CN104759740B - 一种用于高钢级大壁厚管线钢焊接的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于高钢级大壁厚管线钢焊接的装置及方法，该装置主要由工作台控制器1、滚轮支架2、工件3、焊枪5、送丝嘴7、超声工具头8、变幅杆9、超声换能器11、焊接电源20、超声波发生器21、送丝机构22、摆动器14、传动轴15、角度调节器16等组成。该方法包括：(1)将工件放在滚轮支架上，启动工作台控制器；(2)设置好焊接电压和焊接电流，打开焊接电源，待电弧稳定后启动超声波发生器；(3)通过角度调节器，调整好焊枪的角度；(4)启动摆动器，通过传动轴的进出运动，带动焊枪前后摆动；(5)启动送丝机构，开始自动焊接。本发明焊接质量高、焊缝成形好、焊接接头组织成分均匀化程度高，具有广阔的市场应用前景。

Description

一种用于高钢级大壁厚管线钢焊接的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种用于高钢级，大壁厚管线钢焊接的装置及方法，就是将超声波振动直接加到焊丝上，使得焊丝振动的焊接装置及方法，可应用于高钢级，大壁厚管线钢非熔化极或者熔化极气体保护焊接。

背景技术

对于高钢级，大壁厚管线钢的焊接中常常会出现两个问题，首先当热输入过小时，焊缝出现脆硬第二相组织，强度、硬度有所提高，但韧性大大降低，同时可能出现未焊透，焊接熔池深度不够，焊后成形差等质量问题，其次，热输入过大后，热影响区过热区的晶粒过分长大会形成不良组织引起热影响区软化问题，因为在焊接热循环作用下，热影响区组织在粗化的同时，会发生相变、再结晶及晶粒回复等现象，从而使热影响区硬度下降产生软化现象，强度级别越高，软化问题越严重。软化程度和软化宽度与焊接工艺有很大关系，而硬度是冷裂敏感指数和热输入的函数。热输入越大，热影响区硬度越低、宽度越宽，软化现象就越严重。所以在正常热输入的条件下，为了改善高钢级大壁厚管线钢焊接熔滴过渡形式，增加熔池深度，减小焊后软化宽度，提高焊接接头组成成分均匀性，研制了一种用于高钢级大壁厚管线钢辅助焊接装置及方法。

已有技术中，专利200810064099.6为一种超声振动与焊丝送进系统复合的焊接方法及其装置，采用的是将超声波加在与焊丝平滑连接的送丝嘴上，通过送丝嘴的振动带动焊丝振动，这样势必会造成超声能量的浪费，以及对送丝嘴在大振动下的寿命是个考验，另外工件焊接过程焊枪需要移动，从而需要加在送丝嘴上的超声装置进行同时移动，而此发明却没有明确说明超声装置或工件和焊枪是怎样实现移动焊接的。另外此套装置对焊丝的送进系统要求较高，一般非独立的送丝装置如将超声波加在送丝嘴上难度很大。适用于非熔化极电弧焊接，对熔化极电弧焊接如二氧化碳气体保护焊则无法应用，上述特点限制了超声辅助焊接的广泛应用。因此进一步改善超声波施加状态，使其应用于高钢级大壁厚管线钢的焊接中则需要新的焊接装置才能实现。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于高钢级大壁厚管线钢焊接的装置，该装置原理可靠，操作简便，焊接质量高、焊缝成形好、焊接接头组织成分均匀化程度高，具有广阔的市场应用前景。

本发明的另一目的还在于提供利用上述装置对高钢级大壁厚管线钢进行焊接的方法，该方法提高了超声辅助焊接的应用范围，改善了超声波施加状态，使得焊接过程稳定、焊接效率高、焊缝成形好、可应用于工厂及施工现场高钢级大壁厚管子对接的焊接。

