感器位于所述第一非晶合金板的焊接端与所述第二非晶合金板的焊接端之间的位置并能沿着第一非晶合金板与第二非晶合金板的焊接移动路径而移动；

高能量密度装置，所述高能量密度装置的喷头指向第一非晶合金板的焊接端与所述第二非晶合金板的焊接端之间的位置并能移动；

主机系统，所述主机系统连接所述冷却装置、所述压辊、温度传感器和所述高能量密度装置的喷头，所述主机系统内储存有若干非晶合金材料的性能数据，所述主机系统根据所述温度传感器测量的温度来控制所述冷却装置、所述压辊和所述高能量密度装置的喷头的工作状态；

焊接非晶合金时，包括以下步骤：

S1、清洁待焊接的第一非晶合金板和待焊接的第二非晶合金板；

S2、将待焊接的第一非晶合金板和待焊接的第二非晶合金板分别放置在第一平台内和第二平台上，所述支撑件支撑住所述第二非晶合金板，使得所述第二非晶合金板的焊接端伸至所述第一非晶合金板的焊接端上方，所述第一非晶合金板的焊接端与所述第二非晶合金板的焊接端之间留有空间位置；

S3、将压辊和冷却装置调控至非晶合金待焊接的初始位置并贴住非晶合金板，将高能量密度装置的喷头指向非晶合金待焊接的初始位置，将温度传感器放置在非晶合金待焊接的初始位置，在所述主机系统上输入待焊接的非晶合金的型号；

S4、启动主机系统，所述主机系统控制高能量密度装置的喷头逐渐加热非晶合金的连接界面，同时控制压辊将第二非晶合金板的焊接端逐渐压合在与第一非晶合金板的焊接端上，控制冷却装置、温度传感器与压辊同步移动，使得第一非晶合金板与第二非晶合金板的焊接连接，获得非晶合金块体；

S5、将S4获得的非晶合金块体与其他非晶合金板重复进行S2～S4步骤，获得体积增加的非晶块体。

2.根据权利要求1所述的高能量密度加热焊接非晶合金的方法，其特征在于：所述第一平台和所述第二平台二者的侧边均设有若干限位件，所述限位件将所述第一平台围设为用于放置第一非晶合金板的第一定位空间，所述限位件将所述第二平台围设为用于放置第二非晶合金板的第二定位空间。

3.根据权利要求2所述的高能量密度加热焊接非晶合金的方法，其特征在于：所述限位件为限位柱，所述限位柱的圆面指向所述平台的中部。

4.根据权利要求1所述的高能量密度加热焊接非晶合金的方法，其特征在于：所述支撑件包括固定设置的管壳，所述管壳内设有弹簧条，所述弹簧条的外端伸出所述管壳并固定有向上拱起的顶帽。

5.根据权利要求1所述的高能量密度加热焊接非晶合金的方法，其特征在于：所述冷却装置包括肋板型的冷却板，所述冷却板能贴住所述第一非晶合金板的焊接端的下侧面移动。

6.根据权利要求1所述的高能量密度加热焊接非晶合金的方法，其特征在于：所述高能量密度装置包括机械臂，所述喷头连接在所述机械臂上，所述机械臂驱动所述喷头多向移动。

7.根据权利要求6所述的高能量密度加热焊接非晶合金的方法，其特征在于：所述机械臂与所述主机系统连接。

8.根据权利要求1所述的高能量密度加热焊接非晶合金的方法，其特征在于：还包括惰性气体喷嘴，所述惰性气体喷嘴指向第一非晶合金板与第二非晶合金板的焊接移动路径的侧边处且能沿第一非晶合金板与第二非晶合金板的焊接移动路径而移动。

9.根据权利要求8所述的高能量密度加热焊接非晶合金的方法，其特征在于：所述惰性气体喷嘴滑动连接在导轨上，所述导轨连接所述主机系统。

10.根据权利要求1所述的高能量密度加热焊接非晶合金的方法，其特征在于：所述高能量密度装置的能量为气体焰、激光或电子束中的一种。

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