一种基于电弧超声的钛合金焊接方法 【技术领域】
本发明涉及一种基于电弧超声的钛合金焊接方法，属于钛合金的电弧焊接技术领域。
背景技术
已有技术中，专利号为96203939.X的“一种超声焊接机”，采用的是超声聚焦探头实现对塑料的非耦合焊接，只能对声阻抗大、低熔点的塑料材料进行焊接，而对钛合金等金属材料则无能为力。专利号为02270273.3的“一种提高焊缝疲劳强度超声冲击枪”，采用的是压电陶瓷换能器，利用冲击针对焊缝进行处理，该技术部分消除焊缝区的残余应力，但并不影响焊缝及热影响区的结晶过程和冶金缺陷。
传统的钛合金电弧焊工艺，由于焊接过程中钛合金β相地迅速长大导致焊接接头组织晶粒粗大、性能下降，影响了钛合金焊接结构的推广应用。申请人在专利号为01143444.9的“一种用电弧激发超声波的方法”中，提出对自由电弧进行高频调制可以激发超声波，解决了功率超声导入熔池的难题。该方法的提出为利用功率超声技术改善焊接接头组织性能提供一种新的思路，但是针对不同的焊接材料，电弧超声的激励参数如何选取以使焊接接头组织细化并提高其综合性能，并未作深入的探讨。
【发明内容】
本发明的目的是利用电弧超声技术，提出一种新的钛合金焊接方法——钛合金的电弧超声焊接方法。其原理是在常规钛合金电弧焊接工艺中，利用电弧超声激励源，将电弧不仅作为产热机构，同时作为超声发射机构。发射出的超声波作用于钛合金工件的焊接熔池，影响钛合金的焊接冶炼和结晶过程，改善钛合金焊接接头的组织形态和成分均匀度，在晶粒细化的基础上提高其强度、疲劳等性能。
本发明提出的钛合金的电弧超声焊接方法，包括以下步骤：
(1)根据钛合金弧焊电源的特性，利用激励源输出端的变压器和隔直电容进行电隔离；将电弧超声激励源以并联的方式与常规的弧焊电源相连接，使超声频交变电信号耦合进焊接电弧；
(2)焊机引弧后开通激励源，选择占空比为50％的方波激励，激励频率为20～100KHz，其优选为30KHz、50KHz和80KHz，激励电压为35～70V，其优选为50～70V。通过对焊接电弧的调制实现交变电信号到超声波的能量转换；
(3)按常规电弧焊接工艺对钛合金进行焊接。
电弧超声钛合金焊接同常规钛合金焊接方法相比，有效的改善了钛合金焊缝的结晶，使焊接接头的晶粒得到明显的细化。不同参数的超声激励信号均提高了钛合金焊接接头的拉伸性能和疲劳性能，疲劳寿命提高幅度达100％以上。焊接接头的断口金相观察表明，电弧超声焊接接头的断口的均匀性和韧性明显好于一般钨极氩弧焊(TIG焊)接头。
【附图说明】
图1是本发明方法的试验装置原理图。
图2a是TC4(Ti6Al4V)的常规TIG焊接接头组织的金相图。
图2b、2c是TC4(Ti6Al4V)电弧超声焊接接头组织的金相图。
图3a为常规TIG焊的断口形貌。
图3b电弧超声TIG焊断口的形貌。
图中：1-超声激励源；2-电流采样；3-隔离；4-电压采样；5-数字示波器；
6-传声器；7-焊接电弧；8-声发射传感器；9焊接工件。
【具体实施方式】
图1是本发明方法的试验装置原理图。电弧超声钛合金焊接将焊接电弧不仅作为产热机构，同时作为超声发射机构，进而影响钛合金的焊接冶金过程。电弧超声激励源1可以产生频率在20kHz～500kHz连续可调的超声频交变电信号，且信号的波形和功率均可调。在与焊接电源耦合后，按常规钛合金电弧焊接方法进行焊接，电弧等离子体受到超声频电信号的激励发射超声波，作用于钛合金焊缝熔池，达到改善焊缝组织性能的作用。
