CN108213688A - 一种超声振动辅助焊接试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超声振动辅助焊接试验装置，主要由超声振动处理装置、支撑及调整机构和焊接工作台和等几大部分组成，在正常焊接过程中利用振动枪给焊件施加周期性的超声振动处理，使焊接熔池发生振动，从而达到改变焊缝金属结晶过程，提高焊接接头组织性能的均匀性，进而改善焊接质量，超声振动可使焊接熔池中正在结晶的金属承受拉压交替的应力，从而形成一种强大的冲击波，以足够的能量打断正在成长的晶粒，这样就可以增加结晶晶核数量，改变结晶形态，使凝固后的焊缝金属晶粒细化；同时，也可使熔池金属发生强烈的搅拌作用，促使气体和杂质快速上浮，并使成分均匀，从而改善了熔池金属的凝固状态，提高了焊缝金属的综合力学性能。
Description
技术领域
本发明属于焊接设备与工艺技术领域，涉及一种抑制高强度铝合金、合金钢、低碳钢等材料焊接热裂纹，提高其焊接接头力学性能的试验装置。
背景技术
热裂纹是焊接生产中最常见的一种缺陷，从常用的低碳钢、合金钢到各类合金，焊接过程中都可能会出现热裂纹，特别是航空、航天领域常用的一些高强铝合金，热裂敏感性很大。目前来看，通过焊后处理很难完全消除焊接热裂纹、气孔、未熔合、未焊透等尺寸较大的焊接缺陷，而这些缺陷的存在与发展、都会影响焊缝金属的性能，成为失效事故的隐患。
焊接热裂纹的产生是冶金因素和力学因素共同作用的结果，对焊接热裂纹的控制，大体上也可以分为冶金途径和力学途径。从冶金角度防止焊接热裂纹主要是通过合理选定焊缝金属的合金成分，或向焊接熔池中填加合金元素，并配合适当的焊接工艺来提高熔池金属的流动性，加强液态金属的填补缝隙的“弥合”作用，从而控制焊接热裂纹。这些方法能够有效防止焊接热裂纹的产生，但由于特定合金元素的加入会降低接头的力学性能，是一种被动的防止焊接热裂纹的方法；从力学角度防止焊接热裂纹的方法也称反应变法，即采取适当措施使处于脆性温度区间的焊缝或热影响区金属承受一种外加压缩应变，以抵消焊接凝固过程中凝固收缩和热收缩以及外部应力造成的致裂拉伸应变，从而防止焊接热裂纹。从力学角度防止焊接热裂纹是一种更为主动的方法，特别是对于焊接热裂敏感性强的材料，越发显示出其有效性和优越性。近年来，这方面的研究工作很多，主要有随焊局部加热法、随焊局部激冷法、随焊锤击法、随焊碾压法、随焊冲击碾压法、随焊锤击碾压法和随焊旋转挤压法等。
从冶金方面和力学角度控制热裂纹的研究均取得了一定效果，但各自也存在不足之处。调整母材和焊接材料的化学成分，改善凝固组织，提高焊缝金属的抗热裂性能，一方面不易防止液化裂纹，另一方面加入的元素也可能影响接头的力学性能。随焊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，需外加导向机构。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，目前主要用于长直平板的拼焊焊缝，较大型筒体的纵缝及环缝的焊接，并且对被焊件形状要求比较严格，难以满足实际生产需求。随焊激冷有可能会造成严重的偏析，并且焊缝的横向收缩加大。另外，冷却介质也会污染焊缝。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的缺点，提供一种超声振动辅助焊接试验装置，在正常焊接过程中利用超声振动枪给焊件施加周期性的超声振动处理，使焊接熔池发生振动，从而达到改变焊缝金属结晶过程，提高焊接接头组织性能的均匀性的目的，本发明具有执行机构重量轻、使用灵活方便、通用性好等优点。
为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：一种超声振动辅助焊接试验装置，包括超声波发生器、气瓶、焊接电源和与超声波发生器连接的换能器；还包括工作台及位于工作台表面的工件，所述超声波发生器和焊接电源分别连接有振动枪和焊枪，焊枪位于工件表面的熔池上方，振动枪和焊枪均通过连接杆件固定在滚珠丝杆上，振动枪和焊枪并列吊装在工件上端；振动枪包括换能器、变幅杆及振动头；所述超声波发生器连接换能器，换能器一端连接变幅杆，变幅杆另一端安装上贴合工件表面的振动头。
