CN112404662A - 一种用于铝合金的超声窄间隙焊接系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于铝合金的超声窄间隙焊接系统及方法，所述焊接系统由超声频激励电源、耦合波形控制系统、焊接电源、窄间隙焊炬及联合控制开关构成，焊接方法是联合控制开关按设定程序对焊接回路及超声回路进行异步精确控制；耦合波形控制系统利用限流电阻控制耦合电容的充放电实现一种低热影响的超声频耦合电信号，从而避免电耦合附加热输入对焊缝晶粒细化的不利影响；通过控制超声激励频率确保每层焊接时熔池处于共振，改变不同层焊接时的超声输入能量，实现窄间隙焊接头组织的均匀化，去除焊缝气孔，解决了接头性能不均匀问题。同时，减小了传统摇摆电弧窄间隙焊的摇摆角度及侧壁停留时间，提高了焊接效率。

Description

一种用于铝合金的超声窄间隙焊接系统及方法

技术领域

本发明涉及一种低热影响、高效率的铝合金超声窄间隙焊接系统及方法，属于窄间隙电弧焊接技术领域。

背景技术

厚壁铝合金在航空航天、船舶及核电等领域具有广泛的应用，其焊接质量直接关乎到相关产品的可靠性及使用寿命，因此，厚壁铝合金的焊接问题值得关注。窄间隙电弧焊接作为一种高效高质量低成本的焊接方法在厚壁铝合金的焊接方法中具有较强的竞争优势。其中，相比非熔化极焊接方法，窄间隙熔化极焊接方法焊接效率更高。目前，为了有效控制窄间隙焊侧壁熔合缺陷的发生，现有的窄间隙焊接技术主要是控制电弧的摇摆或旋转。通过增大电弧与侧壁的接触时间，增大侧壁处的热输入，抑制侧壁未熔合缺陷的发生。然而，保证电弧与侧壁的足够接触时间势必会降低焊接速度，影响焊接效率的进一步提升。

中国专利号为CN201810891365.6、名称为“一种船用钛合金厚板的振动热丝窄间隙焊接方法”的发明专利，首次将低频振动辅助方法引入窄间隙电弧焊接技术中，通过焊丝的低频振动对熔池进行搅拌。该技术的优点是可通过焊丝的低频振动改善熔池的结晶状态，细化晶粒，缺点是：焊丝振动频率低，超声频振动对焊接的有利作用得不到发挥。

中国专利号为CN200810150371.2、名称为“窄间隙熔化极气体保护焊焊枪”的发明专利，在焊枪保护气室内安装压电晶片和匹配层，压电晶片上、下两面通过导线与高频振荡器电连接，产生超声波束，使得熔池液态金属与焊接坡口侧壁金属充分熔合，从而消除了侧壁未熔合缺陷。然而，所述的窄间隙焊枪存在的问题是：(1)压电晶片置于窄间隙焊接腔体内部，较高的腔体温度容易导致压电晶片失效，无法正常产生超声频振动效应。(2)超声通过电弧空间传入熔池，声能利用率低。(3)超声频率不能连续可调，限制了工艺适用性。(4)与电弧摇摆或旋转相比，利用超声效应解决侧壁未熔合的技术可靠性及稳定性低。

关于超声在非窄间隙焊接领域中的应用，国内外已有报道，中国专利号为CN201010123736.X、名称为“基于交流电弧激发超声的铝合金及铝基复合材料焊接方法”的发明专利，在常规铝合金及铝基复合材料的焊接工艺中,根据高通滤波器原理构建一台隔离耦合装置,将电弧超声激励源与弧焊电源通过该装置连接,使交变电信号耦合进交流电弧中,激励出的超声波直接作用于熔池,改善铝合金及铝基复合材料的焊接冶金及结晶过程。该技术的优点是：不需要复杂的超声施加装置，不受限于坡口及被焊工件的形状尺寸，随焊性好；该技术的缺点是：超声频电信号的耦合可引起附加的热输入，会引起晶粒粗化；同时，熔池超声振动能量相对较低。

