阅读说明：本技术 一种用于低熔点合金的焊接装置及焊接方法和应用 (Welding device and welding method for low-melting-point alloy and application ) 是由 刘洪涛 晁延吉 李培亮 刘聪 周吉学 李涛 赵国辰 刘运腾 吴建华 马百常 于 2019-11-19 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种用于低熔点合金的焊接装置及焊接方法。包括,密闭容器、充气装置、抽真空装置；密闭容器的内部横向设置两个相对的水平挤压夹头,水平挤压夹头的一端与密闭容器的内壁连接,密闭容器的内部竖向设置两个相对的加热装置,加热装置的一端与密闭容器的内壁连接,两个水平挤压夹头、两个加热装置之间形成焊接接头的处理空间；加热装置包括可竖直伸缩装置和加热块,加热块为具有尖端的结构,两个加热块的尖端分别与焊缝相对；充气装置位于密闭容器的外侧,与密闭容器连接,向密闭容器内充入保护气体；抽真空装置位于密闭容器的外侧,与密闭容器连接。镁合金或铝合金的焊接中应用,具有使焊接接头的组织晶粒细小,结构密实的作用,提力学性能。(The invention relates to a welding device and a welding method for low-melting-point alloy. Comprises a closed container, an aerating device and a vacuumizing device; two opposite horizontal extrusion chucks are transversely arranged in the closed container, one end of each horizontal extrusion chuck is connected with the inner wall of the closed container, two opposite heating devices are vertically arranged in the closed container, one end of each heating device is connected with the inner wall of the closed container, and a processing space of a welding joint is formed between the two horizontal extrusion chucks and the two heating devices; the heating device comprises a vertical telescopic device and heating blocks, the heating blocks are of structures with tip ends, and the tip ends of the two heating blocks are respectively opposite to the welding seam; the inflation device is positioned at the outer side of the closed container, is connected with the closed container and is used for filling protective gas into the closed container; the vacuumizing device is positioned on the outer side of the closed container and is connected with the closed container. The application in the welding of the magnesium alloy or the aluminum alloy has the effects of enabling the structure grains of a welding joint to be fine and enabling the structure to be compact and improving the mechanical property.)

一种用于低熔点合金的焊接装置及焊接方法和应用

技术领域

本发明属于焊接技术领域，具体涉及一种用于低熔点合金的焊接装置及焊接方法和应用。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

除钢铁材料之外，铝合金是工业生产中应用中最广泛的一种合金，具有密度低、机械轻度高，耐蚀性强等一系列优点，在汽车制造、船舶制造、航空航天、国防工业及压力容器等领域得到了广泛应用。镁及镁合金则是目前最轻的金属结构材料，具有许多不可替代的性能，如高比强度、高比弹性模量、高阻尼性能，高机加工性能等，被誉为“21世纪绿色工程材料”，在航空、航天、汽车电子等领域应用广泛。

铝合金和镁合金的焊接技术在促进产品轻量化、降低油耗、减轻环境压力等方面是不可或缺的重要一环，是目前国家重点发展的基础技术，也是各国材料工作者研究的重点领域。

铝合金和镁合金的热导率约为钢铁材料的2～3倍，熔化焊接过程，很容易造成焊缝区域和近焊缝区域金属过热和晶粒粗大。此外，焊接过程还容易形成气孔、缩松等缺陷，微观组织不够密实，造成焊接接头力学性能普遍远低于母材，尤其是变形态组织的母材。因此，大量研究者从减小焊接热输入、减小焊接组织晶粒大小、焊后退火等方式来提高焊接接头的力学性能。上述方法均有一定效果，但效果不甚明显。目前，急需寻求一种新的焊接方法来提升其焊接性能。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种用于低熔点合金的焊接装置及焊接方法和应用。

