CN109108506B - 超声波辅助装置及焊接系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及焊接技术领域，尤其涉及超声波辅助装置及焊接系统，其中超声波辅助装置包括滚动件和超声波发生器，超声波发生器设置于滚动件上，滚动件的转轴与焊枪连接，以使滚动件位于焊缝的一侧且与熔池相距预设距离，滚动件的底部表面低于焊枪的喷口，以使滚动件跟随焊枪的移动在工件的表面滚动。本发明的超声波辅助装置在工件焊接过程中，开启超声波发生器，随着焊接进行，滚动件在工件表面随着焊枪沿焊缝移动，从而保持超声波发生器与熔池相距之间的预设距离不变，保证超声波频率有效传递至熔池，焊缝中心位置出现明显的细化晶粒组织，焊缝内部细小等轴晶粒组织逐渐增加，大尺寸晶粒组织破碎形成内部细小等轴晶组织，焊缝组织明显改善。

Description

超声波辅助装置及焊接系统

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，尤其涉及超声波辅助装置及焊接系统。

背景技术

目前随着我国工业的高速发展，大型桥梁结构、石油管道轨道列车、重型机械等都使用了大量的焊接结构，焊接热输入、焊接方法对结构的寿命、变形尺寸控制等具有重要影响。焊缝成型及组织结构，周边热影响区的再结晶、晶粒生长深受焊接热输入影响，福尼斯等国际化设备公司先后推出了冷金属过渡焊技术(CMT)及设备，旨在降低接热输入对焊接结构及质量的影响。

CMT焊接实验过程中，在进行微观组织观察时发现，CMT焊接形成的焊缝主要由大尺寸枝晶组织构成，枝晶组织之间存在条带状低熔点共晶化合物，这是由于CMT焊接的冷却速度较快，焊缝熔池冷却过程中，晶粒生长方向与最佳散热方向相一致，因此晶粒尺寸较大且基本垂直于焊缝熔合线向焊缝中心生长，导致焊缝中心为粗大的树枝状晶粒，焊缝中心晶粒交汇处则易形成低熔点共晶化合物，形成弱化相，从而使焊缝中心位置成为焊缝弱化点，降低焊接质量，影响焊接效果。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的是工件在焊接过程中焊缝中心位置容易形成粗大的树枝状晶粒，以使焊缝中心位置成为焊缝弱化点，影响焊接质量和效果的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种超声波辅助装置，包括滚动件和超声波发生器，所述超声波发生器设置于所述滚动件上，所述滚动件的转轴与焊枪连接，以使所述滚动件位于焊缝的一侧且与熔池相距预设距离，所述滚动件的底部表面低于所述焊枪的喷口，以使所述滚动件跟随所述焊枪的移动在工件的表面滚动。

其中，所述滚动件的形状为环状，所述滚动件的内圆周面设置所述超声波发生器，所述滚动件的外圆周面的底部低于所述焊枪的喷口。

其中，所述超声波发生器为多个，多个所述超声波发生器在所述滚动件的内圆周面沿周向均匀分布。

其中，所述滚动件的内部设有与所述超声波发生器一一对应的压力传感器，且每个所述压力传感器与其对应的所述超声波发生器正对设置。

其中，所述滚动件设有冷却组件，所述冷却组件靠近所述超声波发生器。

其中，所述超声波发生器沿所述滚动件的转轴向所述熔池倾斜设置，以使其发出的超声波斜射入所述熔池。

其中，所述滚动件为滚轮。

其中，所述超声波发生器发出的超声波为横波。

本发明还提供了一种焊接系统，包括控制装置，以及均与所述控制装置连接的视觉装置、跟踪装置、焊接装置和如权利要求1-8任一项所述的超声波辅助装置，所述焊接装置包括焊枪，所述超声波辅助装置与所述焊枪通过所述跟踪装置连接，以通过所述跟踪装置调整所述滚动件的转轴与所述焊枪的喷口的轴线之间所呈的角度，以及所述滚动件的底部表面与所述焊枪的喷口之间的高度差；所述视觉装置用于确定焊接运动方向，并监控焊接状态；所述控制装置接收所述视觉装置的信号，向所述焊接装置输出工作指令，控制所述跟踪装置运动，保证所述超声波发生器与熔池的相对位置，接收超声波发生器的工作信号，调节与控制超声波辅助装置中的冷却组件。

