不等截面雙金屬傳動件製造方法及設備的製作方法
2023-04-27 13:26:36
專利名稱：不等截面雙金屬傳動件製造方法及設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及焊接快速成型技術，具體涉及一種不等截面雙金屬傳動件製造方法及設備，屬於焊接技術領域。
背景技術：
如何充分發揮焊接技術的製造優勢和現代結構材料的性能，快速製造大轉矩、低噪聲、低能耗、無汙染的新型梯度功能結構的變截面高性能特種傳動結構/部件/器件/系統(如特種傳動軸、活塞杆、高速和重型齒輪，特種轉子和葉片、特種輪轂軸、導軌、齒輥、軋輥等)，特別是要解決極端與特殊情況下，輕量化、長壽命、高可靠、高性能新型特種傳動部件及其系統存在高能源消耗、高材料消耗、長加工周期、使用壽命短等問題是機械工程重要裝備領域的關鍵技術。在極端服役條件下，機械關鍵基礎零部件中變截面高性能特種傳動件，目前主要採用整體單一結構件(如鍛壓件、鑄造件)經機械加工後製造而成，其原材料、能源、人力等資源消耗較大，加工時間長，設備要求極高、成本投入大，而成品率較低，製造成本居高不下。近年來，國內外焊接科技工作者成功將現代先進焊接技術應用於大型變截面的傳動部件的製造過程中，研製成功高質量焊接傳動部件及其結構，使用於性能要求極為嚴格、服役環境極為苛刻的環境中，如核電站，拓展了焊接結構應用範圍，極大地降低了生產製造成本，快速實現變截面高性能特種複雜傳動部件的加工製造，滿足其使用性能的要求，改變其傳統加工製造方法，形成關鍵零部件/器件製造新原理與新工藝。由此可見，在特定使用條件和應用環境下，以先進高效焊接技術為重要製造手段，攻克關鍵基礎零部件重大科學共性難題，保障我國大型工程建設，發展機械製造產業，培育資源節約與環境友好的裝備業， 推進社會可持續發展，滿足國家對高性能機電裝備的重大需求，促進科技進步、經濟增長與國家安全具有重大科學意義和工程實用價值。
發明內容
針對現有技術存在的不足，本發明的目的在於提供一種工藝簡單、減少焊接缺陷， 降低成本，提高生產效率和焊接質量的不等截面雙金屬傳動件製造方法及設備方法及設備。本發明的目的是這樣實現的不等截面雙金屬傳動件製造方法，在小直徑截面的傳動件基體上，採用外場複合帶模強制溫度控制順序生長整體焊接快速成型技術，結合原位合金化梯度功能結構製備方法，按照傳動件的設計尺寸和精度要求，高效、近淨、低成本製造微觀結構晶粒細化、焊縫無分層和偏析、內部高塑性與高韌性、表面耐磨的不等截面雙金屬傳動件；所述焊接快速成型技術是電弧、熔滴、熔池和焊縫在外加複合能量場中，發生電磁控制電弧等離子旋轉和熔滴過渡作用、電磁攪拌作用、電磁冶金作用、超聲焊接作用， 系統有序綜合控制和促成大體積焊接熔池液態金屬順序定向凝固過程，在大電流高速送絲系統、高效焊接電源系統、帶模強制溫度控制系統、氣體保護系統、原位合金化梯度功能材
5料的配合下，實現不等截面雙金屬傳動件近淨無分層順序生長整體成型製造方法。不等截面雙金屬傳動件製造方法，外加複合能量場由電磁能量場和超聲能量場組成；電磁能量場包括電磁熔池攪拌能量場和電磁焊縫處理能量場；電磁能量場是恆定磁場，或者頻率、強度、佔空比以及方向變化的時變電磁場；電磁熔池攪拌能量場參數調節範圍是時變磁場磁感應強度為0. 0Γ0. 3Τ，磁場頻率為O 30Hz，佔空比為20、0%，或者恆定磁場磁感應強度為0. 0Γ1. OT ；電磁焊縫處理能量場參數調節範圍是磁感應強度為0. 2 10Τ，磁場頻率為廣300Hz，電磁場功率為1K 20KW ；超聲能量場參數調節範圍是超聲頻率為IOK ΙΟΟΚΗζ，超聲功率為0. 1 1.2KW，佔空比為40 60% ；所述焊接技術包括高效焊接技術，高效焊接工藝參數調節範圍是焊接電流12(Γ1500Α，焊接送絲速度0.廣50m/min， 焊絲直徑0. 