CN108857112A - 一种二维超声振动辅助熔化焊接装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种二维超声振动辅助熔化焊接装置与方法。该方法基于振动合成原理，通过设置两互不平行的超声发生装置，使之与焊枪耦合相接，并控制超声发生器产生的高频交流电之间的相位差使电弧产生超声频旋转。本发明中复合焊炬结构简单，电弧压缩效果明显，电弧能量密度得到提高，焊接过程中电弧更加稳定。超声能通过电弧传输到熔池，对熔池产生剧烈搅拌作用，空化和声流效应可以促进溶质在焊缝中均匀分布，细化晶粒，减少消除焊缝的气孔率，并可以减小焊接残余应力和变形，提高焊接接头力学性能。本发明涉及一种二维超声振动辅助熔化焊接装置与方法，属于熔化极电弧焊接及电弧冶金领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种二维超声振动辅助熔化焊接装置与方法，属于熔化极电弧焊接及电弧冶金领域。
背景技术
熔化极窄间隙焊接又称为NG-GMAW，主要靠电弧熔化侧壁金属与焊丝熔化的金属混合形成焊缝，是基于传统电弧焊的一种特殊焊接方法。由于熔化极窄间隙焊的坡口间隙很小，厚板焊接时焊缝截面积大大减少，在较小焊接规范下，可以保证较高的焊接质量和焊接生产率，从而降低了生产成本，目前被广泛的应用于铝合金、高强钢、钛合金等大型厚壁结构件的焊接。
坡口侧壁熔合，是NG-GMAW缝成形质量的关键。为了保证坡口侧壁熔合和可靠的焊缝成型，开发了电弧摆动、旋转电弧和双丝熔化极窄间隙焊接方法。其中由于电弧摆动和双丝方法电弧的稳定性较差，而旋转电弧焊方法在附加离心力的作用下，可以促进熔滴过渡，提高焊丝的熔化效率，同时明显地改善焊缝成形，同时具有高效率、低成本、高焊缝质量和小焊缝变形为特点，已成为NG-GMAW最具潜力的焊接方法。目前旋转电弧主要采用电机驱动导电杆与导电嘴旋转方式获得，即通过电机驱动齿轮高速旋转，带动导电杆、偏心导电嘴和电弧一起旋转，旋转半径取决于导电嘴的偏心角度和焊丝伸出长度。但是由于电弧旋转采用齿轮传动方式获得，存在焊炬机构尺寸和重量较大，噪声大；传动机构制造成本高；坡口内导电嘴驱动电弧高速旋转，导致保护气流扰动，熔化金属保护不良，必须附加保护气罩；导电嘴高速自转，焊丝与导电嘴之间存在相对运动，导电嘴磨损严重，使用寿命短；偏心导电嘴需要特殊制作，焊接成本高；导电杆自身旋转，焊接电源接入困难等缺点。
在超声辅助电弧焊方面，中国专利CN101219499A公开的《一种超声波与非熔化极电弧复合的焊接方法》，将超声波作用于TIG电弧上，有效提高电弧的能量密度。但是，此发明中超声为一维加载，电弧不产生旋转，电极通过镶嵌模式置于变幅杆中，设计制作复杂，焊接过程中热量对变幅杆工作的影响大，限制了该方法的应用。专利CN106624401A公开的《一种滚动式超声电弧复合焊接装置》，将超声通过工件导入焊接熔池，有效细化晶粒，提高焊接强度。但是该发明中超声加载方式是通过工件导入，电弧不产生旋转，工件尺寸、结构、温度对超声的强度均有较大影响，输入焊缝熔池的超声能量不稳定。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种二维超声振动辅助熔化极窄间隙焊的焊接装置与方法，该装置结构简单，方法易于实施，可以使电弧产生超音频旋转，提高电弧的能量利用效率，有效的促进坡口侧壁的熔合，细化焊缝晶粒，提高焊接接头的力学性能。
