本發(fā)明涉及一種真空/保護氣氛下組合熱源焊接方法及其裝置，屬于焊接
技術(shù)領域：
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背景技術(shù)：
：隨著航空航天工業(yè)的發(fā)展，對高溫結(jié)構(gòu)材料的性能要求也越來越高，不僅要求耐高溫和抗氧化而且要求很高的比強度和比剛度。TiAl等金屬間化合物以其低密度、高模量和優(yōu)異的高溫強度、抗蠕變、抗氧化和阻燃性能而被公認為最具有發(fā)展?jié)摿Φ母邷亟Y(jié)構(gòu)材料。該類合金的自身及其與異種材料的連接技術(shù)，是該類材料工程應用的關鍵技術(shù)之一。目前國內(nèi)外在該類材料的連接方面主要專注于其固態(tài)連接方法，如釬焊、擴散焊、摩擦焊等。雖然通常認為固相連接技術(shù)是TiAl基金屬間化合物較為有效的連接方法，但是對于復雜結(jié)構(gòu)的連接，固相連接方法受到限制，且接頭高溫性能難以滿足要求，因此有必要研究其熔焊連接工藝及接頭性能。TiAl金屬基復合材料室溫塑性低，變形能力差，使其采用熔焊工藝進行連接時，焊縫極易形成冷裂紋，從而成為該類材料工程化應用的難點。國內(nèi)外關于TiAl金屬基復合材料的熔焊工藝連接方面開展的研究較少，主要通過焊前電子束掃描或者激光掃描的方法預熱工件，焊后繼續(xù)掃描加熱以控制工件的冷卻速度，降低焊接應力，從而控制裂紋的產(chǎn)生。但是上述方法只能局部加熱工件，難以精確控制工件的溫度且不能控制冷卻速度，使得焊接冷裂紋問題不能完全避免。然而，目前還沒有相應的焊接方法和設備在真空或者惰性氣氛環(huán)境下來精確控制焊前工件的預熱溫度、預熱加熱速度、焊后工件加熱溫度以及焊后冷卻速度。此外，高溫合金焊接基本都有熱裂紋形成的傾向，其中，沉淀強化合金比固溶強化合金的熱裂傾向大，鑄造合金比變形合金的熱裂傾向大。焊接過程中產(chǎn)生的熱裂紋主要有焊縫凝固裂紋和熱影響區(qū)液化裂紋兩種，焊后熱處理過程中鋁、鈦含量高的沉淀強化高溫合金和鑄造高溫合金還容易產(chǎn)生應變時效裂紋。裂紋產(chǎn)生的除了與γ’相體積分數(shù)有關外，焊接熱應力是導致裂紋形成的必要條件。目前主要采用低強度的合金焊料、降低焊接熱輸入等措施來控制裂紋的產(chǎn)生。使用低強度合金焊料時，焊接接頭強度、持久等室/高溫力學性能與母材相比下降幅度較大，難以滿足工程化應用。當采用降低焊接熱輸入方法控制熱裂紋時存在以下問題：熱輸入的大小與焊接熱裂紋的形成關系難以確定；針對焊接厚度較大時，為保證焊接深度，焊接熱輸入不能太??；不是所有鑄造高溫合金都適用。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明正是針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題而設計提供了一種真空/保護氣氛下組合熱源焊接方法及其裝置，其目的是解決室溫低塑性材料的焊接冷裂紋問題和鑄造高溫合金焊接熱裂紋問題。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的：該種真空/保護氣氛下組合熱源焊接方法，其特征在于：該焊接方法使用兩個熱源對金屬基復合材料或鑄造高溫合金的兩個焊件進行加熱，兩個熱源分別為基礎熱源和局部加熱焊接熱源，基礎熱源對兩個焊件同時進行加熱，局部加熱焊接熱源對兩個焊件之間的待焊面進行加熱，該方法的步驟是：步驟一、在真空或惰性氣氛保護環(huán)境下，使用基礎熱源將兩個焊件加熱到600℃～1200℃，熱透并保持溫度；步驟二、使用局部加熱焊接熱源對兩個焊件之間的待焊面進行焊接，冷卻降溫到基礎熱源的加熱溫度后形成焊縫；步驟三、形成焊縫后工件在真空或惰性氣氛保護環(huán)境下，以100℃/h～500℃/h的冷卻速度整體冷卻至室溫后完成焊接過程。針對室溫低塑性材料TiAl金屬基復合材料加工的兩個焊件，使用基礎熱源加熱焊件的溫度為800℃～1200℃；針對鑄造高溫合金加工的兩個焊件，使用基礎熱源加熱焊件整體的溫度為600℃～1000℃。