6^4m,採用單絲焊接方式，或者雙絲焊接方式，或者三絲焊接方式，或者兩個雙焊絲方式。不等截面雙金屬傳動件製造方法，帶模強制溫度控制順序生長整體焊接成型是在可運動的、導熱性高的、與傳動件大截面部分形狀相同的紫銅模具內部通以循環冷卻介質， 強制冷卻由紫銅模具和小直徑截面的傳動件基體所構成的大尺寸焊接熔池空間中熔融液態金屬的凝固過程，當焊接熔池底部的液態金屬凝固成型後，紫銅模具沿傳動件的軸向或者徑向方向順序移動，從而使得焊接熔池中液態金屬在已經凝固的底部基體上實現無焊縫的順序凝固和方向性定向生長，紫銅模具的內表面與傳動件大截面部分的外觀形狀和尺寸相同，其精度滿足部件設計要求，連續焊接大尺寸焊接熔池金屬順序冷卻凝固後形成具有與傳動件大截面部分相同外觀形狀的零部件，無需大量的後續機械加工，實現不等截面傳動件近淨快速焊接成型制方法；在強制溫度控制順序生長整體成型方法、外加複合能量場、 高效焊接方法和焊絲成份合金化的共同作用下，傳動件具有焊縫內部微觀晶粒細化，表面組織耐磨，焊縫因連續順序凝固沒有明顯的分層現象，焊縫無偏析現象發生，焊縫內部金屬成份、表面金屬成份與基體母材成份均勻過渡形成梯度材料結構，完成內部具有高韌塑性、 表面具有高耐磨性的不等截面雙金屬傳動件的低成本、高性能焊接快速成型製造。不等截面雙金屬傳動件製造方法，原位合金化梯度功能結構製備方法是採用多種成份的焊絲，根據傳動件設計技術要求和使用壽命，在軸體母材基體上原位合金化形成中間過渡層和外部功能層的梯度功能結構，使得傳動件內部具有足夠的強度、韌塑性與抗衝擊能力，同時表面具有高耐磨性，並保證梯度功能層與母材基體具有良好的結合能力，不容易造成脫落，解決層間剝離和偏析的問題，形成原位合金化牢固梯度功能結構的不等截面雙金屬傳動件製造方法；所述超聲是在焊接電弧上單獨施加，或者在焊縫上單獨施加，或者在電弧、熔池和焊縫上複合施加，產生超聲焊接作用，促進焊接殘餘應力的重新分布以降低焊接殘餘應力水平，減少焊縫氣孔缺陷，改善合金元素的流動性和強化相質點的活性，提高接頭質量。不等截面雙金屬傳動軸製造設備，包括控制系統、電源系統、執行系統、檢測監控系統、氣體保護系統和集成耦合平臺系統，其特徵在於所示控制系統是由多能場耦合控制系統和熱沉控制系統構成；電源系統由電磁處理電源系統、電磁攪拌電源系統、高效焊接電源系統和超聲電源系統組成；執行系統是由電磁處理執行系統、熱沉控制執行系統、超聲控制執行系統和帶模移動執行系統構成；檢測監控系統由計算機輔助參數檢測系統、焊接殘餘應力檢測系統和高速攝影系統構成，多能場耦合控制系統與電源系統和執行系統通過集成耦合平臺系統聯接在一起，對焊接快速成型過程進行系統控制，並與檢測監控系統構成完整的不等截面雙金屬傳動軸製造設備。不等截面雙金屬傳動軸製造設備，紫銅模具由第一模塊和第二模塊構成，紫銅模具上帶有由第一移動機構和第二移動機構構成的升降系統，帶模移動執行系統控制帶有升降系統的紫銅模具沿著傳動件軸向或者徑向運動；焊接熔池由紫銅模具的第一模塊、第二模塊和傳動件基體共同構成；氣體保護系統輸送保護氣體保護焊接電弧和焊接熔池周圍區域，避免焊縫受到汙染；紫銅模具的第一模塊和第二模塊內有循環冷卻通道，在冷卻通道內有冷卻介質流動，熱沉控制執行系統通過在紫銅模具內冷卻通道中循環流動的冷卻介質， 控制焊接熔池中液體金屬凝固過程，與此同時熱沉控制執行系統還控制傳動件基體的溫度，在紫銅模具內表面造型和帶模移動執行系統的輔助下，控制焊接熔池周圍的溫度過冷度，促進焊接熔池中金屬順序凝固和形成焊縫方向性生長，強制焊接熔池中金屬近淨成型為具有一定形狀的結構部件。