本发明解决其技术问题的解决方案是：一种二维超声振动辅助熔化焊接装置，包括复合焊枪，弧焊电源、送丝装置，所述的送丝装置为复合焊枪提供焊料，还包括耦合盘，所述的耦合盘与复合焊枪固定连接；X向超声振动装置，所述的X向超声振动装置包括X向超声波发生器、X向换能器、X向变幅杆，所述的X向超声波发生器通过X向换能器与X向变幅杆相连，所述的X向变幅杆的一端与X向换能器相连，另一端与耦合盘相连；Y向超声振动装置，所述的Y向超声振动装置包括Y向超声波发生器、Y向换能器、Y向变幅杆，所述的Y向超声波发生器通过Y向换能器与Y向变幅杆相连，所述的Y向变幅杆一端与Y向换能器相连，另一端与耦合盘相连；所述的Y向超声振动装置、X向超声振动装置之间夹角为α，α的值小于180°大于0°。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的Y向超声振动装置、X向超声振动装置均垂直于复合焊枪，所述的Y向超声振动装置、X向超声振动装置互相垂直并位于同一平面内。
作为上述技术方案的进一步改进，还包括支撑座、两个固定法兰、两个法兰座，所述的复合焊枪通过耦合盘5沿竖直方向地固定在支撑座上，两个所述的法兰座互相垂直地固定在支撑座上，两个所述的法兰座均位于同一平面上，两个所述的法兰座均包括安装孔，两个所述的法兰座的安装孔的轴线方向均指向复合焊枪，所述的X向超声振动装置、Y向超声振动装置通过固定法兰分别固定在两个法兰座的安装孔上，使得X向超声振动装置、Y向超声振动装置互相垂直且位于同一平面地固定在耦合盘上。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的耦合盘和复合焊枪一体成型。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的X向换能器为压电换能器或磁致伸缩换能器，所述的Y向换能器为压电换能器或磁致伸缩换能器。
作为上述技术方案的进一步改进，X向变幅杆的材料为粉末冶金钢、钛合金或铝合金，Y向变幅杆的材料为粉末冶金钢、钛合金或铝合金。
一种二维超声振动辅助熔化焊接方法，包括以下步骤：
步骤一：工频交流电经过超声波发生器转换为高频交流电，高频电流同时输入到X向换能器与Y向换能器并产生同频的X向超声振动和Y向超声振动；
步骤二：X向超声振动与Y向超声振动分别经X向变幅杆和Y向变幅杆进行放大；
步骤三：X向变幅杆和Y向变幅杆之间夹角为α，α的值小于180°大于0°，使X向的超声振动与Y向超声振动通过耦合盘使焊枪在焊缝内形成二维加载的超声复合能量。
作为上述技术方案的进一步改进，X向变幅杆和Y向变幅杆之间夹角为90°，X向超声波发生器的高频交流电与Y向超声波发生器的高频交流电之间的相位差θ，使x向的超声振动与y向超声振动通过耦合盘使焊枪在焊缝内形成瞬时随机运动轨迹，运动公式为：
X向：x＝a×sin(2πft)
Y向：y＝b×sin(2πft+θ)
其中x为焊枪X方向位移函数，y为焊枪Y方向位移函数，a，b分别为实验测量焊枪X方向振幅与Y方向振幅，t为时间变量，π为圆周率。
作为上述技术方案的进一步改进，工频交流电为220V/380V，50Hz；高频交流电的频率为20～200kHz，相位差θ的取值范围为0～90°；X向换能器、Y向换能器的振幅均为5～50μm；X向超声波发生器、Y向超声波发生器功率均为300～3000W；X向超声振动与Y向超声振动分别经X向变幅杆和Y向变幅杆进行放大后，振幅均为10～1000μm。
本发明的有益效果是：通过采用二维振动合成的方法使电弧产生旋转，焊炬结构简单，焊接过程中电弧更加稳定；将超声作用于电弧后，电弧压缩效果明显，电弧能量密度得到提高；超声能通过电弧传输到熔池，对熔池产生剧烈搅拌作用，空化和声流效应可以促进溶质在焊缝中均匀分布，细化晶粒，减少消除焊缝的气孔率，并可以减小焊接残余应力和变形，提高焊接接头力学性能。
本发明涉及一种二维超声振动辅助熔化焊接装置与方法，属于熔化极电弧焊接及电弧冶金领域。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员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设计方案和附图。
图1是本发明实施例的结构示意图；
图2是本发明实施例的复合焊枪示意图；
图3是本发明实施例的电弧瞬时运动轨迹图。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，文中所提到的所有联接/连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少联接辅件，来组成更优的联接结构。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。
实施例如下，参照图1～图3，一种二维超声振动辅助熔化焊接装置，包括复合焊枪3，弧焊电源、送丝装置2，所述的送丝装置2为复合焊枪3提供焊料，还包括耦合盘5，所述的耦合盘5与复合焊枪3固定连接；X向超声振动装置41，所述的X向超声振动装置41包括X向超声波发生器411、X向换能器412、X向变幅杆413，所述的X向超声波发生器411通过X向换能器412与X向变幅杆413相连，所述的X向变幅杆413的一端与X向换能器412相连，另一端与耦合盘5相连；Y向超声振动装置42，所述的Y向超声振动装置42包括Y向超声波发生器421、Y向换能器422、Y向变幅杆423，所述的Y向超声波发生器421通过Y向换能器422与Y向变幅杆423相连，所述的Y向变幅杆423一端与Y向换能器422相连，另一端与耦合盘5相连；所述的Y向超声振动装置42、X向超声振动装置41之间夹角为α，α的值小于180°大于0°。
通过设置两之间夹角为α，α的值小于180°大于0°。的超声振动装置，利用二维超声振动合成的方法使电弧产生旋转，焊炬结构简单，焊接过程中电弧更加稳定；将超声作用于电弧后，电弧压缩效果明显，电弧能量密度得到提高；超声能通过电弧传输到熔池，对熔池产生剧烈搅拌作用，空化和声流效应可以促进溶质在焊缝中均匀分布，细化晶粒，减少消除焊缝的气孔率，并可以减小焊接残余应力和变形，提高焊接接头力学性能。
进一步作为优选的实施方式，所述的Y向超声振动装置42、X向超声振动装置41均垂直于复合焊枪3，所述的Y向超声振动装置42、X向超声振动装置41互相垂直并位于同一平面内。由此，通过将Y向超声振动装置和X向超声振动装置设置成互相垂直的形式，超声振动的合成更易于控制，并且将X向、Y向超声装置设在同一平面，能够避免X向、Y向超声装置不共面对复合焊枪产生不必要的扭矩，从而提高复合焊枪的使用寿命。
进一步作为优选的实施方式，还包括支撑座1、两个固定法兰、两个法兰座，所述的复合焊枪3通过耦合盘5沿竖直方向地固定在支撑座1上，两个所述的法兰座互相垂直地固定在支撑座1上，两个所述的法兰座均位于同一平面上，两个所述的法兰座均包括安装孔，两个所述的法兰座的安装孔的轴线方向均指向复合焊枪3，所述的X向超声振动装置41、Y向超声振动装置42通过固定法兰分别固定在两个法兰座的安装孔上，使得X向超声振动装置41、Y向超声振动装置42互相垂直且位于同一平面地固定在耦合盘5上。由此，通过支撑座以及固定法兰、法兰盘固定超声装置以及复合焊枪，将整个焊接装置进行标准化装配，便于通过支撑座导入各种生产环境，例如将支撑座固定在机械手上。
