CN108436234A - 一种大热导率失配金属材料双热源协同焊接方法及装置 - Google Patents

一种大热导率失配金属材料双热源协同焊接方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大热导率失配金属材料双热源协同焊接方法及装置，属于金属材料焊接领域。所述方法在焊接大热导率失配金属材料时，采用双热源在接头正反面同时加热，通过对两热源的能量参数以及位置参数的控制，对接头能量分布进行优化，加大高热导率金属侧热输入以补偿其因较高热导率造成的热损失，并控制低热导率金属侧焊接温度，解决大热导率失配金属材料焊接成形问题的同时提高接头焊接质量。并通过将正反面两热源在焊接方向倾斜一定角度的方式，获得对接头的预热效果，在无开坡口、焊前预热等辅助措施下实现接头的单道焊双面成形。本发明提供的一种焊接装置通过对焊接热源位置在三维空间进行精确控制，有效调控接头热量分布，实现大热导率失配金属材料的高效可靠连接。

Description

一种大热导率失配金属材料双热源协同焊接方法及装置
技术领域
本发明涉及材料加工工程领域，具体涉及一种大热导率失配金属材料双热源协同焊接方法及装置
背景技术
随着科学技术的发展，人们对各种物理单元性能多样化，成本低廉化的要求不断提高，异种材料的焊 接已成为近年来国内外材料加工和制造技术领域最活跃的研究方向之一。钢-铜异种金属的连接，不仅能够 有效节约铜的使用量，降低工件成本，同时能够兼具两种金属高导热导电以及优异的力学性能，成为当前 异种金属焊接领域研究的热点。
然而，由于钢-铜之间存在的大热导率失配问题(金属铜的热导率是钢的6倍左右)，造成钢-铜之间的 连接极其困难。焊接过程中，铜侧热量沿板材平面方向迅速散失，板厚方向形成极大温度梯度，远离热源 尤其是板材背面处往往热量较低，焊缝难以润湿及铺展。与此同时，钢侧热影响区在大热输入下晶粒会急 剧长大，易形成铜的渗透裂纹，降低接头强度，因此，需较低热输入以保证接头性能。针对钢-铜间大热导 率失配造成的焊接过程中不同母材对热需求的不同，就必须对焊接过程中热量分布进行有效调控，增加高 热导率金属铜侧焊接热量的同时控制低热导率金属钢侧的焊接温度。在中国专利申请“CN104439646A”中 公开了一种钢和铜的焊接方法。其发明内容为钢和铜两种材料的待焊接端对接，形成接触面。供热设备的 加热部在惰性气体的保护下加热熔化铜和钢两种材料的待焊接端，加热部顶端向铜材料所在的方向偏移， 偏移距离在0.1mm-1.5mm间，使得铜和钢两种材料的待焊接端同时达到熔化状态进而互熔形成焊缝，偏 移距离为加热部顶端至接触面的距离。以上专利中所述，采用热源偏移至高热导率金属铜侧，能够显著改 善接头热量分布，使得铜与钢同时熔化，获得了完整焊缝。但该方法主要适用于管材连接，且焊接过程中 须在母材两端施加压力，以保证两母材相接处，难以应用于板材连接。
当前针对钢-铜板材对接成形困难的问题，多采用铜侧开坡口，铜板焊前预热等辅助工艺措施对焊接热 量在高热导率金属铜侧板厚方向的分布进行改善，以获得钢-铜的完整连接。然而，无论是焊前预热或开坡 口措施都额外增加了焊接工序以及焊接成本，极大地限制了其在工程实际中的应用。事实上，采用传统的 单一热源焊接方法焊接大热导率失配金属，难以对焊接过程中的热量分布尤其是高热导率金属板材侧热量 分布进行有效的控制。单一热源局部加热接头正面，改变热源输入的位置或热输入大小，在一定程度上可以改善接头中靠近热源的待焊部位热量分布。