不等截面雙金屬傳動軸製造設備，電磁處理執行系統通過安裝在紫銅模具第一模塊的勵磁機構產生電磁場控制焊接熔池，電磁攪拌作用於焊接熔池，促進焊接熔池凝固組織晶粒細化，均勻化焊縫成份和強化相的分布，促進氣孔溢出；電磁處理執行系統通過安裝在紫銅模具第二模塊的勵磁機構在凝固焊縫部位產生電磁場控制凝固焊縫，電磁熱處理作用於凝固焊縫，調整焊縫固態金屬組織的殘餘應力分布，促進穩定相通過固態相變形成；超聲控制執行系統通過安裝在焊槍上的超聲發生機構，在焊接電弧和焊接熔池上方產生超聲波，通過控制焊接電弧和焊接熔池來促進晶粒細化、去除雜質和無缺陷焊縫組織的生成，提高焊縫的強韌性，或者超聲控制執行系統通過安裝在紫銅模具第二模塊的超聲發生機構在凝固焊縫部位產生超聲波控制凝固焊縫，調整焊縫固態金屬組織的殘餘應力分布，促進穩定相通過固態相變形成。不等截面雙金屬傳動軸製造設備，計算機輔助參數檢測系統用來檢測焊接過程的焊接電流、焊接電壓、焊接速度、送絲速度、焊接溫度、磁場強度、磁場頻率、超聲強度和超聲頻率；焊接殘餘應力檢測系統用來分析焊縫和接頭的殘餘應力水平；高速攝影系統通過高速CCD來監控焊接熔滴過渡形式和行為，分析焊接過程的穩定性；氣體保護系統通過噴嘴形成穩定的層流氣體流態來保護焊接電弧和焊接熔池，防止金屬被氧化和汙染。相比現有技術，本發明具有如下效果。1.採用現代金屬電弧焊接快速成形和快速凝固強制成形理論，藉助先進焊接技術的優勢，採用以現代先進焊接技術為特徵的非傳統加工「生長式」製造新原理與新工藝， 克服焊接結構的缺陷，實現變截面特種傳動件局部整體「生長式」快速焊接製造新方法，滿足國家工程建設和重要機械裝備對高性能傳動部件的需要，拓展了新型高效焊接技術應用領域與範圍，具有重要的工程應用價值。2.採用外場複合帶模強制溫度控制順序生長整體焊接快速成型技術，結合原位合金化梯度功能結構製備方法，突破了傳統的不等截面傳動軸傳統的冷加工(「減法」製造法)製造技術，提供了一種新型低成本近淨焊接快速成型方法，該焊接方法突破了傳統MAG 焊對焊接電流使用上限的限制，大幅度地提高焊絲熔敷率，焊絲送入焊件和模具檔板形成的凹槽中，使焊接熔池四面受到約束，接頭兩側的成形器具(固定式或移動式冷卻塊)保持焊接熔池形狀強制焊縫成形，實現單面焊雙面一次成形，生產率高、焊接質量好、熔敷速度快、綜合成本低，是一種帶有快速強制凝固控制成形原理的高效焊接技術及設備。 3.結合外加能量場方法、熱沉焊接方法、電弧焊接快速成形技術與原位合金化焊接製造方法對焊接過程進行控制，電磁控制、電磁激勵、電磁攪拌、電磁冶金、電磁處理、電磁淨化、微量元素或稀土元素原位合金化等綜合效應控制焊接電弧、熔滴過渡、熔池流體的強制運動，促使焊接熔池熔體充分攪拌，改善焊接熔池金屬的結晶狀況，改變焊接凝固過程和溫度場的分布，改善組織和相結構，促使焊縫晶粒細化，減小化學不均勻性、焊縫氣孔、夾渣，降低焊接缺陷率，有利於提高焊縫韌塑性，形成優質焊接接頭，降低了焊接成本，提高了焊接質量，熱沉焊接形成定向凝固特徵和定向應力應變控制機制，最終促使實現在變截面梯度功能結構特種傳動件內部組織細化、強化相生成，表面耐磨相韌化。4.採用梯度功能結構來解決不等截面傳動軸加工製造、特別是修復與再製造過程中面臨的挑戰，從材料梯度和晶粒尺寸梯度兩個梯度功能結構方面入手，實現焊接結構的強度、塑性、韌性和耐磨性能獲得整體的提升，保障特種傳動部件高可靠和長壽命，有效滿足極端服役條件下高性能特種傳動部件抗疲勞、耐磨損、高強度的使用能力，使其綜合機械性能得到合理的協調、匹配與統一，在保障使用安全的前提下，降低了加工製造成本，延長了關鍵零部件和機構的壽命，有效提高了資源的利用率，減少能量、材料消耗，實現了機械關鍵基礎零部件製造過程中節能、降耗、減排的現代經濟可持續發展目標。5.通過與母材不同成分焊接材料(焊絲)的焊縫合金化就可以十分方便地製造不同材料成份的梯度結構，而具有很強的靈活性，不受冶金產品(坯料)成分的局限。外觀成型好，近淨成型，無需太多後續加工，設備簡單，成本低，生產短，易於推廣應用，作用效果明