进一步作为优选的实施方式，所述的耦合盘5和复合焊枪3一体成型。耦合盘与复合焊枪受X向、Y向超声发生器同时作用，采用将两者一体成型的方式能够有效提高其强度，相比拆分成两个零件进行连接其故障率低。
进一步作为优选的实施方式，所述的X向换能器412为压电换能器或磁致伸缩换能器，所述的Y向换能器422为压电换能器或磁致伸缩换能器。
进一步作为优选的实施方式，X向变幅杆413的材料为粉末冶金钢、钛合金或铝合金，Y向变幅杆423的材料为粉末冶金钢、钛合金或铝合金。
一种二维超声振动辅助熔化焊接方法，包括以下步骤：
步骤一：工频交流电经过超声波发生器转换为高频交流电，高频电流同时输入到X向换能器412与Y向换能器422并产生同频的X向超声振动和Y向超声振动；步骤二：X向超声振动与Y向超声振动分别经X向变幅杆413和Y向变幅杆423进行放大；步骤三：X向变幅杆413和Y向变幅杆423之间夹角为α，α的值小于180°大于0°，使X向的超声振动与Y向超声振动通过耦合盘5使焊枪在焊缝内形成二维加载的超声复合能量。
由此，焊接时，超声复合能量作用于电弧，使电弧产生超声频旋转，将超声作用于电弧后，电弧压缩效果明显，电弧能量密度得到提高，使得电弧更加稳定；电弧的超声频旋转对熔池产生剧烈搅拌作用，一方面可以有效的促进坡口侧壁的熔合，另一方面空化和声流效应可以促进溶质在焊缝中均匀分布，细化晶粒，减少消除焊缝的气孔率，并可以减小焊接残余应力和变形，提高焊接接头力学性能。
进一步作为优选的实施方式，X向变幅杆413和Y向变幅杆423之间夹角为90°，X向超声波发生器的高频交流电与Y向超声波发生器的高频交流电之间的相位差θ，使x向的超声振动与y向超声振动通过耦合盘5使焊枪在焊缝内形成瞬时随机运动轨迹，运动公式为：
X向：x＝a×sin(2πft)
Y向：y＝b×sin(2πft+θ)
其中x为焊枪X方向位移函数，y为焊枪Y方向位移函数，a，b分别为实验测量焊枪X方向振幅与Y方向振幅，t为时间变量，π为圆周率。由此，电弧产生超声频旋转，旋转路径为椭圆，电弧能量密度得到提高，使得电弧更加稳定。
进一步作为优选的实施方式，工频交流电为220V/380V，50Hz；高频交流电的频率为20～200kHz，相位差θ的取值范围为0～90°；X向换能器412、Y向换能器422的振幅均为5～50μm；X向超声波发生器411、Y向超声波发生器421功率均为300～3000W；X向超声振动与Y向超声振动分别经X向变幅杆413和Y向变幅杆423进行放大后，振幅均为10～1000μm。当超声能量过小时，其起到的复合作用弱；而当超声能量过大时，其产生的空化效应会再焊池内形成空洞，从而降低焊缝强度。优选以上产生能够使超声能量对焊接过程产生增益效果。
以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (9)
1.一种二维超声振动辅助熔化焊接装置，包括复合焊枪(3)，弧焊电源、送丝装置(2)，所述的送丝装置(2)为复合焊枪(3)提供焊料，其特征在于：还包括
耦合盘(5)，所述的耦合盘(5)与复合焊枪(3)固定连接；
X向超声振动装置(41)，所述的X向超声振动装置(41)包括X向超声波发生器(411)、X向换能器(412)、X向变幅杆(413)，所述的X向超声波发生器(411)通过X向换能器(412)与X向变幅杆(413)相连，所述的X向变幅杆(413)的一端与X向换能器(412)相连，另一端与耦合盘(5)相连；
