專利名稱：一種基于電弧超聲的鈦合金焊接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于電弧超聲的鈦合金焊接方法，屬于鈦合金的電弧焊接技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
已有技術(shù)中，專利號(hào)為96203939.X的“一種超聲焊接機(jī)”，采用的是超聲聚焦探頭實(shí)現(xiàn)對(duì)塑料的非耦合焊接，只能對(duì)聲阻抗大、低熔點(diǎn)的塑料材料進(jìn)行焊接，而對(duì)鈦合金等金屬材料則無能為力。專利號(hào)為02270273.3的“一種提高焊縫疲勞強(qiáng)度超聲沖擊槍”，采用的是壓電陶瓷換能器，利用沖擊針對(duì)焊縫進(jìn)行處理，該技術(shù)部分消除焊縫區(qū)的殘余應(yīng)力，但并不影響焊縫及熱影響區(qū)的結(jié)晶過程和冶金缺陷。
傳統(tǒng)的鈦合金電弧焊工藝，由于焊接過程中鈦合金β相的迅速長(zhǎng)大導(dǎo)致焊接接頭組織晶粒粗大、性能下降，影響了鈦合金焊接結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用。申請(qǐng)人在專利號(hào)為01143444.9的“一種用電弧激發(fā)超聲波的方法”中，提出對(duì)自由電弧進(jìn)行高頻調(diào)制可以激發(fā)超聲波，解決了功率超聲導(dǎo)入熔池的難題。該方法的提出為利用功率超聲技術(shù)改善焊接接頭組織性能提供一種新的思路，但是針對(duì)不同的焊接材料，電弧超聲的激勵(lì)參數(shù)如何選取以使焊接接頭組織細(xì)化并提高其綜合性能，并未作深入的探討。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是利用電弧超聲技術(shù)，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(guī)鈦合金電弧焊接工藝中，利用電弧超聲激勵(lì)源，將電弧不僅作為產(chǎn)熱機(jī)構(gòu)，同時(shí)作為超聲發(fā)射機(jī)構(gòu)。發(fā)射出的超聲波作用于鈦合金工件的焊接熔池，影響鈦合金的焊接冶煉和結(jié)晶過程，改善鈦合金焊接接頭的組織形態(tài)和成分均勻度，在晶粒細(xì)化的基礎(chǔ)上提高其強(qiáng)度、疲勞等性能。
本發(fā)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(jù)鈦合金弧焊電源的特性，利用激勵(lì)源輸出端的變壓器和隔直電容進(jìn)行電隔離；將電弧超聲激勵(lì)源以并聯(lián)的方式與常規(guī)的弧焊電源相連接，使超聲頻交變電信號(hào)耦合進(jìn)焊接電??；(2)焊機(jī)引弧后開通激勵(lì)源，選擇占空比為50％的方波激勵(lì)，激勵(lì)頻率為20～100KHz，其優(yōu)選為30KHz、50KHz和80KHz，激勵(lì)電壓為35～70V，其優(yōu)選為50～70V。通過對(duì)焊接電弧的調(diào)制實(shí)現(xiàn)交變電信號(hào)到超聲波的能量轉(zhuǎn)換；(3)按常規(guī)電弧焊接工藝對(duì)鈦合金進(jìn)行焊接。
電弧超聲鈦合金焊接同常規(guī)鈦合金焊接方法相比，有效的改善了鈦合金焊縫的結(jié)晶，使焊接接頭的晶粒得到明顯的細(xì)化。不同參數(shù)的超聲激勵(lì)信號(hào)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(dá)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于一般鎢極氬弧焊(TIG焊)接頭。


圖1是本發(fā)明方法的試驗(yàn)裝置原理圖。
圖2a是TC4(Ti6Al4V)的常規(guī)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(guī)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(lì)源；2-電流采樣；3-隔離；4-電壓采樣；5-數(shù)字示波器；6-傳聲器；7-焊接電?。?-聲發(fā)射傳感器；9焊接工件。
具體實(shí)施例方式
圖1是本發(fā)明方法的試驗(yàn)裝置原理圖。電弧超聲鈦合金焊接將焊接電弧不僅作為產(chǎn)熱機(jī)構(gòu)，同時(shí)作為超聲發(fā)射機(jī)構(gòu)，進(jìn)而影響鈦合金的焊接冶金過程。電弧超聲激勵(lì)源1可以產(chǎn)生頻率在20kHz～500kHz連續(xù)可調(diào)的超聲頻交變電信號(hào)，且信號(hào)的波形和功率均可調(diào)。在與焊接電源耦合后，按常規(guī)鈦合金電弧焊接方法進(jìn)行焊接，電弧等離子體受到超聲頻電信號(hào)的激勵(lì)發(fā)射超聲波，作用于鈦合金焊縫熔池，達(dá)到改善焊縫組織性能的作用。
本發(fā)明提供的電弧超聲焊接方法的具體步驟包括(1)根據(jù)鈦合金弧焊電源的特性，利用激勵(lì)源輸出端的變壓器和隔直電容進(jìn)行電隔離；將電弧超聲激勵(lì)源以并聯(lián)的方式與常規(guī)的弧焊電源相連接，使超聲頻交變電信號(hào)耦合進(jìn)焊接電??；(2)焊機(jī)引弧后開通激勵(lì)源，選擇占空比為50％的方波激勵(lì)，激勵(lì)頻率為20～100KHz，激勵(lì)電壓為35～70V；其優(yōu)選頻率為30KHz、50KHz和80KHz，優(yōu)選電壓為50～70V。
