CN111390410A - 一种基于声-热同步的超声振动gtaw复合装置及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于声‑热同步的超声振动GTAW复合装置及使用方法，属于焊接冶金技术领域。解决了原有的超声振动GTAW复合技术中，超声对焊接熔池的作用不均匀，超声输出功率低，在大熔池下超声作用效果不佳，设备操作复杂、调节精度低的问题。它包括它包括焊接平台、GTAW焊枪、焊枪三维移动平台、超声输出装置、超声输出装置三维移动平台和加压装置，焊枪三维移动平台与焊接平台固定连接，GTAW焊枪与焊枪三维移动平台固定连接，超声输出装置三维移动平台与焊接平台固定连接，超声输出装置与加压装置相连，加压装置与超声输出装置三维移动平台固定连接，GTAW焊枪通过导线与焊接电源相连，超声输出装置通过导线与超声电源相连。它主要用于超声GTAW复合技术。
Description
技术领域
本发明属于焊接冶金技术领域，特别是涉及一种基于声-热同步的超声振动GTAW复合装置及使用方法。
背景技术
钨极氩弧焊(GasTungstenArcWelding，GTAW)是一种以钨材料或钨合金材料做电极，在惰性气体保护下进行的焊接。GTAW是一种应用非常普遍的焊接方法，其具有的优点是：可以精确控制焊接热输入、设备成本低、操作简单。但也存在一些不足，如焊缝冶金性能较差，主要体现在焊缝组织粗大以及易产生焊接气孔、裂纹等缺陷。这些不足严重影响了GTAW接头质量。因此如何能够改善GTAW接头质量备受关注。为了获得质量更佳的GTAW接头，通过调控焊接热源，涌现出了众多的新型GTAW焊接方法，如，脉冲GTAW、双钨极GTAW、激光诱导增强GTAW等方法。
超声作为一种清洁能源，其在金属熔体中传播时能够产生声空化与声流效应，在声学效应的作用下能够影响熔体凝固过程，通过破碎枝晶、促进异质形核等手段达到细化组织的目的。故相关学者将超声应用到了熔化焊接领域，并获得了较为理想的实验结果。然而，传统方法多是将超声工具头固定在母材某一位置，此种方式最大的不足就是随着焊接距离的增加，超声对不同位置的熔池的作用效果将会发生明显变化，且此类方式目前多是采用简单的加压固定，无法保证每次焊接的固定压力恒定，因此每次焊接的外加压力也将必然不同，从而影响超声的输入，无法保证每次输入的超声是否恒定。因此如何保证焊接过程中，超声能够相对均匀的作用焊接熔池是当前超声-GTAW发展的方向。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的问题，提出一种基于声-热同步的超声振动GTAW复合装置及使用方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于声-热同步的超声振动GTAW复合装置，它包括焊接平台、GTAW焊枪、焊枪三维移动平台、超声输出装置、超声输出装置三维移动平台和加压装置，所述焊枪三维移动平台与焊接平台固定连接，所述GTAW焊枪与焊枪三维移动平台固定连接，通过焊枪三维移动平台实现GTAW焊枪的三维调节，所述超声输出装置三维移动平台与焊接平台固定连接，所述超声输出装置与加压装置相连，实现超声输出装置与母材的紧密接触，所述加压装置与超声输出装置三维移动平台固定连接，通过超声输出装置三维移动平台实现超声输出装置的三维调节，所述GTAW焊枪通过导线与焊接电源相连，所述超声输出装置通过导线与超声电源相连。
更进一步的，所述超声输出装置包括换能器、变幅杆和工具头，所述换能器通过法兰与变幅杆相连，所述变幅杆与工具头相连，所述法兰与加压装置相连，所述换能器通过导线与超声电源相连。
更进一步的，所述工具头为滚动式工具头，所述换能器自带散热装置。
更进一步的，所述滚动式工具头为球式工具头或圆柱式工具头。
更进一步的，所述GTAW焊枪通过夹具与焊枪三维移动平台相连。
更进一步的，所述焊接平台设置有压力传感装置和电子屏幕，所述压力传感装置精度为±5N。
更进一步的，所述焊枪三维移动平台和超声输出装置三维移动平台的位移精度均为±0.01mm。所述焊枪三维移动平台和超声输出装置三维移动平台的速度调节范围为0-1000mm/s，调节精度为0.01mm/s。
