專(zhuān)利名稱(chēng)：一種鋁基復(fù)合材料頂鍛等離子弧焊夾具及弧焊方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鋁基復(fù)合材料熔化焊技術(shù)，特別是一種鋁基復(fù)合材料頂鍛等離子 弧焊夾具及弧焊方法。
背景技術(shù)：
顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料由于其具有綜合性能高、制造成本低、各向同性、二次加工 性能好等優(yōu)點(diǎn)，在航空、航天、汽車(chē)等工業(yè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。鋁基復(fù)合材料中由于 增強(qiáng)體的引入，使得其焊接工藝過(guò)程變得相當(dāng)困難，主要原因是增強(qiáng)體與基體鋁合金之間 的物理和化學(xué)性能如熔點(diǎn)、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和線(xiàn)膨脹系數(shù)等存在巨大差異，導(dǎo)致采用普通的 焊接方法焊接時(shí)容易出現(xiàn)氣孔、夾雜、成分片析和焊縫成形不良等缺陷。盡管目前有許多焊 接工作者正在致力于開(kāi)展鋁基復(fù)合材料的焊接研究工作，但是，迄今為止，人們還沒(méi)有找到 行之有效的焊接方法成功實(shí)現(xiàn)此類(lèi)材料的高質(zhì)量連接，成為鋁基復(fù)合材料走向?qū)嵱没钠?頸。熔化焊由于具有應(yīng)用范圍廣、使用成本低等優(yōu)點(diǎn)，從而在金屬的焊接中得到廣泛 應(yīng)用。TIG、MIG應(yīng)用于鋁合金焊接中取得了令人滿(mǎn)意的焊接質(zhì)量，但應(yīng)用于鋁基復(fù)合材料 的焊接結(jié)果卻很不理想，主要原因?yàn)?1)增強(qiáng)相與基體鋁合金物理性能特別是熔點(diǎn)相差 很大，給熔池溫度控制帶來(lái)困難；(2)容易引起基體一增強(qiáng)相間的界面反應(yīng)，生成脆性化合 物，極大的降低了接頭的性能，而且界面反應(yīng)生成物在一定環(huán)境下變得極不穩(wěn)定，將進(jìn)一步 降低接頭的使用性能；(3)大量固態(tài)增強(qiáng)相存在于熔融液態(tài)鋁基體中，使熔池的動(dòng)力學(xué)狀 態(tài)與結(jié)晶方式變得復(fù)雜，同時(shí)導(dǎo)致產(chǎn)生大量夾渣、氣孔、孔穴等缺陷。這嚴(yán)重制約著熔焊方 法在鋁基復(fù)合材料連接中的應(yīng)用。專(zhuān)利(公開(kāi)號(hào)101204760)公開(kāi)了一種用于焊接記憶合金絲的專(zhuān)用夾具及方法，但 該專(zhuān)利不能用于焊接桿狀鋁基復(fù)合材料，其原因是該專(zhuān)利的結(jié)構(gòu)彈簧儲(chǔ)存的能量在焊接過(guò) 程中隨著合金絲的熔化逐漸釋放，不能產(chǎn)生對(duì)接頭沖擊與頂鍛的作用，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)較大直 徑鋁基復(fù)合材料桿熔池瞬時(shí)擠壓，因?yàn)闊o(wú)法獲得優(yōu)質(zhì)的接頭；壓力大小與彈簧張開(kāi)距離也 不能方便調(diào)節(jié)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所解決的技術(shù)問(wèn)題在于提供一種鋁基復(fù)合材料頂鍛等離子弧焊夾具及方 法。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為一種鋁基復(fù)合材料頂鍛等離子弧焊夾具，包 括電磁鐵、動(dòng)壓板、靜壓板、電磁鐵的動(dòng)鐵心、連桿、后擋板、底座、擋板、彈簧、前擋板；
