CN110539061B - 一种侧加超声辅助水下湿法焊接的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种侧加超声辅助水下湿法焊接的装置，其包括超声装置和焊枪装置，其特征在于，所述超声装置位于焊枪装置的一侧，且超声装置的前端与焊枪装置的前端形成一定的角度，所述焊枪装置的尾端和超声装置的尾端通过可调式夹持装置相连。工作时，调整焊枪装置和超声装置到焊接工件的距离及两个装置的夹角，且超声辐射端面处于熔池的对侧，对熔滴施加超声，可使小直径、高频率的熔滴直接进入熔池来保证熔滴过渡稳定，飞溅减少并且焊缝成形效果良好。

Description

一种侧加超声辅助水下湿法焊接的装置和方法

技术领域

本发明属于水下湿法焊接技术领域，具体地说是涉及一种侧加超声辅助水下湿法焊接的装置及方法。

背景技术

自保护药芯焊丝水下湿法焊接技术，具有操作方便、效率高、成本低和质量高等诸多优点，是水下自动化和智能化焊接的重要发展方向之一。在该焊接过程中，焊丝和工件直接置于水中，电弧燃烧在主要由药芯造气剂和水不断发生受热分解、蒸发或反应形成的气泡内进行。由于受到非轴向的大滴排斥过渡及短路过渡的影响，使得熔滴以较大的尺寸和较低的频率方式进行过渡，且下落轨迹呈现随机、非轴向形态，导致熔滴过渡不稳定、产生很多飞溅以及焊缝出现纵向和横向不对称、不均匀的现象，焊缝及热影响区的组织形貌分布不均匀，这些对获得高质量的焊接接头形成了严重制约和挑战，如图2所示。

自保护药芯焊丝水下湿法焊接的熔滴主要受到气泡内气体拖拽力和电弧力的排斥而导致其难以自由下落，被迫长大至较大尺寸甚至被排斥偏离焊丝轴线。目前研究主要集中在对焊接材料的改进及优化；控制气泡上浮对熔滴过渡造成的不利影响；采用保护气的方法增加电弧电离；利用与焊丝方向相同的超声波来提高电弧的稳定性等方法来获得较高质量的焊接性能，但均没有通过控制熔滴过渡的方法来从根本上解决焊接质量，虽然有人基于脉冲电流的方法改善了熔滴过渡，但该方法可控性差，不是每个脉冲都能对上一个熔滴，这显然不利于熔滴的平稳过渡。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的缺点和不足，提出了一种从熔池对侧对熔滴施加超声，使小直径、高频率的熔滴直接进入熔池的设备和方法来使熔滴过渡更稳定，并且改善焊缝成形效果。

为此，提供一种侧加超声辅助水下湿法焊接的装置，包括超声装置和焊枪装置，所述超声装置位于焊枪装置的一侧，且超声装置的前端与焊枪装置的前端形成一定的角度，所述焊枪装置的尾端和超声装置的尾端通过可调式夹持装置相连，所述节可调式夹持装置可实现焊枪装置和超声装置之间夹角的变换、焊枪装置和超声装置与工件之间的距离以及两个装置之间的距离。

优选的，所述超声装置包括超声电源、防水线缆、超声换能器、超声变幅杆和防水壳体；所述超声电源通过穿过防水壳体的防水线缆与超声换能器相连；所述超声换能器位于防水壳体中；所述超声变幅杆上端穿过防水壳体与超声换能器的下端相连。

优选的，所述焊枪装置包括焊枪壳体、导电嘴、绝缘橡胶套管、焊丝、防水线缆和焊接电源；所述焊枪壳体的下端与导电嘴通过螺纹连接；所述焊枪壳体的上端设有填料口；所述绝缘橡胶套管设于焊枪壳体的中轴线处；所述焊丝从填料口上端进入，中间通过绝缘橡胶套管，从导电嘴前端穿出；所述焊接电源的正极通过防水线缆与焊枪壳体相连；所述焊接电源的负极通过防水线缆与焊接工件相连。