Mo將原位合金化、高效焊接、氣電立焊、電磁焊接、熱沉控制、帶模凝固等原理、方法和技術與電弧焊接快速成形技術相結合，形成電磁熱沉原位合金化帶模凝固高效焊接製造新技術，應用於關鍵基礎零部件/器件製造領域，特別是變截面高性能特種傳動件的加工製造，解決目前存在的技術難點與科學難題，提高產品質量，滿足國民經濟發展的需要，催生特種傳動件精確成形新工藝、新裝備和新原理，具有明顯的工程應用背景和重要科學研究價值，也勢必成為本領域最新的發展趨勢與重點研究方向。
圖1是本發明焊接製造方法和設備示意圖。圖2是本發明焊接熔池的縱向剖面圖。圖3是本發明實施例_製造的傳動齒輪軸示意圖。圖中，1.多能場耦合控制系統；2.電磁處理電源系統；3.電磁攪拌電源系統； 4.高效焊接電源系統；5.熱沉控制系統；6.氣體保護系統；7.電磁處理執行系統；8. 熱沉控制執行系統；9.帶模移動執行系統；10.高速攝影系統；11.計算機輔助參數檢測系統；12.焊接殘餘應力檢測系統；13.集成耦合平臺系統；14.超聲控制執行系統； 15.傳動件基體；16.第一模塊；17.第一勵磁機構；18.第二勵磁機構；19.焊接熔池； 20.焊槍；21.第二移動機構；22.第一移動機構；23.噴嘴；24.高速CXD ； 25.第二模塊；26.焊縫；27.焊接電弧；28.冷卻介質；29.超聲發生器；30.焊絲；31.保護氣體。
具體實施例方式圖1為本發明焊接製造方法和設備示意圖，圖2為本發明焊接熔池的縱向剖面圖， 圖3為本發明實施例-製造的傳動齒輪軸示意圖。下面結合附圖及實施例對本發明作進一步說明。一.不等截面雙金屬傳動件製造方法。本發明是一種一種不等截面雙金屬傳動件製造方法，在小直徑截面的傳動件基體 15上，採用外場複合帶模強制溫度控制順序生長整體焊接快速成型技術，結合原位合金化梯度功能結構製備方法，按照傳動件的設計尺寸和精度要求，高效、近淨、低成本製造微觀結構晶粒細化、焊縫無分層和偏析、內部高塑性與高韌性、表面耐磨的不等截面雙金屬傳動件；所述焊接快速成型技術是電弧、熔滴、熔池和焊縫在外加複合能量場中，發生電磁控制電弧等離子旋轉和熔滴過渡作用、電磁攪拌作用、電磁冶金作用、超聲焊接作用，系統有序綜合控制和促成大體積焊接熔池液態金屬順序定向凝固過程，在大電流高速送絲系統、高效焊接電源系統、帶模強制溫度控制系統、氣體保護系統、原位合金化梯度功能材料的配合下，實現不等截面雙金屬傳動件近淨無分層順序生長整體成型製造方法。不等截面雙金屬傳動件製造方法，所述外加複合能量場由電磁能量場和超聲能量場組成；電磁能量場包括電磁熔池攪拌能量場和電磁焊縫處理能量場；電磁能量場是恆定磁場，或者頻率、強度、佔空比以及方向變化的時變電磁場；電磁熔池攪拌能量場參數調節範圍是時變磁場磁感應強度為0. 0Γ0. 3Τ，磁場頻率為(Γ30ΗΖ，佔空比為20、0%，或者恆定磁場磁感應強度為0. 0Γ1. OT ；電磁焊縫處理能量場參數調節範圍是磁感應強度為0. 2 10Τ，磁場頻率為廣300Hz，電磁場功率為1K 20KW ；超聲能量場參數調節範圍是超聲頻率為IOK IOOKHz，超聲功率為0. 1 1. 2KW，佔空比為40 60% ；所述焊接技術包括高效焊接技術，高效焊接工藝參數調節範圍是焊接電流12(Γ1500Α，焊接送絲速度0.廣50m/ min,焊絲直徑0. 6^4m,採用單絲焊接方式，或者雙絲焊接方式，或者三絲焊接方式，或者兩個雙焊絲方式。