Y向超声振动装置(42)，所述的Y向超声振动装置(42)包括Y向超声波发生器(421)、Y向换能器(422)、Y向变幅杆(423)，所述的Y向超声波发生器(421)通过Y向换能器(422)与Y向变幅杆(423)相连，所述的Y向变幅杆(423)一端与Y向换能器(422)相连，另一端与耦合盘(5)相连；所述的Y向超声振动装置(42)、X向超声振动装置(41)之间夹角为α，α的值小于180°大于0°。
2.根据权利要求1所述的一种二维超声振动辅助熔化焊接装置，其特征在于：所述的Y向超声振动装置(42)、X向超声振动装置(41)均垂直于复合焊枪(3)，所述的Y向超声振动装置(42)、X向超声振动装置(41)互相垂直并位于同一平面内。
3.根据权利要求1或2所述的一种二维超声振动辅助熔化焊接装置，其特征在于：还包括支撑座(1)、两个固定法兰、两个法兰座，所述的复合焊枪(3)通过耦合盘(5)沿竖直方向地固定在支撑座(1)上，两个所述的法兰座互相垂直地固定在支撑座(1)上，两个所述的法兰座均位于同一平面上，两个所述的法兰座均包括安装孔，两个所述的法兰座的安装孔的轴线方向均指向复合焊枪(3)，所述的X向超声振动装置(41)、Y向超声振动装置(42)通过固定法兰分别固定在两个法兰座的安装孔上，使得X向超声振动装置(41)、Y向超声振动装置(42)互相垂直且位于同一平面地固定在耦合盘(5)上。
4.根据权利要求1所述的一种二维超声振动辅助熔化焊接装置，其特征在于：所述的耦合盘(5)和复合焊枪(3)一体成型。
5.根据权利要求1所述的一种二维超声振动辅助熔化焊接装置，其特征在于：所述的X向换能器(412)为压电换能器或磁致伸缩换能器，所述的Y向换能器(422)为压电换能器或磁致伸缩换能器。
6.根据权利要求1所述的一种二维超声振动辅助熔化焊接装置，其特征在于：X向变幅杆(413)的材料为粉末冶金钢、钛合金或铝合金，Y向变幅杆(423)的材料为粉末冶金钢、钛合金或铝合金。
7.一种二维超声振动辅助熔化焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：工频交流电经过超声波发生器转换为高频交流电，高频电流同时输入到X向换能器(412)与Y向换能器(422)并产生同频的X向超声振动和Y向超声振动；
步骤二：X向超声振动与Y向超声振动分别经X向变幅杆(413)和Y向变幅杆(423)进行放大；
步骤三：X向变幅杆(413)和Y向变幅杆(423)之间夹角为α，α的值小于180°大于0°，使X向的超声振动与Y向超声振动通过耦合盘(5)使焊枪在焊缝内形成二维加载的超声复合能量。
8.根据权利要求7所述的一种二维超声振动辅助熔化焊接方法，其特征在于：X向变幅杆(413)和Y向变幅杆(423)之间夹角为90°，X向超声波发生器的高频交流电与Y向超声波发生器的高频交流电之间的相位差为θ，使x向的超声振动与y向超声振动通过耦合盘(5)使焊枪在焊缝内形成瞬时随机运动轨迹，运动公式为：
X向：x＝a×sin(2πft)
Y向：y＝b×sin(2πft+θ)
其中x为焊枪X方向位移函数，y为焊枪Y方向位移函数，a，b分别为实验测量焊枪X方向振幅与Y方向振幅，t为时间变量，π为圆周率。
9.根据权利要求7或8所述的一种二维超声振动辅助熔化焊接方法，其特征在于：工频交流电为220V/380V，50Hz；高频交流电的频率为20～200kHz，相位差θ的取值范围为0～90°；X向换能器(412)、Y向换能器(422)的振幅均为5～50μm；X向超声波发生器(411)、Y向超声波发生器(421)功率均为300～3000W；X向超声振动与Y向超声振动分别经X向变幅杆(413)和Y向变幅杆(423)进行放大后，振幅均为10～1000μm。
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