为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：

第一方面，一种用于低熔点合金的焊接装置，包括，密闭容器、充气装置、抽真空装置；

密闭容器的内部横向设置两个相对的可水平运动的挤压夹头，水平挤压夹头的一端与密闭容器的内壁连接，密闭容器的内部竖向设置两个相对的加热装置，加热装置的一端与密闭容器的内壁连接，两个水平挤压夹头、两个加热装置之间形成焊接接头的处理空间；

加热装置包括可竖直伸缩装置和加热块，加热块位于可竖直伸缩装置的上方，与可竖直伸缩装置的顶部连接，加热块为具有尖端的结构，两个加热块的尖端分别与焊缝相对；

充气装置位于密闭容器的外侧，与密闭容器连接，向密闭容器内充入保护气体；

抽真空装置位于密闭容器的外侧，与密闭容器连接。

本发明提供了一种密闭容器挤压焊接方法，通过加热熔化-高温挤压的方法使焊接接头组织由铸态组织变为挤压态组织，实现改善焊接接头的力学性能的作用，可竖直伸缩装置为一种可根据待焊板材厚度，改变竖直方向伸缩量便于加热块对待焊板材进行加热的装置。

在一些实施例中，两个水平挤压夹头分别连接一个夹块，两个夹块位于两个水平挤压夹头之间。水平挤压头可横向水平运动，夹块为尺寸可调的夹块。

在一些实施例中，加热块为内部设置高频线圈的加热装置；优选的，加热块为锥形的结构，高频线圈位于中轴线上，并与焊缝相对。

在一些实施例中，水平挤压夹头的内部设置位移传感器，夹块的内部设置第一温度传感器；可竖直伸缩装置的内部设置压力传感器，加热块的内部设置第二温度传感器；密闭容器的内部设置气压传感器。

在一些实施例中，密闭容器的外侧设置总控制器；

优选的，水平挤压夹头、可竖直伸缩装置、加热块、位移传感器分别与总控制器连接。

优选的，第一温度传感器、压力传感器、第二温度传感器、气压传感器分别与总控制器连接。

在一些实施例中，充气装置与密闭容器连接的管路上设置压力表和流量计。

第二方面，利用上述的用于低熔点合金的焊接装置的焊接方法，具体步骤为：

将两个待焊板材的焊接接头分别进行预处理，加工处理焊接接头，加工后的焊接接头放入密闭容器，分别利用一个夹块夹住一个待焊板材，使两块板材的焊接接头相对；

对密闭容器抽真空，抽真空后充入保护气；

使加热块的尖端对准焊缝，利用加热块加热焊缝，然后冷却，冷却到第一设定温度后开始挤压保持恒温，当冷却到第二设定温度，水平挤压夹头开始进行水平移动向内挤压板材，移动后保持一段时间，然后停止加热和挤压；

温度降低至一定温度后关闭保护气，卸气压。

预处理的过程为先去除表面氧化层和有机杂质。

在一些实施例中，加工处理焊接接头是使焊接接头成台阶状(或锯齿形状)，增大待焊板材接头的接触面积，并且两个焊接接头的形状相互卡合。通过加工处理，两个焊接接头之间可以相互咬合、扣紧，有利于两个焊接接头相互接触的稳定性。

在一些实施例中，抽真空后的真空度为小于10毫帕。抽真空主要是为了使密闭容器内的空气排出。

在一些实施例中，充入保护气后，密闭容器内的气压力为30～50MPa。充入保护气的作用是防止板材高温氧化。密闭容器内的气压力的作用是利于焊缝组织塑性流动。

在一些实施例中，加热块加热的温度为950-1050℃。带有尖端的加热块具有使焊缝区域快速熔化的作用。

在一些实施例中，第一设定温度为450～570℃，在设定温度下开始进行水平挤压，水平挤压夹头施加的压力为5～9MPa，第二设定温度为400～550℃。优选的，水平挤压夹头的位移速度为0.2～1mm/s，单向的总位移量为3～6mm。优选的，水平挤压夹头保持挤压的时间为30～100min。在加热熔化后，两个焊接接头在一定的压力下，晶粒开始进行结合，然后在材料高温塑性温区对焊接板材进行水平挤压，使焊接接头微观组织由疏松的铸态组织变为结构密实、晶粒尺寸更加细小的挤压态组织，焊接组织形态大幅改善。在一些实施例中，当冷却到50℃以下后关闭保护气，卸气压。当温度冷却到一定温度后，焊接接头的组织稳定后再释放气压。