不等截面雙金屬傳動件製造方法，所述帶模強制溫度控制順序生長整體焊接成型是在可運動的、導熱性高的、與傳動件大截面部分形狀相同的紫銅模具內部通以循環冷卻介質，強制冷卻由紫銅模具和小直徑截面的傳動件基體15所構成的大尺寸焊接熔池空間中熔融液態金屬的凝固過程，當焊接熔池底部的液態金屬凝固成型後，紫銅模具沿傳動件的軸向或者徑向方向順序移動，從而使得焊接熔池中液態金屬在已經凝固的底部基體上實現無焊縫的順序凝固和方向性定向生長，紫銅模具的內表面與傳動件大截面部分的外觀形狀和尺寸相同，其精度滿足部件設計要求，連續焊接大尺寸焊接熔池金屬順序冷卻凝固後形成具有與傳動件大截面部分相同外觀形狀的零部件，無需大量的後續機械加工，實現不等截面傳動件近淨快速焊接成型制方法；在強制溫度控制順序生長整體成型方法、外加複合能量場、高效焊接方法和焊絲成份合金化的共同作用下，傳動件具有焊縫內部微觀晶粒細化，表面組織耐磨，焊縫因連續順序凝固沒有明顯的分層現象，焊縫無偏析現象發生，焊縫內部金屬成份、表面金屬成份與基體母材成份均勻過渡形成梯度材料結構，完成內部具有高韌塑性、表面具有高耐磨性的不等截面雙金屬傳動件的低成本、高性能焊接快速成型製造。不等截面雙金屬傳動件製造方法，所述原位合金化梯度功能結構製備方法是採用多種成份的焊絲，根據傳動件設計技術要求和使用壽命，在軸體母材基體上原位合金化形成中間過渡層和外部功能層的梯度功能結構，使得傳動件內部具有足夠的強度、韌塑性與抗衝擊能力，同時表面具有高耐磨性，並保證梯度功能層與母材基體具有良好的結合能力， 不容易造成脫落，解決層間剝離和偏析的問題，形成原位合金化牢固梯度功能結構的不等截面雙金屬傳動件製造方法；所述超聲是在焊接電弧上單獨施加，或者在焊縫上單獨施加， 或者在電弧、熔池和焊縫上複合施加，產生超聲焊接作用，促進焊接殘餘應力的重新分布以降低焊接殘餘應力水平，減少焊縫氣孔缺陷，改善合金元素的流動性和強化相質點的活性， 提高接頭質量。本發明的創新在於將高效氣體保護焊接、電磁攪拌、電磁熱處理、金屬梯度材料、 熱沉控制焊接、新型粉芯焊絲、電弧焊接快速成形的技術有機結合起來，形成電磁熱沉原位合金化帶模凝固高效焊接製造新技術，應用於變截面高性能特種傳動件的加工製造過程中，形成外場複合帶模強制溫度控制順序生長整體焊接快速成型新技術。該外加磁場為恆定磁場或多種頻率、多種強度、多種佔空比以及方向交替變化的時變電磁攪拌外加磁場，以控制焊接電弧、熔滴過渡、熔池流體的強制運動，促使焊接熔池熔體充分攪拌，改善焊接熔池金屬的結晶狀況，改變焊接凝固過程和溫度場的分布，改善組織和相結構，促使焊縫晶粒細化，減小化學不均勻性、焊縫氣孔、夾渣，降低焊接缺陷率，有利於提高焊縫韌塑性，形成優質焊接接頭，對工件實現電磁控制焊接過程。不等截面雙金屬傳動件製造方法的焊接熔滴過渡形式為短路過渡，或滴狀過渡， 或射流過渡，或旋轉噴射過渡；不等截面雙金屬傳動件製造方法使用實心焊絲，或藥芯焊絲，或粉芯焊絲；不等截面雙金屬傳動件製造方法的保護氣體使用二氧化碳，或氬氣，或氦氣，或氬氣和二氧化碳的混合氣體，或氬氣和氧氣的混合氣體，或二氧化碳、氬氣和氦氣的混合氣體，或二氧化碳、氦氣、氬氣和氧氣的混合氣體。二.不等截面雙金屬傳動件製造設備。根據上述不等截面雙金屬傳動件製造方法可設計多種結構的不等截面雙金屬傳動件製造設備。如圖1和圖2所示，一種不等截面雙金屬傳動軸製造設備，包括控制系統、 電源系統、執行系統、檢測監控系統、氣體保護系統6和集成耦合平臺系統13，所示控制系統是由多能場耦合控制系統1和熱沉控制系統5構成；電源系統由電磁處理電源系統2、電磁攪拌電源系統3、高效焊接電源系統4和超聲電源系統組成；執行系統是由電磁處理執行系統7、熱沉控制執行系統8、超聲控制執行系統14和帶模移動執行系統9構成；檢測監控系統由計算機輔助參數檢測系統11、焊接殘餘應力檢測系統12和高速攝影系統10構成，多能場耦合控制系統1與電源系統和執行系統通過集成耦合平臺系統13聯接在一起，對焊接快速成型過程進行系統控制，並與檢測監控系統構成完整的不等截面雙金屬傳動軸製造設備。不等截面雙金屬傳動軸製造設備，紫銅模具由第一模塊16和第二模塊25構成，紫銅模具上帶有由第一移動機構22和第二移動機構21構成的升降系統，帶模移動執行系統 9控制帶有升降系統的紫銅模具沿著傳動件軸向或者徑向運動；焊接熔池19由紫銅模具的第一模塊16、第二模塊25和傳動件基體15共同構成；氣體保護系統輸送保護氣體保護焊接電弧和焊接熔池19周圍區域，避免焊縫受到汙染；紫銅模具的第一模塊16和第二模塊 25內有循環冷卻通道，在冷卻通道內有冷卻介質流動，熱沉控制執行系統8通過在紫銅模
