专利名称:钛合金真空空心阴极小孔型穿透电弧焊接方法
技术领域：
本发明属于焊接领域，尤其是一种用于钛合金的电弧焊接方法。
背景技术：
钛合金容器类产品，一般采用电子束或氩弧焊焊接工艺进行焊接生产。
由于电子束属于高能束焊接，其产热机理决定了钛合金焊接时焊缝背面存在飞溅“多余物”，附着在容器内壁表面上，难以清理。焊接工作者采取电子束散焦等工艺方法努力减少飞溅，但由于飞溅的产生是电子束焊产热机理上的问题，所以，虽可以改善，但仍难以彻底消除。
而采用钨极氩弧焊焊接钛合金容器类产品，则由于钛合金熔点高，流动性好，导热系数小等原因，易于产生“烧穿”缺陷，所以必须采用短弧焊接，焊接操作难度较大。且由于钛合金焊接时保护要求很高，处于高温的近缝区金属极易发生氧化、吸氢和吸氮，而且热影响区过热使得晶粒长大，从而造成接头力学性能下降。
空心阴极焊接机理是采用一个管状阴极焊枪，在真空条件下，通入少量氩气作为电离介质。当从阴极逸出的电子受到空间电场的作用渐渐被加速后，同气体的原子发生碰撞，使这些气体原子激发和电离。新产生的阳粒子再轰击阴极，如此互为因果，互相促进，使阴极表面温度上升，从而可以发射出高电流密度的热电子，维持电弧的自持放电。从而形成焊接所需的电弧，熔化工件实现连接。
前苏联对空心阴极焊接技术的研究始于1969年，最初的研究工作是由包曼工学院焊接教研室开展的。七十年代后期进行了空心阴极电弧放电特性、焊接规范及工艺性的全面研究。八十年代初期在原苏联推广应用，替代电子束焊用于钛合金容器类产品的焊接生产。在此之后，改进空心阴极枪结构，提高空心阴极寿命和电弧放电机理等方面的研究工作仍在进行中。但是前苏联所研究的焊接工艺为常规熔透型工艺，即焊缝较宽，接近于氩弧焊焊缝成形，焊接工艺裕度较小。国内外尚无钛合金空心阴极穿透电弧焊接工艺技术。
发明内容为了避免上述不足，本发明的目的在于提供一种钛合金真空空心阴极小孔型穿透电弧焊接方法，不仅提高焊接接头综合力学性能，提高焊接工艺裕度，而且可满足钛合金容器类产品焊接工程应用的需要，实现单面焊双面成形，避免电子束焊接钛合金时引起的焊接飞溅“多余物”问题，又可避免氩弧焊时热影响区过热和不易保护问题。
本发明所用的焊枪是管状凹形膜片阴极焊枪(专利号ZL98249088.7)和米勒焊接电源，在真空条件下，通入少量气体作为电离介质。当从阴极逸出的电子受到空间电场的作用渐渐被加速后，同气体的原子发生碰撞，使这些气体原子激发和电离。新产生的阳粒子再轰击阴极，如此互为因果，互相促进，使阴极表面温度上升，从而可以发射出高电流密度的热电子，维持电弧的自持放电。从而形成焊接所需的电弧，熔化工件实现连接。
当焊接参数符合一定的条件时，在钛合金焊接过程中，焊接熔池中央始终存在一个穿透型小孔，电弧贯穿整个焊接板厚，背面可见电弧柱，收弧时在焊接过程中衰减电流，小孔逐渐闭合，最后完全消失。
实现钛合金空心阴极小孔型穿透电弧焊接方法必要的条件如下(1)建立真空环境的焊接室，室内气压小于5×10-2Pa；(2)焊枪的管状阴极中通入(5～50)ml/min气体；(3)采用一组匹配的直流脉冲焊接工艺参数，基值电流与峰值电流比值为0.5～0.8，峰值电流在一个脉冲周期中所占时间(占空比)为10％～50％；脉冲频率为1～10Hz。
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下优点和效果1、本发明形成的焊缝较窄(相当于熔透工艺的60％)，热影响区也减小。焊缝宽度与电子束散焦焊接(为减少焊接飞溅)焊缝宽度相近。焊缝成形尤其是焊缝背面均匀一致，而且焊接工艺裕度较大，即当焊接电流在一定范围内波动，焊缝成形仍能稳定、均匀一致。
2、采用本发明的方法，可大大提高钛合金容器类产品的焊接质量，由于焊接工艺裕度较大，例如在焊接电流波动时焊缝成型仍能稳定、均匀一致，使焊接操作难度大大降低，便于批量生产时保证产品质量的一致性。
具体实施方式空心阴极小孔型穿透电弧焊接方法需要在一定的焊接参数条件下才能建立。
当钛合金厚度为4.5mm，焊接电流为220A时，基值电流与峰值电流比值为0.7，峰值电流在一个脉冲周期中所占时间(占空比)为50％；脉冲频率为4Hz时，可以实现稳定的空心阴极小孔型穿透电弧焊接。
当焊接电流为250A，基值电流与峰值电流比值为0.55，峰值电流在一个脉冲周期中所占时间(占空比)为50％；脉冲频率为4Hz时，可以实现稳定的空心阴极小孔型穿透电弧焊接。
当焊接电流为280A，基值电流与峰值电流比值为0.55，峰值电流在一个脉冲周期中所占时间(占空比)为40％；脉冲频率为4Hz时，可以实现稳定的空心阴极小孔型穿透电弧焊接。
当焊接电流小于220A或大于280A，因焊接热输入量不足或过大，难以实现稳定的空心阴极小孔型穿透电弧焊接。
权利要求
1.一种钛合金真空空心阴极小孔型穿透电弧焊接方法，其特征在于在真空条件下，通入少量气体作为电离介质，当焊接参数符合一定的条件时，在钛合金焊接过程中，焊接熔池中央始终存在一个穿透型小孔，电弧贯穿整个焊接板厚，背面可见电弧柱，收弧时在焊接过程中衰减电流，小孔逐渐闭合，最后完全消失。
2.根据权利要求
1所述的钛合金真空空心阴极小孔型穿透电弧焊接方法，其特征在于建立真空环境的焊接室，室内气压小于5×10-2Pa。
3.根据权利要求
1所述的钛合金真空空心阴极小孔型穿透电弧焊接方法，其特征在于焊枪的管状阴极中通入(5～50)ml/min气体。
4.根据权利要求
1所述的钛合金真空空心阴极小孔型穿透电弧焊接方法，其特征在于基值电流与峰值电流比值为0.5～0.8，峰值电流在一个脉冲周期中所占时间(占空比)为10％～50％；脉冲频率为1～10Hz。
专利摘要
一种钛合金真空空心阴极小孔型穿透电弧焊接方法，是在一定的设备条件和焊接参数条件下实现的，即在钛合金焊接过程中，焊接熔池中央始终存在一个穿透型小孔，电弧贯穿整个焊接板厚，背面可见电弧柱，收弧时衰减电流，小孔逐渐闭合，最后完全消失。本发明的焊接方法可大大提高钛合金容器类产品的焊接质量，焊接工艺裕度较大，便于批量生产时保证产品质量的一致性，填补国内外相关领域的空白。
文档编号B23K9/073GK1990151SQ200510135348
公开日2007年7月4日 申请日期2005年12月30日
发明者刘志华, 赵青 申请人:航天材料及工艺研究所导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan