CN105728930B - 超声波振动辅助焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及焊接领域，具体而言，涉及一种超声波振动辅助焊接方法。该方法为在熔化焊的焊接过程中，通过超声波激振装置提供的超声波激振力，将超声频应力波导入焊接熔池，最终将振动传递给焊件。这样的设置，能够有效的增加结晶晶核数量，抑制晶粒长大，打碎枝晶，改变结晶形态，使凝固后的焊缝金属晶粒细化；促使熔池中的气体和杂质等快速上浮，减少气孔和加渣缺陷；降低焊接残余应力和焊接变形；使成分更均匀，从而改善焊缝金属组织；使熔合区变窄并均匀过渡，减少未熔合缺陷；通过以上作用提高焊缝的综合力学性能。

Description

超声波振动辅助焊接方法

技术领域

本发明涉及焊接领域，具体而言，涉及一种超声波振动辅助焊接方法。

背景技术

焊接是一种重要的材料连接工艺，广泛应用于石油化工、航空航天、海洋工程、车辆、船舶，以及各种金属结构等工业部门。焊接裂纹(冷裂、热裂)、焊接残余应力、焊缝缺陷与焊接变形是焊接生产中常见的问题。这些问题的存在会在很大程度上影响焊接连接结构的服役性能。为此，发展了多种强化焊接接头的工艺方法。如，热处理、锤击、超声冲击、碾压强化等，并在生产实际中得到应用。

其中，焊后热处理是用炉窑将金属焊件加热到一定温度，保温一定时间，并在一定冷速下冷却的一种工艺。焊后热处理可以细化晶粒、消除偏析，降低内应力，消除或减少焊接造成的某些缺陷，从而提高焊接接头的力学性能。焊后热处理工艺对外形尺寸较小的焊件较为适合，但对外形尺寸较大，结构较为复杂的焊件，容易造成焊件变形或开裂，也容易造成焊件氧化，而且热处理设备占地面积大，炉温控制难度高，因此不适于焊接结构的修复和野外作业。

锤击与碾压处理作为一种焊后处理技术，较早应用于焊接领域。但锤击法由于锤头上下运动的惯性使气锤的活塞冲击作用时间和距离不固定，很难精确控制每次锤击的能量，同时锤头偏摆振动大，不易控制。随焊碾压和随焊冲击碾压法设备庞大，主要靠碾压轮轴承受碾压力，碾压轮的尺寸较大，可达性较差，并且容易与焊枪相互干涉产生打弧，而且碾压力较大，易造成薄壁焊件结构变形。

超声冲击处理技术是近年来发展起来的一种焊后处理新方法，可较好地降低焊接残余拉应力，改善焊接接头表层的组织结构，从而提高焊接接头的疲劳强度、拉伸强度和韧性。但超声冲击处理层的深度一般在1.5mm以内，所以对截面尺寸较大的焊缝，焊后超声冲击处理很难完全消除焊接热裂纹、未熔合和未焊透等焊接缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供超声波振动辅助焊接方法，以解决上述的问题。

在本发明的实施例中提供了一种超声波振动辅助焊接方法，在熔化焊的焊接过程中，通过超声波激振装置提供的超声波激振力，将超声频应力波导入焊接熔池，使熔池内的金属熔体产生超声频受迫振动，并产生空化、声流、机械搅拌和热等作用，从而降低焊接残余应力，减小焊接变形，细化焊缝晶粒，减少气孔和未熔合缺陷，使熔合区过渡均匀，改善润湿性，提高焊缝的综合力学性能。

