CN110524128A - 基于超声能量场直接注入方式的超声辅助电弧焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超声能量场直接注入方式的超声辅助电弧焊接方法，将多个超声换能器与焊接正面压紧或背面支撑工装集成于一体，在换能器端部涂抹耐高温的超声耦合剂，然后将超声换能器沿待焊焊缝的两侧或单侧均布在距焊缝中心一定距离的工件表面，在装夹焊接工件的同时以一定的预紧力将换能器固定在其表面，并使超声换能器以斜射入方式将超声能量垂直于焊接方向入射焊缝，开启焊接系统进行焊接，同时启动超声电源依次驱动当前电弧位置其后一定距离的换能器，将产生的大功率超声能量利用换能器通过耦合剂直接注入焊接区域作用于焊接熔池，实现超声辅助焊接。本发明的超声系统和焊接系统独立，大幅提高了超声能量的有效利用率。

Description

基于超声能量场直接注入方式的超声辅助电弧焊接方法

技术领域

本发明涉及一种电弧焊接技术，具体涉及一种超声能量场辅助的电弧焊接方法，属于焊接技术领域。

背景技术

电弧焊接是一个局部、不均匀的加热及冷却过程，同时也是一个快速加热、快速凝固的过程，使得焊缝熔池金属的凝固结晶不均匀，导致焊接接头组织不均匀、晶粒粗大，快速凝固也是产生气孔、裂纹等缺陷的主要原因，影响接头性能。所以，获得组织均匀、晶粒细化、无缺陷的接头是焊接技术发展及进步的永恒追求。

功率超声是超声学的一个分支学科，其频率范围从几千赫到几百千赫，功率范围从几瓦到几万瓦，作用于金属或合金凝固过程时由于周期性交变声场而产生一系列独特的力学效应、热效应、空化效应以及声流效应等，可改变或加速改变熔体或固熔混合体的凝固结晶状态，改善组织结构、减少凝固缺陷、提高力学性能。在普通电弧焊接过程中引入超声能，与焊接过程复合，改变普通焊接工艺的特性，以实现普通焊接难以达到的效果，形成超声辅助电弧焊接技术，是开发焊接新技术、解决普通电弧焊接工艺瓶颈问题切实可行的途径之一。

目前，在电弧焊中引入超声波实现辅助焊接的方式大致可分为以下三种：通过母材引入、通过焊丝引入和通过焊枪引入。对于从母材引入的方式，专利(李占明，孙晓峰，何嘉武，等.一种超声振动辅助焊接试验装置[P].申请号：201810132620.9)利用换能器将超声电信号转化为机械振动，再利用变幅杆扩大振幅后冲击作用于焊接部位的母材，通过母材的机械振动实现对熔池金属的高频振动以改善凝固结晶；专利(林三宝，陈琪昊，杨春利，等.一种可细化焊接接头晶粒的超声电弧复合焊接方法[P].申请号：201510715844.9)利用换能器将超声电信号转化为机械振动，再利用变幅杆扩大振幅后通过与之连接的布置在母材焊接部位的滚轮将超声能量传导进入熔池；对于从焊丝和焊枪引入的方式，专利(杨春利，孙清洁，范阳阳.一种超声波与非熔化极电弧复合的焊接方法[P].申请号：200710144659.4，范成磊，谢伟峰，杨春利.一种超声电弧复合焊接装置[P].申请号：201410063336.2)利用换能器将超声电信号转化为机械振动，再利用变幅杆扩大振幅后作用于焊丝或焊枪，最终以电弧作为载体将超声传导后作用于焊接熔池金属。

上述方法需使用变幅杆扩大超声振幅后方能发挥实际作用，为了保证超声振动系统工作效率最高，要求变幅杆固有频率与换能器输出频率相吻合以达到谐振状态，需特殊设计变幅杆的结构尤其是其端面结构，由于换能器在工作中其频率在一定范围内波动而非定值，要让变幅杆达到谐振状态比较困难；通过母材引入超声的方式，变幅杆或滚轮直接与母材接触，超声能量在接触界面空气中衰减，进入熔池的超声能量非常有限，这种方法本质上是超声驱动变幅杆使母材振动以影响熔池金属的凝固过程，而不是超声场直接作用于熔池金属，同时，如果超声施加位置保持不变，随着焊枪的移动，超声作用位置距离熔池变远，超声作用效果变差，如果采用滚轮的施加方式则受某些结构限制(如法兰)使得装备可达性较差；通过焊丝和焊枪引入超声的方式，需对送丝机构和焊枪进行特殊设计，要实现超声与送丝机构和焊枪良好耦合比较困难，而超声在空气中衰减损失严重，通过电弧传导进入熔池的超声能量非常有限，通过换能器—变幅杆—焊丝/焊枪—电弧—熔池的多级传递后，超声能量利用率较低；同时，超声从焊丝和焊枪引后最终通过电弧传导进入熔池，超声改变了电弧特性，影响电弧燃烧稳定性尤其是熔化极焊接的熔滴过渡，引起飞溅导致成形变差，工艺过程稳定性控制是难题。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点，本发明提出了一种基于超声能量场直接注入方式的超声辅助电弧焊接方法，用于实现两个工件的电弧焊接，包括：将多个超声换能器与焊接正面压紧或背面支撑工装集成于一体，在换能器端部涂抹耐高温的超声耦合剂，然后将超声换能器沿待焊焊缝的两侧或单侧均布在距焊缝中心一定距离的工件表面，在装夹焊接工件的同时以一定的预紧力将换能器固定在其表面，并使超声换能器以斜射入方式将超声能量垂直于焊接方向入射焊缝，开启焊接系统进行焊接，同时启动超声电源依次驱动当前电弧位置其后一定距离的换能器，将产生的大功率超声能量利用换能器通过耦合剂直接注入焊接区域作用于焊接熔池，实现超声辅助焊接。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于超声能量场直接注入方式的超声辅助电弧焊接方法，包括如下步骤：