第三方面，上述一种用于低熔点合金的焊接装置和焊接方法在镁合金或铝合金焊接中的应用。

本发明的有益效果：

本发明提供的一种用于铝/镁低熔点合金的新型焊接装置及方法，可对铝合金和镁合金进行变形-焊接，将焊缝区最终的焊接组织由晶粒粗大、结构疏松的铸态组织，变为组织晶粒细小、结构密实的变形态组织，大幅提高焊接接头的力学性能。同时，焊接过程实现了整条焊缝的一次性焊接，避免了常规熔化焊接过程中，焊接前半段的热输入，对后半段造成影响，保证了整条焊缝焊接质量的一致性和均匀性。

本发明的焊接装置及方法，解决了低熔点合金，在焊接过程中容易形成气孔、缩松，微观组织不够密实等缺陷，避免了焊接接头的力学性能远低于母材的现象。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为焊接装置的结构示意图；

图2为待焊板材台阶状拼装示意图；a为拼装前，b为拼装后；

其中，1、水平挤压夹头，2、位移传感器，3、温度传感器，4、夹块，5、待焊板材，6、加热装置，7、压力传感器，8、高频线圈，9、温度传感器，10、充气装置，11、压力表，12、流量计，13、气压传感器，14、抽真空装置，15、密闭容器，16、总控制器。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

水平挤压夹头是一种水平方向上施加挤压力的装置。

如图1所示，一种用于低熔点合金的焊接装置，包括，密闭容器15、充气装置10、抽真空装置14；

密闭容器15的内部横向设置两个相对的水平挤压夹头1，水平挤压夹头1的一端与密闭容器15的内壁连接，密闭容器15的内部竖向设置两个相对的加热装置6，加热装置6的一端与密闭容器15的内壁连接，两个水平挤压夹头1、两个加热装置6之间形成焊接接头的处理空间；

加热装置6包括可竖直伸缩装置和加热块，加热块为具有尖端的结构，两个加热块的尖端分别与焊缝相对；

充气装置10位于密闭容器15的外侧，与密闭容器15连接，向密闭容器15内充入保护气体；

抽真空装置14位于密闭容器15的外侧，与密闭容器15连接。

两个待焊板材在密闭容器15内，分别被两个水平挤压夹头1夹住并正相对，在纵向上，两个加热块的尖端正对两个待焊板材的焊缝，加热焊缝部位，使其熔化，然后再控制水平挤压夹头夹紧压缩焊接接头，实现焊接，使焊接接头的组织晶粒细小，结构密实，使焊接接头的力学性能提高。

通过挤压夹头的挤压作用使焊缝在熔化后组织变形小的作用，同时焊接接头的上下还受到加热块的压力作用，所以焊接接头的上下左右，都能够组织均匀，结构密实。

两个水平挤压夹头1分别连接一个夹块4，两个夹块4位于两个水平挤压夹头1之间。优选的，夹块4为尺寸可调的夹块4。所述夹块4可以满足固定待焊板材的作用。

加热块为内部设置高频线圈8的加热装置；优选的，加热块为锥形的结构，高频线圈位于中轴线上，并与焊缝相对。加热块设置为带有尖端的结构，作用是使传热点位于与焊缝相对的位置，可以具有使热量集中的作用，也具有避免其它部位温度过高的作用。高频线圈8可以为高频铜线圈。

水平挤压夹头1的内部设置位移传感器2，夹块的内部设置第一温度传感器3；可竖直伸缩装置的内部设置压力传感器7，加热块的内部设置第二温度传感器9；密闭容器15的内部设置气压传感器13。