針對室溫低塑性材料TiAl金屬基復合材料加工的兩個焊件，形成焊縫后工件在真空或惰性氣氛保護環(huán)境下的冷卻速度為100～300℃/h；針對鑄造高溫合金，形成焊縫后工件在真空或惰性氣氛保護環(huán)境下的冷卻速度為200～500℃/h。本發(fā)明技術(shù)方案還提出了一種用于所述的真空/保護氣氛下組合熱源焊接方法的裝置，其特征在于：該裝置包括爐體(1)和給爐體(1)提供真空/惰性氣體保護的真空泵組(2)，在爐體(1)內(nèi)設置有作為基礎熱源的加熱室(3)，在加熱室(3)內(nèi)設置有耐高溫的數(shù)控移動工作臺(4)，加熱室(3)包圍著焊件對焊件進行全方位的整體加熱，在加熱室(3)上方向設置有作為局部加熱焊接熱源的焊槍(5)，焊槍(5)的下端垂直伸入加熱室(3)內(nèi)并能夠沿垂直方向運動，送絲機構(gòu)(6)安裝在焊槍(5)一側(cè)的爐體(1)的外殼和加熱室(3)之間，送絲機構(gòu)(6)的導絲管(7)引入加熱室(3)內(nèi)，焊槍(5)的下端與導絲管(7)的末端固定一起以保證絲材能夠準確送入焊槍(5)下端的熔池，觀察窗(8)置于爐體(1)的側(cè)上部，用于觀察焊接過程。有耐高溫的數(shù)控移動工作臺(4)包括X方向移動工作臺和旋轉(zhuǎn)運動工作臺以滿足直線縫和環(huán)縫的焊接，驅(qū)動數(shù)控移動工作臺(4)的電機、減速機以及冷端傳動機構(gòu)置于爐體(1)外部或爐體(1)的加熱室(3)與爐體(1)外殼之間。加熱室(3)內(nèi)部的熱端傳動機構(gòu)采用耐高溫材料制造，傳動機構(gòu)與加熱室(3)外部的冷端傳動機構(gòu)通過聯(lián)軸器連接，加熱室(3)外部的冷端傳動機構(gòu)采用水冷方式冷卻以保證電機以及傳動機構(gòu)能夠連續(xù)正常工作。加熱室(3)采用近似長方體或其它形狀總成結(jié)構(gòu)，尺寸與爐體(1)尺寸相近，當加熱室(3)尺寸較小時，電機、傳動機構(gòu)和移動工作臺可置于爐體(1)內(nèi)部、加熱室(3)的外部。焊槍(5)能夠在數(shù)控系統(tǒng)控制進行Y方向擺動以適應直線縫與X軸的偏差和環(huán)縫與旋轉(zhuǎn)軸的偏差。提供基礎熱源的加熱室(3)采用電阻輻射加熱或感應加熱。焊槍(5)產(chǎn)生局部加熱焊接熱源的方式為電弧、等離子弧、真空空心陰極電弧、電子束或激光束。真空泵組(2)采用旋片泵和羅茨泵組合達到10‐1Pa的真空度，或采用旋片泵、羅茨泵和擴散泵組合達到10‐2～10‐3Pa的真空度，焊接時在此真空度條件下或抽真空后充入氬氣、氦氣等惰性氣體，保證高溫條件下零件不被氧化。本發(fā)明技術(shù)方案與傳統(tǒng)預熱熔化焊接的區(qū)別在于：1)本發(fā)明的整體基礎加熱溫度遠超過傳統(tǒng)方法的預熱溫度，整體加熱溫度可以達到1000℃以上。在此溫度下，普通預熱焊接存在零件氧化、無法實施焊接操作等問題；2)預熱焊接的預熱加熱一般在主熱源加熱前完成，而本發(fā)明基礎熱源加熱貫穿于焊接前、焊接中和焊接后的整個過程，從而可方便控制焊接過程熱循環(huán)，降低焊接應力，從而避免裂紋的產(chǎn)生；3)本發(fā)明是在具備組合熱源，并能夠提供惰性保護氣氛或真空條件的專用設備中完成。附圖說明圖1為采用本發(fā)明方法進行焊接的焊接裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖圖2為焊接裝置內(nèi)部的結(jié)構(gòu)示意圖具體實施方式以下將結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明技術(shù)方案作進一步地詳述：實施例1參見附圖1、2所示，焊接裝置包括爐體1和給爐體1提供真空/惰性氣體保護的真空泵組2，在爐體1內(nèi)設置有作為基礎熱源的加熱室3，在加熱室3內(nèi)設置有耐高溫的數(shù)控移動工作臺4，加熱室3包圍著焊件對焊件進行全方位的整體加熱，在加熱室3上方向設置有作為局部加熱焊接熱源的焊槍5，焊槍5的下端垂直伸入加熱室3內(nèi)并能夠沿垂直方向運動，送絲機構(gòu)6安裝在焊槍5一側(cè)的爐體1的外殼和加熱室3之間，送絲機構(gòu)6的導絲管7引入加熱室3內(nèi)，焊槍5的下端與導絲管7的末端固定一起以保證絲材能夠準確送入焊槍5下端的熔池，觀察窗8置于爐體1的側(cè)上部，用于觀察焊接過程。