其中，所述跟踪装置与所述焊枪固定连接，且与所述滚动件的转轴通过卡槽进行可调节连接。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明超声波辅助装置通过超声波改善焊缝组织，降低焊接热输入的情况下进一步改善焊接质量，避免母材热影响区晶粒过分长大，改善焊缝组织枝晶结构。本发明的超声波辅助装置采用滚动形式，在滚动件上设置超声波发生器，超声波发生器负责提供超声波，破碎焊缝枝晶组织。滚动件与焊枪连接并与工件表面刚性接触，在工件焊接过程中，开启超声波发生器，随着焊接进行，滚动件在工件表面随着焊枪沿焊缝移动，从而保持超声波发生器与熔池相距之间的预设距离不变，保证超声波频率有效传递至熔池，实现超声波有效性。在超声波的作用下，焊缝中心位置出现明显的细化晶粒组织，晶粒由最初的长条状晶粒转变为长直晶粒与中心等轴晶相结合的方式，随着超声波频率逐步提高，焊缝内部细小等轴晶粒组织逐渐增加，大尺寸晶粒组织破碎形成内部细小等轴晶组织，焊缝组织明显改善。

除了上面所描述的本发明解决的技术问题、构成的技术方案的技术特征以及有这些技术方案的技术特征所带来的优点之外，本发明的其他技术特征及这些技术特征带来的优点，将结合附图作出进一步说明。

附图说明

图1是本发明实施例超声波辅助装置的结构示意图；

图2是本发明实施例超声波辅助装置在焊接过程中的示意图；

图3是本发明实施例焊接系统的结构示意图。

图中：1：滚动件；2：超声波发生器；3：压力传感器；4：冷却组件；5：视觉装置；6：跟踪装置；7：焊接装置；8：超声波辅助装置；9：控制装置；10：工件；71：焊枪；72：电源；101：熔池；102：焊缝。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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的一部分实施例，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的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，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。

此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”、“多根”、“多组”的含义是两个或两个以上，“若干个”、“若干根”、“若干组”的含义是一个或一个以上。

如图1和图2所示，本发明实施例提供的超声波辅助装置，包括滚动件1和超声波发生器2，超声波发生器2设置于滚动件1上，滚动件1的转轴与焊枪71连接，以使滚动件1位于焊缝102的一侧且与熔池101相距预设距离，滚动件的底部表面低于所述焊枪的喷口，以使滚动件1的底部表面低于焊枪71的喷口，以使滚动件1跟随焊枪71的移动在工件10的表面滚动。

本发明超声波辅助装置通过超声波改善焊缝组织，降低焊接热输入的情况下进一步改善焊接质量，避免母材热影响区晶粒过分长大，改善焊缝组织枝晶结构。本发明的超声波辅助装置采用滚动形式，在滚动件上设置超声波发生器，超声波发生器负责提供超声波，破碎焊缝枝晶组织。滚动件与焊枪连接并与工件表面刚性接触，在工件焊接过程中，开启超声波发生器，随着焊接进行，滚动件在工件表面随着焊枪沿焊缝移动，从而保持超声波发生器与熔池相距之间的预设距离不变，保证超声波频率有效传递至熔池，实现超声波有效性。在超声波的作用下，焊缝中心位置出现明显的细化晶粒组织，晶粒由最初的长条状晶粒转变为长直晶粒与中心等轴晶相结合的方式，随着超声波频率逐步提高，焊缝内部细小等轴晶粒组织逐渐增加，大尺寸晶粒组织破碎形成内部细小等轴晶组织，焊缝组织明显改善。

其中，滚动件1的形状为环状，滚动件1的内圆周面设置超声波发生器2，滚动件1的外圆周面的底部低于焊枪71的喷口。环状滚动件外圆周面与工件表面接触滚动，超声波发生器则设置于滚动件内圆周面上，节省空间，简化设备结构，同时能够保证超声波发生器的正常工作。

其中，超声波发生器2为多个，多个超声波发生器2在滚动件1的内圆周面沿周向均匀分布。多个超声波发生器均匀分布，确保在滚动件的滚动过程中超声波发生器能够持续对熔池发射超声波，不间断，并且保证超声波的频率及功率相同。

