CN112620987A - 一种超声频率脉冲氩弧焊接设备及其焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超声频率脉冲氩弧焊接设备及其方法，该设备包括：超声辅助电源，包括电流输出端，与所述焊枪的接线端相连。该焊接方法包括：连接所述超声辅助电源与所述氩弧焊接电源连接，将所述氩弧焊接电源和所述超声辅助电源的地线分别连接至所述工件上；开启所述氩弧焊接电源和超声辅助电源；所述超声辅助电源通过所述氩弧焊接电源的所述起弧信号，启动超声频率的脉冲输出，并送丝和焊接行走；待一道焊缝焊接完成时，停止送丝，发出熄弧信号并停止所述超声辅助电源的输出。本发明无需对原氩弧枪进行任何改动，即可产生对焊接电弧的超声频率压缩效率，进而对焊接熔池产生超声频率的振动效果，进而提升焊接熔深、细化焊缝金属晶粒，提升焊缝质量。

Description

一种超声频率脉冲氩弧焊接设备及其焊接方法

技术领域

本发明涉及一种氩弧焊技术，尤其是一种超声频率脉冲氩弧焊设备及其焊接方法。

背景技术

氩弧焊作为一种电弧容易控制、焊接变形小、焊接质量好的焊接方法广泛应用于大多数金属的焊接，但因其效率相对较低，故出现一系列旨在进一步提升焊接效率的方法，如减小焊接填充量的窄间隙自动焊，提升焊接熔敷效率的复合焊，以及在焊枪或焊枪上通过增超声波振动来改善氩弧焊性能、提高熔深、提升焊接效率。

建议这部分再加入有关物理振动，焊枪上振动的两种现有技术，现大致介绍如何实现，重点突出其弊端。

振动焊接是在正常焊接过程中给焊件施加周期的外力，使熔池振动，以达到增加氩弧焊接熔深、细化焊焊缝晶粒的一种焊接工艺，但其一般的机械振动频率较低，一般不超过200Hz，而且机械振动装置较为复杂，使用范围受限。

中国发明专利公开号：CN101219499A，发明名称为：一种超声波与非熔化极电弧复合的焊接方法，以及，发明专利公开号：CN14607811，发明名称：一种超声波非熔化极氩弧焊装备，两篇文献均是利超声波对于熔池及焊缝附近的母材进行超声波振动，利用空穴效应作用，加速熔池气体逸出、增加形核、细化焊缝金属晶粒尺寸进一步提升焊接质量，同时可以提升焊接熔深来提升焊接效率。两项专利中均是使用在焊枪的结构上换能器来产生超声频率的机械振动，进而产生超生波，来产生对熔池的振动作用，结构复杂，需要将焊枪固定在固定的装置上使用，难以应用于普通的手工氩弧焊上进行使用。

脉冲氩弧焊应用较泛，其可进一步提升焊接熔深，减少焊接变形，更好的适用于不同的焊接位置，但基于目前的焊接电源，一般频率0.5～20Hz，具有高频率的氩弧焊接电源一般可达到200～500Hz，近年来随着技术的发展出现最高可达到15kHz的焊接电源，但焊接电源频率依然无法达到超声频率，无法获得超声波与氩弧焊复合的效果。

发明内容

应当理解，本公开以上的一般性描述和以下的详细描述都是示例性和说明性的，并且旨在为如权利要求所述的本公开提供进一步的解释。

本发明针对现有使用超声波特性改善焊接熔池工艺的不足，提供一种新的能够加速熔池气泡逸出、细化焊缝金属晶粒，增焊接熔深，减少焊缝残余内应力、有效减少焊接热裂纹的超声频率脉冲氩弧焊接工艺。

