一种基于脉冲协调控制的钛/钢异种金属等离子分流熔化极电弧钎焊装置及方法与流程

本发明涉及异种金属电弧焊接及钎焊技术领域，具体涉及一种基于脉冲协调控制的钛/钢异种金属等离子分流熔化极电弧钎焊装置及方法。

背景技术：

钛具有较高的比强度和较高的比刚性，以及具有较好的耐热性以承受高温，较好的耐腐蚀性，被广泛应用于舰艇、航空、航天、石油化工等领域。但是钛合金的成本高，加工性能差，限制了其在工业领域的进一步推广应用。钢是工业生产中应用最广泛的金属材料，具有成本低、机械强度高、韧性好、加工性能优良等优势。出于减轻重量、降低成本以及特殊使用性能考虑，使钛和钢“物尽其用”，优势互补，达到材料使用性能和经济效益的平衡，因而钛/钢复合结构在工业领域具有巨大的应用潜力。但是，由于钛和钢在热物理化学性能方面的巨大差异，使二者之间的焊接一直存在着很大的困难，极大限制了进一步生产应用。

专利号cn101664852a提出了一种钛和钛钢复合板焊接方法，对于钛材与钢板的焊接采用了99.95％银丝的钎焊方式，热源采用氩弧焊电弧。通过该种方法可以实现钛和钢在大气环境下的焊接，焊后的焊接接头能承受1mpa气压，但是仍然存在局限性：99.95％的银丝钎料能够造成巨额的焊接成本，不利于生产实际的经济性要求；氩弧焊电弧焊接工艺产生的热影响区较大，焊后会产生较为严重的变形问题；只采用焊接过程中的熔池保护，焊后钛及钎焊缝在冷却过程中易出现氧化、氮化问题。

针对以上对于钛/钢异种金属焊接方法的局限性，本发明提出了一种基于脉冲协调控制的钛/钢异种金属等离子分流熔化极电弧钎焊装置及方法。同时采用硅青铜为钎料，硅的添加可提高铜基钎料在工件上的润湿性，从而避免因采用银基钎料而产生的高额成本。等离子分流熔化极电弧钎焊具有等离子分流的热输入低、电弧能量密度高、钎料熔化效率高、焊接过程稳定等优势，既能实现对填充钎料的高效加热，又能保证稳定地钎接过程和良好的焊缝质量。同时，利用主、旁路脉冲协调控制方法可进一步降低工件的热输入，即在主路电流为基值时，分流电流也为基值，可保证焊接过程中耦合电弧的稳定性；当主路电流为峰值时，分流电流亦为峰值，可确保焊接时较低的工件热输入，实现稳定、可靠的钛/钢异种金属钎焊过程。由于主、旁路电弧采用脉冲协调控制方法，既可很好地控制焊接过程中的热输入，又能够有效地控制焊接过程中的熔滴过渡方式，可改善焊缝成形，获得高质量的钛/钢钎焊接头。此外，采用后拖的保护气罩方式，可防止钎焊时钛合金及钎料的氧化、氮化，进一步提高钎焊缝质量。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于脉冲协调控制的钛/钢异种金属等离子分流熔化极电弧钎焊装置及方法。

一种基于脉冲协调控制的钛/钢异种金属等离子分流熔化极电弧钎焊装置，由主路电源1、后拖保护气罩2、水冷铜套3、绝缘瓷套4、导电嘴5、送丝机构6、钎料焊丝7、分流电源8、等离子喷嘴9、保护气罩10、钛板11、钢板12、脉冲信号处理器13、信号控制器14、脉冲协调控制系统15、电流传感器19、等离子分流熔化极焊枪21组成；焊接过程中，主路电源1正极接钎料焊丝7，负极接工件；分流电源8正极接钎料焊丝7，负极接水冷铜套3，通过等离子弧16与等离子喷嘴8相连后形成分流回路；焊接过程中mig电弧18与等离子电弧16耦合成复合电弧17；脉冲协调控制系统15包含脉冲信号处理器13与信号控制器14，脉冲信号处理器13检测电流传感器19的主路电流脉冲信号，当检测到主路电流处于脉冲基值时，触发脉冲信号控制器14调节旁路电流为脉冲基值，可保证焊接过程中耦合电弧的稳定性；当检测到主路电流脉冲处于峰值时，触发脉冲信号控制器14调整旁路电流脉冲处于峰值，可确保焊接时较低的工件热输入；焊接过程中，后拖保护气罩2用来保护钎焊缝20，避免钎焊缝20的氧化与氮化现象；