优选的，所述可调式夹持装置包括固定杆、夹具、螺栓、滑杆、夹套；所述固定杆一端固定连接在超声装置防水壳体的尾端，另一端用螺栓穿过固定杆上的滑道固定到夹具上；所述夹具套接在水平设置的滑杆上，可以沿滑杆左右滑动；所述夹套套在焊枪壳体上，夹套两端通过螺栓紧固在滑杆的一端。

优选的，所述固定杆上的滑道宽度大于穿过滑道内螺柱的直径0.1mm。

优选的，所述夹具下半部分为半圆弧形，上半部分为可以穿过所述滑杆的套筒；所述半圆弧边缘有角度刻度；所述穿过固定杆滑道的螺栓固定在夹具半圆弧形的圆心处。

优选的，所述夹套为绝缘材料制成。

优选的，所述滑杆正侧面有长度刻度，0刻度位于焊枪壳体中轴线处，刻度从右至左依次增大。

本发明的第二个方面，提供一种侧加超声辅助水下湿法焊接的方法，焊接步骤如下：

步骤一：上下调节水下湿法焊枪与焊接工件之间的距离，使导电嘴前端与焊接工件垂直距离范围10mm-30mm；

步骤二：垂直调整超声装置变幅杆前端工作面与焊接工件之间的距离，范围50mm-150mm，旋转超声装置，调整超声装置的中轴线与水下湿法焊枪的中轴线之间的角度，范围20°-80°，水平调整超声装置前端工作面与水下湿法焊枪轴线的距离，范围50mm-150mm，保证超声装置前端工作面指向水下湿法焊枪导电嘴前焊丝的前端；

步骤三：启动行走机构，使超声装置和水下湿法焊枪整体的运行速度控制在1mm/s～4.5mm/s，模拟一次行走轨迹，确认运行平稳无障碍后，复位；

步骤四：打开超声电源，调节超声参数，超声频率：20kHz～35kHz，超声功率：50w～1200w,超声振幅：3μm～15μm，让超声换能器在此状态下工作5S～10S；

步骤五：待超声装置稳定工作后，打开焊接电源，调节焊接参数，焊接电压：20V～45V，焊接电流：150A～250A；

步骤六：再次启动行走机构，执行行走命令，对工件进行焊接；

步骤七：焊完后，依次关闭行走机构、焊接电源和超声电源。

本发明的有益效果是：

本发明的一种侧加超声辅助水下湿法焊接的装置和方法，直接从控制熔滴过渡的角度着手，在熔池的对侧，对熔滴施加超声，给熔滴一个向熔池方向的力，使熔滴受电弧斥力、上浮气泡和水扰动的影响小，在熔滴还没有来得及变大或者飞溅出去之前就已经进入到熔池中，整个过程熔滴过渡所用的时间缩短，小尺寸的熔滴持续进入熔池，无飞溅，焊接接头处的气泡、杂质含量降低且成形效果良好。

附图说明

图1是本发明的装置结构示意图；

图2是利用原位x射线成像系统拍摄的水下湿法焊接中熔滴过渡图片；

图3是利用原位x射线成像系统拍摄的使用侧加超声装置辅助水下湿法焊接中熔滴过渡图片；

图4是夹具的主视图；

图5是夹具的左视图。

图中标记：1、超声电源；2、防水线缆；3、夹具；4、固定杆；5、螺栓；6、滑杆；7、超声换能器；8、防水壳体；9、超声变幅杆；10、气泡；11、熔滴；12、焊接工件；14、熔池；15、电弧；16、导电嘴；17、焊枪壳体；18、绝缘橡胶套管；19、焊丝；20、夹套；21、填料口；22、焊接电源；23、滑道。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以助于理解本发明的内容。本发明中所使用的方法如无特殊规定，均为常规的方法；所使用的原料和装置，如无特殊规定，均为常规的市售产品。