目前厚壁铝合金窄间隙焊接技术主要存在以下问题：受铝合金焊接材料及焊接特性的影响，存在严重的焊缝气孔缺陷，焊缝气孔率在1％以上；受窄间隙焊熔池凝固条件及二次热循环影响，厚壁铝合金窄间隙焊缝组织呈现出明显的非均匀特征，柱状晶及等轴晶共存于焊缝内，且不同位置的晶粒尺寸差别较大，非均匀组织特征使得焊接接头的综合性能也呈现出非均匀性，从而为焊接接头的失效埋下了隐患。焊接速度受到电弧在侧壁停留时间参数的限制，影响了焊接效率的进一步提升。将超声振动引入厚壁铝合金窄间隙焊接技术有望解决上述问题，然而，将超声波振动应用于窄间隙焊接技术中存在如下主要技术困难：(1)窄间隙坡口尺寸及高温环境限制了超声振动施加方式，采用超声频电耦合式的超声施加方法是一种比较理想的施加方式，但是超声频电耦合在产生超声效应的同时会产生附加热输入，且随超声激励电流越大，附加热输入会越大，对组织细化产生不利影响。(2)超声频电耦合式超声施加方法熔池内超声振动能量较小，晶粒细化效果不明显。(3)在超声频电耦合施加现有技术中，超声回路和焊接回路的开关控制是通过人工方式进行，自动化程度低，需开发可编程的高精度的联合控制开关，精确控制超声回路和焊接回路的异步开关。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的铝合金窄间隙电弧焊焊缝组织不均匀、严重的焊缝气孔缺陷及焊接速度不能进一步提高等不足，提出一种可实现焊缝组织均匀、去除焊缝气孔缺陷、提高焊接速度、适用范围广的一种低热影响、高效率的铝合金超声窄间隙焊接系统及方法，通过将超声激励电源产生的超声频电信号与焊接电信号耦合，控制耦合电容的充放电速度，获得热输入变化可忽略且可激发超声效应的复合焊接电信号，激发熔池-超声产生共振，改变每一层焊接时的超声强度，实现高效高质量的厚壁铝合金窄间隙电弧焊接。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现。

一种用于铝合金的超声窄间隙焊接系统，包括超声激励电源、耦合波形控制系统、联合控制开关、焊接电源以及窄间隙焊炬，其中所述超声激励电源的一极与所述耦合波形控制系统的a脚相连，另一极分别与所述耦合波形控制系统的b脚及被焊工件相连。所述耦合波形控制系统的c脚与所述窄间隙焊炬中的焊丝相连，所述耦合波形控制系统的d脚和e脚分别和所述联合控制开关相连，所述联合控制开关的g脚和f脚通过引弧控制线与所述焊接电源相连。所述焊接电源的正极和负极分别与所述窄间隙焊炬中的焊丝和被焊工件相连。

进一步，所述的耦合波形控制系统由电磁继电器一、耦合电阻、耦合电容、限流电阻及电磁继电器二构成。其中，所述电磁继电器一的一个公共端与所述耦合电阻的一极相连，与此公共端匹配的常开触点与所述耦合电容一极相连，相连后引出a脚，所述耦合电阻的另一极为所述耦合波形控制系统的b脚。所述电磁继电器一的输入端为所述耦合波形控制系统的d脚。所述耦合电容的另一极与所述限流电阻的一极相连，所述限流电阻的另一极与所述电磁继电器二的公共端相连，与此公共端匹配的常开触点作为所述耦合波形控制系统的c脚，所述电磁继电器二的输入端为所述耦合波形控制系统的e脚。

所述的耦合波形控制系统工作原理是：利用限流电阻控制耦合电容的充放电时间，获得一种低附加热输入的超声频耦合电信号，其波形中脉冲电流的上升沿和下降沿陡峭，脉冲电流与基值电流所围成的面积较小。超声频激励信号与焊接电信号叠加后，热输入仅增大0.2％，基本不改变传统窄间隙电弧焊接工艺的热输入。