一种基于脉冲协调控制的钛/钢异种金属等离子分流熔化极电弧钎焊方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤一：为有效地促进铜钎料焊丝7在钛板11和钢板12上的润湿性，将工件的待焊部位加工成v形或y形坡口，用砂纸和丙酮对坡口表面及两侧分别进行打磨和清洗，除去工件表面的油污和氧化膜；

步骤二：焊接前，将钛板11和钢板12放在焊接工作台上，钛板11与钢板12之间留有0.5-5mm间隙，根据要求在工件背面安装成形槽，调节等离子分流熔化极焊枪21的位置，保持焊枪轴线与工件处于垂直状态，等离子喷嘴9距工件高度5-15mm；

步骤三：焊接时，将主/旁脉冲频率设为一致，当主路电流处于脉冲基值时，触发脉冲信号控制器14调节旁路电流脉冲为基值维弧，当主路电流为脉冲峰值时，旁路电流也为脉冲峰值；

步骤四：根据实际情况设定焊接工艺参数，主路峰值电流100-500a、主路基值电流10-100a、旁路基值电流5-50a、分流峰值电流50-300a、脉冲频率2-500hz、钛板与钢板间隙0.5-5mm、焊接速度30-300cm/min、等离子喷嘴高度5-15mm、等离子气流量为0.5-2.0l/min，保护气流量10-25l/min；

步骤五：焊接后，隔一段时间后关闭后拖保护气体，保证钎焊缝在冷却过程中得以充分保护，获得成形美观、稳定可靠的焊缝成形。

本发明的有益效果在于：

1、采用等离子分流熔化极电弧钎焊方法，可利用等离子分流的热输入低、等离子弧的收缩特性、钎料熔化效率高、焊接过程稳定等优势，既能实现对填充钎料的高效加热，又能保证稳定地钎接过程和良好的焊缝质量。

2、采用脉冲协调控制方法，即主、旁电流同时为脉冲基值或脉冲峰值，可保证复合电弧的稳定性，有效地控制焊接过程中的熔滴过渡方式，确保焊接时工件处于较低的热输入状态，可改善焊缝成形，获得高质量的钛/钢钎焊接头。

3、在焊接过程中在焊枪后方夹持一个后拖保护气罩，可避免焊后冷却过程中金属的氧化与氮化，改善焊缝成形，提高接头的力学性能。

4、焊接过程中工件与电源负极相连，电弧的阴极清理作用可以清理钛合金表面的氧化膜，同时，等离子弧与熔化极复合电弧的耦合特性可以细化焊缝晶粒，进一步提高焊缝质量。

5、该方法操作简单、方便，不需要特殊的真空环境，在大气条件下就可以实现钛/钢异种金属的电弧钎焊，可获得成形美观，高质量的钛/钢钎焊接头。

6、该工艺方法适应性强，不仅适用于钛/钢异种金属的钎焊，经过简单调整也适用于钛/铝、钢/铝、镁/铝等异种金属材料的钎焊，是一种低成本、高效优质的电弧钎焊方法。

附图说明

图1为一种基于脉冲协调控制的钛/钢对接接头等离子分流熔化极电弧钎焊装置的示意图；

图2为主、旁路脉冲电流协调方式的示意图；

图3为钛/钢对接接头宏观形貌；

图4为钛/钢搭接接头宏观形貌。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

实施例1：

针对钛/钢焊接时易形成脆性金属间化合物、接头性能差、成本高、设备复杂、稳定性差等问题，提出了一种基于脉冲协调控制的钛/钢异种金属等离子分流熔化极电弧钎焊装置及方法。