底座上設(shè)置后擋板，后擋板上固連電磁鐵，電磁鐵的前方設(shè)置動(dòng)壓板，所述電磁鐵通過(guò) 電磁鐵的動(dòng)鐵心、連桿與動(dòng)壓板相連，推動(dòng)動(dòng)壓板移動(dòng)，動(dòng)壓板的兩側(cè)設(shè)置固連于底座上的 擋板，該擋板對(duì)動(dòng)壓板橫向限位，動(dòng)壓板的前方設(shè)置固連于底座上的前擋板，底座上開(kāi)有凹 槽，該凹槽位于前擋板的前方，凹槽的中心開(kāi)有通氣孔；動(dòng)壓板上開(kāi)有第一導(dǎo)向孔，后擋板上開(kāi)有第二導(dǎo)向孔，第一導(dǎo)向孔與第二導(dǎo)向孔同軸設(shè)置；動(dòng)壓板與后擋板之間設(shè)置彈簧，動(dòng) 壓板的上方開(kāi)有螺絲孔，該螺絲孔與第一導(dǎo)向孔連通；底座上還開(kāi)有導(dǎo)向槽，該導(dǎo)向槽與后 擋板分別位于凹槽的兩側(cè)，導(dǎo)向槽與第一導(dǎo)向孔同軸設(shè)置；導(dǎo)向槽的上方設(shè)置固定鋁基復(fù) 合材料桿的靜壓板?！N鋁基復(fù)合材料頂鍛等離子弧焊方法，包括以下步驟 步驟1、啟動(dòng)電磁鐵，使動(dòng)壓板向后移動(dòng)，對(duì)彈簧進(jìn)行預(yù)壓縮；
步驟2、將清理后的兩個(gè)被焊鋁基復(fù)合材料桿裝入工裝夾具，其中一個(gè)桿裝入導(dǎo)向槽 上，另外一個(gè)桿裝入動(dòng)壓板的第一導(dǎo)向孔中，該桿的一端位于第二導(dǎo)向孔中，兩個(gè)被焊鋁基 復(fù)合材料桿相互對(duì)緊并用螺絲將位于第一導(dǎo)向孔中的桿子固定在動(dòng)壓板上； 步驟3、將熔化焊接熱源垂直固定在被焊鋁基復(fù)合材料接頭上方； 步驟4、打開(kāi)焊機(jī)電源，使焊機(jī)產(chǎn)生出的高能密度束流的熱源對(duì)準(zhǔn)接頭位置施焊，使之 熔化，在焊接過(guò)程中，同時(shí)由工裝夾具的通氣孔在下部向施焊部位通惰性保護(hù)氣體，與焊 矩中的惰性氣體聯(lián)合進(jìn)行保護(hù)；
步驟5、焊接完畢熄弧瞬間關(guān)閉電磁鐵，彈簧將儲(chǔ)存的能量釋放，推動(dòng)動(dòng)壓板運(yùn)動(dòng)，并最 終推動(dòng)被焊鋁基復(fù)合材料桿運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)接頭的沖擊頂鍛；
步驟6、焊接結(jié)束后繼續(xù)由通氣孔通保護(hù)氣2-3分鐘，直到完全冷卻至室溫后，卸下被 焊工件，完成整個(gè)焊接過(guò)程。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)1、采用高能密度束流作為熔化焊接熱源， 使得整個(gè)連接時(shí)間縮短、受熱面積減小，并且最大程度的減少了熱輸入，有效地改善了焊縫 組織惡化的問(wèn)題；2、采用的專(zhuān)用工裝夾具，可實(shí)現(xiàn)焊接熔池凝固前瞬時(shí)沖擊頂鍛，將被熔化 的焊縫金屬及增強(qiáng)相全部擠出，吸取了熔化焊與閃光對(duì)焊的突出優(yōu)點(diǎn)，保持了焊接接頭組 織與母材接近，并且被焊接頭的焊縫飽滿(mǎn)，過(guò)渡圓滑，獲得基本由均勻的母材組成的接頭， 顯著提高了接頭的拉伸強(qiáng)度；3、本發(fā)明工藝簡(jiǎn)單，用于該工藝的夾具設(shè)計(jì)合理，使用方便， 可鋁基復(fù)合材料棒料的連接技術(shù)中；4、本發(fā)明的目的是針對(duì)鋁基復(fù)合材料熔化焊現(xiàn)有技術(shù) 的不足提供一種能保證焊接接頭的80%拉伸強(qiáng)度的頂鍛高能束流焊工藝方法?？蓪?shí)現(xiàn)6mm 以下棒狀鋁基復(fù)合材料的焊接，也可實(shí)現(xiàn)棒狀鋁基復(fù)合材料與鋁合金棒異種材料之間的焊 接等，實(shí)現(xiàn)焊縫無(wú)夾雜、孔洞、未熔合等缺陷的優(yōu)質(zhì)焊接接頭。下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。


