專利名稱：一種鋁基復合材料頂鍛等離子弧焊夾具及弧焊方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種鋁基復合材料熔化焊技術，特別是一種鋁基復合材料頂鍛等離子 弧焊夾具及弧焊方法。
背景技術：
顆粒增強鋁基復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，在航空、航天、汽車等工業(yè)領域具有廣闊的應用前景。鋁基復合材料中由于 增強體的引入，使得其焊接工藝過程變得相當困難，主要原因是增強體與基體鋁合金之間 的物理和化學性能如熔點、導電性、導熱性和線膨脹系數(shù)等存在巨大差異，導致采用普通的 焊接方法焊接時容易出現(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展鋁基復合材料的焊接研究工作，但是，迄今為止，人們還沒有找到 行之有效的焊接方法成功實現(xiàn)此類材料的高質(zhì)量連接，成為鋁基復合材料走向?qū)嵱没钠?頸。熔化焊由于具有應用范圍廣、使用成本低等優(yōu)點，從而在金屬的焊接中得到廣泛 應用。TIG、MIG應用于鋁合金焊接中取得了令人滿意的焊接質(zhì)量，但應用于鋁基復合材料 的焊接結果卻很不理想，主要原因為(1)增強相與基體鋁合金物理性能特別是熔點相差 很大，給熔池溫度控制帶來困難；(2)容易引起基體一增強相間的界面反應，生成脆性化合 物，極大的降低了接頭的性能，而且界面反應生成物在一定環(huán)境下變得極不穩(wěn)定，將進一步 降低接頭的使用性能；(3)大量固態(tài)增強相存在于熔融液態(tài)鋁基體中，使熔池的動力學狀 態(tài)與結晶方式變得復雜，同時導致產(chǎn)生大量夾渣、氣孔、孔穴等缺陷。這嚴重制約著熔焊方 法在鋁基復合材料連接中的應用。專利(公開號101204760)公開了一種用于焊接記憶合金絲的專用夾具及方法，但 該專利不能用于焊接桿狀鋁基復合材料，其原因是該專利的結構彈簧儲存的能量在焊接過 程中隨著合金絲的熔化逐漸釋放，不能產(chǎn)生對接頭沖擊與頂鍛的作用，無法實現(xiàn)對較大直 徑鋁基復合材料桿熔池瞬時擠壓，因為無法獲得優(yōu)質(zhì)的接頭；壓力大小與彈簧張開距離也 不能方便調(diào)節(jié)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所解決的技術問題在于提供一種鋁基復合材料頂鍛等離子弧焊夾具及方 法。實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術解決方案為一種鋁基復合材料頂鍛等離子弧焊夾具，包 括電磁鐵、動壓板、靜壓板、電磁鐵的動鐵心、連桿、后擋板、底座、擋板、彈簧、前擋板；
底座上設置后擋板，后擋板上固連電磁鐵，電磁鐵的前方設置動壓板，所述電磁鐵通過 電磁鐵的動鐵心、連桿與動壓板相連，推動動壓板移動，動壓板的兩側設置固連于底座上的 擋板，該擋板對動壓板橫向限位，動壓板的前方設置固連于底座上的前擋板，底座上開有凹 槽，該凹槽位于前擋板的前方，凹槽的中心開有通氣孔；動壓板上開有第一導向孔，后擋板上開有第二導向孔，第一導向孔與第二導向孔同軸設置；動壓板與后擋板之間設置彈簧，動 壓板的上方開有螺絲孔，該螺絲孔與第一導向孔連通；底座上還開有導向槽，該導向槽與后 擋板分別位于凹槽的兩側，導向槽與第一導向孔同軸設置；導向槽的上方設置固定鋁基復 合材料桿的靜壓板。—種鋁基復合材料頂鍛等離子弧焊方法，包括以下步驟 步驟1、啟動電磁鐵，使動壓板向后移動，對彈簧進行預壓縮；