10具內冷卻通道中循環流動的冷卻介質，控制焊接熔池19中液體金屬凝固過程，與此同時熱沉控制執行系統8還控制傳動件基體15的溫度，在紫銅模具內表面造型和帶模移動執行系統的輔助下，控制焊接熔池周圍的溫度過冷度，促進焊接熔池中金屬順序凝固和形成焊縫方向性生長，強制焊接熔池中金屬近淨成型為具有一定形狀的結構部件。不等截面雙金屬傳動軸製造設備，所述電磁處理執行系統7通過安裝在紫銅模具第一模塊16的第一勵磁機構17產生電磁場控制焊接熔池19，電磁攪拌作用於焊接熔池， 促進焊接熔池凝固組織晶粒細化，均勻化焊縫成份和強化相的分布，促進氣孔溢出；電磁處理執行系統7通過安裝在紫銅模具第二模塊25的第二勵磁機構18在凝固焊縫部位產生電磁場控制凝固焊縫，電磁熱處理作用於凝固焊縫，調整焊縫固態金屬組織的殘餘應力分布， 促進穩定相通過固態相變形成；超聲控制執行系統14通過安裝在焊槍20上的超聲發生機構，在焊接電弧和焊接熔池19上方產生超聲波，通過控制焊接電弧和焊接熔池來促進晶粒細化、去除雜質和無缺陷焊縫組織的生成，提高焊縫的強韌性，或者超聲控制執行系統14 通過安裝在紫銅模具第二模塊25的超聲發生機構在凝固焊縫部位產生超聲波控制凝固焊縫，調整焊縫固態金屬組織的殘餘應力分布，促進穩定相通過固態相變形成。不等截面雙金屬傳動軸製造設備，計算機輔助參數檢測系統11用來檢測焊接過程的焊接電流、焊接電壓、焊接速度、送絲速度、焊接溫度、磁場強度、磁場頻率、超聲強度和超聲頻率；焊接殘餘應力檢測系統12用來分析焊縫和接頭的殘餘應力水平；高速攝影系統 10通過高速CCDM來監控焊接熔滴過渡形式和行為，分析焊接過程的穩定性；氣體保護系統6通過噴嘴23形成穩定的層流氣體流態來保護焊接電弧和焊接熔池，防止金屬被氧化和汙染。三.具體實施例。採用本發明方法和設備製造如圖3所示的齒輪軸，齒輪軸小截面直徑為78mm，大截面直徑為92mm，軸上齒輪齒頂圓直徑為180mm，模數為12，軸用材料為45號鋼，齒輪材料等同於35CrMnSi系列材料，採用的焊接工藝規範為電磁攪拌磁場強度0. 02T，頻率為 8Hz ；電磁處理磁場強度為1. 5T，頻率為30Hz ；超聲頻率為80KHz，功率為600W ；焊接電流為 350A，送絲速度為^m/min，保護氣體為純氬氣；選擇焊接熔池沿軸向方向順序凝固生長出齒輪，紫銅模具內表面與齒輪外形相同，滿足齒輪精度要求。最後說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的宗旨和範圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。確定焊接規範時，應該綜合考慮構件形式與焊接工藝參數的合理匹配，根據實際情況對工藝參數進統優化，保證獲得高質量產品。
權利要求
1.一種不等截面雙金屬傳動件製造方法，其特徵在於在小直徑截面的傳動件基體 (15)上，採用外場複合帶模強制溫度控制順序生長整體焊接快速成型技術，結合原位合金化梯度功能結構製備方法，按照傳動件的設計尺寸和精度要求，高效、近淨、低成本製造微觀結構晶粒細化、焊縫無分層和偏析、內部高塑性與高韌性、表面耐磨的不等截面雙金屬傳動件；所述焊接快速成型技術是電弧、熔滴、熔池和焊縫在外加複合能量場中，發生電磁控制電弧等離子旋轉和熔滴過渡作用、電磁攪拌作用、電磁冶金作用、超聲焊接作用，系統有序綜合控制和促成大體積焊接熔池液態金屬順序定向凝固過程，在大電流高速送絲系統、 高效焊接電源系統、帶模強制溫度控制系統、氣體保護系統、原位合金化梯度功能材料的配合下，實現不等截面雙金屬傳動件近淨無分層順序生長整體成型製造方法。