本发明是基于脉冲协调控制的钛/钢异种金属等离子分流熔化极电弧钎焊方法，该方法包含了主焊接电源、分流电源、脉冲协调控制器、后拖保护气罩、一把等离子分流熔化极焊枪、送丝机构、电流传感器等组成。焊接过程中，采用脉冲协调控制的方法,即在主路电流为基值时，分流电流也为基值，可保证焊接过程中耦合电弧的稳定性；当主路电流为峰值时，分流电流亦为峰值，可确保焊接时较低的工件热输入，实现稳定、可靠的焊接过程。焊接过程中利用后拖保护气罩保护钎焊缝，防止钎焊缝高温冷却过程中的氧化、氮化等问题。利用上述装置实施的焊接方法的步骤如下：

步骤1：将钛板和钢板的待焊部位加工成v形或y形坡口，使用砂纸和丙酮对工件表面及两侧分别进行打磨和清洗擦拭，除去工件表面的油污和氧化膜。

步骤2：焊接前，检查线路连接方式是否正确，保护气及电源的开关状态，将需要焊接的钛/钢构件放在工作台上，并调整好钛和钢的位置间隙，调整好等离子分流熔化极焊枪的位置，保持焊枪轴线与工件处于垂直状态。

步骤3：焊接过程中，采用脉冲协调控制的方法,即在主路电流处于脉冲基值维弧时，触发脉冲信号控制器，使分流电流为脉冲基值；当主路电流为脉冲峰值时，分流电流也为脉冲峰值。

步骤4：根据实际情况设定焊接工艺参数，主路峰值电流100-500a、主路基值电流10-100a、旁路基值电流5-50a、旁路峰值电流50-300a、脉冲频率2-500hz、焊接速度30-300cm/min、等离子喷嘴高度5-15mm、等离子气流量为0.5-2.0l/min，保护气流量10-25l/min。

实施例2：

结合图1，它是基于脉冲协调控制的钛/钢对接接头等离子分流熔化极电弧钎焊的实施方式，本实施方式由主路电源1、后拖保护气罩2、水冷铜套3、绝缘瓷套4、导电嘴5、送丝机构6、钎料焊丝7、分流电源8、等离子喷嘴9、保护气罩10、钛板11、钢板12、脉冲信号处理器13、信号控制器14、脉冲协调控制系统15、电流传感器19、等离子分流熔化极焊枪21等组成。焊接过程中，主路电源1正极接钎料焊丝7，负极接工件；分流电源8正极接钎料焊丝7，负极接水冷铜套3，通过等离子弧16与等离子喷嘴8相连后形成分流回路；焊接过程中mig电弧18与等离子电弧16耦合成复合电弧17；脉冲协调控制系统15是脉冲协调控制的重要部分，脉冲信号处理器13检测电流传感器19的主路电流脉冲信号，当检测到主路电流处于脉冲基值时，触发脉冲信号控制器14调节旁路电流为脉冲基值，可保证焊接过程中耦合电弧的稳定性，当检测到主路电流脉冲处于峰值时，触发脉冲信号控制器14调整旁路电流脉冲处于峰值，可确保焊接时较低的工件热输入，实现稳定、可靠的钛/钢异种金属钎焊过程；焊接过程中，后拖保护气罩2用来保护钎焊缝20，避免钎焊缝20的氧化与氮化现象。

基于本实施方式的脉冲协调控制等离子分流熔化极电弧钎焊焊接钛/钢对接接头的焊接方法步骤如下：

步骤1：为有效地促进铜钎料焊丝7在钛板11和钢板12上的润湿性，将工件的待焊部位加工成v形或y形坡口，用砂纸和丙酮对坡口表面及两侧分别进行打磨和清洗，除去工件表面的油污和氧化膜。

步骤2：焊接前，将钛板11和钢板12放在焊接工作台上，钛板11与钢板12之间留有0.5-5mm间隙，根据要求在工件背面安装成形槽，调节等离子分流熔化极焊枪21的位置，保持焊枪轴线与工件处于垂直状态，等离子喷嘴9距工件高度5-15mm。