步驟2、將清理后的兩個被焊鋁基復合材料桿裝入工裝夾具，其中一個桿裝入導向槽 上，另外一個桿裝入動壓板的第一導向孔中，該桿的一端位于第二導向孔中，兩個被焊鋁基 復合材料桿相互對緊并用螺絲將位于第一導向孔中的桿子固定在動壓板上； 步驟3、將熔化焊接熱源垂直固定在被焊鋁基復合材料接頭上方； 步驟4、打開焊機電源，使焊機產(chǎn)生出的高能密度束流的熱源對準接頭位置施焊，使之 熔化，在焊接過程中，同時由工裝夾具的通氣孔在下部向施焊部位通惰性保護氣體，與焊 矩中的惰性氣體聯(lián)合進行保護；
步驟5、焊接完畢熄弧瞬間關閉電磁鐵，彈簧將儲存的能量釋放，推動動壓板運動，并最 終推動被焊鋁基復合材料桿運動，實現(xiàn)對接頭的沖擊頂鍛；
步驟6、焊接結束后繼續(xù)由通氣孔通保護氣2-3分鐘，直到完全冷卻至室溫后，卸下被 焊工件，完成整個焊接過程。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，其顯著優(yōu)點1、采用高能密度束流作為熔化焊接熱源， 使得整個連接時間縮短、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 組織惡化的問題；2、采用的專用工裝夾具，可實現(xiàn)焊接熔池凝固前瞬時沖擊頂鍛，將被熔化 的焊縫金屬及增強相全部擠出，吸取了熔化焊與閃光對焊的突出優(yōu)點，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，過渡圓滑，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度；3、本發(fā)明工藝簡單，用于該工藝的夾具設計合理，使用方便， 可鋁基復合材料棒料的連接技術中；4、本發(fā)明的目的是針對鋁基復合材料熔化焊現(xiàn)有技術 的不足提供一種能保證焊接接頭的80%拉伸強度的頂鍛高能束流焊工藝方法?？蓪崿F(xiàn)6mm 以下棒狀鋁基復合材料的焊接，也可實現(xiàn)棒狀鋁基復合材料與鋁合金棒異種材料之間的焊 接等，實現(xiàn)焊縫無夾雜、孔洞、未熔合等缺陷的優(yōu)質(zhì)焊接接頭。下面結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述。


圖1是頂鍛等離子束鋁基復合材料弧焊方法示意圖。圖2是頂鍛等離子束鋁基復合材料弧焊專用夾具主視圖。圖3是頂鍛等離子束鋁基復合材料弧焊專用夾具俯視圖。圖4是本發(fā)明所述頂鍛等離子束鋁基復合材料弧焊的工藝流程圖。
具體實施例方式結合圖1、圖2、圖3，本發(fā)明的一種鋁基復合材料頂鍛等離子弧焊夾具，包括電磁 鐵1、動壓板2、靜壓板4、電磁鐵的動鐵心6、連桿7、后擋板9、底座10、擋板12、彈簧13、前 擋板14 ；底座10上設置后擋板9，后擋板9上固連電磁鐵1，電磁鐵1的前方設置動壓板2，所述 電磁鐵1通過電磁鐵的動鐵心6、連桿7與動壓板2相連，推動動壓板2移動，動壓板2的兩 側設置固連于底座10上的擋板12，該擋板12對動壓板2橫向限位，動壓板2的前方設置固 連于底座10上的前擋板14，底座10上開有凹槽15，該凹槽15位于前擋板14的前方，凹槽 15的中心開有通氣孔17;動壓板2上開有第一導向孔8，后擋板9上開有第二導向孔18，第 一導向孔8與第二導向孔18同軸設置；動壓板2與后擋板9之間設置彈簧13，動壓板2的 上方開有螺絲孔11，該螺絲孔與第一導向孔8連通；底座10上還開有導向槽16，該導向槽 與后擋板9分別位于凹槽15的兩側，導向槽16與第一導向孔8同軸設置；導向槽16的上 方設置固定鋁基復合材料桿的靜壓板4。彈簧13的數(shù)量為兩個，該兩個彈簧位于第一導向 孔8的兩側。結合圖4，一種鋁基復合材料頂鍛等離子弧焊方法，包括以下步驟 步驟1、啟動電磁鐵，使動壓板2向后移動，對彈簧13進行預壓縮；