为达到以上技术目的，本发明提供以下技术方案。

本发明通过将超声波直接加到焊丝上，使得超声的振动效应、空化效应通过焊丝振动传递给熔池，这种超声空化过程会产生强烈的冲击波，可以打碎初生的粗大晶体和正在长大的枝晶，从而增加形核质点，提高形核率，另外超声振动能够显著地加快传热过程，即传热作用。田纳西州大学Y.Cui以及台湾逢甲大学Wen-LongDai的研究表明：超声能量在固态和液态中的传播和能量衰减能够显著改变热影响区和熔合区的微观组织，对于消除未熔合区，细化热影响区晶粒，增加熔深，改善熔焊质量等方面有重要的应用价值。超声在焊接熔池中的有限振幅衰减使熔体内形成一定的声压梯度，从而形成一个流体的喷流。此喷流在整个流体中引起一个整体环流，影响溶质在熔池中的分布。同时，处于高温状态下的金属熔体，由于固液界面上的晶粒强度非常低，当扰动作用在其周围液体上，可以破坏正在生长的晶体，打碎晶体，并使熔池中的质量和热量重新分布，从而起到晶粒细化的作用。

一种用于高钢级大壁厚管线钢焊接的装置，由承载工件旋转系统，超声焊接复合系统，焊枪摆动支架系统三部分组成。

所述承载工件旋转系统由工作台控制器、滚轮支架、工件组成。

所述超声焊接复合系统由焊丝、焊枪、送丝嘴支架、送丝嘴、超声工具头、变幅杆、U型承载台、超声换能器、方形铁块、连接片、焊枪支架、焊接电源、超声波发生器以及送丝机构组成。

所述焊枪摆动支架系统由摆动器、传动轴、角度调节器、焊枪支架夹头、小车支架组成。

利用上述装置对高钢级大壁厚管线钢进行焊接的方法，依次包括以下步骤：

(1)将加工好焊接坡口的两个对接工件放在滚轮支架上，启动工作台控制器，使得两个对接工件按照设定好的速度匀速转动；

(2)根据实际焊接条件如工件厚度、焊接位置、焊丝直经、送丝速度等因素设置好焊接电压和焊接电流，打开焊接电源，待电弧稳定后启动超声波发生器，超声波发生器把AC-220V(50-60HZ)的市电转化为高功率、高频率(15kHz-1000kHz)的振荡信号提供给超声换能器，超声换能器将电能转化为超声振动，通过变幅杆和超声工具头将超声振动幅度放大到200μm后直接传递给焊丝；

(3)通过角度调节器，调整好焊枪的角度使之对准焊缝；

(4)启动摆动器，通过传动轴的进出运动，带动焊枪前后摆动，摆动幅度可在2-50mm内设定，摆动速度可在100mm/min-2500mm/min内调节，前后摆动停顿时间0-2s；

(5)启动送丝机构，非熔化极或者熔化极焊丝由送丝机构平稳送出，开始自动焊接。

本发明中对超声波发生器施加在超声换能器上的交变电信号进行了可靠的接地处理，非熔化极或者熔化极焊接电源与超声波发生器进行了有效的隔离。

本发明所述的超声工具头选用耐高温材料，并采用压缩空气的冷却方式进行降温处理。

本发明所述的超声振动部分的输入功率为1w～1000w。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明通过将超声波的振动直接施加到焊丝上，实现焊丝的振动，可有效细化热影响区晶粒，增加熔深，改善焊接接头质量，适用于非熔化极或者熔化极气体保护焊接。本发明通过将超声振动直接加在焊丝上，最大化的利用了超声能量，使得超声的空化效应、振动效应在焊丝与熔池接触过程中传递给焊接熔池，有效的控制焊后晶粒大小及焊丝熔滴过渡，从而提高了焊接接头组织成分均匀化程度，改变焊接接头应力分布状态，使得焊接接头力学性能得到大幅度提高。

附图说明

图1是一种用于高钢级大壁厚管线钢焊接的装置结构示意图。

图2是承载工件旋转系统示意图。

图3是超声焊接复合系统示意图。

图4是焊枪摆动支架系统示意图。

图中：1、工作台控制器，2、滚轮支架，3、工件，4、焊丝，5、焊枪，6、送丝嘴支架，7、送丝嘴，8、超声工具头，9、变幅杆，10、U型承载台，11、超声换能器，12、方形铁块，13、连接片，14、摆动器，15、传动轴，16、角度调节器，17、焊枪支架夹头，18、焊枪支架，19、小车支架，20、焊接电源，21、超声波发生器，22、送丝机构。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明。

