一種基於電弧超聲的鈦合金焊接方法
2023-11-03 03:11:47 1
專利名稱：一種基於電弧超聲的鈦合金焊接方法
技術領域：
本發明涉及一種基於電弧超聲的鈦合金焊接方法，屬於鈦合金的電弧焊接技術領域。
背景技術：
已有技術中，專利號為96203939.X的「一種超聲焊接機」，採用的是超聲聚焦探頭實現對塑料的非耦合焊接，只能對聲阻抗大、低熔點的塑料材料進行焊接，而對鈦合金等金屬材料則無能為力。專利號為02270273.3的「一種提高焊縫疲勞強度超聲衝擊槍」，採用的是壓電陶瓷換能器，利用衝擊針對焊縫進行處理，該技術部分消除焊縫區的殘餘應力，但並不影響焊縫及熱影響區的結晶過程和冶金缺陷。
傳統的鈦合金電弧焊工藝，由於焊接過程中鈦合金β相的迅速長大導致焊接接頭組織晶粒粗大、性能下降，影響了鈦合金焊接結構的推廣應用。申請人在專利號為01143444.9的「一種用電弧激發超聲波的方法」中，提出對自由電弧進行高頻調製可以激發超聲波，解決了功率超聲導入熔池的難題。該方法的提出為利用功率超聲技術改善焊接接頭組織性能提供一種新的思路，但是針對不同的焊接材料，電弧超聲的激勵參數如何選取以使焊接接頭組織細化並提高其綜合性能，並未作深入的探討。
發明內容
本發明的目的是利用電弧超聲技術，提出一種新的鈦合金焊接方法——鈦合金的電弧超聲焊接方法。其原理是在常規鈦合金電弧焊接工藝中，利用電弧超聲激勵源，將電弧不僅作為產熱機構，同時作為超聲發射機構。發射出的超聲波作用於鈦合金工件的焊接熔池，影響鈦合金的焊接冶煉和結晶過程，改善鈦合金焊接接頭的組織形態和成分均勻度，在晶粒細化的基礎上提高其強度、疲勞等性能。
本發明提出的鈦合金的電弧超聲焊接方法，包括以下步驟(1)根據鈦合金弧焊電源的特性，利用激勵源輸出端的變壓器和隔直電容進行電隔離；將電弧超聲激勵源以並聯的方式與常規的弧焊電源相連接，使超聲頻交變電信號耦合進焊接電弧；(2)焊機引弧後開通激勵源，選擇佔空比為50％的方波激勵，激勵頻率為20～100KHz，其優選為30KHz、50KHz和80KHz，激勵電壓為35～70V，其優選為50～70V。通過對焊接電弧的調製實現交變電信號到超聲波的能量轉換；(3)按常規電弧焊接工藝對鈦合金進行焊接。
電弧超聲鈦合金焊接同常規鈦合金焊接方法相比，有效的改善了鈦合金焊縫的結晶，使焊接接頭的晶粒得到明顯的細化。不同參數的超聲激勵信號均提高了鈦合金焊接接頭的拉伸性能和疲勞性能，疲勞壽命提高幅度達100％以上。焊接接頭的斷口金相觀察表明，電弧超聲焊接接頭的斷口的均勻性和韌性明顯好於一般鎢極氬弧焊(TIG焊)接頭。
圖1是本發明方法的試驗裝置原理圖。
圖2a是TC4(Ti6Al4V)的常規TIG焊接接頭組織的金相圖。
圖2b、2c是TC4(Ti6Al4V)電弧超聲焊接接頭組織的金相圖。
圖3a為常規TIG焊的斷口形貌。
圖3b電弧超聲TIG焊斷口的形貌。
圖中1-超聲激勵源；2-電流採樣；3-隔離；4-電壓採樣；5-數字示波器；6-傳聲器；7-焊接電弧；8-聲發射傳感器；9焊接工件。
具體實施例方式
圖1是本發明方法的試驗裝置原理圖。電弧超聲鈦合金焊接將焊接電弧不僅作為產熱機構，同時作為超聲發射機構，進而影響鈦合金的焊接冶金過程。電弧超聲激勵源1可以產生頻率在20kHz～500kHz連續可調的超聲頻交變電信號，且信號的波形和功率均可調。在與焊接電源耦合後，按常規鈦合金電弧焊接方法進行焊接，電弧等離子體受到超聲頻電信號的激勵發射超聲波，作用於鈦合金焊縫熔池，達到改善焊縫組織性能的作用。
本發明提供的電弧超聲焊接方法的具體步驟包括(1)根據鈦合金弧焊電源的特性，利用激勵源輸出端的變壓器和隔直電容進行電隔離；將電弧超聲激勵源以並聯的方式與常規的弧焊電源相連接，使超聲頻交變電信號耦合進焊接電弧；(2)焊機引弧後開通激勵源，選擇佔空比為50％的方波激勵，激勵頻率為20～100KHz，激勵電壓為35～70V；其優選頻率為30KHz、50KHz和80KHz，優選電壓為50～70V。
(3)按常規電弧焊接工藝對鈦合金進行焊接，通過對焊接電弧的調製實現交變電信號到超聲波的能量轉換，進而影響鈦合金的焊接冶煉和結晶過程。