步驟2、將清理后的兩個被焊鋁基復合材料桿裝入工裝夾具，其中一個桿裝入導向槽 16上，另外一個桿裝入動壓板2的第一導向孔8中，該桿的一端位于第二導向孔18中，兩個 被焊鋁基復合材料桿相互對緊并用螺絲將位于第一導向孔8中的桿子固定在動壓板2上； 步驟3、將熔化焊接熱源垂直固定在被焊鋁基復合材料接頭上方； 步驟4、打開焊機電源，使焊機產(chǎn)生出的高能密度束流的熱源對準接頭位置施焊，使之 熔化，在焊接過程中，同時由工裝夾具的通氣孔17在下部向施焊部位通惰性保護氣體，與 焊矩中的惰性氣體聯(lián)合進行保護；
步驟5、焊接完畢熄弧瞬間關閉電磁鐵，彈簧將儲存的能量釋放，推動動壓板運動，并最 終推動被焊鋁基復合材料桿運動，實現(xiàn)對接頭的沖擊頂鍛；直至將結合部位被熔化的焊縫 金屬及部分增強相擠出，獲得均勻的與母材相同的焊接接頭；
步驟6、焊接結束后繼續(xù)由通氣孔17通保護氣2-3分鐘，直到完全冷卻至室溫后，卸下 被焊工件，完成整個焊接過程。具體而言，等離子焊接系統(tǒng)作為施焊熱源3，它通過支架垂直固定在被焊桿狀鋁基 復合材料5接頭的上方，等離子熱源3的電極與被焊復合材料棒接頭的垂直距離視具體焊 接工藝規(guī)范而定；對接焊接時，應保證兩根被焊鋁基復合材料棒5的準確同軸對緊，電磁鐵 1啟動吸合條件下，彈簧13被預壓緊，但鋁基復合材料5之間并無預緊力，可進行正常焊接。 通過調(diào)整彈簧的彈力及電磁鐵的提升高度來調(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，保護氣體通過通氣孔17噴出，同時焊矩3內(nèi)也有保護氣體噴出，局部排開 焊接部位空氣，起到對焊接接頭的聯(lián)合保護作用。下面結合附圖，以常用直徑為6mmAl203P/Al復合材料棒料焊接為例，對本發(fā)明作進 一步詳細描述。選用美國產(chǎn)的具有高能束流的WC-100B “飛馬特”逆變等離子弧電源。實施時，啟 動電磁鐵1，動鐵心6提升，通過連桿7帶動動壓板2產(chǎn)生位移；將兩根6mm鋁基復合材料 桿5分別放入導向槽16及第一導向孔8及第二導向孔18中，然后采用靜壓板4將鋁基復 合材料棒壓緊固定，調(diào)整鋁基復合材料棒5使兩根棒對緊，用螺絲孔11中的螺絲將桿緊固。 焊接時，預先使通氣孔17中通氣對鋁基復合材料進行保護，啟動焊機，使焊矩3產(chǎn)生等離 子弧，對對接鋁基復合材料棒5接縫進行焊接，焊接電流為150A，焊接時間2. 2S，彈簧力為1. 47N。熄弧的同時使電磁鐵1斷電，電磁吸力消失，彈簧13儲存的彈力得到釋放，對焊縫 進行頂鍛。結合部位熔化的金屬及部分增強顆粒被擠出，獲得高質(zhì)量的焊接接頭。焊接后 繼續(xù)通保護氣，對焊縫進行延時保護。該方法可實現(xiàn)對焊縫的瞬時沖擊頂鍛，擠出燒損的增 強顆粒，具有質(zhì)量可靠，內(nèi)部無雜質(zhì)、外觀成形良好等優(yōu)點。
權利要求
