一种有效增强焊接接头质量的装置及方法
阅读说明：本技术 一种有效增强焊接接头质量的装置及方法 (A kind of device and method of effective enhancing quality of weld joint ) 是由 刘洪涛 晁延吉 周吉学 李涛 赵国辰 林涛 刘运腾 吴建华 赵静蕊 马百常 于 2019-08-22 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种有效增强焊接接头质量的装置及方法,包括密闭容器、电动载荷装置、充气装置、抽真空装置、控温装置,电动载荷装置位于密闭容器内,电动载荷装置用于对焊接接头施加由上向下的压力,密闭容器外侧分别与抽真空装置连接、充气装置连接,密闭容器内的侧壁及顶壁设置加热元件,加热元件与密闭容器外的控温装置连接,充气装置向密闭容器内充入保护气体。焊接接头通过在密闭容器恒压力-恒高温处理,大幅消减焊接接头残余应力,减少应力腐蚀开裂,愈合焊接接头气孔、空隙等微观组织缺陷,增强组织致密性,提高其机械性能。(The present invention relates to a kind of device and methods of effectively enhancing quality of weld joint; including closed container, electronic load device, air charging system, vacuum evacuation device, temperature regulating device; electronic load device is located in closed container; electronic load device applies pressure from top to bottom for Welded Joints; it is connect respectively with vacuum evacuation device on the outside of closed container, air charging system connection; heating element is arranged in side wall and roof in closed container; heating element is connect with the temperature regulating device outside closed container, and air charging system is filled with protective gas into closed container.Welding point reduces stress corrosion cracking, the microstructures defects such as healing welding point stomata, gap enhance dense structure's property, improve its mechanical performance by substantially cutting down welding point residual stress in closed container constant pressure-constant high temperature processing.)
技术领域
本发明属于焊接技术领域，具体涉及一种有效增强焊接接头质量的装置及方法。
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。
能源短缺和环境污染是当今世界的突出问题，减轻自身重量成为汽车、航空航天等领域减少环境污染和节约能源的有效方法。据统计汽车质量每降低100千克，油耗就可减少0.7升。在航空航天器中，结构件重量的降低带来燃油费用的减少，则是汽车工业的100倍。铝合金和镁合金是目前最轻的金属结构材料，具有密度小、比强度高、易于成形等优点，在航空航天、汽车电子等领域应用广泛。在汽车领域，铝合金和镁合金除可用作仪表盘基座、座位框架、方向盘轴、变速箱外壳等外，还可用于发动机、汽车底盘等关键部位，在汽车领域具有广阔的应用前景。