所述的联合控制开关由IO控制器、IO控制器供电电源、电磁继电器三、计算机及自锁开关构成。其中所述IO控制器供电电源与所述IO控制器的供电端相连，所述IO控制器的第1路开关量输入端、第2路开关量输入端及开关量输入公共端与两个所述自锁开关相连，所述IO控制器的第1路开关量输出端及第1路开关量输出公共端与所述电磁继电器三的输入端相连，所述电磁继电器三的一个输出公共端和对应的常开触点分别为所述联合控制开关的g脚和f脚。所述IO控制器的A/485+及B/485-连接RS485转USB转换器后与所述计算机相连。

所述的耦合波形控制系统的d脚和e脚分别与所述IO控制器的第2路开关量输出端、第2路开关量输出公共端、第3路开关量输出端及第3路开关量输出公共端相连。

所述的焊接电源为GMA焊接电源或GTA焊接电源，焊接电流模式为直流、交流或脉冲模式。

所述的超声激励电源为矩形波交流脉冲电源，超声激励电压及超声激励频率均可调，激励电压在0V-200V范围连续可调，激励频率在15kHz-80kHz范围连续可调。

所述的窄间隙焊炬为摇摆电弧窄间隙焊炬或旋转电弧窄间隙焊炬。

所述的限流电阻和所述耦合电阻选择大功率可调滑动变阻器，功率为5000W，对焊接电流的分流及超声回路的过流分别起限制和保护作用，耦合电容选用无极性的电解电容。

所述的IO控制器为开关量8入4出的智能IO控制器，可通过计算机编程对IO控制器程序进行更改，精确控制焊接回路和超声回路的异步开关，控制时间可精确到0.01s，确保超声激励电源安全的同时提高焊接操作的便利性。

所述的焊接系统，当焊接电流模式为直流模式时，电磁继电器一设为常开模式，仅通过联合控制开关控制电磁继电器二和焊接电弧的开通和关断；当焊接电流模式为脉冲模式时，利用联合控制开关控制电磁继电器一、电磁继电器二和焊接电弧的开通和关断。

为了达到上述目的，本发明提出的另一技术方案是：

一种铝合金超声窄间隙焊接方法，包括如下步骤：

步骤1、确定耦合波形控制系统中的器件参数，器件参数包括：限流电阻、耦合电容及耦合电阻。耦合波形控制系统中器件参数按如下原则进行确定：

其中R限为限流电阻的阻值，f为超声激励电源的频率，单位为kHz，c为耦合电容的容量，单位为uF。耦合电阻的阻值为1000Ω。

步骤2、选定焊接电流模式。

步骤3、将加工好的被焊工件安置于焊接平台上，被焊工件开U型坡口，对被焊工件四角压紧，打开水电气。按照所述的焊接系统的连接方法将超声激励电源、耦合波形控制系统、联合控制开关、窄间隙焊炬中的焊丝、焊接电源及引弧控制线相连接。

步骤4、通过计算机软件编程，对联合控制开关中的IO控制器程序进行编程，使得联合控制开关按如下顺序进行控制：首先启动焊接电弧，其次开通耦合波形控制系统，焊接结束时，先关闭焊接电弧，最后关断耦合波形控制系统。

步骤5、设定超声激励电源参数和焊接电源参数。其中，超声激励电源参数包括超声激励频率和超声激励电压。超声激励频率一般为30kHz左右，不同层焊接时保持超声激励频率不变。当窄间隙焊炬为摇动或摆动电弧窄间隙焊炬时，焊接参数包括：焊接电流、焊接速度、电弧摇摆频率、电弧摇摆角度、电弧侧壁停留时间、喷嘴高度及保护气流量。当窄间隙焊炬为旋转电弧窄间隙焊炬时，焊接参数包括：焊接电流、焊接速度、电弧旋转频率、喷嘴高度及保护气流量。其中通过控制焊接平台的移动速度改变焊接速度。当焊接电源为逆变式的焊接电源时，需要避免超声激励频率与焊接电源的逆变频率接近。