步骤一、布置超声换能器

基于斜射入方式使超声垂直于焊接方向传导进入熔池的原则，将超声换能器及其端部的激励头通过螺纹连接成组合体，再与焊接正面压紧工装或背面支撑工装集成于一体，在激励头的端部均匀涂抹耐高温耦合剂，然后将超声换能器沿待焊焊缝的两侧或单侧均布在距焊缝中心一定距离L的位置，在装夹焊接工件的同时将超声换能器固定在焊接工件表面；

步骤二、连接超声换能器

利用多通道超声电源通过超声传输线缆连接超声换能器；

步骤三、设置超声参数

根据焊接工件的材料及厚度，在超声电源控制面板上设置并保存如下参数：超声频率为15-40KHz、驱动每个超声换能器的超声功率为50-500W；

步骤四、超声辅助焊接工件

启动焊接系统，采用现有焊接工艺对焊接工件进行焊接；同时，启动超声电源，依次驱动当前电弧位置其后一定距离W的超声换能器，将超声能量直接注入到焊接区域作用于熔池金属，进行超声辅助焊接；

步骤五、结束焊接

待整条焊缝焊接完成后，关闭焊接系统以及超声电源，将超声换能器及激励头连同焊接工装从焊接工件上取下，断开超声传输线缆，将焊接工件表面的耦合剂擦拭干净，完成超声辅助焊接。

与现有技术相比，本发明的积极效果是：

1.本发明的超声系统和焊接系统独立，不影响焊接电弧燃烧及熔滴过渡稳定性，不改变现有焊接生产工艺和流程，装备简单、工艺简洁，只需调节超声频率及功率两个参数即可利用超声的诸多特性，实现超声辅助焊接。

2.本发明的超声能量经过换能器直接注入母材且在最短距离内经换能器—母材—熔池2级传导即进入熔池，避免了当前文献方法中超声能量需经过换能器—变幅杆—焊丝/焊枪—电弧—熔池的4级传递才能进入熔池，大幅提高了超声能量的有效利用率。

3.本发明采用斜射入方式使超声垂直于焊接方向传导进入熔池，利用超声传播的指向性使得超声能量仅在换能器与熔池之间短距离的传播，减少了传播过程超声能量的损耗；同时，在换能器的激励头端部涂抹耐高温的超声耦合剂，与当前文献方法中不利用耦合剂直接通过母材引入超声的方法比较，大幅降低了超声在母材引入界面空气中的损耗；综合来看，本方法大幅提高了作用于焊接熔池的超声利用率，采用较低的超声能量即可实现文献介绍方法的目标，降低了对超声系统的要求。

4、本发明的超声换能器端部的激励头，具有聚集超声能量、减少超声损失的作用，同时可根据焊接结构设计成不同结构，实现超声对焊接过程的加载，激励头材料无特殊要求，采用透声性能良好、可加工、耐一定温度(不超过400℃)即可，一般采用铝合金。

5、本发明的超声换能器与焊接背面支撑或正面压紧工装集成于一体，简化了装备的结构；同时，根据焊缝长度、换能器大小以及换能器输出超声的有效作用范围可沿焊缝布置多个换能器通过多通道超声电源进行驱动，满足实际生产连续焊接的要求。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为本发明的装置结构示意图，附图标记为：1-多通道超声电源，2-超声换能器，3-激励头，4-超声传输线缆，5-耦合剂，6-工件，7-待焊接焊缝，8-正面压紧工装、9-背面支撑工装、10-焊枪、11-超声波；