更进一步的，所述加压装置为滑动加压，所述加压装置的压力变化范围为0N～8000N，所述GTAW焊枪设置有水冷接口，所述焊接平台承载能力不小于1000kg，所述超声输出装置尺寸不超过50mm×50mm×300mm。
更进一步的，所述焊接电源包括直流模式和交流模式，所述超声电源输出的电信号为20kHz-100kHz，超声输出功率调节范围为1W-5000W，所述超声电源包括连续功率输出模式与脉冲功率输出模式，脉冲功率输出模式的脉冲功率频率范围为0.01Hz-2000Hz，峰值与基值调节范围均为1W-5000W，占空比为0-100％。
本发明还提供了一种基于声-热同步的超声振动GTAW复合装置的使用方法，它包括以下步骤：
步骤一：清除待焊母材表面氧化膜，将母材固定在焊接平台上，以GTAW焊枪的位置为起始位置，确定GTAW焊枪与超声输出装置的相对距离；
步骤二：通过控制加压装置将工具头固定于母材正表面或背面，读取压力数值，保证施加压力大小恒定；
步骤三：调节焊枪三维移动平台，确定钨极高度，即电极尖端距母材表面的距离，调节精度为±0.01mm；
步骤四：确定焊接速度，使GTAW焊枪的移动速度与超声输出装置的滑动速度相等，调整并确定焊接电源和超声电源的参数，通保护气；
步骤五：先打开超声电源，随后打开焊接电源，进行引弧，开始进行焊接工作，母材熔化后，超声将会通过工具头传入熔池，发生声空化效应与声流效应，改善熔池凝固过程；
步骤六：焊接完成时，同时关闭焊接电源和超声电源，焊接工作结束。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明解决了原有的超声振动GTAW复合技术中，超声对焊接熔池的作用不均匀，超声输出功率低，在大熔池下超声作用效果不佳，设备操作复杂、调节精度低的问题。
本发明提出了声-热同步概念，即超声输出端与热源保持相对恒定的距离，从而实现超声对熔池相对均匀作用的效果。本发明通过超声输出装置三维移动平台与焊枪三维移动平台实现了声-热同步，保证了超声对焊接熔池的均匀作用；超声输出装置与GTAW焊枪均由对应的三维移动平台控制，保证了超声工具头与热源相对位置的多元变化，可根据实际需求，获得想要的任意位置关系；滑动加压装置保证了工具头与母材刚性接触，压力传感装置，保证能够实时获得加压数值，极大的提高了设备的使用精度。本发明提出了滚动式工具头，该工具头的提出极大的降低了，甚至消除了工具头对母材表面的破坏，提高了接头质量。本发明进一步提高了超声功率，熔池内部超声作用效果更佳，装置使用更加方便、精度更高，其适用于焊接各种金属材料，细化焊缝晶粒，促进成分均匀化，减少焊接气孔缺陷，提高焊接接头质量。
附图说明
图1为本发明所述的一种基于声-热同步的超声振动GTAW复合装置结构示意图；
图2为本发明所述的声-热同步结构示意图；
图3为本发明所述的超声输出装置结构示意图；
图4为本发明所述的球式工具头结构示意图；
图5为本发明所述的圆柱式工具头结构示意图。
1：焊接平台，2：焊接电源，3：GTAW焊枪，4：焊枪三维移动平台，6：超声输出装置，7：超声输出装置三维移动平台，8：加压装置，9：超声电源，10：法兰，11：夹具，6-1：换能器，6-2：变幅杆，6-3：工具头。
具体实施方式
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、完整地阐述。
参见图1-5说明本实施方式，一种基于声-热同步的超声振动GTAW复合装置，它包括焊接平台1、GTAW焊枪3、焊枪三维移动平台4、超声输出装置6、超声输出装置三维移动平台7和加压装置8，所述焊枪三维移动平台4与焊接平台1固定连接，所述GTAW焊枪3与焊枪三维移动平台4固定连接，通过焊枪三维移动平台4实现GTAW焊枪3的三维调节，所述超声输出装置三维移动平台7与焊接平台1固定连接，所述超声输出装置6与加压装置8相连，实现超声输出装置6与母材的紧密接触，所述加压装置8与超声输出装置三维移动平台7固定连接，通过超声输出装置三维移动平台7实现超声输出装置6的三维调节，所述GTAW焊枪3通过导线与焊接电源2相连，所述超声输出装置6通过导线与超声电源9相连。