圖1是頂鍛等離子束鋁基復(fù)合材料弧焊方法示意圖。圖2是頂鍛等離子束鋁基復(fù)合材料弧焊專(zhuān)用夾具主視圖。圖3是頂鍛等離子束鋁基復(fù)合材料弧焊專(zhuān)用夾具俯視圖。圖4是本發(fā)明所述頂鍛等離子束鋁基復(fù)合材料弧焊的工藝流程圖。
具體實(shí)施例方式結(jié)合圖1、圖2、圖3，本發(fā)明的一種鋁基復(fù)合材料頂鍛等離子弧焊夾具，包括電磁 鐵1、動(dòng)壓板2、靜壓板4、電磁鐵的動(dòng)鐵心6、連桿7、后擋板9、底座10、擋板12、彈簧13、前 擋板14 ；底座10上設(shè)置后擋板9，后擋板9上固連電磁鐵1，電磁鐵1的前方設(shè)置動(dòng)壓板2，所述 電磁鐵1通過(guò)電磁鐵的動(dòng)鐵心6、連桿7與動(dòng)壓板2相連，推動(dòng)動(dòng)壓板2移動(dòng)，動(dòng)壓板2的兩 側(cè)設(shè)置固連于底座10上的擋板12，該擋板12對(duì)動(dòng)壓板2橫向限位，動(dòng)壓板2的前方設(shè)置固 連于底座10上的前擋板14，底座10上開(kāi)有凹槽15，該凹槽15位于前擋板14的前方，凹槽 15的中心開(kāi)有通氣孔17;動(dòng)壓板2上開(kāi)有第一導(dǎo)向孔8，后擋板9上開(kāi)有第二導(dǎo)向孔18，第 一導(dǎo)向孔8與第二導(dǎo)向孔18同軸設(shè)置；動(dòng)壓板2與后擋板9之間設(shè)置彈簧13，動(dòng)壓板2的 上方開(kāi)有螺絲孔11，該螺絲孔與第一導(dǎo)向孔8連通；底座10上還開(kāi)有導(dǎo)向槽16，該導(dǎo)向槽 與后擋板9分別位于凹槽15的兩側(cè)，導(dǎo)向槽16與第一導(dǎo)向孔8同軸設(shè)置；導(dǎo)向槽16的上 方設(shè)置固定鋁基復(fù)合材料桿的靜壓板4。彈簧13的數(shù)量為兩個(gè)，該兩個(gè)彈簧位于第一導(dǎo)向 孔8的兩側(cè)。結(jié)合圖4，一種鋁基復(fù)合材料頂鍛等離子弧焊方法，包括以下步驟 步驟1、啟動(dòng)電磁鐵，使動(dòng)壓板2向后移動(dòng)，對(duì)彈簧13進(jìn)行預(yù)壓縮；
步驟2、將清理后的兩個(gè)被焊鋁基復(fù)合材料桿裝入工裝夾具，其中一個(gè)桿裝入導(dǎo)向槽 16上，另外一個(gè)桿裝入動(dòng)壓板2的第一導(dǎo)向孔8中，該桿的一端位于第二導(dǎo)向孔18中，兩個(gè) 被焊鋁基復(fù)合材料桿相互對(duì)緊并用螺絲將位于第一導(dǎo)向孔8中的桿子固定在動(dòng)壓板2上； 步驟3、將熔化焊接熱源垂直固定在被焊鋁基復(fù)合材料接頭上方； 步驟4、打開(kāi)焊機(jī)電源，使焊機(jī)產(chǎn)生出的高能密度束流的熱源對(duì)準(zhǔn)接頭位置施焊，使之 熔化，在焊接過(guò)程中，同時(shí)由工裝夾具的通氣孔17在下部向施焊部位通惰性保護(hù)氣體，與 焊矩中的惰性氣體聯(lián)合進(jìn)行保護(hù)；
步驟5、焊接完畢熄弧瞬間關(guān)閉電磁鐵，彈簧將儲(chǔ)存的能量釋放，推動(dòng)動(dòng)壓板運(yùn)動(dòng)，并最 終推動(dòng)被焊鋁基復(fù)合材料桿運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)接頭的沖擊頂鍛；直至將結(jié)合部位被熔化的焊縫 金屬及部分增強(qiáng)相擠出，獲得均勻的與母材相同的焊接接頭；
