本發(fā)明涉及一種真空/保護(hù)氣氛下組合熱源焊接方法及其裝置，屬于焊接
技術(shù)領(lǐng)域：
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背景技術(shù)：
：隨著航空航天工業(yè)的發(fā)展，對(duì)高溫結(jié)構(gòu)材料的性能要求也越來(lái)越高，不僅要求耐高溫和抗氧化而且要求很高的比強(qiáng)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(qiáng)度、抗蠕變、抗氧化和阻燃性能而被公認(rèn)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(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前國(guó)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(kuò)散焊、摩擦焊等。雖然通常認(rèn)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(duì)于復(fù)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(fù)合材料室溫塑性低，變形能力差，使其采用熔焊工藝進(jìn)行連接時(shí)，焊縫極易形成冷裂紋，從而成為該類材料工程化應(yīng)用的難點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外關(guān)于TiAl金屬基復(fù)合材料的熔焊工藝連接方面開展的研究較少，主要通過(guò)焊前電子束掃描或者激光掃描的方法預(yù)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(yīng)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(wèn)題不能完全避免。然而，目前還沒(méi)有相應(yīng)的焊接方法和設(shè)備在真空或者惰性氣氛環(huán)境下來(lái)精確控制焊前工件的預(yù)熱溫度、預(yù)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(qiáng)化合金比固溶強(qiáng)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(guò)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(guò)程中鋁、鈦含量高的沉淀強(qiáng)化高溫合金和鑄造高溫合金還容易產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)效裂紋。裂紋產(chǎn)生的除了與γ’相體積分?jǐn)?shù)有關(guān)外，焊接熱應(yīng)力是導(dǎo)致裂紋形成的必要條件。目前主要采用低強(qiáng)度的合金焊料、降低焊接熱輸入等措施來(lái)控制裂紋的產(chǎn)生。使用低強(qiáng)度合金焊料時(shí)，焊接接頭強(qiáng)度、持久等室/高溫力學(xué)性能與母材相比下降幅度較大，難以滿足工程化應(yīng)用。當(dāng)采用降低焊接熱輸入方法控制熱裂紋時(shí)存在以下問(wèn)題：熱輸入的大小與焊接熱裂紋的形成關(guān)系難以確定；針對(duì)焊接厚度較大時(shí)，為保證焊接深度，焊接熱輸入不能太小；不是所有鑄造高溫合金都適用。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明正是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題而設(shè)計(jì)提供了一種真空/保護(hù)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(wèn)題和鑄造高溫合金焊接熱裂紋問(wèn)題。本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的：該種真空/保護(hù)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(gè)熱源對(duì)金屬基復(fù)合材料或鑄造高溫合金的兩個(gè)焊件進(jìn)行加熱，兩個(gè)熱源分別為基礎(chǔ)熱源和局部加熱焊接熱源，基礎(chǔ)熱源對(duì)兩個(gè)焊件同時(shí)進(jìn)行加熱，局部加熱焊接熱源對(duì)兩個(gè)焊件之間的待焊面進(jìn)行加熱，該方法的步驟是：步驟一、在真空或惰性氣氛保護(hù)環(huán)境下，使用基礎(chǔ)熱源將兩個(gè)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(duì)兩個(gè)焊件之間的待焊面進(jìn)行焊接，冷卻降溫到基礎(chǔ)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(hù)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(guò)程。針對(duì)室溫低塑性材料TiAl金屬基復(fù)合材料加工的兩個(gè)焊件，使用基礎(chǔ)熱源加熱焊件的溫度為800℃～1200℃；針對(duì)鑄造高溫合金加工的兩個(gè)焊件，使用基礎(chǔ)熱源加熱焊件整體的溫度為600℃～1000℃。針對(duì)室溫低塑性材料TiAl金屬基復(fù)合材料加工的兩個(gè)焊件，形成焊縫后工件在真空或惰性氣氛保護(hù)環(huán)境下的冷卻速度為100～300℃/h；針對(duì)鑄造高溫合金，形成焊縫后工件在真空或惰性氣氛保護(hù)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(hù)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(hù)的真空泵組(2)，在爐體(1)內(nèi)設(shè)置有作為基礎(chǔ)熱源的加熱室(3)，在加熱室(3)內(nèi)設(shè)置有耐高溫的數(shù)控移動(dòng)工作臺(tái)(4)，加熱室(3)包圍著焊件對(duì)焊件進(jìn)行全方位的整體加熱，在加熱室(3)上方向設(shè)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(yùn)動(dòng)，送絲機(jī)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(jī)構(gòu)(6)的導(dǎo)絲管(7)引入加熱室(3)內(nèi)，焊槍(5)的下端與導(dǎo)絲管(7)的末端固定一起以保證絲材能夠準(zhǔn)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(guò)程。有耐高溫的數(shù)控移動(dòng)工作臺(tái)(4)包括X方向移動(dòng)工作臺(tái)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)以滿足直線縫和環(huán)縫的焊接，驅(qū)動(dòng)數(shù)控移動(dòng)工作臺(tái)(4)的電機(jī)、減速機(jī)以及冷端傳動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)構(gòu)采用耐高溫材料制造，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與加熱室(3)外部的冷端傳動(dòng)機(jī)構(gòu)通過(guò)聯(lián)軸器連接，加熱室(3)外部的冷端傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用水冷方式冷卻以保證電機(jī)以及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)能夠連續(xù)正常工作。