步骤6、调控焊枪位置，使焊丝处于破口中心位置，同时保证焊丝摇动时不接触侧壁，距离侧壁约1mm距离。调整气罩距离母材上表面距离至10mm。第一层焊接时，超声激励电压设定为100V，保护气流量20L/min～25L/min，其他参数设定好之后，启动联合控制开关，启动焊接平台，开始焊接，

步骤7、第一层焊接结束后，关闭联合控制开关，停止焊接平台，利用特制钢丝刷打磨焊缝表面，去除铝合金表面氧化皮。氧化皮打磨完毕后，保持参数不变，进行第二层焊接。第二层焊后同样需利用特制钢丝刷打磨焊缝表面，去除铝合金表面氧化皮。

步骤8、改变超声激励电压到50V，利用同样的步骤进行中间层数的焊接。焊接至最后两层时，需将超声激励电压增大到100V，直至焊接完毕。

步骤9、待整条焊缝焊接完成后，关闭焊接系统以及超声电源，空冷至室温，取下焊接工件，将焊接工件表面擦拭干净，完成焊接。

所述的一种铝合金超声窄间隙焊接方法，必须施加理想的超声激励频率，确保熔池与超声处于共振状态，在实现焊缝气孔去除的同时细化晶粒。超声激励频率不能接近焊接电源的固有逆变频率，避免热输入过大造成焊缝晶粒粗化。

本发明所述焊接方法,适用性广，不仅适用于铝合金焊接，还适用于钢等金属材料的焊接，不仅适用于熔化极电弧焊，还适用于非熔化极电弧焊。

与现有技术相比，本发明的优点和有益效果是：

1、本发明与传统窄间隙电弧焊热输入相比，超声频耦合电信号热输入仅增大0.2％，基本不改变传统窄间隙电弧焊接工艺的热输入。且随超声激励电压的增大，热输入变化不大，因此，可有效避免超声频电信号耦合附加热输入对晶粒细化的不利影响。

2、本发明显著降低了厚壁铝合金窄间隙电弧焊焊缝气孔率，气孔率降低到0.5％以下。

3、本发明显著提高了厚壁铝合金窄间隙电弧焊缝组织的均匀性，焊缝内部各区域晶粒均为等轴晶，且尺寸接近。

4、本发明增大了侧壁热输入，降低了电弧在侧壁的停留时间，进一步提高了焊接速度，焊接速度提高约20mm～50mm/min。

5、本发明实现了对超声电信号和焊接电信号的联合控制，可按设定程序精确控制超声信号和焊接信号的异步开关，显著提高了工艺适用性。

6、在相同焊接线能量下，超声频电脉冲耦合后，可降低电弧的摇动角度，减小焊丝与侧壁的接触概率，减小窄间隙焊对坡口精度及焊丝对中的过度依赖。

附图说明

图1是本发明所述的超声窄间隙焊接系统构造示意图。

图2为本发明焊接系统中的耦合波形控制系统的构造示意图。

图3为本发明焊接系统中的联合控制开关的构造示意图。

图4是本发明实施例1的焊缝组织均匀性及气孔去除的超声调控策略原理图。

图5是本发明实施例1中涉及到的电信号波形，分别为超声激励电源输出的电信号波形、窄间隙GMA焊直流反接电流波形、超声频电信号耦合后复合的焊接电流波形图。

图6是本发明实施例1的超声频耦合电信号热输入变化图。

图7中图a为靠近侧壁出的熔合区晶粒形态，图b为远离侧壁的焊缝内部晶粒形态。

图8中图a为铝合金摇动电弧窄间隙焊缝内气孔分布图，图b为超声电信号耦合后的铝合金摇动电弧窄间隙焊缝内气孔分布图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明所提出的一种低热影响、高效率的铝合金超声窄间隙焊接系统及方法的技术原理是：窄间隙电弧焊接方法可为摇动电弧窄间隙、摆动电弧窄间隙或旋转电弧窄间隙，利用电弧的摇摆或旋转优先保证侧壁熔合，在此基础上利用本发明所提出的超声调控方法改进铝合金传统窄间隙电弧焊存在问题，改善焊缝组织均匀性、去除焊缝气孔缺陷，提高焊接速度，提高铝合金窄间隙电弧焊接质量。