在铝合计和镁合金工程化应用过程中，焊接技术是不可或缺的关键一环，焊接接头的质量对铝合金和镁合金的工程化零部件具有显著影响。由于铝合金和镁合金自身的物理化学性质，两者的焊接技术难度较大，导致了焊接接头的机械性能普遍较差。譬如：(1)铝合金和镁合金在焊接过程中，容易发生卷气，卷入的氮气泡和氢气泡受到的浮力较小，又因为焊缝区的熔融金属冷却速度较快，致使大量的氢和氮逸出困难，最终以气孔的形式残留在焊缝中，气孔将成为焊接接头服役过程中的裂纹扩展源；(2)铝合金和镁合金的焊接熔池在凝固过程中由于体积收缩，会造成缩孔、疏松等微观缺陷，同样对焊接接头服役性能产生不利影响；(3)铝合金和镁合金的热膨胀系数约为钢铁材料的2倍，焊接过程加热时的膨胀变形和凝固冷却时的收缩变形都非常明显，导致了焊后存在较大的残余热应力，严重影响了焊接接头的机械性能。
由上可知，由于铝合金和镁合金的物理特性与钢铁等金属材料差别较大，使得其焊接接头气孔问题和残余应力问题非常突出。从保证焊接结构的完整性、制造工艺的合理性以及使用过程的可靠性等角度来看，这种由气孔缺陷和残余应力引发的工程组件变形断裂、失效等，已严重限制了铝合金和镁合金焊接件的工程化应用。因此，如何有效消除焊接气孔等焊接组织缺陷及大幅消减焊接残余应力，有力增强铝合金和镁合金的焊接接头质量，提高其服役性能，已成为制约铝合金和镁合金工程化应用的瓶颈技术和急待解决的关键技术之一。
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有效增强焊接接头质量的装置及方法。
为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：
第一方面，一种有效增强焊接接头质量的装置，包括耐压密闭容器、电动载荷装置、充气装置、抽真空装置、控温装置，电动载荷装置位于密闭容器内，电动载荷装置用于对焊接接头施加由上向下的压力，密闭容器外侧分别与抽真空装置、充气装置连接，密闭容器内的侧壁及顶壁设置加热元件，加热元件与密闭容器外的控温装置连接，充气装置向密闭容器内充入保护气体。
电动载荷装置压住焊接接头，焊接接头在一定的荷载压力，一定的温度、一定的气体压力的环境条件下，焊接接头的残余应力更加均匀分布，并逐渐消减，焊接接头微观组织内部发生塑性流动，在蠕变-扩散效应下，气孔、空隙等缺陷内表面慢慢粘合在一起，缺陷组织不断愈合消失，大幅提高了焊接接头的机械性能。
在一些实施例中，还包括电动载荷装置控制器，位于密闭容器的外部，与密闭容器内部的电动载荷装置连接。
在一些实施例中，还包括总控制器，位于密闭容器的外部；密闭容器的内部设置温度传感器，气体压力传感器；温度传感器、气体压力传感器分别与总控制器连接。
优选的，电动载荷装置与焊接接头接触的为压头，压头中间位置留有凹槽，以便使焊缝暴露在静气压力中；压头的上部设置载荷传感器，载荷传感器与总控制器连接。
在一些实施例中，充气装置所填充保护气体为氮气或氩气。
第二方面，上述的有效增强焊接接头质量的装置在合金焊接接头中的应用；优选的，合金为镁合金或铝合金。
第三方面，利用上述的有效增强焊接接头质量的装置进行增强焊接接头质量的方法，具体步骤为：
将焊接接头进行表面处理；
将表面处理后的焊接接头放入密闭容器内，电动载荷装置压住焊接接头，电动载荷装置对焊接接头施加恒压载荷；
对密闭容器抽真空后，充入一定量的保护气体，再进行加热，等容器内部温度达到设定值并保持稳定后，调节密闭容器的保护气体至所需静气压力值；
当密闭容器内的温度和气压稳定到设定的数值后，保持，一段时间之后使焊接接头在密闭容器内冷却，释放密闭容器内的保护气体，卸载动压力装置的压力，取出焊接接头。
在一些实施例中，表面处理方式具体为：首先用砂纸等机械方法去除待焊板材表面氧化层，再用酒精或丙酮清洗板材表面油脂等有机杂质。
在一些实施例中，电动载荷装置以施加载荷的速率为0.001～0.1mm/min的准静态加力方式进行，施加的压力范围为10～70MPa。
在一些实施例中，抽真空的过程中，真空度控制为小于10毫帕。
在一些实施例中，密闭容器内加热的温度控制为100-350℃。
在一些实施例中，充入保护气体后，密闭容器内的静压力为100-200MPa。