以BT20和TC4這兩種典型鈦合金為對象，進行了系列電弧超聲焊接實驗，選擇的頻率包括20kHz～100kHz，激勵電壓包括35V～70V。焊接實驗結果表明採用該範圍內的電弧超聲參數的焊接接頭的組織晶粒得到明顯的細化。
圖2a、圖2b、圖2c分別為常規TIG焊、加入f＝30KHz、U＝35V(f是電弧超聲激勵頻率，U是激勵電壓)的電弧超聲和加入f＝50KHz、U＝50V的電弧超聲工藝條件下焊接接頭的金相。常規的TIG焊接工藝條件下焊縫組織為粗大的柱狀晶，經過電弧超聲焊接後，焊縫組織變成了均勻分布的等軸晶。
圖3a為常規TIG焊的斷口形貌，圖3b為加入f＝50KHz、U＝70V的電弧超聲的焊接接頭斷口形貌，可以看出，TC4常規TIG焊宏觀斷口起伏較大且不均，不同區域放大可見明顯的枝晶破壞痕跡，說明在其接頭中形成了粗大的樹枝晶，而正是這些樹枝晶成為焊接接頭的薄弱點；而在f＝50kHz，U＝70V的電弧超聲TIG焊中，宏觀斷口破壞起伏均勻，不同區域放大可見均勻的破壞，而且難以看到枝晶破壞的痕跡，斷口的均勻性和韌性明顯好於一般TIG焊接頭。這是由於電弧超聲加劇熔池的振動，超聲波對熔池具有攪拌作用，同時促進晶核的形成，從而有效抑制晶體組織的長大，促使焊縫區組織的均勻化和晶粒細化。
電弧超聲鈦合金焊接同常規TIG焊相比，其焊接接頭的抗拉強度、屈服強度和延伸率均有不同幅度提高。表1是TC4合金焊接接頭拉伸性能比較。表2是BT20的焊接接頭的疲勞壽命比較。加入電弧超聲之後的焊接接頭的壽命提高幅度達到100％以上。
表1TC4合金焊接接頭拉伸性能比較抗拉強度σb(MPa) 屈服強度σs(Mpa) 延伸率δ(％)常規TIG接頭 956.6 921.1 3.33電弧超聲TIG接頭966.6 947.1 3.50(f＝30KHz，U＝30V)電弧超聲TIG接頭985.7 969.3 3.67(f＝50KHz，U＝70V)表2BT20的焊接接頭的疲勞壽命比較試樣編號疲勞壽命N/次平均壽命N/次1 4.0×105常規TIG接頭 2 1.2×1052.5×1053 3.0×1054 1.8×1051 7.0×105電弧超聲TIG接頭 2 4.4×1055.35×105(f＝50KHz，U＝50V) 3 5.8×1054 4.2×105備註測試標準GB3075-1982，最大應力σmax＝700MPa，應力比R＝0.4。
在生產實踐中可以在不對原焊機進行改動的情況下，直接與焊機電源相併聯，利用電弧的負載特性激發電弧超聲，實現對傳統裝備的改造和升級，改善鈦合金焊接接頭的質量，具有良好的經濟效益和廣闊的應用前景。
權利要求
1 一種基於電弧超聲的鈦合金焊接方法，該方法包括如下步驟(1)根據鈦合金弧焊電源的特性，利用激勵源輸出端的變壓器和隔直電容進行電隔離；將電弧超聲激勵源以並聯的方式與弧焊電源相連接，使超聲頻交變電信號耦合進焊接電弧；(2)焊機引弧後開通激勵源，選擇佔空比為50％的方波激勵，激勵頻率為20-100KHz、激勵電壓為35～70V；(3)按常規電弧焊接工藝對鈦合金進行焊接。
2 按照權利要求1所述的鈦合金焊接方法，其特徵在於所述的激勵頻率為30KHz、50KHz和80KHz，激勵電壓為50～70V。
全文摘要
一種基於電弧超聲的鈦合金焊接方法，屬於鈦合金的電弧焊接技術領域。本發明是在常規鈦合金電弧焊接工藝中，利用電弧超聲激勵源，將電弧不僅作為產熱機構，同時作為超聲發射機構。將電弧超聲激勵源以並聯的方式與常規的弧焊電源相連接，使超聲頻交變電信號耦合進焊接電弧，發射出的超聲波作用於鈦合金工件的焊接熔池，改善鈦合金的焊接冶煉和結晶過程，從而改善了鈦合金焊接接頭的組織形態和成分均勻度，使焊接接頭的晶粒得到明顯的細化，並在晶粒細化的基礎上進一步提高了其強度、疲勞等性能。
文檔編號B23K9/067GK1583340SQ200410009170
公開日2005年2月23日 申請日期2004年6月3日 優先權日2004年6月3日
發明者吳敏生, 李路明, 郝紅偉, 張雁軍, 何龍標, 陸誌慶 申請人:清華大學