超声激励电源通过耦合波形控制系统与窄间隙焊炬的焊丝和被焊工件相连，通过耦合波形控制系统对超声激励电源产生的超声频电信号的波形进行转变，获得热输入可忽略的理想超声频电信号波形，与GMA焊接电信号叠加，形成复合后的高频焊接电信号，调控等离子流力产生超声频变化进而激发熔池产生超声振动效应，利用超声-熔池共振效应增大超声作用效果，改变超声激励电压，调控不同层焊后组织形态及尺寸。

本实施例是焊接30mm厚的5083铝合金，它的化学成分为(质量百分比)：Si≤0.40，Cu≤0.10,Mg≤4.0-4.9，Zn≤0.25，Mn≤0.4-1.0，Ti≤0.15，Cr≤0.05-0.25，Fe≤0.4。机加工制作U型坡口。坡口凹槽深度为25mm，顶部间隙12mm,底部圆倒角半径为5mm，钝边厚度为5mm。在焊接之前需要对待焊材料表面进行严格的清洁，用钢丝刷抛光工件表面，用丙酮溶液清洗坡口凹槽上的污渍，然后用夹具固定工件。焊丝选用ER5183铝合金焊丝。

本例所使用的超声激励电源为矩形波交流脉冲电源，超声激励电压及超声激励频率均可调，激励电压在0V-200V范围连续可调，激励频率在15kHz-80kHz范围连续可调。超声激励电源产生的波形为交变矩形脉冲波形，占空比为50％。焊接电源选择奥泰逆变式脉冲MIG/MAG焊机。焊接电流模式为直流反接模式，被焊工件与焊接电源的负极相连。窄间隙焊炬选择摇动电弧窄间隙焊炬。

确定耦合波形控制系统中的限流电阻及耦合电容参数，限流电阻选择功率为5kW且阻值可调的大功率的滑动变阻器，阻值设为10Ω，耦合波形控制系统中器件参数按如下原则进行设置：

其中R限为限流电阻的阻值，f为超声激励电源的频率，单位为kHz，c为耦合电容的容量，单位为uF。通过计算，耦合电容同超声激励电源的频率之间关系如下表所示：

本例超声激励电源的频率为30kHz，因此耦合电容的容量为0.033uF，耦合电容选用无极性的电解电容。

耦合波形控制系统中的器件参数确定后，按附图1-图3及流程搭建焊接系统：

如附图1-图3所示，为本发明的一种用于铝合金的超声窄间隙焊接系统，由超声激励电源、耦合波形控制系统、联合控制开关、焊接电源以及窄间隙焊炬组成。其连接方式为：超声激励电源的一极与耦合波形控制系统的a脚相连，超声激励电源的另一极与耦合波形控制系统的b脚及被焊工件相连。耦合波形控制系统的c脚与窄间隙焊炬中焊丝相连，耦合波形控制系统的d脚和e脚分别和联合控制开关相连，联合控制开关的f脚通过引弧控制线与焊接电源相连。焊接电源的正极和负极分别与窄间隙焊炬中的焊丝和被焊工件相连。

其中，耦合波形控制系统由电磁继电器一、耦合电阻、耦合电容、限流电阻及电磁继电器二构成。其连接方式为：电磁继电器一的一个公共端与耦合电阻的一极相连，与此公共端匹配的常开触点与耦合电容一极相连，相连后引出a脚，耦合电阻的另一极为耦合波形控制系统的b脚。电磁继电器一的输入端为耦合波形控制系统的d脚。耦合电容的另一极与限流电阻的一极相连，限流电阻的另一极与电磁继电器二的公共端相连，与此公共端匹配的常开触点作为耦合波形控制系统的c脚，电磁继电器二的输入端为耦合波形控制系统的e脚。