如图1所示，本发明提供的一种侧加超声辅助水下湿法焊接的装置，其包括超声装置、焊枪装置和可调式夹持装置，所述超声装置位于焊枪装置的一侧，且超声装置的前端与焊枪装置的前端形成一定的夹角，所述焊枪装置的尾端和超声装置的尾端通过可调式夹持装置相连，通过调节可调式夹持装置可实现焊枪装置和超声装置之间夹角的变换、焊枪装置和超声装置之间的水平距离以及焊枪装置和超声装置与工件之间的距离。

超声装置包括超声电源1、防水线缆2、超声换能器7、防水壳体8和超声变幅杆9；所述超声电源1通过穿过防水壳体8的防水线缆2与超声换能器7相连，且防水线缆2穿过防水壳体8的位置处用防水胶密封，防止防水壳体8漏水而损坏超声装置；所述超声换能器7位于防水壳体8中，保证超声装置在水下正常工作；所述超声变幅杆9上端穿过防水壳体8与超声换能器7的下端相连，所述超声变幅杆9穿过防水壳体8的位置处有密封塞，同样防止防水壳体8漏水。打开超声电源1，超声电源1给超声换能器7供电，将超声频率的电信号能转化为机械振动，超声变幅杆9将超声换能器7产生的超声振幅放大，作用于超声变幅杆9前端周围的水介质。

焊枪装置包括导电嘴16、焊枪壳体17、填料口21、绝缘橡胶套管18、焊丝19、防水线缆2和焊接电源22；所述焊枪壳体17下端与导电嘴16通过螺纹连接，所述焊枪壳体17的上端设有填料口21；所述绝缘橡胶套管18设于焊枪壳体17的中轴线处；所述焊丝19从填料口21上端进入，中间通过焊枪壳体17内的绝缘橡胶套管18，然后从导电嘴16前端穿出；所述焊接电源22的正极通过防水线缆2与焊枪壳体17相连；所述焊接电源22的负极通过防水线缆2与焊接工件12相连。

可调式夹持装置包括固定杆4、夹具3、螺栓5、滑杆6、夹套20；所述固定杆4一端固定连接在防水壳体8的后端面上，另一端用螺栓5穿过固定杆4上的滑道23固定到夹具3的下圆弧面上，夹具3如图4和图5所示；所述螺栓5位于夹具3的下圆弧面的圆心处；所述下圆弧边缘处有角度刻度，用来确定超声装置与焊枪装置之间的夹角，所述固定杆4的滑道23的宽度大于螺杆的直径0.1mm，当松动螺栓5时，固定杆4的滑道23可以沿着螺栓5滑动和旋转，套接在水平设置的滑杆6上的夹具3可以沿着滑杆6左右滑动，从而调整固定杆4所连接的超声装置与焊接工件12之间的垂直距离、超声装置前端与焊枪装置前端的夹角以及超声装置和焊枪装置之间的水平距离，当达到所需的距离和夹角时，锁紧通过固定杆4滑道23上螺栓5，实现距离和角度的固定；所述夹套20套在焊枪壳体17的外侧，夹套20两端通过螺栓5紧固在滑杆6的一端。松动夹套20两端的螺栓5，可以实现焊枪壳体17上下移动，从而调整导电嘴16与焊接工件12之间的距离，当达到所需的距离时，锁紧夹套20两侧的螺栓5，实现距离的固定。此外，夹套20用绝缘材料制成。可调式夹持装置不局限于上述结构，可以是其他实现焊枪装置和超声装置之间的角度和距离的其他构造。

本发明装置需要外接一个行走机构，带动整套装置前后，左右移动，该行走机构与滑杆6相连。

此外，又提供一种侧加超声辅助水下湿法焊接的方法，焊接步骤如下：

步骤一：上下调节水下湿法焊枪与焊接工件之间的距离，使导电嘴前端与焊接工件垂直距离范围10mm-30mm；

步骤二：垂直调整超声装置变幅杆前端工作面与焊接工件之间的距离，范围50mm-150mm，旋转超声装置，调整超声装置的中轴线与水下湿法焊枪的中轴线之间的角度，范围20°-80°，水平调整超声装置前端工作面与水下湿法焊枪轴线的距离，范围50mm-150mm，保证超声装置前端工作面指向水下湿法焊枪导电嘴前焊丝的前端；