进一步的，所述超声波激振装置包括超声波发生器、换能器、变幅杆、激振头和壳体；

所述超声波发生器设置在壳体的一端；

所述换能器设置在所述壳体的内部；

所述变幅杆的一端连接所述壳体；

所述变幅杆的另一端设置有所述激振头。

进一步的，所述超声波激振装置还包括振动调节装置；

所述振动调节装置设置在所述壳体上。

进一步的，所述振动调节装置包括调节弹簧、调节螺栓、导杆、导座和连接柄；

所述导座固定设置在所述壳体上；

所述导杆与所述导座滑动连接；

所述连接柄的两端分别设置有第一限位部和第二限位部；

所述第一限位部和所述第二限位部平行设置在所述连接柄的同一侧；

所述导杆的两端分别与所述第一限位部和所述第二限位部固定连接；

所述调节弹簧与所述导杆平行设置；

所述调节弹簧的一端与所述壳体相抵；

所述调节弹簧的另一端设置在所述第二限位部的调节孔内；

所述调节孔为螺纹孔；

所述调节螺栓设置在所述螺纹孔内；

所述调节螺栓设置在所述螺纹孔内的一端与所述调节弹簧的另一端相抵。

进一步的，所述调节弹簧的压力为1～10kg。

进一步的，所述调节弹簧为两个，分别设置在所述壳体相对的两侧。

进一步的，所述换能器为磁致伸缩换能器或压电陶瓷换能器。

进一步的，所述变幅杆的振动方向为轴向振动。

进一步的，所述换能器和所述变幅杆同轴设置。

进一步的，所述壳体上还设置有手柄。

本发明提供的超声波振动辅助焊接方法，在熔化焊的焊接过程中，通过超声波激振装置提供的超声波激振力，将超声频应力波导入焊接熔池，最终将振动传递给焊件，进而有效的增加结晶晶核数量，抑制晶粒长大，打碎枝晶，改变结晶形态，使凝固后的焊缝金属晶粒细化；促使熔池中的气体和杂质等快速上浮，减少气孔和加渣缺陷；降低焊接残余应力和焊接变形；使成分更均匀，从而改善焊缝金属组织；使熔合区变窄并均匀过渡，减少未熔合缺陷；通过以上作用提高焊缝的综合力学性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明超声波振动辅助焊接装置的第一种使用状态参考图；

图2为本发明超声波振动辅助焊接装置的第二种使用状态参考图；

图3为本发明超声波振动辅助焊接装置的第三种使用状态参考图；

图4为本发明超声波振动辅助焊接装置的第四种使用状态参考图。

附图标记：

1：焊件 2：熔池 3：焊缝

4：激振头 5：变幅杆 6：壳体

7：调节弹簧 8：调节螺栓 9：手柄

10：超声波发生器 11：连接柄 12：第二限位部

13：导杆 14：导座 15：第一限位部

16：换能器

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如附图所示，本发明提供了一种超声波振动辅助焊接方法，在熔化焊的焊接过程中，通过超声波激振装置提供的超声波激振力，将超声频应力波导入焊接熔池，使熔池内的金属熔体产生超声频受迫振动，并产生空化、声流、机械搅拌和热等作用，从而降低焊接残余应力，减小焊接变形，细化焊缝晶粒，减少气孔和未熔合缺陷，使熔合区过渡均匀，改善润湿性，提高焊缝的综合力学性能。

超声波激振装置包括超声波发生器10、换能器16、变幅杆5、激振头4和壳体6；

超声波发生器10设置在壳体6的一端；

换能器16设置在壳体6的内部；

变幅杆5的一端连接壳体6；

变幅杆5的另一端设置有激振头4。

在熔焊过程中给焊件1施加超声波激振，使焊接熔池2内的金属熔体产生超声频受迫振动，并产生空化、声流、机械搅拌和热等作用，从而降低焊接残余应力、细化晶粒，减少气孔和未熔合缺陷、使熔合区变窄并均匀过渡，改善润湿性，减小焊接变形，提高焊缝3的综合力学性能。

超声波激振装置的作用是提供超声波激振力，将超声频应力波导入焊接熔池2。超声波激振装置由超声波发生器10、换能器16、变幅杆5、激振头4和壳体6组成。超声波激振装置的主要技术参数为：振动频率15kHz～30kHz，激振头4输出振幅10μm～60μm。

利用振动频率15kHz～30kHz的功率超声波发生器10，使换能器16产生同频振动，经变幅杆5进行振幅放大后将振幅10μm～60μm的超声频振动传给激振头4，将激振头4置于焊件1的熔池2附近，通过对焊件1进行超声波激振将应力波导入熔池2，使焊接熔池2中正在结晶的金属熔体承受拉压交替的超声频应力波作用，并产生空化、声流、机械搅拌和热等效应，从而产生如下几种效果：增加结晶晶核数量，抑制晶粒长大，打碎枝晶，改变结晶形态，使凝固后的焊缝3金属晶粒细化；促使熔池2中的气体和杂质等快速上浮，减少气孔和加渣缺陷；降低焊接残余应力和焊接变形；使成分更均匀，从而改善焊缝3金属组织；使熔合区变窄并均匀过渡，减少未熔合缺陷。通过以上作用提高焊缝3的综合力学性能。