作为本发明的一种优选技术方案，换能器为压电换能器。
作为本发明的一种优选技术方案，变幅杆为圆锥形变幅杆。
作为本发明的一种优选技术方案，滚珠丝杆安装在立柱上，立柱安装在固定于工作台表面的电磁吸盘上。
作为本发明的一种优选技术方案，滚珠丝杆与其底部的连接杆件的尾端均安装在伺服电机上。
本发明所达到的有益效果是：与常规焊接相比，超声振动辅助焊接将超声波导入焊接熔池搅拌液态金属，加快气孔的逸出，抑制了合金元素和低熔点共晶的偏析，减少了气孔和夹杂等焊接缺陷；同时，高频冲击作用会带来整个焊接工件的微振，使得超声振动辅助焊接过程兼有振动焊接的特点，利于气孔排除。运用于高强度铝合金微观组织超声振动辅助焊接焊缝：与常规焊接相比，超声振动辅助焊接之后焊缝部位的晶粒明显细化，晶粒大小更加均匀一致，取向性也不明显。这一方面是由于超声振动辅助焊接减慢了焊接熔池结晶速度；另一方面是对熔池金属产生振荡搅拌作用，打乱了熔池结晶的方向性，起到了细化晶粒的效果；振荡搅拌同时降低了低熔点杂质向焊缝中心部位聚集的趋势，减少了枝晶偏析、气孔、缩松等缺陷，从而大大提高了高强铝合金的抗裂能力。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
在附图中：
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明超声振动处理部分示意图；
图3为本发明超声振动辅助焊接示意图。
图中标号：1、超声波发生器；2、气瓶；3、焊接电源；4、工作台；5、立柱；6、电磁吸盘；7、伺服电机；8、滚珠丝杆；9、振动枪；10、焊枪；11、工件；12、熔池；13、换能器；14、变幅杆；15、震动头。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“竖直”、“上”、“下”、“水平”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。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“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，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例：如图1-3所示，本发明提供一种超声振动辅助焊接试验装置，包括超声波发生器1、气瓶2、焊接电源3和与超声波发生器1连接的换能器13；还包括工作台4及位于工作台4表面的工件11，所述超声波发生器1和焊接电源3分别连接有振动枪9和焊枪10，焊枪10位于工件11表面的熔池12上方，振动枪9和焊枪10均通过连接杆件固定在滚珠丝杆8上，振动枪9和焊枪10并列吊装在工件11上端；振动枪9包括换能器13、变幅杆14及振动头15；所述超声波发生器1连接换能器13，换能器13一端连接变幅杆14，变幅杆14另一端安装上贴合工件11表面的振动头15。
进一步的，换能器13为压电换能器。
进一步的，变幅杆14为圆锥形变幅杆。
进一步的，滚珠丝杆8安装在立柱5上，立柱5安装在固定于工作台4表面的电磁吸盘6上。
进一步的，滚珠丝杆8与其底部的连接杆件的尾端均安装在伺服电机7上。
该种超声振动辅助焊接试验装置，本发明主要由超声振动处理装置、支撑及调整机构和焊接工作台和等几大部分组成，焊接装置包括焊接电源3、焊枪10和气瓶2，超声振动处理装置是整个系统中的核心部件，主要由超声波发生器1、换能器13、变幅杆14和振动头15等组成；支撑及调整机构包括电磁吸盘6、立柱5和振动枪调整机构，焊枪10和振动枪9的调整可通过控制伺服电机7带动滚珠丝杠8旋转完成其上下和沿焊道方向的移动，确保精确调节振动头15和焊枪10距离工件的高度，并保证焊接前振动工具头预先压紧在工件表面。垂直于焊接方向上，安装有调节螺丝，可以精确的调整超声振动工具头与焊枪之间的相对位置，以满足焊枪和振动头的对中要求。焊接前通过电磁吸盘6和立柱5将焊枪10和振动枪9调整机构原位安装与工作台上，并将工件固定于工作台的夹具中，调节左右微调螺丝和调整电机，将振动工具头压紧在工件表面，然后依次启动超声振动处理设备和焊接电源，进行焊接。焊接完成后，再依次关闭焊接电源、超声振动处理装置，完成焊接。