联合控制开关由IO控制器、IO控制器供电电源、电磁继电器三、计算机及自锁开关构成。其连接方式为：IO控制器供电电源与IO控制器的供电端相连，IO控制器的第1路开关量输入端、第2路开关量输入端及开关量输入公共端与两个自锁开关相连，IO控制器的第1路开关量输出端及第1路开关量输出公共端与电磁继电器三的输入端相连，电磁继电器三的一个输出公共端和对应的常开触点分别为联合控制开关的g脚和f脚。IO控制器的A/485+及B/485-连接RS485转USB转换器后与计算机相连。

耦合波形控制系统的d脚和e脚分别与IO控制器的第2路开关量输出端、第2路开关量输出公共端、第3路开关量输出端及第3路开关量输出公共端相连。

IO控制器为开关量8入4出的智能IO控制器，可通过计算机编程对IO控制器程序进行更改，精确控制焊接回路和超声回路的异步开关，控制时间可精确到0.01s，确保超声激励电源安全的同时提高焊接操作的便利性。利用计算机软件对联合控制开关中的IO控制器进行编程，其中控制电磁继电器一为常开状态，通过联合控制开关控制电磁继电器二和焊接电弧的开通和关断。本例，控制顺序如下：先启动焊接电弧，1s后开通耦合波形控制系统，焊接35s后同时关闭焊接电弧和耦合波形控制系统。

设定超声激励电源参数和焊接电源参数。超声激励电源参数包括超声激励频率和超声激励电压。超声激励频率一般为30kHz左右，不同层焊接时保持超声激励频率不变。焊接参数包括：焊接电流、焊接速度、电弧摇动频率、电弧摇动角度、电弧侧壁停留时间、喷嘴高度及保护气流量。通过控制焊接平台的移动速度改变焊接速度。本焊机为逆变焊机，逆变频率位于40kHz附近。焊接电流直流反接为300A～350A，焊接速度为260-290mm/min，电弧摇动频率为1.5Hz，电弧摇动角度为20-30°，侧壁停留时间为40ms，保护气体为氩气，气体流量为20L/min～25L/min。如附图4所示，为本发明的焊缝组织均匀性及气孔去除的超声调控策略原理图，焊接时不同层的焊接参数保持不变，仅改变超声参数。

如附图5-图6所示，为本发明的涉及到的电信号波形及热输入变化图，复合电流波形中脉冲电流的上升沿和下降沿陡峭，脉冲电流与基值电流所围成的面积较小。超声激励信号与焊接电信号叠加后，热输入仅增大0.2％，基本不改变传统窄间隙电弧焊接工艺的热输入。

调控焊枪位置，使焊丝处于破口中心位置，同时保证焊丝摇动时不接触侧壁，距离侧壁约1mm距离。调整气罩距离母材上表面距离至10mm。第一层焊接时，超声激励电压设定为100V，保护气流量20L/min～25L/min，其他参数设定好之后，启动联合控制开关，启动焊接平台，开始焊接，

第一层焊接结束后，关闭联合控制开关，停止焊接平台，利用特制钢丝刷打磨焊缝表面，去除铝合金表面氧化皮。氧化皮打磨完毕后，保持参数不变，进行第二层焊接。第二层焊后同样需利用特制钢丝刷打磨焊缝表面，去除铝合金表面氧化皮。

改变超声激励电压到50V，利用同样的步骤进行中间层数的焊接。焊接至最后两层时，需将超声激励电压增大到100V，直至焊接完毕。

待整条焊缝焊接完成后，关闭焊接系统以及超声电源，空冷至室温，取下焊板，将焊接工件表面擦拭干净，完成焊接。

如附图7所示，为本发明的靠近侧壁出的熔合区晶粒形态及远离侧壁的焊缝内部晶粒形态。焊后焊缝截面内晶粒均匀化，均为等轴晶且尺寸相近，焊缝内部的平均晶粒尺寸由50μm减小到38μm。如附图8所示，为本发明的有无超声电信号耦合的铝合金摇动电弧窄间隙焊缝气孔分布图，超声电信号耦合后，焊缝气孔得到去除，无超声时气孔率为1.1％，施加超声后，气孔率降低为0.4％，气孔率显著降低。焊接速度得到进一步提高。焊接速度由240mm/min提高到260-290mm/min。