2.根據權利要求1所述的不等截面雙金屬傳動件製造方法，其特徵在於所述外加複合能量場由電磁能量場和超聲能量場組成；電磁能量場包括電磁熔池攪拌能量場和電磁焊縫處理能量場；電磁能量場是恆定磁場，或者頻率、強度、佔空比以及方向變化的時變電磁場；電磁熔池攪拌能量場參數調節範圍是時變磁場磁感應強度為0. 0Γ0. 3Τ，磁場頻率為 (Γ30Ηζ，佔空比為20、0%，或者恆定磁場磁感應強度為0. 0Γ1. OT ；電磁焊縫處理能量場參數調節範圍是磁感應強度為0. 2 10Τ，磁場頻率為廣300Hz，電磁場功率為1K 20KW ； 超聲能量場參數調節範圍是超聲頻率為IOK ΙΟΟΚΗζ，超聲功率為0. 1 1.2KW，佔空比為4(Γ60%;所述焊接技術包括高效焊接技術，高效焊接工藝參數調節範圍是焊接電流 12(Γ1500Α，焊接送絲速度0.廣50m/min，焊絲直徑0. 6、m，採用單絲焊接方式，或者雙絲焊接方式，或者三絲焊接方式，或者兩個雙焊絲方式。
3.根據權利要求1所述的不等截面雙金屬傳動件製造方法，其特徵在於所述帶模強制溫度控制順序生長整體焊接成型是在可運動的、導熱性高的、與傳動件大截面部分形狀相同的紫銅模具內部通以循環冷卻介質，強制冷卻由紫銅模具和小直徑截面的傳動件基體 (15)所構成的大尺寸焊接熔池空間中熔融液態金屬的凝固過程，當焊接熔池底部的液態金屬凝固成型後，紫銅模具沿傳動件的軸向或者徑向方向順序移動，從而使得焊接熔池中液態金屬在已經凝固的底部基體上實現無焊縫的順序凝固和方向性定向生長，紫銅模具的內表面與傳動件大截面部分的外觀形狀和尺寸相同，其精度滿足部件設計要求，連續焊接大尺寸焊接熔池金屬順序冷卻凝固後形成具有與傳動件大截面部分相同外觀形狀的零部件， 無需大量的後續機械加工，實現不等截面傳動件近淨快速焊接成型制方法；在強制溫度控制順序生長整體成型方法、外加複合能量場、高效焊接方法和焊絲成份合金化的共同作用下，傳動件具有焊縫內部微觀晶粒細化，表面組織耐磨，焊縫因連續順序凝固沒有明顯的分層現象，焊縫無偏析現象發生，焊縫內部金屬成份、表面金屬成份與基體母材成份均勻過渡形成梯度材料結構，完成內部具有高韌塑性、表面具有高耐磨性的不等截面雙金屬傳動件的低成本、高性能焊接快速成型製造。
4.根據權利要求1所述的不等截面雙金屬傳動件製造方法，其特徵在於所述原位合金化梯度功能結構製備方法是採用多種成份的焊絲，根據傳動件設計技術要求和使用壽命，在軸體母材基體上原位合金化形成中間過渡層和外部功能層的梯度功能結構，使得傳動件內部具有足夠的強度、韌塑性與抗衝擊能力，同時表面具有高耐磨性，並保證梯度功能層與母材基體具有良好的結合能力，不容易造成脫落，解決層間剝離和偏析的問題，形成原位合金化牢固梯度功能結構的不等截面雙金屬傳動件製造方法；所述超聲是在焊接電弧上單獨施加，或者在焊縫上單獨施加，或者在電弧、熔池和焊縫上複合施加，產生超聲焊接作用，促進焊接殘餘應力的重新分布以降低焊接殘餘應力水平，減少焊縫氣孔缺陷，改善合金元素的流動性和強化相質點的活性，提高接頭質量。
5.一種不等截面雙金屬傳動軸製造設備，包括控制系統、電源系統、執行系統、檢測監控系統、氣體保護系統(6)和集成耦合平臺系統(13)，其特徵在於所示控制系統是由多能場耦合控制系統(1)和熱沉控制系統(5)構成；電源系統由電磁處理電源系統(2)、電磁攪拌電源系統(3)、高效焊接電源系統(4)和超聲電源系統組成；執行系統是由電磁處理執行系統(7)、熱沉控制執行系統(8)、超聲控制執行系統(14)和帶模移動執行系統(9)構成；檢測監控系統由計算機輔助參數檢測系統(11)、焊接殘餘應力檢測系統(12)和高速攝影系統(10)構成，多能場耦合控制系統(1)與電源系統和執行系統通過集成耦合平臺系統(13) 聯接在一起，對焊接快速成型過程進行系統控制，並與檢測監控系統構成完整的不等截面雙金屬傳動軸製造設備。