参见图1、图2、图3、图4。

一种用于高钢级大壁厚管线钢焊接的装置，由承载工件旋转系统、超声焊接复合系统、焊枪摆动支架系统三部分组成。

所述承载工件旋转系统由工作台控制器1、滚轮支架2、工件3组成，工作台控制器1控制工件3按照设定的速度做匀速旋转运动。

所述超声焊接复合系统由焊枪5、焊枪支架18、送丝嘴支架6、送丝嘴7、超声工具头8、变幅杆9、U型承载台10、超声换能器11、方形铁块12、连接片13、焊接电源20、超声波发生器21以及送丝机构22组成，所述超声换能器11固定在U型承载台10上，焊枪5固定在焊枪支架18上，送丝嘴7固定在送丝嘴支架6上，U型承载台10、送丝嘴支架6分别与方形铁块12连接，焊枪5通过连接片13也与方形铁块12连接，超声换能器11连接超声波发生器21，焊枪5连接焊接电源20，送丝嘴7连接送丝机构22，所述超声换能器11通过变幅杆9连接超声工具头8，超声工具头8穿过开有孔洞的送丝嘴7，与送丝机构22送出的焊丝4平滑接触。

所述焊枪摆动支架系统由摆动器14、传动轴15、角度调节器16、焊枪支架夹头17、小车支架19组成，小车支架19与摆动器14螺纹连接，摆动器14的传动轴15通过角度调节器16与焊枪支架夹头17相连，焊枪支架夹头17夹持焊枪支架18。通过摆动器14带动传动轴15的进出运动，从而带动焊枪5进行前后摆动，实现自动焊接。

所述超声工具头8穿过开有孔洞的送丝嘴7，与送丝机构22送出的焊丝4平滑接触，是指根据焊丝4直径大小，在超声工具头8顶部开有孔洞或U型槽，焊丝4穿过该孔洞或U型槽。

送丝嘴7通过送丝嘴支架6与焊枪5上方的铁块12固定连接，U型承载台10固定在焊枪5上方的铁块12上，支撑超声换能器11，使得焊枪与送丝嘴以及超声换能器构成一个统一的整体，保证超声工具头8接触的焊丝4不承受外力作用。

与传动轴15连接的角度调节器16可以做上下前后4个方向的调节，焊枪支架18夹持在焊枪支架夹头17上，通过传动抽15的进出运动，带动整个焊接装置做匀速前后运动。

对超声波发生器施加在超声换能器上的交变电信号进行可靠的接地处理，使焊接过程中超声波发生器与焊接电源进行有效的隔离。

超声工具头采用耐高温的钛合金材料，并采用压缩空气的冷却方式进行降温处理。

本发明把焊枪摆动器，超声波设备和焊接装置进行了完美结合，实现自动化焊接。

实施例1：

结合图1，利用上述装置对高钢级大壁厚管线钢进行焊接的方法，步骤如下：先启动工作台控制器1，使得工件3按照设定好的速度做匀速转动，之后打开焊接电源20，待电弧稳定后，再启动超声波发生器21，使得超声换能器11将电能转化为超声振动，通过变幅杆9和超声工具头8将超声振动幅度放大后直接传递给焊丝4。由角度调节器16调整好焊枪5的角度使之对准焊缝，最后启动摆动器14及送丝机构22，焊丝4由送丝机构22平稳送出，通过摆动器14带动传动轴15的进出运动，从而带动焊枪5进行前后摆动，实现自动焊接。

