CN112453711A - 激光-电弧复合焊接和超声去应力一体化装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光‑电弧复合焊接和超声去应力一体化装置，包括基座A，基座A上设置有激光焊接头和电弧焊枪，基座A远离激光焊接头的一侧侧面设置有可上下移动的基座B，基座B底部设置有超声冲击头，超声冲击头连接有超声波发生器，基座B与超声冲击头通过直线导轨副连接，激光焊接头、电弧焊枪和超声冲击头的底端端部位于同一水平线上。采用本发明装置能够使电弧焊枪、激光焊接头和超声冲击头同步运动，激光‑电弧焊接在前，超声冲击在后，达到前边施焊，后边同步超声冲击去应力强化的效果，能够有效去除厚板焊接及多层填充焊残余应力。

Description

激光-电弧复合焊接和超声去应力一体化装置
技术领域
本发明属于焊接技术技术领域，涉及一种激光-电弧复合焊接和超声去应力一体化装置。
背景技术
高强钢厚板焊接过程中，由于焊接裂纹敏感性高，易产生由于残余应力引起的焊缝开裂，导致结构失效。一般来说，焊接后工件内部存在残余压应力，有利于提高工件的结合强度和疲劳强度，而存在残余拉应力，容易产生裂纹和焊接缺陷，所以需要通过各种工艺和方法将残余拉应力从工件中消除。消除残余应力可以从以下几个方面来进行：通过结构设计预防残余应力；采用相应的焊接工艺，调节和控制残余的产生和发展；焊后采用机械力和热处理的方法降低或消除残余应力。通过结构设计预防残余应力往往受制于系统结构及使用要求，改善内应力效果有限，而焊接工艺由于受焊材、焊接方法、现场施工条件、施焊工艺等多种因素影响，也无法有效避免焊缝拉应力的产生。采用焊后超声冲击以后，由于焊缝表面受到高频振动和冲击应力，从而使处于较高应力场的区域中的应力得到释放，可有效减小焊件中的残余应力。同时，机械力还可以减少焊趾区的缺口的尖锐度，因而降低了应力集中，甚至有可能在金属表面产生压应力，可以大幅度提高焊接接头的疲劳强度。
目前，高强钢厚板T型结构焊接件采用的去除焊缝应力的方法是焊后人工手持冲击枪进行超声去应力冲击。对于厚板T型结构接头，一般要采用多道多层焊接方式焊接，若采用焊后人工超声冲击的方法对每层熔覆金属进行去应力形变强化，会大大降低焊接效率，且人工手持冲击枪难以保证冲击位置连续搭接、移动速度、压力的恒定，导致连续的长焊缝去应力效果及变形量不稳定，同时亦会影响后续熔焊工艺条件的稳定，难以保证焊接接头质量。现有同步超声冲击装置只应用于实验室小型试验，对焊接板材表面质量要求极高，且只适合于薄板单层小焊缝焊接，不适于表面状态略差的厚板焊接及多层填充焊，此外超声冲击枪产生的振动会影响电弧焊接及激光焊接的稳定性。
发明内容
本发明的目的是提供一种激光-电弧复合焊接和超声去应力一体化装置，解决了现有同步超声冲击装置不能去除厚板焊接及多层填充焊残余应力的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种激光-电弧复合焊接和超声去应力一体化装置，包括基座A，基座A上设置有激光焊接头和电弧焊枪，基座A远离激光焊接头的一侧侧面设置有可上下移动的基座B，基座B底部设置有超声冲击头，超声冲击头连接有超声波发生器，基座B与超声冲击头通过直线导轨副连接，激光焊接头、电弧焊枪和超声冲击头的底端端部位于同一水平线上。
本发明的技术特征还在于，