本发明提供的电弧超声焊接方法的具体步骤包括：
(1)根据钛合金弧焊电源的特性，利用激励源输出端的变压器和隔直电容进行电隔离；将电弧超声激励源以并联的方式与常规的弧焊电源相连接，使超声频交变电信号耦合进焊接电弧；
(2)焊机引弧后开通激励源，选择占空比为50％的方波激励，激励频率为20～100KHz，激励电压为35～70V；其优选频率为30KHz、50KHz和80KHz，优选电压为50～70V。
(3)按常规电弧焊接工艺对钛合金进行焊接，通过对焊接电弧的调制实现交变电信号到超声波的能量转换，进而影响钛合金的焊接冶炼和结晶过程。
以BT20和TC4这两种典型钛合金为对象，进行了系列电弧超声焊接实验，选择的频率包括20kHz～100kHz，激励电压包括35V～70V。焊接实验结果表明采用该范围内的电弧超声参数的焊接接头的组织晶粒得到明显的细化。
图2a、图2b、图2c分别为常规TIG焊、加入f＝30KHz、U＝35V(f是电弧超声激励频率，U是激励电压)的电弧超声和加入f＝50KHz、U＝50V的电弧超声工艺条件下焊接接头的金相。常规的TIG焊接工艺条件下焊缝组织为粗大的柱状晶，经过电弧超声焊接后，焊缝组织变成了均匀分布的等轴晶。
图3a为常规TIG焊的断口形貌，图3b为加入f＝50KHz、U＝70V的电弧超声的焊接接头断口形貌，可以看出，TC4常规TIG焊宏观断口起伏较大且不均，不同区域放大可见明显的枝晶破坏痕迹，说明在其接头中形成了粗大的树枝晶，而正是这些树枝晶成为焊接接头的薄弱点；而在f＝50kHz，U＝70V的电弧超声TIG焊中，宏观断口破坏起伏均匀，不同区域放大可见均匀的破坏，而且难以看到枝晶破坏的痕迹，断口的均匀性和韧性明显好于一般TIG焊接头。这是由于电弧超声加剧熔池的振动，超声波对熔池具有搅拌作用，同时促进晶核的形成，从而有效抑制晶体组织的长大，促使焊缝区组织的均匀化和晶粒细化。
电弧超声钛合金焊接同常规TIG焊相比，其焊接接头的抗拉强度、屈服强度和延伸率均有不同幅度提高。表1是TC4合金焊接接头拉伸性能比较。表2是BT20的焊接接头的疲劳寿命比较。加入电弧超声之后的焊接接头的寿命提高幅度达到100％以上。
表1：TC4合金焊接接头拉伸性能比较
抗拉强度σb(MPa) 屈服强度σs(Mpa) 延伸率δ(％)
常规TIG接头 956.6 921.1 3.33
电弧超声TIG接头
966.6 947.1 3.50
(f＝30KHz，U＝30V)
电弧超声TIG接头
985.7 969.3 3.67
(f＝50KHz，U＝70V)
表2：BT20的焊接接头的疲劳寿命比较
试样编号 疲劳寿命 N/次 平均寿命N/
次
1 4.0×105
常规TIG接头 2 1.2×105 2.5×105
3 3.0×105
4 1.8×105
1 7.0×105
电弧超声TIG接头 2 4.4×105 5.35×105
(f＝50KHz，U＝50V) 3 5.8×105
4 4.2×105
备注：测试标准GB3075-1982，最大应力σmax＝700MPa，应力比R＝0.4。
在生产实践中可以在不对原焊机进行改动的情况下，直接与焊机电源相并联，利用电弧的负载特性激发电弧超声，实现对传统装备的改造和升级，改善钛合金焊接接头的质量，具有良好的经济效益和广阔的应用前景。