步骤三：启动行走机构，使超声装置和水下湿法焊枪整体的运行速度控制在1mm/s～4.5mm/s，模拟一次行走轨迹，确认运行平稳无障碍后，复位；

步骤四：打开超声电源，调节超声参数，超声频率：20kHz～35kHz，超声功率：50w～1200w,超声振幅：3μm～15μm，让超声换能器在此状态下工作5S～10S；

步骤五：待超声装置稳定工作后，打开焊接电源，调节焊接参数，焊接电压：20V～45V，焊接电流：150A～250A；

步骤六：再次启动行走机构，执行行走命令，对工件进行焊接，在此过程中利用原位x射线成像系统对水下湿法焊接中熔滴11过渡过程录制视频，便于随后对图像进行提取和分析；

步骤七：焊完后，依次关闭行走机构、焊接电源和超声电源。

图3为利用原位x射线成像系统拍摄的使用侧加超声装置辅助水下湿法焊接中熔滴11过渡图片，与图2所表示的无侧加超声利用原位x射线成像系统拍摄的水下湿法焊接中熔滴11过渡图片对比分析，可以看出；无侧加超声装置的熔滴11由于受到电弧15排斥和气泡10扰动拖拽的影响，造成熔滴11无法顺利进入熔池14，延长了熔滴11在水汽环境中过渡的时间，熔滴11尺寸较大，大概是焊丝19直径的2倍，在这个过程中熔滴11里容易卷入气体和杂质，此外，电弧15排斥和气泡10扰动拖拽也会让熔滴11的运动方向随机化程度大，容易落到熔池14外形成飞溅。在熔池14对侧对熔滴11侧加超声，虽然熔滴11仍存在电弧15拖拽和气泡10扰动的干扰，但熔滴11受到超声装置的声流作用，相当于给熔滴11一个向熔池14方向的力，使向熔池14方向的力大于等于电弧15排斥和气泡10扰动拖拽等方向的力，熔滴11尺寸(等于焊丝19的直径)在很小的时候脱离焊丝19，跃动范围减小，直接进入熔池14，且熔滴11进入熔池14的频率稳定，减少了熔滴11在熔池14外跃动的时间即减少了熔滴11内气体和杂质的含量，以及飞溅的几率；此外超声装置的空化所用，作用于水介质也会使电弧15周围形成气泡10，而且超声装置的声流作用也会给气泡10一个斜向下的力，使气泡10上升的速度下降，电弧15周围新形成的气泡10和原来焊接产生的气泡10都不易上升，有利于电弧15稳定燃烧，减少熄火的概率。

综上，本发明的侧加超声辅助水下湿法焊接的装置和方法，缩短了熔滴11过渡的周期，小尺寸的熔滴11直接进入熔池14，熔滴11过渡频率稳定，使焊接接头气泡10、杂质含量减少，飞溅减少，且接头形态整齐美观；电弧15燃烧也相对平稳。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“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备特定的方位、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。

惟以上所述者，仅为本发明的具体实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，故其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修改，皆应仍属本发明权利要求书涵盖之范畴。

Claims (9)

1.一种侧加超声辅助水下湿法焊接的方法，其特征在于，焊接步骤如下：

步骤一：上下调节水下湿法焊枪与焊接工件之间的距离，使导电嘴前端与焊接工件垂直距离范围10mm-30mm；

步骤二：垂直调整超声装置变幅杆前端工作面与焊接工件之间的距离，范围50mm-150mm，旋转超声装置，调整超声装置的中轴线与水下湿法焊枪的中轴线之间的角度，范围20°-80°，水平调整超声装置前端工作面与水下湿法焊枪轴线的距离，范围50mm-150mm，保证超声装置前端工作面指向水下湿法焊枪导电嘴前焊丝的前端，进而实现焊接过程中在熔池的对侧对熔滴施加超声；