步驟6、焊接結(jié)束后繼續(xù)由通氣孔17通保護(hù)氣2-3分鐘，直到完全冷卻至室溫后，卸下 被焊工件，完成整個(gè)焊接過(guò)程。具體而言，等離子焊接系統(tǒng)作為施焊熱源3，它通過(guò)支架垂直固定在被焊桿狀鋁基 復(fù)合材料5接頭的上方，等離子熱源3的電極與被焊復(fù)合材料棒接頭的垂直距離視具體焊 接工藝規(guī)范而定；對(duì)接焊接時(shí)，應(yīng)保證兩根被焊鋁基復(fù)合材料棒5的準(zhǔn)確同軸對(duì)緊，電磁鐵 1啟動(dòng)吸合條件下，彈簧13被預(yù)壓緊，但鋁基復(fù)合材料5之間并無(wú)預(yù)緊力，可進(jìn)行正常焊接。 通過(guò)調(diào)整彈簧的彈力及電磁鐵的提升高度來(lái)調(diào)節(jié)頂鍛力及頂鍛距離。通氣孔17與惰性氣 體相接，工作時(shí)，保護(hù)氣體通過(guò)通氣孔17噴出，同時(shí)焊矩3內(nèi)也有保護(hù)氣體噴出，局部排開(kāi) 焊接部位空氣，起到對(duì)焊接接頭的聯(lián)合保護(hù)作用。下面結(jié)合附圖，以常用直徑為6mmAl203P/Al復(fù)合材料棒料焊接為例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn) 一步詳細(xì)描述。選用美國(guó)產(chǎn)的具有高能束流的WC-100B “飛馬特”逆變等離子弧電源。實(shí)施時(shí)，啟 動(dòng)電磁鐵1，動(dòng)鐵心6提升，通過(guò)連桿7帶動(dòng)動(dòng)壓板2產(chǎn)生位移；將兩根6mm鋁基復(fù)合材料 桿5分別放入導(dǎo)向槽16及第一導(dǎo)向孔8及第二導(dǎo)向孔18中，然后采用靜壓板4將鋁基復(fù) 合材料棒壓緊固定，調(diào)整鋁基復(fù)合材料棒5使兩根棒對(duì)緊，用螺絲孔11中的螺絲將桿緊固。 焊接時(shí)，預(yù)先使通氣孔17中通氣對(duì)鋁基復(fù)合材料進(jìn)行保護(hù)，啟動(dòng)焊機(jī)，使焊矩3產(chǎn)生等離 子弧，對(duì)對(duì)接鋁基復(fù)合材料棒5接縫進(jìn)行焊接，焊接電流為150A，焊接時(shí)間2. 2S，彈簧力為1. 47N。熄弧的同時(shí)使電磁鐵1斷電，電磁吸力消失，彈簧13儲(chǔ)存的彈力得到釋放，對(duì)焊縫 進(jìn)行頂鍛。結(jié)合部位熔化的金屬及部分增強(qiáng)顆粒被擠出，獲得高質(zhì)量的焊接接頭。焊接后 繼續(xù)通保護(hù)氣，對(duì)焊縫進(jìn)行延時(shí)保護(hù)。該方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)焊縫的瞬時(shí)沖擊頂鍛，擠出燒損的增 強(qiáng)顆粒，具有質(zhì)量可靠，內(nèi)部無(wú)雜質(zhì)、外觀(guān)成形良好等優(yōu)點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.一種鋁基復(fù)合材料頂鍛等離子弧焊夾具，其特征在于，包括電磁鐵[1]、動(dòng)壓板[2]、 靜壓板[4]、電磁鐵的動(dòng)鐵心[6]、連桿[7]、后擋板[9]、底座[10]、擋板[12]、彈簧[13]、前 擋板[14]；底座[10]上設(shè)置后擋板[9]，后擋板[9]上固連電磁鐵[1]，電磁鐵[1]的前方設(shè)置動(dòng) 壓板[2]，所述電磁鐵[1]通過(guò)電磁鐵的動(dòng)鐵心W]、連桿[7]與動(dòng)壓板[2]相連，推動(dòng)動(dòng)壓 板[2]移動(dòng)，動(dòng)壓板[2]的兩側(cè)設(shè)置固連于底座[10]上的擋板[12]，該擋板[12]對(duì)動(dòng)壓板 [2]橫向限位，動(dòng)壓板[2]的前方設(shè)置固連于底座[10]上的前擋板[14]，底座[10]上開(kāi)有 凹槽[15]，該凹槽[15]位于前擋板[14]的前方，凹槽[15]的中心開(kāi)有通氣孔[17]；動(dòng)壓 