(3)按常規(guī)電弧焊接工藝對(duì)鈦合金進(jìn)行焊接，通過對(duì)焊接電弧的調(diào)制實(shí)現(xiàn)交變電信號(hào)到超聲波的能量轉(zhuǎn)換，進(jìn)而影響鈦合金的焊接冶煉和結(jié)晶過程。
以BT20和TC4這兩種典型鈦合金為對(duì)象，進(jìn)行了系列電弧超聲焊接實(shí)驗(yàn)，選擇的頻率包括20kHz～100kHz，激勵(lì)電壓包括35V～70V。焊接實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明采用該范圍內(nèi)的電弧超聲參數(shù)的焊接接頭的組織晶粒得到明顯的細(xì)化。
圖2a、圖2b、圖2c分別為常規(guī)TIG焊、加入f＝30KHz、U＝35V(f是電弧超聲激勵(lì)頻率，U是激勵(lì)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(guī)的TIG焊接工藝條件下焊縫組織為粗大的柱狀晶，經(jīng)過電弧超聲焊接后，焊縫組織變成了均勻分布的等軸晶。
圖3a為常規(guī)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(guī)TIG焊宏觀斷口起伏較大且不均，不同區(qū)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(diǎn)；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(qū)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于一般TIG焊接頭。這是由于電弧超聲加劇熔池的振動(dòng)，超聲波對(duì)熔池具有攪拌作用，同時(shí)促進(jìn)晶核的形成，從而有效抑制晶體組織的長(zhǎng)大，促使焊縫區(qū)組織的均勻化和晶粒細(xì)化。
電弧超聲鈦合金焊接同常規(guī)TIG焊相比，其焊接接頭的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)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。加入電弧超聲之后的焊接接頭的壽命提高幅度達(dá)到100％以上。
表1TC4合金焊接接頭拉伸性能比較抗拉強(qiáng)度σb(MPa) 屈服強(qiáng)度σs(Mpa) 延伸率δ(％)常規(guī)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(hào)疲勞壽命N/次平均壽命N/次1 4.0×105常規(guī)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備注測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)GB3075-1982，最大應(yīng)力σmax＝700MPa，應(yīng)力比R＝0.4。
在生產(chǎn)實(shí)踐中可以在不對(duì)原焊機(jī)進(jìn)行改動(dòng)的情況下，直接與焊機(jī)電源相并聯(lián)，利用電弧的負(fù)載特性激發(fā)電弧超聲，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)裝備的改造和升級(jí)，改善鈦合金焊接接頭的質(zhì)量，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和廣闊的應(yīng)用前景。
權(quán)利要求
1 一種基于電弧超聲的鈦合金焊接方法，該方法包括如下步驟(1)根據(jù)鈦合金弧焊電源的特性，利用激勵(lì)源輸出端的變壓器和隔直電容進(jìn)行電隔離；將電弧超聲激勵(lì)源以并聯(lián)的方式與弧焊電源相連接，使超聲頻交變電信號(hào)耦合進(jìn)焊接電??；(2)焊機(jī)引弧后開通激勵(lì)源，選擇占空比為50％的方波激勵(lì)，激勵(lì)頻率為20-100KHz、激勵(lì)電壓為35～70V；(3)按常規(guī)電弧焊接工藝對(duì)鈦合金進(jìn)行焊接。
2 按照權(quán)利要求1所述的鈦合金焊接方法，其特征在于所述的激勵(lì)頻率為30KHz、50KHz和80KHz，激勵(lì)電壓為50～70V。
全文摘要
一種基于電弧超聲的鈦合金焊接方法，屬于鈦合金的電弧焊接技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明是在常規(guī)鈦合金電弧焊接工藝中，利用電弧超聲激勵(lì)源，將電弧不僅作為產(chǎn)熱機(jī)構(gòu)，同時(shí)作為超聲發(fā)射機(jī)構(gòu)。將電弧超聲激勵(lì)源以并聯(lián)的方式與常規(guī)的弧焊電源相連接，使超聲頻交變電信號(hào)耦合進(jìn)焊接電弧，發(fā)射出的超聲波作用于鈦合金工件的焊接熔池，改善鈦合金的焊接冶煉和結(jié)晶過程，從而改善了鈦合金焊接接頭的組織形態(tài)和成分均勻度，使焊接接頭的晶粒得到明顯的細(xì)化，并在晶粒細(xì)化的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高了其強(qiáng)度、疲勞等性能。
文檔編號(hào)B23K9/067GK1583340SQ200410009170
公開日2005年2月23日 申請(qǐng)日期2004年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月3日
發(fā)明者吳敏生, 李路明, 郝紅偉, 張雁軍, 何龍標(biāo), 陸志慶 申請(qǐng)人:清華大學(xué)