步骤3：焊接时，将主/旁脉冲频率设为一致，当主路电流处于脉冲基值时，触发脉冲信号控制器14调节旁路电流脉冲为基值维弧，当主路电流为脉冲峰值时，旁路电流也为脉冲峰值，主、旁脉冲电流协调方式的示意图如图3所示。

步骤4：根据实际情况设定焊接工艺参数，主路峰值电流100-500a、主路基值电流10-100a、旁路基值电流5-50a、分流峰值电流50-300a、脉冲频率2-500hz、钛板与钢板间隙0.5-5mm、焊接速度30-300cm/min、等离子喷嘴高度5-15mm、等离子气流量为0.5-2.0l/min，保护气流量10-25l/min。

步骤5：焊接后，隔一段时间后关闭后拖保护气体，保证钎焊缝在冷却过程中得以充分保护，获得成形美观、稳定可靠的焊缝成形。

实施例3：

结合图2，它是基于脉冲协调控制的钛/钢搭接接头等离子分流熔化极电弧钎焊的实施方式，本实施方式由主路电源1、后拖保护气罩2、水冷铜套3、绝缘瓷套4、导电嘴5、送丝机构6、钎料焊丝7、分流电源8、等离子喷嘴9、保护气罩10、钛板11、钢板12、脉冲信号处理器13、信号控制器14、脉冲协调控制系统15、电流传感器19、等离子分流熔化极焊枪21等组成。焊接过程中，主路电源1正极接钎料焊丝7，负极接工件；分流电源8正极接钎料焊丝7，负极接水冷铜套3，通过等离子弧16与等离子喷嘴8相连后形成分流回路；焊接过程中主电弧18与等离子电弧16耦合成复合电弧17；脉冲协调控制系统15是脉冲协调控制的重要部分，脉冲信号处理器13检测电流传感器19的主路电流脉冲信号，当检测到主路电流处于脉冲基值时，触发脉冲信号控制器14调节旁路电流为脉冲基值，可保证焊接过程中耦合电弧的稳定性，当检测到主路电流脉冲处于峰值时，触发脉冲信号控制器14调整旁路电流脉冲处于峰值，可确保焊接时较低的工件热输入，实现稳定、可靠的钛/钢异种金属钎焊过程；焊接过程中，后拖保护气罩2用来保护钎焊缝20，避免钎焊缝20的氧化与氮化现象。

基于本实施方式的脉冲协调控制等离子分流熔化极电弧钎焊焊接钛/钢搭接接头的焊接方法步骤如下：

步骤1：为有效地促进铜钎料焊丝7在钛板11和钢板12上的润湿性，用砂纸和丙酮对工件的待焊部位进行打磨和清洗，除去工件表面的油污和氧化膜。

步骤2：焊接前，将钛板11和钢板12放在焊接工作台上，钛板11在上，钢板12在下，根据需要选择合适的搭接宽度，调节等离子分流熔化极焊枪21的位置，保持焊枪轴线与工件处于垂直状态，等离子喷嘴9距工件高度5-15mm。

步骤3：焊接时，将主/旁脉冲频率设为一致，当主路电流处于脉冲基值时，触发脉冲信号控制器14调节旁路电流脉冲为基值维弧，当主路电流为脉冲峰值时，旁路电流也为脉冲峰值，主、旁脉冲电流协调方式的示意图如图3所示。

步骤4：根据实际情况设定焊接工艺参数，主路峰值电流100-500a、主路基值电流10-100a、旁路基值电流5-50a、分流峰值电流50-300a、脉冲频率2-500hz、钛板在上钢板在下、焊接速度30-300cm/min、等离子喷嘴高度5-15mm、等离子气流量为0.5-2.0l/min，保护气流量10-25l/min。

步骤5：焊接后，隔一段时间后关闭后拖保护气体，保证钎焊缝在冷却过程中得以充分保护，获得成形美观、稳定可靠的焊缝成形。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。