CN102814580A

CN102814580A - 一种用于ods合金的超声电弧焊接方法

Info

Publication number: CN102814580A
Application number: CN2012102858107A
Authority: CN
Inventors: 雷玉成; 黄巍; 朱强; 承龙
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2012-08-13
Filing date: 2012-08-13
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2032-08-13
Also published as: CN102814580B

Abstract

本发明涉及ODS合金的电弧焊接，特指一种用于ODS合金的超声电弧焊接方法。其原理是在常规ODS合金电弧焊接工艺中，通过与常规的弧焊电源并联耦合超声激励电源的方法，使超声波交变信号耦合进焊接电弧，从而将超声波引入到熔化焊电弧中，使电弧即作为产热机构，同时又作为超声发射机构，发射出的超声波作用于ODS合金的焊接熔池，利用超声波来去除焊缝中的气体并细化焊缝组织，从而提高ODS合金焊缝接头的力学性能。

Description

一种用于ODS合金的超声电弧焊接方法

技术领域

本发明涉及ODS合金的电弧焊接，特指一种用于ODS合金的超声电弧焊接方法。

背景技术

ODS合金是采用机械合金化方法制造的氧化物弥散强化（Oxide dispersion strengthened，ODS）高温合金，具有高温力学性能、高温抗氧化和抗腐蚀性能好的综合优势，目前在航空、航天和核能领域等具有耐高温要求的零部件中得到广泛的应用，由于机械合金化是一个通过高能球磨使粉末经受反复的变形、冷焊、破碎，从而达到元素间原子水平合金化的复杂物理化学过程，因此ODS合金制备过程中往往发生粒子的细化，并引入缺陷，使材料中残留的隔离小孔隙难以消除，成为残留孔洞。在熔化焊过程中，这些孔洞会造成熔池中金属流动不规则，快速冷却凝固过程中容易形成气孔，同时，ODS合金处于冶金不平衡状态，用常规熔化焊方法进行焊接比较困难，容易产生焊缝晶粒粗大的问题等，严重破坏了材料原先的组织和性能，因此从根本上提高焊缝金属的性能，就必须细化晶粒、减少气孔。

在已有技术中，申请号为201010123736.X公开号为CN101797659A的“基于交流电弧激发超声的铝合金及铝基复合材料焊接”主要针对铝合金及铝基复合材料，采用交流电弧进行焊接，利用RC高通滤波器实现超声激励电流和焊接电流的耦合，但由于ODS合金是采用直流电弧进行焊接，因此在超声激励回路中需加入隔直电容进行电隔离，防止直流电击坏超声激励源；同时由于ODS合金的制备方法决定了焊接过程中需要对进入焊接电流的超声激励电流能实时控制，因此在超声激励回路中还需要加入变阻器，以用于实时调节加载到电弧中的超声激励电压和电流的大小。

发明内容

本发明的目的是提出一种用于ODS合金熔化焊的新方法—ODS合金的超声电弧焊接方法，其原理是在常规ODS合金电弧焊接工艺中，通过与常规的弧焊电源并联耦合超声激励电源的方法，使超声波交变信号耦合进焊接电弧，从而将超声波引入到熔化焊电弧中，使电弧即作为产热机构，同时又作为超声发射机构，发射出的超声波作用于ODS合金的焊接熔池，利用超声波来去除焊缝中的气体并细化焊缝组织，从而提高ODS合金焊缝接头的力学性能。

本发明提出的ODS合金的电弧超声焊接方法，包括以下步骤：

（1）将电弧超声激励发生源以并联的方式与弧焊电源相连接，使得超声频交变电信号耦合进焊接电弧；利用串联进超声激励回路的隔直电容进行电隔离，以保护超声激励源；同时在超声激励回路串联一个变阻器用于调节加载到电弧中的超声激励电压和电流的大小；

隔直电容电容值的选择：由于ODS合金采用直流电进行焊接，且焊接电流较大（通常为60~150Ａ），为有效保护超声激励源，防止其被焊接电流击坏，隔直电容电容值应适当选大一点；但又由于超声激励电流较小（最大为30A），为保证超声激励电流能与焊接电流进行有效耦合，电容值又不能太大，因此，在本发明中选用隔直电容电容值为40~100PF。

变阻器阻值范围的选择：由于超声激励电流较小，因此只需要选用小阻值的变阻器即可，在本发明中选用变阻器的阻值范围为0~200Ω。

（2）焊接起弧后再接通超声激励电源，选择占空比为50%的方波激励源，激励频率为28~80KHz，其优选为30KHz，激励电流为0~30A，通过对焊接电弧的高频调制实现交变电信号到超声波的能量转换；