步骤三：启动行走机构，使超声装置和水下湿法焊枪整体的运行速度控制在1mm/s～4.5mm/s，模拟一次行走轨迹，确认运行平稳无障碍后，复位；

步骤四：打开超声电源，调节超声参数，超声频率：20kHz～35kHz，超声功率：50w～1200w ,超声振幅：3μm～15μm，让超声换能器在此状态下工作5S～10S；

步骤五：待超声装置稳定工作后，打开焊接电源，调节焊接参数，焊接电压：20V～45V，焊接电流：150A～250A；

步骤六：再次启动行走机构，执行行走命令，对工件进行焊接；

步骤七：焊完后，依次关闭行走机构、焊接电源和超声电源。

2.根据权利要求1所述的一种侧加超声辅助水下湿法焊接的方法，其特征在于，该焊接方法使用的焊接装置包括超声装置和焊枪装置，所述超声装置位于焊枪装置的一侧，且超声装置的前端与焊枪装置的前端形成一定的角度，所述焊枪装置的尾端和超声装置的尾端通过可调式夹持装置相连，所述可调式夹持装置可实现焊枪装置和超声装置之间夹角的变换、焊枪装置和超声装置与工件之间的距离以及两个装置之间的距离，进而实现焊接过程中在熔池的对侧对熔滴施加超声。

3.根据权利要求2所述的一种侧加超声辅助水下湿法焊接的方法，其特征在于，所述超声装置包括超声电源、防水线缆、超声换能器、超声变幅杆和防水壳体；所述超声电源通过穿过防水壳体的防水线缆与超声换能器相连；所述超声换能器位于防水壳体中；所述超声变幅杆上端穿过防水壳体与超声换能器的下端相连。

4.根据权利要求3所述的一种侧加超声辅助水下湿法焊接的方法，其特征在于，所述焊枪装置包括焊枪壳体、导电嘴、绝缘橡胶套管、焊丝、防水线缆和焊接电源；所述焊枪壳体的下端与导电嘴通过螺纹连接；所述焊枪壳体的上端设有填料口；所述绝缘橡胶套管设于焊枪壳体的中轴线处；所述焊丝从填料口上端进入，中间通过焊枪壳体内的绝缘橡胶套管，从导电嘴前端穿出；所述焊接电源的正极通过防水线缆与焊枪壳体相连；所述焊接电源的负极通过防水线缆与焊接工件相连。

5.根据权利要求4所述的一种侧加超声辅助水下湿法焊接的方法，其特征在于，所述可调式夹持装置包括固定杆、夹具、螺栓、滑杆、夹套；所述固定杆一端固定连接在超声装置防水壳体的尾端，另一端用螺栓穿过固定杆上的滑道固定到夹具上；所述夹具套接在水平设置的滑杆上，可以沿滑杆左右滑动；所述夹套套在焊枪壳体上，夹套两端通过螺栓紧固在滑杆的一端。

6.根据权利要求5所述的一种侧加超声辅助水下湿法焊接的方法，其特征在于，所述固定杆上的滑道宽度大于穿过滑道内螺柱的直径0.1mm。

7.根据权利要求6所述的一种侧加超声辅助水下湿法焊接的方法，其特征在于，所述夹具下半部分为半圆弧形，上半部分为可以穿过所述滑杆的套筒；所述半圆弧边缘有角度刻度；所述穿过固定杆滑道的螺栓固定在夹具半圆弧形的圆心处。

8.根据权利要求5所述的一种侧加超声辅助水下湿法焊接的方法，其特征在于，所述夹套为绝缘材料制成。

9.根据权利要求5所述的一种侧加超声辅助水下湿法焊接的方法，其特征在于，所述滑杆正侧面有长度刻度，0刻度位于焊枪壳体中轴线处，刻度从右至左依次增大。

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