其中，滚动件1的内部设有与超声波发生器2一一对应的压力传感器3，且每个压力传感器3与其对应的超声波发生器2正对设置。多个压力传感器均布于滚动件的内部，与多个超声波发生器一一对应，且位置与超声波发生器的位置正对。滚动件与焊接工件接触部位受压力作用，受压位置的压力传感器发送信号至控制系统，控制系统向其对应的超声波发生器发出指令，产生超声波。当滚动件继续滚动，受压位置改变，新的受压位置的压力传感器受到压应力发送信号至控制系统，控制系统想起对应的超声波发生器发出指令，产生超声波，已不受压的压力传感器压应力消失，压力信号传递给控制中心，则其对应的超声波发生器停止工作。因此只有接收到与之相连的压力传感器信号，超声波发生器输出超声波，与之相反，当压力传感器无信号时该超声波发生器停止工作。

其中，滚动件1设有冷却组件4，冷却组件4靠近超声波发生器2。冷却组件对滚动件上设置的超声波发生器等元件进行降温，调节元件温度，保证元件持续稳定工作。本实施例中冷却组件选择为设置于超声波发生器旁的冷却管道。

其中，超声波发生器2沿滚动件1的转轴向熔池101倾斜设置，以使其发出的超声波斜射入熔池101。超声波发生器与滚动件的转轴呈45°角向熔池所在位置倾斜放置，发射超声波斜射入试件表面。

其中，滚动件1为滚轮。本发明的滚动件采用滚轮形式，滚轮上安装4～6组压力传感器以及超声波发生器组合，压力传感器内置于滚轮中，滚轮与熔池之间垂直的预设距离在30mm之内。

其中，超声波发生器2发出的超声波为横波。超声波采用横波形式，便于超声波在试件以及熔池内传播。本发明应用于CMT焊接时，由于CMT热输入两端较低，焊缝冷却速度较快，因此超声波发生器应优选功率不低于5KW，40KHz高频超声设备，条件允许的情况下尽量接近熔池。试验表明，超声波频率为40KHz，功率为3KW，在该超声波条件下焊缝晶粒细化效果明显。

如图3所示，本发明实施例还提供了焊接系统，包括控制装置9，以及均与控制装置9连接的视觉装置5、跟踪装置6、焊接装置7和如上述的超声波辅助装置8，焊接装置7包括焊枪71，超声波辅助装置8与焊枪71通过跟踪装置6连接，以通过跟踪装置6调整滚动件1的转轴与焊枪71的喷口的轴线之间所呈的角度，以及滚动件1的底部表面与焊枪71的喷口之间的高度差；视觉装置5用于确定焊接运动方向，并监控焊接状态；控制装置9接收视觉装置5的信号，向焊接装置7输出工作指令，控制跟踪装置6运动，保证超声波发生器2与熔池101的相对位置，接收超声波发生器2的工作信号，调节与控制超声波辅助装置8中的冷却组件7。

本发明的焊接系统通过超声波强化焊接可以实现焊缝组织晶粒细细化，减少枝晶组织的效果。本发明的焊接系统由控制装置、视觉装置、超声波辅助装置、跟踪装置以及焊接装置共同构成，控制装置是系统核心，负责协调各装置功能，接收视觉装置信号；向焊接装置输出工作指令；控制跟踪装置运动，保证超声波发生器与熔池的相对位置，接收超声波工作情况；调节与控制超声波辅助装置中的冷却组件。视觉装置采用激光跟踪系统，通过检测“V”型坡口最低点确定焊接运动方向，焊接辅助人员通过视觉装置可以即时监控焊接状态，调整焊接过程。

其中，跟踪装置6与焊枪71固定连接，且跟踪装置6与滚动件1的转轴通过卡槽进行可调节连接。跟踪装置与焊枪刚性连接保持预设距离，与滚动件的转轴采用机械卡槽式连接，可根据实际情况调整滚动件的转轴与焊枪的喷口的轴线之间所呈的角度，以及滚动件的底部表面与焊枪的喷口之间的高度差，增强环境适用性。

其中，焊接装置7还包括电源72。在本发明作为CMT焊接系统时，焊接电源采用了福尼斯CMT焊电源设备，作为CMT焊接技术的支撑。控制装置则接收焊电源反馈，管理和监控焊接电源。