本发明包括但不限于实施例中的焊接方法和焊接材料,适用于当前常用的非熔化极气体保护焊、熔化极气体保护焊及等离子弧焊等窄间隙焊接方法,也适用于当前常用的碳钢、不锈钢、合金钢、铝合金、钛合金、镁合金等厚壁材料的窄间隙焊接。

Claims (10)

1.一种用于铝合金的超声窄间隙焊接系统，其特征在于：包括超声激励电源、耦合波形控制系统、联合控制开关、焊接电源以及窄间隙焊炬，其中所述超声激励电源的一极与所述耦合波形控制系统的a脚相连，另一极分别与所述耦合波形控制系统的b脚及被焊工件相连；所述耦合波形控制系统的c脚与所述窄间隙焊炬中的焊丝相连，所述耦合波形控制系统的d脚和e脚分别和所述联合控制开关相连，所述联合控制开关的g脚和f脚通过引弧控制线与所述焊接电源相连；所述焊接电源的正极和负极分别与所述窄间隙焊炬中的焊丝和被焊工件相连。

2.根据权利要求1所述的一种用于铝合金的超声窄间隙焊接系统，其特征在于：所述的耦合波形控制系统由电磁继电器一、耦合电阻、耦合电容、限流电阻及电磁继电器二构成；其中，所述电磁继电器一的一个公共端与所述耦合电阻的一极相连，与此公共端匹配的常开触点与所述耦合电容一极相连，相连后引出a脚，所述耦合电阻的另一极为所述耦合波形控制系统的b脚；所述电磁继电器一的输入端为所述耦合波形控制系统的d脚；所述耦合电容的另一极与所述限流电阻的一极相连，所述限流电阻的另一极与所述电磁继电器二的公共端相连，与此公共端匹配的常开触点作为所述耦合波形控制系统的c脚，所述电磁继电器二的输入端为所述耦合波形控制系统的e脚。

3.根据权利要求1所述的一种用于铝合金的超声窄间隙焊接系统，其特征在于：所述的耦合波形控制系统工作原理是：利用限流电阻控制耦合电容的充放电时间，获得一种低附加热输入的超声频耦合电信号，其波形中脉冲电流的上升沿和下降沿陡峭，脉冲电流与基值电流所围成的面积较小；超声频激励信号与焊接电信号叠加后，热输入仅增大0.2％，基本不改变传统窄间隙电弧焊接工艺的热输入。

4.根据权利要求1所述的一种用于铝合金的超声窄间隙焊接系统，其特征在于：所述的联合控制开关由IO控制器、IO控制器供电电源、电磁继电器三、计算机及自锁开关构成，其中所述IO控制器供电电源与所述IO控制器的供电端相连，所述IO控制器的第1路开关量输入端、第2路开关量输入端及开关量输入公共端与两个所述自锁开关相连，所述IO控制器的第1路开关量输出端及第1路开关量输出公共端与所述电磁继电器三的输入端相连，所述电磁继电器三的一个输出公共端和对应的常开触点分别为所述联合控制开关的g脚和f脚；所述IO控制器的A/485+及B/485-连接RS485转USB转换器后与所述计算机相连；所述的耦合波形控制系统的d脚和e脚分别与所述IO控制器的第2路开关量输出端、第2路开关量输出公共端、第3路开关量输出端及第3路开关量输出公共端相连。

5.根据权利要求1所述的一种用于铝合金的超声窄间隙焊接系统，其特征在于：所述的焊接电源为GMA焊接电源或GTA焊接电源，焊接电流模式为直流、交流或脉冲模式。

6.根据权利要求1所述的一种用于铝合金的超声窄间隙焊接系统，其特征在于：所述的超声激励电源为矩形波交流脉冲电源，超声激励电压及超声激励频率均可调，激励电压在0V-200V范围连续可调，激励频率在15kHz-80kHz范围连续可调。