在一些实施例中，密闭容器内温度和气压稳定后，保持的时间为0.5-5h。在维持状态的过程中实现焊接接头的恒高温恒高压处理，焊接接头受到压力的作用，同时焊缝组织被保护气体分子冲击，使得焊接接头残余应力不断消减、气孔等缺陷逐渐愈合。
在一些实施例中，释放密闭容器内的保护气体的温度为38-42℃。
在一些实施例中，密闭容器内的气压降至标准大气压后，再卸载动压力装置的压力，卸载速率为0.001～0.1mm/min。
本发明的有益效果：
铝合金和镁合金焊接过程中易卷入气体形成气孔，热膨胀系数较大，焊后存在较大的焊接热残余应力，从而最终导致铝合金和镁合金焊接接头在工程应用过程中，服役性能较差。针对这一现实问题，本发明创造性地开发出一种焊接接头处理装置。通过在密闭容器恒高温-恒高压处理，大幅消减焊接接头残余应力，减少应力腐蚀开裂，提高其机械性能。
往密闭容器填充氮气或氩气后，在高温静气压力环境下，气体原子移动速度接近1000m/s，单位面积上每秒大约发生1030次碰撞。每个气体原子都能起到单个的“热锻”作用。“热锻”应力会促使焊接接头发生塑性流动，从而引发焊接接头微观组织内部蠕变变形，使得焊缝微观组织内部孔洞等微观缺陷在蠕变-扩散效应下不断愈合，从而达到消除焊接接头内部气孔缺陷的目的。
本发明实施方案简单，可根据不同的合金牌号、应用工况，调整装置的恒载荷、温度值和静气压力等工艺参数，有效消除焊接残余热应力，消弭焊接接头微观组织气孔等缺陷，大幅改善铝合金和镁合金焊接接头的微观组织和力学性能，对于扩大铝合金和镁合金的应用具有重要的意义。
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为有效改善合金焊缝组织的装置示意图；
图2为实施例1中5052铝合金焊接接头经本发明处理与对比例1中经常规热处理后的拉伸性能对比；a为实施例1中5052铝合金焊接接头拉伸性能，b为对比例1中5052铝合金焊接接头拉伸性能；
图3为实施例2中AZ31镁合金焊接接头经本发明处理与对比例2中经常规热处理后的拉伸性能对比；a为实施例2中AZ31镁合金焊接接头拉伸性能，b为对比例2中AZ31镁合金焊接接头拉伸性能；
其中，1、电动载荷装置，2、压头，3、焊接接头，4、底座，5、温度传感器，6、气体压力传感器，7、支柱，8、充气装置，9、流量计，10、压力表，11、耐压密闭容器，12、抽真空装置，13、控温装置，14、电动载荷装置控制器，15、总控制器，16、载荷传感器，17、凹槽。
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。
一种有效增强焊接接头质量的装置，包括耐压密闭容器11、电动载荷装置1、充气装置8、抽真空装置12、控温装置13，电动载荷装置1位于密闭容器11内，电动载荷装置1用于对焊接接头施加由上向下的压力，密闭容器外侧分别与抽真空装置12连接、充气装置8连接，密闭容器11内的侧壁及顶壁设置加热元件，加热元件与密闭容器11外的控温装置13连接，充气装置8向密闭容器内充入保护气体。
如图1所示，封闭的密闭容器11，一种方形的空密闭容器结构，密闭容器11的底部上放置底座4，底座4上放置焊接接头3，焊接接头3受到上下的两个力的作用。放置底座或不放置底座，由于作用力与反作用力，焊接接头均受到上下两个压力的作用，焊接接头的残余应力在高温恒载荷作用下，逐渐消减。
密闭容器11的顶壁及侧壁设置加热元件，所述加热元件可以为电阻丝，电阻丝的加热通过控温装置13进行控制。电阻丝通电后，产生热量，使密闭容器内温度升高。
还包括电动载荷装置控制器14，位于密闭容器11的外部，与密闭容器内部的气动压力装置1连接。
电动载荷装置控制器14，可以实现电动载荷装置1以一定速度的准静压力的施加。电动载荷装置1与焊接接头接触到恒压的过程中，以一定的速度进行施加静压力，可以使焊接接头表面的缺陷尽可能受到缓慢的准静压力，有利于缺陷的恢复。
电动载荷装置1，可调节载荷大小和加载速率，压头随着电动载荷装置升降，电动载荷装置与密闭容器底部通过支柱7支撑，电动载荷装置1与支柱7固定连接；
还包括总控制器15，位于密闭容器的外部；密闭容器11的内部设置温度传感器5，气体压力传感器6；温度传感器5、气体压力传感器6分别与总控制器15连接。总控制器15实现对密闭容器内温度、气压的检测，然后可以调节控温装置、充气装置、抽真空装置，实现温度和气压的调节、控制。