然而，接头背面由于远离焊接热源，其热量往往仅依靠金属 的热传导作用获得，因此，其焊接过程中的温度很大程度取决于板材的热导率等物理性质。这就导致单一 热源对接头背面尤其是高热导率金属背面一侧的调控作用极其有限，难以针对大热导率失配金属的不同焊 接特性对接头焊接温度进行有效调控，解决大热导率失配金属材料连接时成形困难的问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种大热导率失配金属材料双热源协同焊接方法及装置，所述方法在 焊接大热导率失配金属时，采用双热源在接头正反面同时加热，通过对两热源的能量参数以及位置参数的 控制，对接头能量分布进行优化，加大高热导率金属侧热输入以补偿其因较高热导率造成的热损失，并控 制低热导率金属侧焊接温度，解决大热导率失配金属材料焊接成形问题的同时提高接头焊接质量。并通过 将正反面两热源在焊接方向倾斜一定角度的方式，获得对接头的预热效果，在无开坡口、焊前预热等辅助 措施下实现接头的单道焊双面成形。另外，反面热源对接头背面的直接加热以及气保护，极大地促进焊缝 金属在母材背面的润湿和铺展，改善焊缝成形。
进一步地，所述方法中大热导率失配金属的连接为高热导率金属铜与低热导率金属钢的板材对接，板 材厚度在0.5-10mm。
进一步地，所述双热源分别为熔化极气体保护焊(正面热源)焊接热源和非熔化极气体保护焊(反面 热源)焊接热源；其中，正面热源负责对工件加热、填丝并提供气保护，电源采用直流反接；反面热源负 责工件背面加热与气保护，电源采用直流反接或交流。
进一步地，所述正反面两热源能量参数主要包括正面热源的焊接电压，送丝速度，氩气流量；反面热 源焊接电流、氩气流量；焊接速度；两热源的位置参数包括垂直于焊接方向(靠近钢侧为+，靠近铜侧为-)， 正面热源距焊缝中心距离d1，反面热源距焊缝中心距离d2；沿焊接方向(正面热源前置为+，后置为-)， 正面热源距反面热源距离d3；正面热源端部距工件高度，反面热源端部距工件距离。
进一步地，所述焊接方法采用调节热源位置参数使正反面两热源靠近高热导率金属一侧的方式，提高 高热导率金属侧能量，保证接头的焊缝成形。
进一步地，所述正面热源与反面热源沿焊接方向向后倾斜一定角度，通过将正反面两热源在焊接方向 后倾一定角度的方式，获得对大热导率失配金属尤其是高热导率金属的预热效果。
进一步地，所述方法包括以下步骤：
步骤一：对接工件：将被焊大热导率失配金属工件待焊部位以平行方式水平放置于工装台通槽中心位 置，两板对接间隙为0-1mm。
步骤二：设置焊接能量参数：正面热源焊接电压13-25V，送丝速度2-10.5m/min，氩气流量15-30L/min； 反面热源焊接电流60-200A，氩气流量15-30L/min；焊接速度3-30mm/s，焊接过程中，两热源焊接参数固 定。
步骤三：设置焊接位置参数垂直于焊接方向(靠近钢侧为+，靠近铜侧为-)，正面热源距焊缝中心 -0.4-0mm，反面热源距焊缝中心-2-0mm；沿焊接方向(正面热源前置为+，后置为-)，正面热源距反面热 源位置-2—+2mm，正面热源端部距工件高度6-12mm，反面热源端部距工件距离2-5mm，并用夹具对两热 源进行固定。
步骤四：调整热源角度：调节正面热源在焊接方向与两热源中轴线方向倾斜角度为0-20°，调节反面 热源在焊接方向与两热源中轴线方向倾斜角度为0-20°。
步骤五：焊接：开启两热源，工件沿焊接方向匀速运动，在正反面双热源的共同加热下进行焊接。
步骤六：焊接完成，关闭正反面热源的同时，工件运动停止。