1.一種鋁基復合材料頂鍛等離子弧焊夾具，其特征在于，包括電磁鐵[1]、動壓板[2]、 靜壓板[4]、電磁鐵的動鐵心[6]、連桿[7]、后擋板[9]、底座[10]、擋板[12]、彈簧[13]、前 擋板[14]；底座[10]上設置后擋板[9]，后擋板[9]上固連電磁鐵[1]，電磁鐵[1]的前方設置動 壓板[2]，所述電磁鐵[1]通過電磁鐵的動鐵心W]、連桿[7]與動壓板[2]相連，推動動壓 板[2]移動，動壓板[2]的兩側設置固連于底座[10]上的擋板[12]，該擋板[12]對動壓板 [2]橫向限位，動壓板[2]的前方設置固連于底座[10]上的前擋板[14]，底座[10]上開有 凹槽[15]，該凹槽[15]位于前擋板[14]的前方，凹槽[15]的中心開有通氣孔[17]；動壓 板[2]上開有第一導向孔[8]，后擋板[9]上開有第二導向孔[18]，第一導向孔[8]與第二 導向孔[18]同軸設置；動壓板[2]與后擋板[9]之間設置彈簧[13]，動壓板[2]的上方開 有螺絲孔[11]，該螺絲孔與第一導向孔[8]連通；底座[10]上還開有導向槽[16]，該導向 槽與后擋板[9]分別位于凹槽[15]的兩側，導向槽[16]與第一導向孔[8]同軸設置；導向 槽[16]的上方設置固定鋁基復合材料桿的靜壓板W]。
2.根據(jù)權利要求1所述的鋁基復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，該兩個彈簧位于第一導向孔[8]的兩側。
3.一種基于權利要求1所述鋁基復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、啟動電磁鐵，使動壓板[2]向后移動，對彈簧[13]進行預壓縮； 步驟2、將清理后的兩個被焊鋁基復合材料桿裝入工裝夾具，其中一個桿裝入導向槽 [16]上，另外一個桿裝入動壓板[2]的第一導向孔[8]中，該桿的一端位于第二導向孔 [18]中，兩個被焊鋁基復合材料桿相互對緊并用螺絲將位于第一導向孔[8]中的桿子固定 在動壓板[2]上；步驟3、將熔化焊接熱源垂直固定在被焊鋁基復合材料接頭上方； 步驟4、打開焊機電源，使焊機產(chǎn)生出的高能密度束流的熱源對準接頭位置施焊，使之 熔化，在焊接過程中，同時由工裝夾具的通氣孔[17]在下部向施焊部位通惰性保護氣體， 與焊矩中的惰性氣體聯(lián)合進行保護；步驟5、焊接完畢熄弧瞬間關閉電磁鐵，彈簧將儲存的能量釋放，推動動壓板運動，并最 終推動被焊鋁基復合材料桿運動，實現(xiàn)對接頭的沖擊頂鍛；步驟6、焊接結束后繼續(xù)由通氣孔[17]通保護氣2-3分鐘，直到完全冷卻至室溫后，卸 下被焊工件，完成整個焊接過程。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鋁基復合材料棒熔化連接技術,特別是一種鋁基復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的高能密度束流作為施焊熱源，使得整個連接時間縮短、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題；采用的專用工裝夾具，可以在鋁基復合材料結合處被熔化后，利用預緊力將被熔化的焊縫金屬擠出，保證被燒損的增強相被擠出，凈化了接頭，保持了焊接接頭的晶粒與母材接近和無新相產(chǎn)生，被焊接頭的焊縫飽滿，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度。
文檔編號B23K10/02GK102069282SQ20101060728
公開日2011年5月25日 申請日期2010年12月27日 優(yōu)先權日2010年12月27日
發(fā)明者張德庫, 張文軍, 徐越蘭, 王克鴻, 黃 俊 申請人:南京理工大學