结合图3，超声波发生器21把AC-220V(50-60HZ)的市电转化为高功率、高频率(15kHz-1000kHz)的振荡信号，提供给超声换能器11，超声换能器11将超声频率的电信号转化为振动幅度为1um-10um机械振动。由于超声换能器11的机械振动幅度较小，难以满足实际要求，所以将变幅杆9与超声换能器11相连接，使得振动幅度可放大到20-100um，之后再连接一个超声工具头8，进一步放大振幅到200um，可将机械能和压力直接传至焊丝4上，使得普通非熔化极及熔化极气体保护焊在施加超声波后，对焊丝4的熔滴过渡及熔池的能量分布得到明显的改善，可在相对较小热输入下，显著增加熔池深度。并且超声在熔池中的振动可以破坏正在生长的晶体，打碎晶体，使熔池中的质量和热量重新分布，从而起到晶粒细化的作用，改变焊接接头应力分布状态，使得焊接接头力学性能得到大幅度的提高。上述装置超声振动部分的输入功率可在1w到1000w之间调节。

Claims (4)

1.一种用于高钢级大壁厚管线钢焊接的装置，由承载工件旋转系统、超声焊接复合系统、焊枪摆动支架系统三部分组成，其特征在于，所述承载工件旋转系统由工作台控制器(1)、滚轮支架(2)、工件(3)组成，工作台控制器(1)控制工件(3)做匀速旋转运动；所述超声焊接复合系统由焊枪(5)、焊枪支架(18)、送丝嘴支架(6)、送丝嘴(7)、超声工具头(8)、变幅杆(9)、U型承载台(10)、超声换能器(11)、方形铁块(12)、连接片(13)、焊接电源(20)、超声波发生器(21)以及送丝机构(22)组成，所述超声换能器(11)固定在U型承载台(10)上，焊枪(5)固定在焊枪支架(18)上，送丝嘴(7)固定在送丝嘴支架(6)上，U型承载台(10)、送丝嘴支架(6)分别与方形铁块(12)连接，焊枪(5)通过连接片(13)也与方形铁块(12)连接，超声换能器(11)连接超声波发生器(21)，焊枪(5)连接焊接电源(20)，送丝嘴(7)连接送丝机构(22)，所述超声换能器(11)通过变幅杆(9)连接超声工具头(8)，超声工具头(8)穿过开有孔洞的送丝嘴(7)，与送丝机构(22)送出的焊丝(4)平滑接触，所述平滑接触是指根据焊丝(4)直径大小，在超声工具头(8)顶部开有孔洞或U型槽，焊丝(4)穿过该孔洞或U型槽；所述焊枪摆动支架系统由摆动器(14)、传动轴(15)、角度调节器(16)、焊枪支架夹头(17)、小车支架(19)组成，小车支架(19)与摆动器(14)螺纹连接，摆动器(14)的传动轴(15)通过角度调节器(16)与焊枪支架夹头(17)相连，焊枪支架夹头(17)夹持焊枪支架(18)。

2.如权利要求1所述的用于高钢级大壁厚管线钢焊接的装置，其特征在于，所述角度调节器(16)做上下前后4个方向的调节。

3.如权利要求1所述的用于高钢级大壁厚管线钢焊接的装置，其特征在于，所述超声工具头(8)采用耐高温的钛合金材料，并采用压缩空气的冷却方式进行降温处理。

4.利用权利要求1所述的装置对高钢级大壁厚管线钢进行焊接的方法，依次包括以下步骤：

(1)将加工好焊接坡口的两个对接工件放在滚轮支架上，启动工作台控制器，使得两个对接工件按照设定好的速度匀速转动；

(2)根据实际焊接条件如工件厚度、焊接位置、焊丝直经、送丝速度，设置好焊接电压和焊接电流，打开焊接电源，待电弧稳定后启动超声波发生器，超声换能器将电能转化为超声振动，通过变幅杆和超声工具头将超声振动幅度放大到200μm后直接传递给焊丝；

(3)通过角度调节器，调整好焊枪的角度使之对准焊缝；

(4)启动摆动器，通过传动轴的进出运动，带动焊枪前后摆动，摆动幅度在2-50mm内设定，摆动速度在100-2500mm/min内调节，前后摆动停顿时间0-2s；

(5)启动送丝机构，非熔化极或者熔化极焊丝由送丝机构平稳送出，开始自动焊接。