本发明的焊接系统在使用时，具体过程如下：

1.焊接人员根据焊接实际情况编写控制装置的程序文件；

2.系统启动后由视觉装置根据焊缝坡口位置，确认焊接运动方向，同时提供焊接画面，便于焊接辅助人员实时观察焊接熔池状态；焊接时，实时观测焊接过程熔滴滴落状态、熔池震荡状态；

3.控制装置接收视觉装置画面，向焊接装置输出指令，指导焊枪及电源工作；控制装置接受视觉装置观测焊缝熔池震荡状态，合理调整超声波辅助装置的超声波输入功率，避免超声波功率不足导致焊缝晶粒长大，或超声波频率过高引起的焊缝成形不良；

4.跟踪装置与焊枪刚性连接保持预设距离，与超声波辅助装置的滚轮采用机械卡槽式连接，可根据实际情况调整滚轮角度及高度，增强环境适用性。

综上所述，本发明超声波辅助装置通过超声波改善焊缝组织，降低焊接热输入的情况下进一步改善焊接质量，避免母材热影响区晶粒过分长大，改善焊缝组织枝晶结构。本发明的超声波辅助装置采用滚动形式，在滚动件上设置超声波发生器，超声波发生器负责提供超声波，破碎焊缝枝晶组织。滚动件与焊枪连接并与工件表面刚性接触，在工件焊接过程中，开启超声波发生器，随着焊接进行，滚动件在工件表面随着焊枪沿焊缝移动，从而保持超声波发生器与熔池相距之间的预设距离不变，保证超声波频率有效传递至熔池，实现超声波有效性。在超声波的作用下，焊缝中心位置出现明显的细化晶粒组织，晶粒由最初的长条状晶粒转变为长直晶粒与中心等轴晶相结合的方式，随着超声波频率逐步提高，焊缝内部细小等轴晶粒组织逐渐增加，大尺寸晶粒组织破碎形成内部细小等轴晶组织，焊缝组织明显改善。

最后应说明的是：以上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精神和范围。

Claims (6)

1.一种超声波辅助装置，其特征在于：包括滚动件和超声波发生器，所述超声波发生器设置于所述滚动件上，所述滚动件的转轴与焊枪连接，以使所述滚动件位于焊缝的一侧且与熔池相距预设距离，所述滚动件的底部表面低于所述焊枪的喷口，以使所述滚动件跟随所述焊枪的移动在工件的表面滚动；

所述滚动件的形状为环状，所述滚动件的内圆周面设置所述超声波发生器，所述滚动件的外圆周面的底部低于所述焊枪的喷口；

所述超声波发生器为多个，多个所述超声波发生器在所述滚动件的内圆周面沿周向均匀分布；

所述滚动件的内部设有与所述超声波发生器一一对应的压力传感器，且每个所述压力传感器与其对应的所述超声波发生器正对设置；

所述滚动件设有冷却组件，所述冷却组件靠近所述超声波发生器。

2.根据权利要求1所述的超声波辅助装置，其特征在于：所述超声波发生器沿所述滚动件的转轴向所述熔池倾斜设置，以使其发出的超声波斜射入所述熔池。

3.根据权利要求1所述的超声波辅助装置，其特征在于：所述滚动件为滚轮。

4.根据权利要求1所述的超声波辅助装置，其特征在于：所述超声波发生器发出的超声波为横波。

5.一种焊接系统，其特征在于：包括控制装置，以及均与所述控制装置连接的视觉装置、跟踪装置、焊接装置和如权利要求1-4任一项所述的超声波辅助装置，所述焊接装置包括焊枪，所述超声波辅助装置与所述焊枪通过所述跟踪装置连接，以通过所述跟踪装置调整所述滚动件的转轴与所述焊枪的喷口的轴线之间所呈的角度，以及所述滚动件的底部表面与所述焊枪的喷口之间的高度差；所述视觉装置用于确定焊接运动方向，并监控焊接状态；所述控制装置接收所述视觉装置的信号，向所述焊接装置输出工作指令，控制所述跟踪装置运动，保证所述超声波发生器与熔池的相对位置，接收超声波发生器的工作信号，调节与控制超声波辅助装置中的冷却组件。

6.根据权利要求5所述的焊接系统，其特征在于：所述跟踪装置与所述焊枪固定连接，且与所述滚动件的转轴通过卡槽进行可调节连接。

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