超声冲击头包括从上向下依次连接的压力调节仓和冲击头仓体，冲击头仓体内部设置有与超声波发生器连接的换能器，底部设置有可上下移动的冲击针。
压力调节仓包括顶盖、弹簧和筒体，顶盖与筒体通过螺钉固定连接，弹簧设置在筒体内部。
冲击针为T型针，冲击针顶部位于冲击头仓体内部，底部位于冲击头仓体外部，换能器底面与冲击针顶面相贴合。
冲击头仓体包括从上向下依次固定连接的圆形顶板、圆筒和空心棱台，顶板四周卡在筒体内部，空心棱台与圆筒内部相连通，空心棱台底面开设有可使冲击针底部穿过的通孔。
筒体内壁上开设有定位槽，顶板外侧设置有凸出端，凸出端嵌入在定位槽内部。
基座A与基座B通过直线滚珠丝杠连接。
直线滚珠丝杠包括相互配合的丝杠导轨和滑台，滑台与丝杠导轨螺纹连接，丝杠导轨竖直设置在基座A侧面上，滑台通过螺钉与基座B侧面固定连接。
基座B底部设置有制动装置，制动装置包括套设在丝杠导轨上的滑块，滑块侧面开设有水平螺纹通孔，螺纹通孔内部设置有螺钉。
激光焊接头与竖直方向的夹角为0-10°。
本发明的有益效果是，通过在基座A上设置激光焊接头和电弧焊枪，基座A远离激光焊接头的一侧侧面设置有可上下移动的基座B，在基座B底部设置超声冲击头，超声冲击头连接超声波发生器，基座B与超声冲击头通过直线导轨副连接，激光焊接头、电弧焊枪和超声冲击头的底端端部位于同一水平线上，采用本装置能够使电弧焊枪、激光焊接头和超声冲击头同步运动，激光-电弧焊接在前，超声冲击在后，达到前边施焊，后边同步超声冲击去应力强化的效果，能够有效去除厚板焊接及多层填充焊残余应力；通过转动丝杠导轨，可带动滑台上下移动，进而带动基座B5和超声冲击头6上下移动，以调整超声冲击头与焊接工件8的距离，进而调整超声冲击头与焊缝金属接触的正压力；通过直线导轨副可以精确调整冲击头与熔池的距离，匹配超声冲击点焊缝金属的温度，达到更好的冲击效果。
附图说明
图1是本发明一种激光-电弧复合焊接和超声去应力一体化装置的结构示意图；
图2是本发明一种激光-电弧复合焊接和超声去应力一体化装置中超声冲击头的结构示意图。
图中，1.基座A，2.激光焊接头，3.电弧焊枪，4.直线滚珠丝杠，5.基座B，6.超声冲击头，7.超声波发生器，8.焊接工件，9.凸出端，10.压力调节仓，11.弹簧，12.定位槽，13.冲击头仓体，14.换能器，15.冲击针，16.顶盖，17.筒体，18.顶板，19.圆筒，20.空心棱台，21.滑台，22.制动装置，23.螺钉。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种激光-电弧复合焊接和超声去应力一体化装置，参照图1，包括基座A1，基座A1为机械手，基座A1上固定有激光焊接头2和电弧焊枪3，激光焊接头2与竖直方向的夹角为5°，基座A1远离激光焊接头2的一侧侧面设置有可上下移动的基座B5，基座B5底部设置有超声冲击头6，超声冲击头6连接有超声波发生器7，基座B5与超声冲击头6通过直线导轨副连接，可以调节超声冲击头6距离焊接熔池的距离。激光焊接头2的激光口、电弧焊枪3的枪口和超声冲击头6的底端端部位于同一水平线上。
直线导轨副包括相配合的直线导轨和滑块，滑块套设在直线导轨上，可沿直线导轨左右水平滑动，直线导轨固定在基座B5底面上，滑块与超声冲击头6顶部通过螺钉连接，可带动超声冲击头6沿直线导轨左右水平滑动。
基座A1与基座B5通过直线滚珠丝杠4连接，直线滚珠丝杠4包括相互配合的丝杠导轨和滑台21，滑台21套设在丝杠导轨上，滑台与丝杠导轨螺纹连接，丝杠导轨竖直设置在基座A1侧面上，滑台通过螺钉与基座B5侧面固定连接。