本实施例所述超声输出装置6包括换能器6-1、变幅杆6-2和工具头6-3，所述换能器6-1通过法兰10与变幅杆6-2相连，所述变幅杆6-2与工具头6-3相连，所述法兰10与加压装置8相连，，所述换能器6-1通过导线与超声电源9相连，所述工具头6-3为滚动式工具头，所述换能器6-1自带散热装置，所述滚动式工具头为球式工具头或圆柱式工具头，球式工具头和圆柱式工具头均能够稳定、匀速滚动，消除工具头6-3对母材表面的损伤。所述GTAW焊枪3通过夹具11与焊枪三维移动平台4相连。所述焊接平台1设置有压力传感装置和电子屏幕，所述压力传感装置精度为±5N，用于显示超声输出装置6作用于焊接平台1的压力。在焊枪三维移动平台4与超声输出装置三维移动平台7的控制下，GTAW焊枪3与超声输出装置6可获得任意形式的距离匹配，所述焊枪三维移动平台4和超声输出装置三维移动平台7的位移精度均为±0.01mm。所述焊枪三维移动平台4和超声输出装置三维移动平台7的速度调节范围为0-1000mm/s，调节精度为0.01mm/s。所述加压装置8为滑动加压，即无压力施加时，超声输出装置6可做竖直位移，便于更换母材，且焊接平台1具有压力传感装置能够实时显示压力施加数值，进而可以控制施加压力的大小。所述加压装置8的压力变化范围为0N～8000N，所述GTAW焊枪3设置有水冷接口，可保证GTAW焊枪3长时间工作。所述焊接平台1承载能力不小于1000kg，所述超声输出装置6尺寸不超过50mm×50mm×300mm，更加小巧灵活，便于操作。所述焊接电源2包括直流模式和交流模式，所述超声电源9输出的电信号为20kHz-100kHz，优选为20kHz、40kHz和60kHz，超声输出功率调节范围为1W-5000W，所述超声电源9包括连续功率输出模式与脉冲功率输出模式，脉冲功率输出模式的脉冲功率频率范围为0.01Hz-2000Hz，峰值与基值调节范围均为1W-5000W，占空比为0-100％。
超声通过工具头6-3传入母材进而传入焊接熔池，由于工具头6-3与GTAW焊枪3同步运动，因此可保证超声传播距离一定，声能损耗一定，从而传入熔池内部的超声相当，确保获得均匀的焊缝组织变化。焊枪三维移动平台4与超声输出装置三维移动平台7速度相等，以及滚动式工具头的匀速滚动是实现声-热同步的关键。
本实施例提供了一种基于声-热同步的超声振动GTAW复合装置的使用方法，它包括以下步骤：
步骤一：清除待焊母材表面氧化膜，将母材固定在焊接平台1上，以GTAW焊枪3的位置为起始位置，确定GTAW焊枪3与超声输出装置6的相对距离；
步骤二：通过控制加压装置8将工具头6-3固定于母材正表面或背面，读取压力数值，保证施加压力大小恒定；
步骤三：调节焊枪三维移动平台4，确定钨极高度，即电极尖端距母材表面的距离，调节精度为±0.01mm；
步骤四：确定焊接速度，使GTAW焊枪3的移动速度与超声输出装置6的滑动速度相等，调整并确定焊接电源2和超声电源9的参数，通保护气；
步骤五：先打开超声电源9，随后打开焊接电源2，进行引弧，开始进行焊接工作，母材熔化后，超声将会通过工具头6-3传入熔池，发生声空化效应与声流效应，改善熔池凝固过程；
步骤六：焊接完成时，同时关闭焊接电源2和超声电源9，焊接工作结束。
在进行铝及铝合金、镁及镁合金焊接时，焊接电源2采用交流模式，其他金属通常采用直流模式。GTAW焊枪3的高度，即钨极距母材表面的高度，可通过焊枪三维移动平台4进行高精度调节，调节精度为±0.01mm。超声输出装置6可通过超声输出装置三维移动平台7进行移动，由加压装置8提供压力，将其与母材以一定的压力紧密接触，焊接平台1具有压力传感装置以及电子屏幕，可给出压力大小。在超声输出装置三维移动平台7与焊枪三维移动平台4的控制下超声输出装置6与GTAW焊枪3可在空间任意位置实现良好衔接，且二者调节互不干扰，在确定工具头6-3与热源距离后，设定二者移动速度相等，即可保证声-热同步，具体如图2所示。超声电源9可实现连续功率输出模式与脉冲功率输出模式，超声电源9提供的电信号经换能器6-1转换后形成超声振动，变幅杆6-2将振动信号放大，由工具头6-2发出，可根据实际需要选择工具头类型。