密闭容器15的外侧设置总控制器16；

优选的，水平挤压夹头1、可竖直伸缩装置、加热块、位移传感器分别与总控制器连接。

优选的，第一温度传感器、压力传感器、第二温度传感器、气压传感器分别与总控制器连接。

总控制器16可以控制可竖直伸缩装置上下纵向移动的速度和位移量，水平挤压夹头的位移速度和位移量，检测加热块对板材的压力，检测加热块的实时温度。

充气装置10与密闭容器15连接的管路上设置压力表11和流量计12。

实施例1

利用本装置对6061铝合金进行焊接：

(1)6061铝合金焊接接头板材厚度均为3mm，尺寸均为110×60mm，先将待焊板材边缘加工成台阶状，再用砂纸去除表面污物，并用丙酮去除表面油脂；

(2)将处理后的6061铝合金板材放入密闭容器内，利用水平挤压夹头，调节夹块尺寸，将待焊板材包覆、夹紧，两块板材相互间咬合、扣紧；

(3)对密闭箱抽真空后，充入一定量的氩气，对6061铝合金板材进行气体保护，防止焊接板材高温氧化；

(4)对伸缩接触式加热块，进行通电高频加热至900℃，再将上下加热块延伸至6061铝合金板材上下表面，完全接触，对6061铝合金板材交界区域进行全尺寸一次快速加热，整条焊缝区域一次性熔化；

(5)当6061铝合金板材经高温加热，整条焊缝区域一次性熔化后，加热块停止加热，温度降至520℃，并对焊接板材施加8MPa的压力。此时，焊缝区域随之冷却，冷却至520℃，两个水平挤压夹头做水平相对运动，位移速度0.7mm/s，位移量4mm，对两块待焊板材向内挤压，并保持70min，之后上下加热块完全停止加热，收缩回退；

(6)6061铝合金板材温度降至50℃以下后，松弛水平挤压夹头的挤压力，关闭保护气体，气压恢复至标准大气压，卸载夹块，取出焊接板材。

(7)对6061铝合金焊接接头及其母材进行拉伸性能测试，焊接接头抗拉强度达到了母材抗拉强度的80.8％，测试结果如表1所示。

实施例2

利用本装置对AZ80镁合金进行焊接：

(1)AZ80镁合金焊接接头板材厚度均为4mm，尺寸均为120×50mm，先将待焊板材边缘加工成台阶状，再用砂纸去除表面污物，并用丙酮去除表面油脂；

(2)将处理后的AZ80镁合金板材放入密闭容器内，利用水平挤压夹头，调节夹块尺寸，将待焊板材包覆、夹紧，两块板材相互间咬合、扣紧；

(3)对密闭箱抽真空后，充入一定量的氩气，对AZ80镁合金板材进行气体保护，防止焊接板材高温氧化；

(4)对伸缩接触式加热块，进行通电高频加热至850℃，再将上下加热块延伸至AZ80镁合金板材上下表面，完全接触，对AZ80镁合金板材交界区域进行全尺寸一次快速加热，整条焊缝区域一次性熔化；

(5)当AZ80镁合金板材经高温加热，整条焊缝区域一次性熔化后，加热块停止加热，温度降至480℃，并对焊接板材施加8MPa的压力。此时，焊缝区域随之冷却，冷却至480℃，两个水平挤压夹头做水平相对运动，位移速度0.6mm/s，位移量3.5mm，对两块待焊板材向内挤压，并保持80min，之后上下加热块完全停止加热，收缩回退；

(6)AZ80镁合金板材温度降至50℃以下后，逐步减小水平挤压夹头的挤压力，松弛夹块，关闭保护气体，气压恢复至标准大气压，取出焊接板材。

(7)对AZ80镁合金焊接接头及其母材进行拉伸性能测试，焊接接头抗拉强度达到了母材抗拉强度的82.2％，测试结果如表1所示。

表1

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。