图2为实施例1的实现方案，附图标记为：12-电弧；

图3为实施例1中8mm厚2A14铝合金超声辅助焊接金相组织；

图4为实施例1中8mm厚2A14铝合金未采用超声辅助焊接的金相组织；

图5为实施例1中8mm厚2A14铝合金超声辅助焊接焊缝气孔缺陷情况；

图6为实施例1中8mm厚2A14铝合金未采用超声辅助焊接的焊缝气孔缺陷情况。

具体实施方式

一种基于超声能量场直接注入方式的超声辅助电弧焊接方法，其实现过程示意如图1，所述方法步骤包括：

(1)布置换能器

基于斜射入方式使超声垂直于焊接方向传导进入熔池的原则，将换能器2及其端部的激励头3通过螺纹连接成组合体，再与焊接正面压紧工装8或背面支撑工装9通过螺纹等连接方式集成于一体，换能器2及其端部的激励头3一般采用圆柱体或长方体结构，产生的超声波沿其轴线传播，集成时通过调整换能器2及其端部的激励头3与焊接正面压紧工装8或背面支撑工装9的装配连接角度，实现超声相对于工件的斜射入，入角度控制在0-90°之间(不包含0°)，一般采用45°，在激励头3的端部均匀涂抹耐高温耦合剂5，然后将超声换能器2沿待焊焊缝7的两侧或单侧均布在距其中心一定距离L的位置，在装夹焊接工件6的同时以30-100N的预紧力将换能器2固定在其表面。换能器中心与焊缝中心的布置距离L以不干涉焊接过程焊枪10的运动并尽可能靠近焊缝为原则，布置数量根据焊缝长度、换能器大小以及换能器输出的超声场有效作用范围进行均布，一般控制在换能器端部激励头中心点到该点与焊缝中心垂直连线与其激励头端部边缘交点的距离+(10-50)mm，具体通过试验确定。

(2)连接换能器

利用多通道超声电源1通过超声传输线缆4连接换能器2，以驱动其工作。

(3)设置超声参数

根据工件6的焊接材料及厚度，在超声电源1控制面板上设置并保存如下参数：超声频率15-40KHz、驱动每个换能器的超声功率50-500W。

(4)超声辅助焊接工件

启动焊接系统，采用现有焊接工艺进行工件6的焊接；同时，启动超声电源1，依次驱动当前电弧位置其后一定距离的换能器2(避免超声作用于熔池过于强烈而导致液态金属飞溅，一般控制在30-100mm，具体距离根据板厚及超声功率通过试验确定)，将超声能量11直接注入到焊接区域作用于熔池金属，进行超声辅助焊接。

(5)结束焊接

待整条焊缝焊接完成后，关闭焊接系统以及超声电源，将换能器2及激励头3连同焊接工装从工件6取下，断开超声传输线缆4，将工件6表面的耦合剂5擦拭干净，完成超声辅助焊接。

下面结合具体的实施例对本发明做进一步描述。

实施例1：

一种基于超声能量场直接注入方式的超声辅助电弧焊接方法，采用所述方法对500mm×300mm×8mm厚的航天用2A14铝合金进行超声辅助对接焊，该2A14铝合金经固溶+人工时效处理，母材强度440MPa、断后延伸率10％，标准为焊后对接头进行X光缺陷检测满足QJ 2698AQ/Y420Ⅰ级焊缝、强度不低于母材的50％、延伸率不低于3％即为合格，所述方法步骤如下：

(1)布置换能器

采用6个直径为Φ70mm的圆柱形超声换能器，中心间距间隔200mm沿试板焊缝长度方向均布在距焊缝两侧，布置位置为换能器中心距离焊缝中心L＝55mm，激励头以45°斜入射方式使超声垂直于焊接方向入射焊缝，在激励头端部均匀涂抹耐高温蓝油作为耦合剂，利用压紧工装将换能器压紧在焊接试板上。

(2)连接换能器

利用多通道超声电源通过超声传输线缆连接这6个换能器，以驱动其工作。

(3)设置超声处理参数

根据试板材料及规格，在超声电源控制面板上设置并保存如下参数：超声频率20KHz、驱动每个换能器的超声功率200W。

(4)超声辅助焊接工件

启动焊接系统，采用变极性TIG自动焊接方法，以8mm厚度2A14铝合金焊接参数进行试板焊接；同时，启动超声电源，当电弧(图2中12所示)沿焊接方向运动到距离每个换能器前面50mm(图2中W所示)时驱动该换能器，将超声能量直接注入到焊接区域作用于熔池金属，进行超声辅助焊接。