加熱室(3)采用近似長(zhǎng)方體或其它形狀總成結(jié)構(gòu)，尺寸與爐體(1)尺寸相近，當(dāng)加熱室(3)尺寸較小時(shí)，電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和移動(dòng)工作臺(tái)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(jìn)行Y方向擺動(dòng)以適應(yīng)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(chǔ)熱源的加熱室(3)采用電阻輻射加熱或感應(yīng)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(dá)到10‐1Pa的真空度，或采用旋片泵、羅茨泵和擴(kuò)散泵組合達(dá)到10‐2～10‐3Pa的真空度，焊接時(shí)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(yù)熱熔化焊接的區(qū)別在于：1)本發(fā)明的整體基礎(chǔ)加熱溫度遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)方法的預(yù)熱溫度，整體加熱溫度可以達(dá)到1000℃以上。在此溫度下，普通預(yù)熱焊接存在零件氧化、無(wú)法實(shí)施焊接操作等問(wèn)題；2)預(yù)熱焊接的預(yù)熱加熱一般在主熱源加熱前完成，而本發(fā)明基礎(chǔ)熱源加熱貫穿于焊接前、焊接中和焊接后的整個(gè)過(guò)程，從而可方便控制焊接過(guò)程熱循環(huán)，降低焊接應(yīng)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(hù)氣氛或真空條件的專用設(shè)備中完成。附圖說(shuō)明圖1為采用本發(fā)明方法進(jìn)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(shí)施方式以下將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步地詳述：實(shí)施例1參見(jiàn)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(hù)的真空泵組2，在爐體1內(nèi)設(shè)置有作為基礎(chǔ)熱源的加熱室3，在加熱室3內(nèi)設(shè)置有耐高溫的數(shù)控移動(dòng)工作臺(tái)4，加熱室3包圍著焊件對(duì)焊件進(jìn)行全方位的整體加熱，在加熱室3上方向設(shè)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(yùn)動(dòng)，送絲機(jī)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(jī)構(gòu)6的導(dǎo)絲管7引入加熱室3內(nèi)，焊槍5的下端與導(dǎo)絲管7的末端固定一起以保證絲材能夠準(zhǔn)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(guò)程。有耐高溫的數(shù)控移動(dòng)工作臺(tái)4包括X方向移動(dòng)工作臺(tái)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)以滿足直線縫和環(huán)縫的焊接，驅(qū)動(dòng)數(shù)控移動(dòng)工作臺(tái)4的電機(jī)、減速機(jī)以及冷端傳動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)構(gòu)與加熱室3外部的冷端傳動(dòng)機(jī)構(gòu)通過(guò)聯(lián)軸器連接，加熱室3外部的冷端傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用水冷方式冷卻以保證電機(jī)以及傳動(dòng)機(jī)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(jìn)行Y方向擺動(dòng)以適應(yīng)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(chǔ)熱源的加熱室3采用電阻輻射加熱或感應(yīng)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(jìn)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(duì)接裝夾于工裝中并放置在移動(dòng)工作平臺(tái)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(duì)位置，關(guān)閉爐門后抽真空。采用旋片泵和羅茨泵組合方式，真空度達(dá)到2*10‐1Pa以下時(shí)，停止抽真空。設(shè)定基礎(chǔ)加熱溫度為1000℃，開啟加熱室加熱電源，同時(shí)向爐體內(nèi)充入氬氣或其它惰性氣體，保證在加熱過(guò)程中爐體內(nèi)部壓強(qiáng)小于0.1MPa；當(dāng)爐體內(nèi)部溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，自動(dòng)進(jìn)入保溫狀態(tài)。步驟二在控制系統(tǒng)中編制工作臺(tái)的坐標(biāo)、移動(dòng)速度以及焊接電流。焊接電源種類為電弧，焊槍夾持鎢針。準(zhǔn)備就緒后開啟施焊，焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表1。表1焊接工藝參數(shù)預(yù)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(chǔ)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(guān)閉基礎(chǔ)加熱電源，待爐溫降至100℃一下時(shí)向爐體內(nèi)部充入空氣，取出焊件。檢測(cè)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(wú)裂紋的γ‐TiAl合金焊縫。實(shí)施例2焊接裝置與實(shí)施例1相同，采用該焊接裝置進(jìn)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(duì)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(duì)接裝夾于工裝中并放置在移動(dòng)工作平臺(tái)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(duì)位置，關(guān)閉爐門后抽真空。真空度達(dá)到2*10‐1Pa以下時(shí)，停止抽真空。設(shè)定基礎(chǔ)加熱溫度為700℃，開啟加熱室加熱電源，同時(shí)向爐體內(nèi)充入氬氣或其它惰性氣體，保證在加熱過(guò)程中爐體內(nèi)部壓強(qiáng)小于0.1MPa；當(dāng)爐體內(nèi)部溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，自動(dòng)進(jìn)入保溫狀態(tài)。步驟二在控制系統(tǒng)中編制工作臺(tái)的坐標(biāo)、移動(dòng)速度以及焊接電流。焊接電源種類為電弧，焊槍夾持鎢針。準(zhǔn)備就緒后開啟施焊，焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表2。表2焊接工藝參數(shù)預(yù)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(chǔ)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(guān)閉基礎(chǔ)加熱電源，待爐溫降至100℃一下時(shí)向爐體內(nèi)部充入空氣，取出焊件。檢測(cè)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(wú)液化裂紋的K465合金焊縫。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3