6.根據權利要求5所述的不等截面雙金屬傳動軸製造設備，其特徵在於紫銅模具由第一模塊(16)和第二模塊(25)構成，紫銅模具上帶有由第一移動機構(22)和第二移動機構(21)構成的升降系統，帶模移動執行系統(9)控制帶有升降系統的紫銅模具沿著傳動件軸向或者徑向運動；焊接熔池(19)由紫銅模具的第一模塊(16)、第二模塊(25)和傳動件基體(15)共同構成；氣體保護系統輸送保護氣體保護焊接電弧和焊接熔池(19)周圍區域，避免焊縫受到汙染；紫銅模具的第一模塊(16)和第二模塊(25)內有循環冷卻通道，在冷卻通道內有冷卻介質流動，熱沉控制執行系統(8)通過在紫銅模具內冷卻通道中循環流動的冷卻介質，控制焊接熔池(19)中液體金屬凝固過程，與此同時熱沉控制執行系統(8)還控制傳動件基體(15)的溫度，在紫銅模具內表面造型和帶模移動執行系統的輔助下，控制焊接熔池周圍的溫度過冷度，促進焊接熔池中金屬順序凝固和形成焊縫方向性生長，強制焊接熔池中金屬近淨成型為具有一定形狀的結構部件。
7.根據權利要求5所述的不等截面雙金屬傳動軸製造設備，其特徵在於所述電磁處理執行系統(7)通過安裝在紫銅模具第一模塊(16)的第一勵磁機構(17)產生電磁場控制焊接熔池(19)，電磁攪拌作用於焊接熔池，促進焊接熔池凝固組織晶粒細化，均勻化焊縫成份和強化相的分布，促進氣孔溢出；電磁處理執行系統(7)通過安裝在紫銅模具第二模塊 (25)的第二勵磁機構(18)在凝固焊縫部位產生電磁場控制凝固焊縫，電磁熱處理作用於凝固焊縫，調整焊縫固態金屬組織的殘餘應力分布，促進穩定相通過固態相變形成；超聲控制執行系統(14)通過安裝在焊槍(20)上的超聲發生機構，在焊接電弧和焊接熔池(19)上方產生超聲波，通過控制焊接電弧和焊接熔池來促進晶粒細化、去除雜質和無缺陷焊縫組織的生成，提高焊縫的強韌性，或者超聲控制執行系統(14)通過安裝在紫銅模具第二模塊 (25)的超聲發生機構在凝固焊縫部位產生超聲波控制凝固焊縫，調整焊縫固態金屬組織的殘餘應力分布，促進穩定相通過固態相變形成。
8.根據權利要求5所述的不等截面雙金屬傳動軸製造設備，其特徵在於計算機輔助參數檢測系統(11)用來檢測焊接過程的焊接電流、焊接電壓、焊接速度、送絲速度、焊接溫度、磁場強度、磁場頻率、超聲強度和超聲頻率；焊接殘餘應力檢測系統(12)用來分析焊縫和接頭的殘餘應力水平；高速攝影系統(10)通過高速CCD (24)來監控焊接熔滴過渡形式和行為，分析焊接過程的穩定性；氣體保護系統(6)通過噴嘴(23)形成穩定的層流氣體流態來保護焊接電弧和焊接熔池，防止金屬被氧化和汙染。
全文摘要
本發明涉及不等截面雙金屬傳動件製造方法及設備，採用外場複合帶模強制溫度控制順序生長整體焊接成型技術，原位合金化雙金屬梯度材料，近淨製造不等截面雙金屬傳動件；該方法產生電磁攪拌作用、電磁冶金作用、超聲焊接作用，綜合控制大體積焊接熔池液態金屬凝固過程，在高速送絲系統、帶模強制溫度控制系統、近淨強迫順序生長整體成型系統、原位合金化梯度材料的配合下，實現不等截面雙金屬傳動件製造方法。本發明裝置是由電磁焊接系統、超聲焊接系統、高效焊接系統集成組合而成。本發明採用無分層焊縫結構快速、低成本焊接製造不等截面雙金屬傳動件的方法和設備；減少了製造周期，提高了生產效率，保障了傳動件高可靠和長壽命。
文檔編號B23K31/00GK102179637SQ20111011596
公開日2011年9月14日 申請日期2011年5月6日 優先權日2011年5月6日
發明者羅鍵 申請人:羅鍵