(5)结束焊接

待整条焊缝焊接完成后，关闭焊接系统以及超声电源，将换能器及激励头连同焊接工装从工件取下，断开超声传输线缆，将工件表面的耦合剂擦拭干净，完成超声辅助焊接。

发明人按照该实施步骤分别进行了5组焊接，焊后进行X光透视检测，制备接头金相试样观察金相组织，每组取3个拉伸试样进行机械性能测试，与采用相同焊接工艺在无超声辅助条件下焊接，比较两种方法的焊接缺陷、接头组织和性能。X光透视检测表明，本方法焊缝无夹杂、裂纹以及超标气孔等缺陷；比较图3和图4，本发明方法的焊缝晶粒更细、组织更均匀；比较图5和图6，本发明方法无超标的大尺寸及链状小气孔缺陷，而未施加超声的焊缝存在超标气孔缺陷(图中白点为气孔缺陷)，要获得无超标气孔缺陷的焊缝，未施加超声的焊接方法对工艺过程控制较严格，工艺区间较窄；对缺陷检验合格的接头取样，本发明方法获得的接头抗拉强度300-310MPa(接头强度系数68％-70％)、延伸率4.5％-5.5％，未采用超声辅助焊接的接头抗拉强度270-295MPa(接头强度系数61％-67％)、延伸率3.5％-4.5％，从具体数据可以看出本发明方法接头强度和延伸率更优，从数据波动可以看出本发明方法接头性能波动较小，表明发明方法超声的加入未影响焊接工艺稳定性和一致性。

本发明方法包括但不限于实施例中的焊接结构、焊接方法和焊接材料，广泛适用于当前常用的对接、搭接、角接、端接等焊接结构，适用于当前常用的非熔化极气体保护焊、熔化极气体保护焊、埋弧焊、等离子弧等电弧焊及这些方法的复合焊等焊接工艺，适用于当前常用的碳钢、不锈钢、合金钢、铝合金、钛合金、镁合金等金属材料的辅助电弧焊接。

Claims (10)

1.一种基于超声能量场直接注入方式的超声辅助电弧焊接方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、布置超声换能器

基于斜射入方式使超声垂直于焊接方向传导进入熔池的原则，将超声换能器及其端部的激励头通过螺纹连接成组合体，再与焊接正面压紧工装或背面支撑工装集成于一体，在激励头的端部均匀涂抹耐高温耦合剂，然后将超声换能器沿待焊焊缝的两侧或单侧均布在距焊缝中心一定距离L的位置，在装夹焊接工件的同时将超声换能器固定在焊接工件表面；

步骤二、连接超声换能器

利用多通道超声电源通过超声传输线缆连接超声换能器；

步骤三、设置超声参数

根据焊接工件的材料及厚度，在超声电源控制面板上设置并保存如下参数：超声频率为15-40KHz、驱动每个超声换能器的超声功率为50-500W；

步骤四、超声辅助焊接工件

启动焊接系统，采用现有焊接工艺对焊接工件进行焊接；同时，启动超声电源，依次驱动当前电弧位置其后一定距离W的超声换能器，将超声能量直接注入到焊接区域作用于熔池金属，进行超声辅助焊接；

步骤五、结束焊接

待整条焊缝焊接完成后，关闭焊接系统以及超声电源，将超声换能器及激励头连同焊接工装从焊接工件上取下，断开超声传输线缆，将焊接工件表面的耦合剂擦拭干净，完成超声辅助焊接。

2.根据权利要求1所述的基于超声能量场直接注入方式的超声辅助电弧焊接方法，其特征在于：所述斜射入角度为45°。

3.根据权利要求1所述的基于超声能量场直接注入方式的超声辅助电弧焊接方法，其特征在于：所述超声换能器和激励头采用圆柱体或长方体结构，产生的超声波沿其轴线传播。

4.根据权利要求1所述的基于超声能量场直接注入方式的超声辅助电弧焊接方法，其特征在于：所述L控制在换能器端部激励头中心点到该点与焊缝中心垂直连线与其激励头端部边缘交点的距离再增加10至50mm。

5.根据权利要求1所述的基于超声能量场直接注入方式的超声辅助电弧焊接方法，其特征在于：所述W控制在30-100mm。

6.根据权利要求1所述的基于超声能量场直接注入方式的超声辅助电弧焊接方法，其特征在于：所述超声换能器以30-100N的预紧力固定在焊接工件表面。

7.根据权利要求1所述的基于超声能量场直接注入方式的超声辅助电弧焊接方法，其特征在于：所述激励头采用铝合金材料制成。

8.根据权利要求1所述的基于超声能量场直接注入方式的超声辅助电弧焊接方法，其特征在于：所述电弧焊接方法包括非熔化极气体保护焊、熔化极气体保护焊、埋弧焊、等离子弧焊及其复合焊。

9.根据权利要求1所述的基于超声能量场直接注入方式的超声辅助电弧焊接方法，其特征在于：所述焊接包括对接、搭接、角接、端接等焊接结构。

10.根据权利要求1所述的基于超声能量场直接注入方式的超声辅助电弧焊接方法，其特征在于：所述焊接工件的材料为碳钢、不锈钢、合金钢、铝合金、钛合金、镁合金等金属材料。