丝杠导轨的两侧分别设置有滑轨，两侧滑轨的中心轴轴线与丝杠导轨中心轴轴线位于同一竖直平面内，滑台与滑轨滑动连接，保证了基座A1和超声冲击头6在上下移动时的稳定性。
基座B5底部设置有制动装置22，制动装置22包括套设在丝杠导轨上的滑块，滑块侧面开设有水平螺纹通孔，螺纹通孔内部设置有螺钉23，在需要锁紧滑台时，使螺钉23左移，螺钉23端部顶在丝杠导轨的螺纹中，阻止了滑台的下移，防止滑台因基座A1、超声冲击头6和自身重力而下移。
通过转动丝杠导轨，可带动滑台上下移动，进而带动基座B5和超声冲击头6上下移动，以调整超声冲击头与焊接工件8的距离，进而调整超声冲击头与焊缝金属接触的正压力。
当冲击针底部与焊缝金属恰好接触时，两者压力为零，此时继续向下调节基座A1，则弹簧11被压缩，冲击针15与焊缝金属接触压力增大，调节压力至适当值(20N～50N)。
参照图2，超声冲击头6包括从上向下依次连接的压力调节仓10和冲击头仓体13，冲击头仓体13内部设置有与超声波发生器7连接的换能器14，底部设置有可上下移动的冲击针15，超声波发生器7与换能器14通过导电滑环连接。
施焊开始前根据焊缝的宽度和形状选择冲击针的数量及排列形式，如单针、单排多针及阵列等，本实施例中为3个并排排列的冲击针15。
压力调节仓10包括顶盖16、弹簧11和筒体17，顶盖16与筒体17通过螺钉固定连接，弹簧11设置在筒体17内部。弹簧11能够起到缓震的效果，减少了超声冲击装置工作时产生的振动对焊枪及激光头稳定性的影响，使焊接过程更加稳定。
冲击针15为T型针，冲击针15顶部位于冲击头仓体13内部，底部位于冲击头仓体13外部，换能器14底面与冲击针15顶面相贴合。
冲击头仓体13包括从上向下依次固定连接的圆形顶板18、圆筒19和倒立的空心棱台20，顶板18四周卡在筒体17内部，空心棱台20与圆筒19内部相连通，空心棱台20底面开设有可使冲击针15底部穿过的通孔。
筒体17内壁上均匀开设有四个定位槽12，顶板18外侧设置有凸出端9，凸出端9嵌入在定位槽12内部，阻止了冲击头仓体13与压力调节仓10发生相对转动。
使用本发明激光-电弧复合焊接和超声去应力一体化装置时，首先设定好激光、电弧焊接工艺参数和自动焊接程序，调节好超声冲击频率、功率、正压力和冲击头距焊接熔池距离，然后开启自动焊接程序，整个同步超声去应力装置系统在机械手的带动下与电弧焊枪及激光焊接头同步运动，激光-电弧焊接在前，超声冲击在后，达到前边施焊，后边同步超声冲击去应力强化的效果。在保证厚板稳定焊接的同时，每层熔覆层都同步地进行超声冲击去应力，更能有效地去除焊缝熔覆金属内应力，解决了高强钢厚板多层多道焊接焊缝去应力及形变强化工艺复杂及效率低下的问题。
在同步超声冲击工作时，必须使冲击针15与焊缝金属接触，并且施加一定的垂直压力，超声波发生器将交流电转换成高频电振荡信号通过导电滑环传递给换能器14，换能器14将高频电振荡信号转换成轴向高频振动，推动超声冲击头的冲击针15振动，冲击针作用于金属表面，产生高频超声冲击力，达到去除焊接应力的效果。