有耐高溫的數(shù)控移動工作臺4包括X方向移動工作臺和旋轉(zhuǎn)運動工作臺以滿足直線縫和環(huán)縫的焊接，驅(qū)動數(shù)控移動工作臺4的電機、減速機以及冷端傳動機構(gòu)置于爐體1外部或爐體1的加熱室3與爐體1外殼之間；加熱室3內(nèi)部的熱端傳動機構(gòu)與加熱室3外部的冷端傳動機構(gòu)通過聯(lián)軸器連接，加熱室3外部的冷端傳動機構(gòu)采用水冷方式冷卻以保證電機以及傳動機構(gòu)能夠連續(xù)正常工作。焊槍5能夠在數(shù)控系統(tǒng)控制進行Y方向擺動以適應直線縫與X軸的偏差和環(huán)縫與旋轉(zhuǎn)軸的偏差。提供基礎熱源的加熱室3采用電阻輻射加熱或感應加熱。焊槍5產(chǎn)生局部加熱焊接熱源的方式為電弧、等離子弧、真空空心陰極電弧、電子束或激光束。采用該焊接裝置進行焊接的方法步驟如下：步驟一焊接2.0mm厚γ‐TiAl合金板材。焊前將TiAl合金板材平口對接裝夾于工裝中并放置在移動工作平臺上，試板上表面距鎢針2.0mm，在數(shù)控系統(tǒng)中記錄鎢針與焊縫的相對位置，關閉爐門后抽真空。采用旋片泵和羅茨泵組合方式，真空度達到2*10‐1Pa以下時，停止抽真空。設定基礎加熱溫度為1000℃，開啟加熱室加熱電源，同時向爐體內(nèi)充入氬氣或其它惰性氣體，保證在加熱過程中爐體內(nèi)部壓強小于0.1MPa；當爐體內(nèi)部溫度達到設定溫度時，自動進入保溫狀態(tài)。步驟二在控制系統(tǒng)中編制工作臺的坐標、移動速度以及焊接電流。焊接電源種類為電弧，焊槍夾持鎢針。準備就緒后開啟施焊，焊接工藝參數(shù)見表1。表1焊接工藝參數(shù)預熱溫度/℃鎢極直徑/mm電弧電壓/V焊接電流/A焊接速度/mm/s10003.09.5904.0步驟三焊后待工件溫度降至基礎加熱溫度后調(diào)整加熱室加熱功率，以300℃/h的冷卻速度冷卻至300℃后，關閉基礎加熱電源，待爐溫降至100℃一下時向爐體內(nèi)部充入空氣，取出焊件。檢測結(jié)果表明：采用此種組合熱源焊接裝置及焊接方法能夠獲得無裂紋的γ‐TiAl合金焊縫。實施例2焊接裝置與實施例1相同，采用該焊接裝置進行焊接的方法步驟如下：步驟一2mm厚K465鑄造高溫合金板材，平口對接。采用電弧作為焊接熱源的產(chǎn)生方式。焊前將K465合金板材平口對接裝夾于工裝中并放置在移動工作平臺上，試板上表面距鎢針2.0mm，在數(shù)控系統(tǒng)中記錄鎢針與焊縫的相對位置，關閉爐門后抽真空。真空度達到2*10‐1Pa以下時，停止抽真空。設定基礎加熱溫度為700℃，開啟加熱室加熱電源，同時向爐體內(nèi)充入氬氣或其它惰性氣體，保證在加熱過程中爐體內(nèi)部壓強小于0.1MPa；當爐體內(nèi)部溫度達到設定溫度時，自動進入保溫狀態(tài)。步驟二在控制系統(tǒng)中編制工作臺的坐標、移動速度以及焊接電流。焊接電源種類為電弧，焊槍夾持鎢針。準備就緒后開啟施焊，焊接工藝參數(shù)見表2。表2焊接工藝參數(shù)預熱溫度/℃鎢極直徑/mm電弧電壓/V焊接電流/A焊接速度/mm/s7003.09.01203.5步驟三焊后待工件溫度降至基礎加熱溫度后調(diào)整加熱室加熱功率，以500℃/h的冷卻速度冷卻至300℃后，關閉基礎加熱電源，待爐溫降至100℃一下時向爐體內(nèi)部充入空氣，取出焊件。檢測結(jié)果表明：采用此種組合熱源焊接裝置及焊接方法能夠獲得無液化裂紋的K465合金焊縫。當前第1頁1 2 3