超声频激振的施加方式应根据焊接的结构和尺寸来确定，原则是保证超声频应力波能有效导入到熔池2中。

焊接过程中，通过连接柄11使超声波振动辅助焊接装置沿着与焊缝3平行的移动方向移动，以便跟踪熔池2。

优选的实施方式为，超声波振动辅助焊接装置还包括振动调节装置；

振动调节装置设置在壳体6上。

通过振动调节装置，可以根据不同的焊件1来调节熔池2中金属的应力波，进而使焊件1达到最佳的激振状态，避免或减轻飞溅，避免焊件1破损，避免超声波激振装置受刚性冲击，并起到提高超声振动辅助焊接系统稳定性的作用。

优选的实施方式为，振动调节装置包括调节弹簧7、调节螺栓8、导杆13、导座14和连接柄11；

导座14固定设置在壳体6上；

导杆13与导座14滑动连接；

连接柄11的两端分别设置有第一限位部15和第二限位部12；

第一限位部15和第二限位部12平行设置在连接柄11的同一侧；

导杆13的两端分别与第一限位部15和第二限位部12固定连接；

调节弹簧7与导杆13平行设置；

调节弹簧7的一端与壳体6相抵；

调节弹簧7的另一端设置在第二限位部12的调节孔内；

调节孔为螺纹孔；

调节螺栓8设置在螺纹孔内；

调节螺栓8设置在螺纹孔内的一端与调节弹簧7的另一端相抵。

振动调节机构由调节弹簧7、调节螺栓8、导杆13、导座14和连接柄11组成。

其中，导座14与超声波激振装置的壳体6连接在一起，并与固定在连接柄11上的导杆13滑动连接，即可以在导杆13上进行自由移动。调节弹簧7支撑于连接柄11与超声波激振装置的壳体6之间，在连接柄11的一端设置有螺纹孔，调节弹簧7的一端伸入螺纹孔内，并与螺纹孔中的调节螺栓8相抵，可以通过改变调节螺栓8在螺纹孔内的长度来改变弹簧的预压力。

连接柄11通过第一限位部15和第二限位部12设置为U型的结构，导杆13将第一限位部15和第二限位部12固定连接在一起。

优选的实施方式为，调节弹簧7的压力为1～10kg。

弹簧压力不宜过大，一般在1～10Kg之间，但不限于此范围。超声波激振装置的激振头4输出振幅不易太大，以免造成熔池2内熔融金属液体的飞溅，输出振幅可以通过调节超声波发生器10的工作电流来控制。

优选的实施方式为，调节弹簧7为两个，分别设置在壳体6相对的两侧。

两个调节弹簧7分别设置在壳体6相对的两侧，且在两侧对称设置，这样能够更好的平衡壳体6与振动调节装置之间的力，进而达到最佳的振动调节效果。

优选的实施方式为，换能器16为磁致伸缩换能器或压电陶瓷换能器。

金属磁致伸缩换能器的机械强度高，工作效能稳定，单位面积辐射功率大，单体功率容量大。在高强度超声领域，因耐机械冲击和电冲击能力强而得到广泛应用。磁致伸缩换能器因为具有较低的Q值(Q是能量峰值的锐度)，所以它能传递很宽的频率，例如：对于20kHz的超声波磁致伸缩换能器传递频率范围是17～23kHz。

压电陶瓷换能器由压电陶瓷片和轻、重两种金属组成，在一定的温度下经极化处理后，具有压电效应。在简单情况下，压电材料受到与极化方向一致的应力F时，在极化方向上产生一定的磁场强度E，它们之间有一简单的线性关系E＝gF；反之，当与极化方向一致的外加电压U加在压电材料时，材料的伸缩形变S与电压U也有线性关系S＝dU。比例常数g、d称为压电常数，与材料性质有关。由于E、S、F、U之间具有简单的线性关系，因此我们就可以将正弦交流电信号转变成压电材料纵向长度的伸缩，成为声波的来源；同样也可以使声压变化转变为电压的变化来接收声信号。

优选的实施方式为，变幅杆5的振动方向为轴向振动。

变幅杆5的轴向振动，能够给焊件1提供最强烈的振动，进而达到最大程度的将振动传递给焊件1，以达到产生空化、声流、机械搅拌和热等作用，从而降低焊接残余应力、细化晶粒，减少气孔和未熔合缺陷、使熔合区变窄并均匀过渡，改善润湿性，减小焊接变形，提高焊缝3的综合力学性能的目的。