以上对本发明所提供的一种基于声-热同步的超声振动GTAW复合装置及使用方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种基于声-热同步的超声振动GTAW复合装置，其特征在于：它包括焊接平台(1)、GTAW焊枪(3)、焊枪三维移动平台(4)、超声输出装置(6)、超声输出装置三维移动平台(7)和加压装置(8)，所述焊枪三维移动平台(4)与焊接平台(1)固定连接，所述GTAW焊枪(3)与焊枪三维移动平台(4)固定连接，通过焊枪三维移动平台(4)实现GTAW焊枪(3)的三维调节，所述超声输出装置三维移动平台(7)与焊接平台(1)固定连接，所述超声输出装置(6)与加压装置(8)相连，实现超声输出装置(6)与母材的紧密接触，所述加压装置(8)与超声输出装置三维移动平台(7)固定连接，通过超声输出装置三维移动平台(7)实现超声输出装置(6)的三维调节，所述GTAW焊枪(3)通过导线与焊接电源(2)相连，所述超声输出装置(6)通过导线与超声电源(9)相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于声-热同步的超声振动GTAW复合装置，其特征在于：所述超声输出装置(6)包括换能器(6-1)、变幅杆(6-2)和工具头(6-3)，所述换能器(6-1)通过法兰(10)与变幅杆(6-2)相连，所述变幅杆(6-2)与工具头(6-3)相连，所述法兰(10)与加压装置(8)相连，所述换能器(6-1)通过导线与超声电源(9)相连。
3.根据权利要求2所述的一种基于声-热同步的超声振动GTAW复合装置，其特征在于：所述工具头(6-3)为滚动式工具头，所述换能器(6-1)自带散热装置。
4.根据权利要求3所述的一种基于声-热同步的超声振动GTAW复合装置，其特征在于：所述滚动式工具头为球式工具头或圆柱式工具头。
5.根据权利要求1所述的一种基于声-热同步的超声振动GTAW复合装置，其特征在于：所述GTAW焊枪(3)通过夹具(11)与焊枪三维移动平台(4)相连。
6.根据权利要求1所述的一种基于声-热同步的超声振动GTAW复合装置，其特征在于：所述焊接平台(1)设置有压力传感装置和电子屏幕，所述压力传感装置精度为±5N。
7.根据权利要求1所述的一种基于声-热同步的超声振动GTAW复合装置，其特征在于：所述焊枪三维移动平台(4)和超声输出装置三维移动平台(7)的位移精度均为±0.01mm。所述焊枪三维移动平台(4)和超声输出装置三维移动平台(7)的速度调节范围为0-1000mm/s，调节精度为0.01mm/s。
8.根据权利要求1所述的一种基于声-热同步的超声振动GTAW复合装置，其特征在于：所述加压装置(8)为滑动加压，所述加压装置(8)的压力变化范围为0N～8000N，所述GTAW焊枪(3)设置有水冷接口，所述焊接平台(1)承载能力不小于1000kg，所述超声输出装置(6)尺寸不超过50mm×50mm×300mm。
9.根据权利要求1所述的一种基于声-热同步的超声振动GTAW复合装置，其特征在于：所述焊接电源(2)包括直流模式和交流模式，所述超声电源(9)输出的电信号为20kHz-100kHz，超声输出功率调节范围为1W-5000W，所述超声电源(9)包括连续功率输出模式与脉冲功率输出模式，脉冲功率输出模式的脉冲功率频率范围为0.01Hz-2000Hz，峰值与基值调节范围均为1W-5000W，占空比为0-100％。
10.一种如权利要求1所述的基于声-热同步的超声振动GTAW复合装置的使用方法，其特征在于：它包括以下步骤：
步骤一：清除待焊母材表面氧化膜，将母材固定在焊接平台(1)上，以GTAW焊枪(3)的位置为起始位置，确定GTAW焊枪(3)与超声输出装置(6)的相对距离；
步骤二：通过控制加压装置(8)将工具头(6-3)固定于母材正表面或背面，读取压力数值，保证施加压力大小恒定；
步骤三：调节焊枪三维移动平台(4)，确定钨极高度，即电极尖端距母材表面的距离，调节精度为±0.01mm；
步骤四：确定焊接速度，使GTAW焊枪(3)的移动速度与超声输出装置(6)的滑动速度相等，调整并确定焊接电源(2)和超声电源(9)的参数，通保护气；
步骤五：先打开超声电源(9)，随后打开焊接电源(2)，进行引弧，开始进行焊接工作，母材熔化后，超声将会通过工具头(6-3)传入熔池，发生声空化效应与声流效应，改善熔池凝固过程；
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