具体的，超声振动处理装置的作用是提供超声波振动驱动力，将高频超声振动成功施加于工件上，超声波发生器1产生的高频电振荡，通过换能器13(压电换能器，固有频率20 KHz，输出端振幅为4μm~5μm)和变幅杆14(圆锥形变幅杆，起放大作用)将电能转换为具有一定振幅的机械振动，然后通过振动头15将机械振动传递于焊接试件，使焊接试件产生超声频的谐振，从而改变焊接熔池液态金属的凝固状态。其中，超声波发生器1要具有适应负载变化的自动频率跟踪能力和稳定输出振幅的能力，以确保超声振动系统工作在最佳稳定状态。超声波发生器基本参数为：交流电源，电压220V，频率50Hz，输出功率大于250 W，频率20 KHz，振幅30μm。根据所选用的超声波发生器1，匹配相应的压电陶瓷换能器，根据声学系统设计原理设计变幅杆14与振动头15，且根据阻抗匹配原则修正变幅杆14的尺寸，使整个声学系统在超声振动的激励下达到谐振状态。
与常规焊接相比，超声振动辅助焊接将超声波导入焊接熔池搅拌液态金属，加快气孔的逸出，抑制了合金元素和低熔点共晶的偏析，减少了气孔和夹杂等焊接缺陷；同时，高频冲击作用会带来整个焊接工件的微振，使得超声振动辅助焊接过程兼有振动焊接的特点，利于气孔排除。运用于高强度铝合金微观组织超声振动辅助焊接焊缝：与常规焊接相比，超声振动辅助焊接之后焊缝部位的晶粒明显细化，晶粒大小更加均匀一致，取向性也不明显。这一方面是由于超声振动辅助焊接减慢了焊接熔池结晶速度；另一方面是对熔池金属产生振荡搅拌作用，打乱了熔池结晶的方向性，起到了细化晶粒的效果；振荡搅拌同时降低了低熔点杂质向焊缝中心部位聚集的趋势，减少了枝晶偏析、气孔、缩松等缺陷，从而大大提高了高强铝合金的抗裂能力。
最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实 施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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。
Claims (5)
1.一种超声振动辅助焊接试验装置，其特征在于，包括超声波发生器（1）、气瓶（2）、焊接电源（3）和与超声波发生器（1）连接的换能器（13）；还包括工作台（4）及位于工作台（4）表面的工件（11），所述超声波发生器（1）和焊接电源（3）分别连接有振动枪（9）和焊枪（10），焊枪（10）位于工件（11）表面的熔池（12）上方，振动枪（9）和焊枪（10）均通过连接杆件固定在滚珠丝杆（8）上，振动枪（9）和焊枪（10）并列吊装在工件（11）上端；振动枪（9）包括换能器（13）、变幅杆（14）及振动头（15）；所述超声波发生器（1）连接换能器（13），换能器（13）一端连接变幅杆（14），变幅杆（14）另一端安装上贴合工件（11）表面的振动头（15）。
2.如权利要求1所述的一种超声振动辅助焊接试验装置，其特征在于，所述换能器（13）为压电换能器。
3.如权利要求1所述的一种超声振动辅助焊接试验装置，其特征在于，所述变幅杆（14）为圆锥形变幅杆。
4.如权利要求1所述的一种超声振动辅助焊接试验装置，其特征在于，所述滚珠丝杆（8）安装在立柱（5）上，立柱（5）安装在固定于工作台（4）表面的电磁吸盘（6）上。
5.如权利要求4所述的一种超声振动辅助焊接试验装置，其特征在于，所述滚珠丝杆（8）与其底部的连接杆件的尾端均安装在伺服电机（7）上。
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