本发明提供的实现上述大热导率失配金属材料双热源协同焊接方法的装置，该装置的具体结构包括熔 化极气体保护焊焊接热源焊枪，非熔化极气体保护焊焊接热源焊枪，焊接工作台，焊接工作台空槽，熔化 极气体保护焊焊接电源，非熔化极气体保护焊焊接电源，焊接工作台控制器，高热导率金属铜板材，低热 导率金属钢板材，焊枪夹具一，焊枪夹具二；所述焊接工作台为万能工作台，中部设有焊接工作台空槽， 与焊接工作台控制器相连接；所述高热导率金属铜与低热导率金属板材平行于焊接平台的空槽，并置于空 槽对称两侧；所述焊枪夹具一，焊枪夹具二结构完全相同，分置于焊接工作台正反面；所述的熔化极气体 保护焊焊接热源焊枪由由焊枪夹具一固定，并与熔化极气体保护焊焊接热源相连接；所述的非熔化极气体 保护焊焊接热源焊枪由焊枪夹具二固定，并与非熔化极气体保护焊焊接热源相连接；
所述双热源协同焊接方法可通过控制熔化极气体保护焊焊接电源设置正面热源焊接电压，送丝速度以 及氩气流量，通过非熔化极气体保护焊焊接电源设置反面热源焊接电流及氩气流量；热源焊枪通过改变焊 枪夹具在三维空间内的位置，控制在沿焊接方向两焊接热源的距离、垂直于焊接方向两热源距焊缝中心的 距离以及两热源端部距焊接工件的距离；通过焊枪夹具的旋转，可获得焊接热源在平行于焊接方向平面的 倾斜角度；焊接工作台可通过与通用夹具的配合，实现对焊接板材位置的固定；工作台控制器控制工作台焊接时运行速度；焊接过程中，通过控制熔化极气体保护焊焊接电源、非熔化极气体保护焊焊接电源与工 作台控制器进行焊接。
本发明包含以下有益效果：
1.本发明的一种大热导率失配金属材料双热源协同焊接方法主要是在大热导率失配金属连接时，针对 高热导率金属侧热量损失过快，焊接成形困难的问题，采用正反面双热源同时对接头进行加热，并通过控 制两热源能量参数和位置参数，优化焊接能量在接头中的分布，加大高热导率金属侧热量，补偿其因大热 导率造成的能量损失，解决接头的成形问题。同时，控制低热导率侧金属焊接温度，防止过热造成的焊接 问题，提高接头焊接质量；
2.本发明的一种大热导率金属材料双热源协同焊接装置实现了对焊接热源在三维空间的精确定位，保 证大热导率金属材料双热源协同焊接时对能量分布的精确调控，且焊接装置设备简单，操作方便，控制精 确。
3.非熔化极气体保护焊焊接热源直接加热接头背面，并提供焊接气保护，极大地促进接头的背面成 形；
4.采用正反面两热源在焊接方向后倾一定角度的方式，获得对大热导率失配金属尤其是高热导率金属 的预热效果，以实现工件的单道焊双面成形；
5.焊接过程中，焊接热源参数以及热源相对位置固定，以工件运动的方式进行焊接，保证焊接稳定性；
6.正反面两热源同时加热，两热源之间具有协同效应，能够有效提高热效率，降低焊接热输入，有利 于实现低热输入下接头的单道焊双面成形；
附图说明
图1为本发明的一种大热导率失配金属材料双热源协同焊接方法及装置结构示意图；
图2为本发明的一种大热导率失配金属材料双热源协同焊接方法垂直于焊接方向示意图和平行于焊接 方向示意图，
其中，其中，1-熔化极气体保护焊焊接热源，2-非熔化极气体保护焊焊接热源，3-焊接工作台，301- 焊接工作台空槽，4-熔化极气体保护焊焊接电源，5-非熔化极气体保护焊焊接电源，6-焊接工作台控制器， 7-高热导率金属铜板材，8-低热导率金属钢板材，9-焊枪夹具一，10-焊枪夹具二。
正面热源距焊缝中心距离d1，反面热源距焊缝中心距离d2，正面热源距反面热源距离d3，正面热源倾 斜角度α，反面热源倾斜角度β；
图3为3mm钢-铜双热源协同焊接接头横截面形貌。
具体实施方式：