优选的实施方式为，换能器16和变幅杆5同轴设置。

将换能器16和变幅杆5同轴设置，其作用同变幅杆5的振动方向一样，也是为了能够将换能器16的振动最大程度的传递给焊件1。

优选的实施方式为，壳体6上还设置有手柄9。

在壳体6上设置手柄9，可以通过手柄9来对整个超声波振动辅助焊接装置进行把持，进而能够焊接过程中，通过手柄9使超声波振动辅助焊接装置沿着与焊缝3平行的移动方向移动，以便跟踪熔池2。

可以利用上述的超声波振动辅助焊接装置进行焊接，其方法为将超声波振动辅助焊接装置的激振头4与焊件1接触，并与焊件1接触面垂直，依次启动超声波发生器10和焊接电源，进行超声振动辅助焊接；焊接完成后，依次关闭焊接电源和超声波发生器10。

在焊接工装准备完毕后，将超声波振动辅助焊接装置置于激振位置，使激振头4与焊件1接触，并与焊件1接触面垂直，旋转调节螺栓8，通过弹簧力使激振头4压紧焊件1，依次启动超声波发生器10和焊接电源，进行超声振动辅助焊接。焊接过程中，通过连接柄11或手柄9使超声波激振装置沿着与焊缝3平行的方向移动，以便跟踪熔池2。焊接完成后，依次关闭焊接电源和超声波发生器10。

本发明的超声波振动辅助焊接装置在使用的时候，可以如图1-图4中的四种使用方式，但其又不仅仅局限于附图中的四种使用方式。

本发明提供的超声波振动辅助焊接方法，在熔化焊的焊接过程中，通过超声波激振装置提供的超声波激振力，将超声频应力波导入焊接熔池，最终将振动传递给焊件1，进而有效的增加结晶晶核数量，抑制晶粒长大，打碎枝晶，改变结晶形态，使凝固后的焊缝3金属晶粒细化；促使熔池2中的气体和杂质等快速上浮，减少气孔和加渣缺陷；降低焊接残余应力和焊接变形；使成分更均匀，从而改善焊缝3金属组织；使熔合区变窄并均匀过渡，减少未熔合缺陷；通过以上作用提高焊缝3的综合力学性能。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种超声波振动辅助焊接方法，其特征在于，在熔化焊的焊接过程中，通过超声波激振装置提供的超声波激振力，将超声频应力波导入焊接熔池，使熔池内的金属熔体产生超声频受迫振动，并产生空化、声流、机械搅拌和热作用，从而降低焊接残余应力，减小焊接变形，细化焊缝晶粒，减少气孔和未熔合缺陷，使熔合区过渡均匀，改善润湿性，提高焊缝的综合力学性能；

所述超声波激振装置包括超声波发生器、换能器、变幅杆、激振头和壳体；

所述超声波发生器设置在壳体的一端；

所述换能器设置在所述壳体的内部；

所述变幅杆的一端连接所述壳体；

所述变幅杆的另一端设置有所述激振头；

所述超声波激振装置还包括振动调节装置；

所述振动调节装置设置在所述壳体上；

所述振动调节装置包括调节弹簧、调节螺栓、导杆、导座和连接柄；

所述导座固定设置在所述壳体上；

所述导杆与所述导座滑动连接；

所述连接柄的两端分别设置有第一限位部和第二限位部；

所述第一限位部和所述第二限位部平行设置在所述连接柄的同一侧；

所述导杆的两端分别与所述第一限位部和所述第二限位部固定连接；

所述调节弹簧与所述导杆平行设置；

所述调节弹簧的一端与所述壳体相抵；

所述调节弹簧的另一端设置在所述第二限位部的调节孔内；

所述调节孔为螺纹孔；

所述调节螺栓设置在所述螺纹孔内；

所述调节螺栓设置在所述螺纹孔内的一端与所述调节弹簧的另一端相抵。

2.根据权利要求1所述的超声波振动辅助焊接方法，其特征在于，所述调节弹簧的压力为1～10kg。

3.根据权利要求1所述的超声波振动辅助焊接方法，其特征在于，所述调节弹簧为两个，分别设置在所述壳体相对的两侧。

4.根据权利要求1所述的超声波振动辅助焊接方法，其特征在于，所述换能器为磁致伸缩换能器或压电陶瓷换能器。

5.根据权利要求1所述的超声波振动辅助焊接方法，其特征在于，所述变幅杆的振动方向为轴向振动。

6.根据权利要求1所述的超声波振动辅助焊接方法，其特征在于，所述换能器和所述变幅杆同轴设置。

7.根据权利要求1-6任一项所述的超声波振动辅助焊接方法，其特征在于，所述壳体上还设置有手柄。