7.根据权利要求1所述的一种用于铝合金的超声窄间隙焊接系统，其特征在于：所述的窄间隙焊炬为摇摆电弧窄间隙焊炬或旋转电弧窄间隙焊炬。

8.根据权利要求1所述的一种用于铝合金的超声窄间隙焊接系统，其特征在于：所述的限流电阻和所述耦合电阻选择大功率可调滑动变阻器，功率为5000W，对焊接电流的分流及超声回路的过流分别起限制和保护作用，耦合电容选用无极性的电解电容。

9.根据权利要求1所述的一种用于铝合金的超声窄间隙焊接系统，其特征在于：所述的IO控制器为开关量8入4出的智能IO控制器，可通过计算机编程对IO控制器程序进行更改，精确控制焊接回路和超声回路的异步开关，控制时间可精确到0.01s，确保超声激励电源安全的同时提高焊接操作的便利性。

10.一种用于铝合金的超声窄间隙焊接系统的焊接方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1、确定耦合波形控制系统中的器件参数，器件参数包括：限流电阻、耦合电容及耦合电阻，耦合波形控制系统中器件参数按如下原则进行确定：

其式中：R限为限流电阻的阻值，f为超声激励电源的频率，单位为kHz，c为耦合电容的容量，单位为uF，耦合电阻的阻值为1000Ω，

步骤2、选定焊接电流模式，

步骤3、将加工好的被焊工件安置于焊接平台上，被焊工件开U型坡口，对被焊工件四角压紧，打开水电气，按照所述的焊接系统的连接方法将超声激励电源、耦合波形控制系统、联合控制开关、窄间隙焊炬中的焊丝、焊接电源及引弧控制线相连接，

步骤4、通过计算机软件编程，对联合控制开关中的IO控制器程序进行编程，使得联合控制开关按如下顺序进行控制：首先启动焊接电弧，其次开通耦合波形控制系统，焊接结束时，先关闭焊接电弧，最后关断耦合波形控制系统，

步骤5、设定超声激励电源参数和焊接电源参数，其中，超声激励电源参数包括超声激励频率和超声激励电压，超声激励频率一般为30kHz左右，不同层焊接时保持超声激励频率不变；当窄间隙焊炬为摇动或摆动电弧窄间隙焊炬时，焊接参数包括：焊接电流、焊接速度、电弧摇摆频率、电弧摇摆角度、电弧侧壁停留时间、喷嘴高度及保护气流量，当窄间隙焊炬为旋转电弧窄间隙焊炬时，焊接参数包括：焊接电流、焊接速度、电弧旋转频率、喷嘴高度及保护气流量，其中通过控制焊接平台的移动速度改变焊接速度，当焊接电源为逆变式的焊接电源时，需要避免超声激励频率与焊接电源的逆变频率接近，

步骤6、调控焊枪位置，使焊丝处于破口中心位置，同时保证焊丝摇动时不接触侧壁，距离侧壁约1mm距离，调整气罩距离母材上表面距离至10mm，第一层焊接时，超声激励电压设定为100V，保护气流量20L/min～25L/min，其他参数设定好之后，启动联合控制开关，启动焊接平台，开始焊接，

步骤7、第一层焊接结束后，关闭联合控制开关，停止焊接平台，利用特制钢丝刷打磨焊缝表面，去除铝合金表面氧化皮，氧化皮打磨完毕后，保持参数不变，进行第二层焊接，第二层焊后同样需利用特制钢丝刷打磨焊缝表面，去除铝合金表面氧化皮，

步骤8、改变超声激励电压到50V，利用同样的步骤进行中间层数的焊接，焊接至最后两层时，需将超声激励电压增大到100V，直至焊接完毕，

步骤9、待整条焊缝焊接完成后，关闭焊接系统以及超声电源，空冷至室温，取下焊接工件，将焊接工件表面擦拭干净，完成焊接。

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