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步 详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。相反，本发明 涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了 使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分，对本领 域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。下面为本发明举出的 最佳实施例：
如图1所示，本发明提供一种用于大热导率失配金属材料连接的双热源协同焊接方法，所述方法在焊 接大热导率失配金属时，采用双热源在接头正反面同时加热，通过对两热源的能量参数以及位置参数的控 制，对接头能量分布进行优化，加大高热导率金属侧热输入以补偿其因较高热导率造成的热损失，并控制 低热导率金属侧焊接温度，解决大热导率失配金属材料焊接成形问题的同时提高接头焊接质量，并通过将 正反面两热源在焊接方向倾斜一定角度的方式，获得对接头的预热效果，在无开坡口、焊前预热等辅助措 施下实现接头的单道焊双面成形。另外，热源对接头背面的直接加热以及气保护，极大地促进焊缝金属在 母材背面的润湿和铺展，改善焊缝成形。所述方法中大热导率失配金属的连接为高热导率金属铜与低热导 率金属钢的板材对接，且板材厚度在0.5-10mm；双热源分别为熔化极气体保护焊(正面热源)焊接热源和 非熔化极气体保护焊(反面热源)焊接热源；其中，正面热源负责对工件加热、填丝并提供气保护，电源 采用直流反接；反面热源负责工件背面加热与气保护，电源采用直流反接或交流；所述熔化极气体保护焊 焊接热源与非熔化极气体保护焊焊接热源采用氩气(Ar)保护，气体流量15-30L/min；正反面两热源能量 参数主要包括正面热源的焊接电压，送丝速度，反面热源焊接电流以及焊接速度；两热源的位置参数包括 垂直于焊接方向(靠近铜侧为+，靠近钢侧为-)，正面热源距焊缝中心距离d1，反面热源距焊缝中心距离 d2；沿焊接方向(正面热源前置为+，后置为-)，正面热源距反面热源距离d3。熔化极气体保护焊焊接热 源、非熔化极气体保护焊焊接热源用焊枪夹具固定后，可通过控制熔化极气体保护焊焊接电源设置正面热 源焊接电压，送丝速度以及氩气流量，通过非熔化极气体保护焊焊接电源设置反面热源焊接电流及氩气流 量；热源焊枪通过改变焊枪夹具在三维空间内的位置，控制在沿焊接方向两焊接热源的距离、垂直于焊接 方向两热源距焊缝中心的距离以及两热源端部距焊接工件的距离；通过焊枪夹具的旋转，可获得焊接热源 在平行于焊接方向平面的倾斜角度；焊接工作台可通过与通用夹具的配合，实现对焊接板材位置的固定； 工作台控制器控制工作台焊接时运行速度；焊接过程中，通过控制熔化极气体保护焊焊接电源、非熔化极 气体保护焊焊接电源与工作台控制器进行焊接。
其实施方式包括以下步骤：
步骤一：对接工件：将将被焊大热导率失配金属工件待焊部位以平行方式水平放置于工装台通槽中心 位置，两板对接间隙为0-1mm；
步骤二：设置焊接能量参数：正面热源焊接电压13-25V，送丝速度2-10.5m/min，反面热源焊接电流 60-300A，焊接速度3-30mm/s，焊接过程中，两热源焊接参数固定；
步骤三：设置焊接位置参数垂直于焊接方向(靠近钢侧为+，靠近铜侧为-)，正面热源距焊缝中心 -0.4-0mm，反面热源距焊缝中心-2-0mm；沿焊接方向(正面热源前置为+，反面热源后置为-)，正面热源 距反面热源位置-2—+2mm，并用夹具对两热源进行固定；正面热源距工件高度6-15mm，反面热源距工件 距离2-5mm；