（3）在实现超声波与焊接电弧耦合后，选用常规TIG焊接方法对ODS合金进行焊接。

附图说明

图1是MGH956合金常规TIG焊的焊缝截面图和显微组织图；

（a）焊缝截面；（b）焊缝显微组织；

图2是本发明方法的原理示意图；

图中：1—焊接电源；2—超声激励电源；3—电弧； 4—工件；5—变阻器；6—隔直流电容；7—电流表；8—电压表；

图3是MGH956合金电弧超声TIG焊焊缝截面图，图中a、b、c、d图分别施加5A、10A、20A、和30A超声激励电流；

图4是MGH956合金电弧超声TIG焊焊缝显微组织图，图中a、b、c图分别施加10A、20A、和30A超声激励电流。

具体实施方式

被焊材料选用MGH956合金，MGH956合金是众多ODS高温合金中的一种典型材料，该合金采用超细超稳定的氧化物颗粒（Y₂O₃）对基体进行强化，具有高温力学性能好、高温抗氧化和高温抗腐蚀性能好的综合优势，在航空、航天、核能等方面有广泛的应用前景。

其化学成分如表1所示。

表1 MGH956合金的化学成分(质量分数，%)

对比例：

焊接前，将母材试板(70mm×35mm×1.5mm)表面及坡口处清理干净，使用型号为MW3000逆变全数字化钨极氩弧焊机，钨极直径为2.4mm，直流正接，采用纯度为99.9%的氩气作为保护气，气体流量为7.5L/min，焊接电流70A，焊接电压12V，焊接速度1.8mm/s。

以上为常规TIG焊接方法（未加激励超声波）的焊接参数，焊后焊缝截面如图1a所示。可见焊缝中存在大量气孔，且焊缝晶粒较粗大，多为树枝状晶粒，如图1b所示。

实施例：

电弧超声ODS合金焊接技术通过与常规的弧焊电源并联耦合超声激励电源的方法，实现激励超声与焊接电弧的耦合，使焊接电弧即作为热源，又作为超声发射机构，在焊接的同时，利用超声波来去除焊缝中的气体并细化焊缝组织。

本发明方法的原理图如图2所示。

电弧超声激励源2可以产生最大激励频率为80KHz，最大激励电流为30A的超频交变方波信号，最大功率能达到1500W，通过阻容耦合的方法将其与熔化焊弧焊电源并联起来，从而实现超声波与焊接电弧的耦合；由于ODS合金焊接采用直流正接的方法，因此在超声激励回路中加入隔直流电容（40~100PF）6，达到保护超声激励电源不受焊接电源影响的目的，并通过接入一个变阻器（0~200Ω）来调节加载到电弧中的超声激励电压和电流的大小。

在实现超声波与焊接电弧耦合后，仍选用常规TIG焊接参数对ODS合金进行焊接，使用型号为MW3000逆变全数字化钨极氩弧焊机，钨极直径为2.4mm，直流正接，采用纯度为99.9%的氩气作为保护气，气体流量为7.5L/min，焊接电流70A，焊接电压12V，焊接速度1.8mm/s，由于电弧等离子体受到超声频电信号的激励产生超声波，作用于焊缝熔池，因此降低了焊缝中气孔含量、细化焊缝晶粒并在一定程度上提高了焊缝的力学性能，尤其是抗拉强度。

图3为施加不同激励电流时的ODS合金焊缝截面图，与常规TIG焊相比，随着激励电流的增大，焊缝中的气孔数量明显减少，且尺寸也明显减小，且当激励电流提高到20A，气孔数量最少，由此可见，在焊接电弧中引入超声波可以有效地减少焊缝中气孔的数量，达到除气的目的。

图4为施加不同激励电流时的ODS合金焊缝显微组织图，当超声激励电流提高到20A时，焊缝晶粒尺寸最小，因此，超声电弧焊接技术对于细化焊缝晶粒，具有积极的作用。

MGH956合金电弧超声TIG焊与常规TIG焊相比，其焊缝接头抗拉强度得到明显提高，表2是MGH956接头拉伸性能的比较。

表2 MGH956合金焊缝拉伸性能

在生产实践中应用本焊接技术时，无需对原有焊接设备进行改造，可直接将弧焊电源和高频超声激励电源通过该隔离耦合装置进行连接，实现对传统设备的技术升级，提高ODS合金焊接接头质量，具有广泛的应用前景。

Claims

1.一种用于ODS合金的超声电弧焊接方法，其特征在于包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的一种用于ODS合金的超声电弧焊接方法，其特征在于：所述隔直电容电容值为40~100PF。

3.如权利要求1所述的一种用于ODS合金的超声电弧焊接方法，其特征在于：所述变阻器的阻值范围为0~200Ω。