板[2]上開(kāi)有第一導(dǎo)向孔[8]，后擋板[9]上開(kāi)有第二導(dǎo)向孔[18]，第一導(dǎo)向孔[8]與第二 導(dǎo)向孔[18]同軸設(shè)置；動(dòng)壓板[2]與后擋板[9]之間設(shè)置彈簧[13]，動(dòng)壓板[2]的上方開(kāi) 有螺絲孔[11]，該螺絲孔與第一導(dǎo)向孔[8]連通；底座[10]上還開(kāi)有導(dǎo)向槽[16]，該導(dǎo)向 槽與后擋板[9]分別位于凹槽[15]的兩側(cè)，導(dǎo)向槽[16]與第一導(dǎo)向孔[8]同軸設(shè)置；導(dǎo)向 槽[16]的上方設(shè)置固定鋁基復(fù)合材料桿的靜壓板W]。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁基復(fù)合材料頂鍛等離子弧焊夾具，其特征在于，彈簧[13] 的數(shù)量為兩個(gè)，該兩個(gè)彈簧位于第一導(dǎo)向孔[8]的兩側(cè)。
3.一種基于權(quán)利要求1所述鋁基復(fù)合材料頂鍛等離子弧焊夾具的弧焊方法，其特征在 于，包括以下步驟步驟1、啟動(dòng)電磁鐵，使動(dòng)壓板[2]向后移動(dòng)，對(duì)彈簧[13]進(jìn)行預(yù)壓縮； 步驟2、將清理后的兩個(gè)被焊鋁基復(fù)合材料桿裝入工裝夾具，其中一個(gè)桿裝入導(dǎo)向槽 [16]上，另外一個(gè)桿裝入動(dòng)壓板[2]的第一導(dǎo)向孔[8]中，該桿的一端位于第二導(dǎo)向孔 [18]中，兩個(gè)被焊鋁基復(fù)合材料桿相互對(duì)緊并用螺絲將位于第一導(dǎo)向孔[8]中的桿子固定 在動(dòng)壓板[2]上；步驟3、將熔化焊接熱源垂直固定在被焊鋁基復(fù)合材料接頭上方； 步驟4、打開(kāi)焊機(jī)電源，使焊機(jī)產(chǎn)生出的高能密度束流的熱源對(duì)準(zhǔn)接頭位置施焊，使之 熔化，在焊接過(guò)程中，同時(shí)由工裝夾具的通氣孔[17]在下部向施焊部位通惰性保護(hù)氣體， 與焊矩中的惰性氣體聯(lián)合進(jìn)行保護(hù)；步驟5、焊接完畢熄弧瞬間關(guān)閉電磁鐵，彈簧將儲(chǔ)存的能量釋放，推動(dòng)動(dòng)壓板運(yùn)動(dòng)，并最 終推動(dòng)被焊鋁基復(fù)合材料桿運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)接頭的沖擊頂鍛；步驟6、焊接結(jié)束后繼續(xù)由通氣孔[17]通保護(hù)氣2-3分鐘，直到完全冷卻至室溫后，卸 下被焊工件，完成整個(gè)焊接過(guò)程。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種鋁基復(fù)合材料棒熔化連接技術(shù),特別是一種鋁基復(fù)合材料頂鍛等離子弧焊工藝方法。本發(fā)明采用具有電弧能量集中、挺直并電弧穿透力強(qiáng)的高能密度束流作為施焊熱源，使得整個(gè)連接時(shí)間縮短、受熱面積減小，并且最大程度的減少了熱輸入，有效地改善了焊縫組織惡化問(wèn)題；采用的專(zhuān)用工裝夾具，可以在鋁基復(fù)合材料結(jié)合處被熔化后，利用預(yù)緊力將被熔化的焊縫金屬擠出，保證被燒損的增強(qiáng)相被擠出，凈化了接頭，保持了焊接接頭的晶粒與母材接近和無(wú)新相產(chǎn)生，被焊接頭的焊縫飽滿(mǎn)，獲得基本由均勻的母材組成的接頭，最大程度的保證了焊接后材料的拉伸強(qiáng)度。
文檔編號(hào)B23K10/02GK102069282SQ20101060728
公開(kāi)日2011年5月25日 申請(qǐng)日期2010年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月27日
發(fā)明者張德庫(kù), 張文軍, 徐越蘭, 王克鴻, 黃 俊 申請(qǐng)人:南京理工大學(xué)