步骤四：调整热源角度：调节正面热源于焊接方向在两热源中轴线方向倾斜角度0-20°，调节反面热 源在焊接方向与两热源中轴线方向倾斜角度0-20°；
步骤五：焊接：开启两热源，工件沿焊接方向匀速运动，在正反面双热源的共同加热下进行焊接；
步骤六：焊接完成，关闭正反面热源的同时，工件运动停止。
为了体现双热源协同焊接方法在焊接大热导率失配金属时的有益效果，本实例对3mm厚钢-铜异种金 属进行板材对接。通过以下具体实施例验证本发明的有益效果：
具体实施例1
其是按照以下步骤进行的：
步骤一：对接工件：将将被焊大热导率失配金属工件待焊部位以平行方式水平放置于工装台通槽中心 位置，两板对接间隙为0.3mm；
步骤二：设置焊接能量参数：正面热源焊接电压15.5V，送丝速度3.5m/min，氩气流量15L/min；反 面热源焊接电流180A，氩气流量15L/min；焊接速度9mm/s，焊接过程中，两热源焊接参数固定；
步骤三：设置焊接位置参数沿焊接方向(正面热源前置为+，后置为-)，正面热源距反面热源位置0mm； 垂直于焊接方向(靠近钢侧为+，靠近铜侧为-)，正面热源距焊缝中心-0.4mm，反面热源距焊缝中心-2mm， 正面热源端部距工件高度10mm，反面热源端部距工件距离3mm，并用夹具对两热源进行固定；
步骤四：调整热源角度：调节正面热源在焊接方向与两热源中轴线方向倾斜角度0°，调节反面热源于 焊接方向与两热源中轴线方向倾斜角度0°；
步骤五：焊接：开启两热源，工件沿焊接方向匀速运动，在正反面双热源的共同加热下进行焊接；
步骤六：焊接完成，关闭正反面热源的同时，工件运动停止。
图3所示为采用具体实施例1所得钢-铜金属板材对接接头正反面成形形貌，接头正反面无裂纹、飞溅 等焊接缺陷，焊缝铺展均匀一致，成形优异。焊接接头均断裂与母材热影响区，接头平均抗拉强度为 228MPa，达到铜母材强度的84％。采用双热源协同焊接方法对钢-铜大热导率失配金属进行连接，在无预 热、开坡口等辅助措施条件下，实现了钢-铜大热导率失配金属的单道焊双面成形，并获得质量可靠焊接接 头。

Claims (8)

1.一种大热导率失配金属材料双热源协同焊接方法，其特征在于在焊接大热导率失配金属时，采用双热源在接头正反面同时加热，通过对两热源的能量参数以及位置参数的控制，对接头能量分布进行优化，加大高热导率金属侧热输入以补偿其因较高热导率造成的热损失，并控制低热导率金属侧焊接温度，解决大热导率失配金属材料焊接成形问题的同时提高接头焊接质量。
2.根据权利要求1所述的一种大热导率失配金属材料双热源协同焊接方法，其特征在于所述大热导率失配金属的连接为高热导率金属铜与低热导率金属钢的板材对接，板材厚度在0.5-10mm。
3.根据权利要求1所述的一种大热导率失配金属材料双热源协同焊接方法，其特征在于所述双热源分别为熔化极气体保护焊(正面热源)焊接热源和非熔化极气体保护焊(反面热源)焊接热源；其中，正面热源负责对工件加热、填丝并提供气保护，电源采用直流反接；反面热源负责工件背面加热与气保护，电源采用直流反接或交流。
4.根据权利要求3所述的一种大热导率失配金属材料双热源协同焊接方法，其特征在于所述正反面两热源能量参数主要包括正面热源的焊接电压，送丝速度，氩气流量，反面热源焊接电流、氩气流量；焊接速度；两热源的位置参数包括垂直于焊接方向(靠近钢侧为+，靠近铜侧为-)，正面热源距焊缝中心距离，反面热源距焊缝中心距离；沿焊接方向(正面热源前置为+，后置为-)，正面热源距反面热源距离；正面热源端部距工件高度，反面热源端部距工件距离。