电动载荷装置1与焊接接头接触的为压头2，压头2中间位置留有凹槽17，以便使焊缝暴露在静气压力中；压头2的上部设置载荷传感器16，载荷传感器16通过支柱7内部走线与总控制器15连接。
如图1所示，密闭容器底部设置了平台，密闭容器内部的温度传感器、气体压力传感器、载荷传感器、电动载荷装置与电动载荷装置控制器连接的线路，通过平台的内部，与密闭容器外部连接。
抽真空装置12可以为包括真空泵的装置，通过管道(可以为软管)与密闭容器11连接，在真空泵抽力作用下，使密闭容器内实现真空。
充气装置8所充气体为氮气或氩气。抽真空后，先往容器内部充入氮气或氩气，等容器内部温度稳定后，再调节容器内部气压至所需气压值。在静气压力作用下，焊缝组织内部发生塑性流动，气孔或缩松等缺陷会在蠕变-扩散效应下，不断愈合，组织结构进一步密实。
如图1所示，充气装置8可以为充气罐体，充气罐体通过流量计9、压力表10与耐压密闭容器11连接，流量计9和压力表10可以观察进气的流量和压力，从而根据实际情况进行调节进气量。
实施例1
在本装置上对5052铝合金焊接接头进行强化处理：
(1)5052铝合金焊接接头板材厚度均为5mm，尺寸均为110×120mm，处理之前用钢刷去除表面污物，并用丙酮去除表面油脂；
(2)利用载荷组元压头压住5052铝合金焊接接头板材，以0.001mm/min的速率对其施加以40MPa的恒压载荷；
(3)利用气压组元，打入氩气，静气压力控制在70MPa；
(4)利用控温组元，以50℃/h的升温速率，将密闭容器温度不断升至250℃；
(5)等温度稳定后，将静气压力增加至140MPa，并保持稳定；
(6)5052铝合金焊接接头在恒压载荷40MPa，密闭容器温度250℃，静气压力140MPa的环境下，处理4h；
(7)处理结束后，经降温、减压、卸载过程后，将5052铝合金焊接接头取出，测试其拉伸性能，抗拉强度达到了236.9MPa，测试结果如图2(a)所示。
实施例2
在本装置上对AZ31镁合金焊接接头进行强化处理：
(1)AZ31焊接接头板材厚度均为4mm，尺寸均为100×110mm，处理之前用钢刷去除表面污物，并用丙酮去除表面油脂；
(2)利用载荷组元夹头夹紧AZ31焊接接头板材，以0.1mm/min的速率对其施加以30MPa的恒压载荷；
(3)利用气压组元，打入氮气，静气压力控制在75MPa；
(4)利用控温组元，以50℃/h的升温速率，将密闭容器温度不断升至200℃；
(5)等温度稳定后，将静气压力增加至120MPa，并保持稳定；
(6)AZ31焊接接头在恒压载荷30MPa，密闭容器温度200℃，静气压力120MPa的环境下，处理2.5h；
(7)处理结束后，经降温、减压、卸载过程后，将AZ31镁合金焊接接头取出，测试其拉伸性能，抗拉强度达到了217.1MPa，测试结果如图3(a)所示。
对比例1
对5052铝合金焊接接头采用常规焊后热处理的方法：将同实施例1板材批次相图、尺寸相同、焊接工艺相同的5052铝合金焊接接头放入热处理炉中，只进行常规焊后加热处理，热处理处理温度为250℃，处理时间4h。热处理后，对5052铝合金焊接接头进行拉伸性能测试，测试结果如图2(b)所示。在实施例1中得到的焊接接头抗拉强度达到了236.9MPa，而对比例1得到的焊接接头抗拉强度只有202.3MPa，同实施例1相比，抗拉强度明显降低。因此，与本发明处理方法相比，5052铝合金经常规焊后处理得到的焊接接头质量明显较差。
对比例2
对AZ31镁合金焊接接头采用常规焊后热处理的方法：将同实施例2板材批次相图、尺寸相同、焊接工艺相同的AZ31镁合金焊接接头放入热处理炉中，只进行常规焊后加热处理，热处理处理温度为200℃，处理时间2.5h。热处理后，对AZ31镁合金焊接接头进行拉伸性能测试，测试结果如图3(b)所示。在实施例2中得到的焊接接头抗拉强度达到了217.1MPa，而对比例1得到的焊接接头抗拉强度只有175.6MPa，同实施例2相比，抗拉强度明显降低。因此，与本发明处理方法相比，AZ31镁合金焊接接头经常规方法焊后处理后的接头质量同样明显较差。
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。