本发明激光-电弧复合焊接和超声去应力一体化装置可通过左右移动超声冲击头6来匹配超声冲击点焊缝金属的温度，超声冲击头距离焊接熔池越近，熔池受振动及拉压交替应力作用越大，可打断金属凝固过程中晶粒的长大过程，增加结晶形核，使晶粒细化，强度提高，所以超声冲击应靠近焊接熔池，温度应该高一些。而对于去应力而言，金属由热到冷的过程产生拉应力，冲击温度过高，冲击后温度较高的焊缝金属在冷却过程中会继续产生拉应力，使得去应力效果大打折扣，所以冲击温度应该低一些。经试验，对于低碳钢和低合金钢，冲击温度低于400℃可获得较好的冲击效果，故将其冲击温度定为200-400℃，能达到最好的冲击效果。

Claims (10)

1.一种激光-电弧复合焊接和超声去应力一体化装置，其特征在于，包括基座A(1)，基座A(1)上设置有激光焊接头(2)和电弧焊枪(3)，基座A(1)远离激光焊接头(2)的一侧侧面设置有可上下移动的基座B(5)，基座B(5)底部设置有超声冲击头(6)，超声冲击头(6)连接有超声波发生器(7)，基座B(5)与超声冲击头(6)通过直线导轨副连接，激光焊接头(2)、电弧焊枪(3)和超声冲击头(6)的底端端部位于同一水平线上。
2.根据权利要求1所述的一种激光-电弧复合焊接和超声去应力一体化装置，其特征在于，所述超声冲击头(6)包括从上向下依次连接的压力调节仓(10)和冲击头仓体(13)，冲击头仓体(13)内部设置有与超声波发生器(7)连接的换能器(14)，底部设置有可上下移动的冲击针(15)。
3.根据权利要求2所述的一种激光-电弧复合焊接和超声去应力一体化装置，其特征在于，所述压力调节仓(10)包括顶盖(16)、弹簧(11)和筒体(17)，顶盖(16)与筒体(17)通过螺钉固定连接，弹簧(11)设置在筒体(17)内部。
4.根据权利要求3所述的一种激光-电弧复合焊接和超声去应力一体化装置，其特征在于，所述冲击针(15)为T型针，冲击针(15)顶部位于冲击头仓体(13)内部，底部位于冲击头仓体(13)外部，换能器(14)底面与冲击针(15)顶面相贴合。
5.根据权利要求4所述的一种激光-电弧复合焊接和超声去应力一体化装置，其特征在于，所述冲击头仓体(13)包括从上向下依次固定连接的圆形顶板(18)、圆筒(19)和空心棱台(20)，顶板(18)四周卡在筒体(17)内部，空心棱台(20)与圆筒(19)内部相连通，空心棱台(20)底面开设有可使冲击针(15)底部穿过的通孔。
6.根据权利要求5所述的一种激光-电弧复合焊接和超声去应力一体化装置，其特征在于，所述筒体(17)内壁上开设有定位槽(12)，顶板(18)外侧设置有凸出端(9)，凸出端(9)嵌入在定位槽(12)内部。
7.根据权利要求1所述的一种激光-电弧复合焊接和超声去应力一体化装置，其特征在于，所述基座A(1)与基座B(5)通过直线滚珠丝杠(4)连接。
8.根据权利要求7所述的一种激光-电弧复合焊接和超声去应力一体化装置，其特征在于，所述直线滚珠丝杠(4)包括相互配合的丝杠导轨和滑台(21)，滑台(21)与丝杠导轨螺纹连接，丝杠导轨竖直设置在基座A(1)侧面上，滑台(21)通过螺钉与基座B(5)侧面固定连接。
9.根据权利要求7所述的一种激光-电弧复合焊接和超声去应力一体化装置，其特征在于，所述基座B(5)底部设置有制动装置(22)，制动装置(22)包括套设在丝杠导轨上的滑块，滑块侧面开设有水平螺纹通孔，螺纹通孔内部设置有螺钉(23)。
10.根据权利要求1所述的一种激光-电弧复合焊接和超声去应力一体化装置，其特征在于，所述激光焊接头(2)与竖直方向的夹角为0-10°。
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