5.根据权利要求3所述的一种大热导率失配金属材料双热源协同焊接方法，其特征在于采用调节热源位置参数使正反面两热源靠近高热导率金属一侧的方式，提高高热导率金属侧能量，保证接头的焊缝成形；正面热源与反面热源沿焊接方向向后倾斜一定角度，通过将正反面两热源在焊接方向后倾一定角度的方式，获得对大热导率失配金属尤其是高热导率金属的预热效果。
6.根据权利要求1所述的大热导率失配金属材料双热源协同焊接方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：对接工件：将被焊大热导率失配金属工件待焊部位以平行方式水平放置于工作台通槽中心位置，两板对接间隙为0-1mm；
步骤二：设置焊接能量参数：正面热源焊接电压13-25V，送丝速度2-10.5m/min，氩气流量15-30L/min；反面热源焊接电流60-200A，氩气流量15-30L/min；焊接速度3-30mm/s，焊接过程中，两热源焊接参数固定；
步骤三：设置焊接位置参数垂直于焊接方向(靠近钢侧为+，靠近铜侧为-)，正面热源距焊缝中心-0.4-0mm，反面热源距焊缝中心-2-0mm；沿焊接方向(正面热源前置为+，后置为-)，正面热源距反面热源位置-2—+2mm，正面热源端部距工件高度6-12mm，反面热源端部距工件距离2-5mm，并用夹具对两热源进行固定；
步骤四：调整热源角度：调节正面热源在焊接方向与两热源中轴线方向倾斜角度为0-20°，调节反面热源在焊接方向与两热源中轴线方向倾斜角度为0-20°；
步骤五：焊接：开启两热源，工件沿焊接方向匀速运动，在正反面双热源的共同加热下进行焊接；
步骤六：焊接完成，关闭正反面热源的同时，工件运动停止。
7.一种实现权利要求1所述双热源协同焊接方法的装置，其特征在于包括熔化极气体保护焊焊接热源焊枪，非熔化极气体保护焊焊接热源焊枪，焊接工作台，焊接工作台空槽，熔化极气体保护焊焊接电源，非熔化极气体保护焊焊接电源，焊接工作台控制器，高热导率金属铜板材，低热导率金属钢板材，焊枪夹具一，焊枪夹具二；所述焊接工作台为万能工作台，中部设有焊接工作台空槽，与焊接工作台控制器相连接；所述高热导率金属铜与低热导率金属板材平行于焊接平台的空槽，并置于空槽对称两侧；所述焊枪夹具一，焊枪夹具二结构完全相同，分置于焊接工作台正反面；所述的熔化极气体保护焊焊接热源焊枪由焊枪夹具一固定，并与熔化极气体保护焊焊接热源相连接；所述的非熔化极气体保护焊焊接热源焊枪由焊枪夹具二固定，并与非熔化极气体保护焊焊接热源相连接。
8.根据权利要求7所述的一种实现大热导率失配金属双热源协同焊接方法的装置，其特征在于所述双热源协同焊接装置通过控制熔化极气体保护焊焊接电源设置正面热源焊接电压，送丝速度以及氩气流量，通过非熔化极气体保护焊焊接电源设置反面热源焊接电流及氩气流量；热源焊枪通过改变焊枪夹具在三维空间内的位置，控制在沿焊接方向两焊接热源的距离、垂直于焊接方向两热源距焊缝中心的距离以及两热源端部距焊接工件的距离；通过焊枪夹具的旋转，获得焊接热源在平行于焊接方向平面的倾斜角度；焊接工作台通过与通用夹具的配合，实现对焊接板材位置的固定；工作台控制器控制工作台焊接时运行速度；焊接过程中，通过控制熔化极气体保护焊焊接电源、非熔化极气体保护焊焊接电源与工作台控制器进行焊接。
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