本发明提供了一种超声频率脉冲氩弧焊接设备，包括氩弧焊电源，焊枪，其特征在于，所述设备进一步包括：

超声辅助电源，包括电流输出端，与所述焊枪的接线端相连。

比较好的是，本发明进一步提供了一种超声频率脉冲氩弧焊接设备，其特征在于，

所述超声辅助电源提供15～100kHz超声频率的交流正弦波脉冲。

比较好的是，本发明进一步提供了一种超声频率脉冲氩弧焊接设备，其特征在于，所述设备进一步包括：

快速插头，所述超声辅助电源的电流输出端通过所述快速插头连接至焊枪接线端。

比较好的是，本发明进一步提供了一种超声频率脉冲氩弧焊接设备，其特征在于，

所述氩弧焊电源和所述超声辅助电源各包括地线。

本发明还提供了一种焊接方法，将上述焊接设备应用在焊接工件上，其特征在于，所述方法包括：

步骤一，连接所述超声辅助电源与所述氩弧焊接电源连接，将所述氩弧焊接电源和所述超声辅助电源的地线分别连接至所述工件上；

步骤二，开启所述氩弧焊接电源和超声辅助电源；

步骤三，所述超声辅助电源通过所述氩弧焊接电源的所述起弧信号，启动超声频率的脉冲输出，并送丝和焊接行走；

步骤四，待一道焊缝焊接完成时，停止送丝，发出熄弧信号并停止所述超声辅助电源的输出。

比较好的是，本发明还进一步提供了一种焊接方法，其特征在于，

所述起弧信号和所述熄弧信号均由所述氩弧焊接电源发出。

本发明通过将超声频率的电流脉冲叠加至普通的氩弧焊接电弧上，而不使用换能器产生超声波的形式，无需对原氩弧枪进行任何改动，即可产生对焊接电弧的超声频率压缩效率，进而对焊接熔池产生超声频率的振动效果，可以与用所有的氩弧焊源连接使用，进而提升焊接熔深、细化焊缝金属晶粒，提升焊缝质量。

附图说明

现在将详细参考附图描述本公开的实施例。现在将详细参考本公开的优选实施例，其示例在附图中示出。在任何可能的情况下，在所有附图中将使用相同的标记来表示相同或相似的部分。此外，尽管本公开中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是本公开说明书中所提及的一些术语可能是申请人按他或她的判断来选择的，其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。此外，要求不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本公开。

下面，参照附图，对于熟悉本技术领域的人员而言，从对本发明的详细描述中，本发明的上述和其他目的、特征和优点将显而易见。

图1是本发明的装置组成框图；

图2(1)示意了氩弧焊接电源200的输出电流波形图；

图2(2)示意了超声辅助电源300的输出电流波形图；

图3所示为图2(1)和图2(2)叠加电流波形图；

图4为未叠加超声频率脉冲的焊缝截面金相图；

图5为使用本发明的工艺后焊缝截面金相图。

附图标记

100――工件

200――氩弧焊接电源

201――地线钳

300――超声辅助电源

301――超声电源地线

400――焊枪

401――气管

402――水冷管

403――焊枪线

具体实施方式

为了更清楚地说明本申请的实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本申请应用于其他类似情景。除非从语言环境中显而易见或另做说明，图中相同标号代表相同结构或操作。

如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本申请的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。此外，尽管本申请中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是本申请说明书中所提及的一些术语可能是申请人按他或她的判断来选择的，其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。此外，要求不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本申请。

请参见图1，所示为本发明的装置组成框图。

传统的氩弧焊设备包括氩弧焊电源200和焊枪400，本发明在现有的氩弧焊设备基础上加入超声辅助电源300。氩弧焊电源200的输出电流通过焊枪400的焊枪线403对工件100实施焊接，氩弧焊电源200的另一输出端通过地线钳201与工件100相连。

焊枪400中还接入有气管401和水冷管402，前者与供气装置相连，旨在焊接过程中提供氩气，由于氩气属于惰性气体，以在焊接过程中起到保护作用。

由于焊接过程为超高温，需要水冷用来冷却焊把的，因为氩焊枪是靠钨棒作为导电体直接溶化金属，他是固定不动的，如果焊接时间过长钨棒就会产生很高的温度，容易烧坏手把夹头，水能快速冷却钨棒传递到手把的温度，水冷管402的接入起到冷却作用。

本发明在上述结构的基础上加入了超声辅助电源300。

该辅助电源的第一输出端通过超声电源地线301连接工件100，另一输出是电流输出端302，与氩弧焊接电源200的电流输出端相连，再接入焊枪线403。具体来说，

将超声辅助电源300的电流输出端302通过快速插头500连接至焊枪接线端。由此，实现两个电源200和300的电流叠加。焊枪400电弧处实际的输出为焊接电源与超声辅助电源输出的电源的波形叠加电流，即超声频率脉冲的电流。

本发明使用超声辅助电源300作为超声频率脉冲的发生装置，该超声辅助电源300能够产生15～100kHz超声频率的交流正弦波脉冲，仅仅通过超声辅助电源300的接入，不需改变原来焊接设备的任何结构。

在实际焊接过程中，仅在正常焊接时段超声辅助电源工作，提供超声频率的脉冲。超声激励电源内部的输出端上安装继电器，即在焊接电源正常起弧前，继电器处于常开状态，阻止影响焊机电源的起弧，即超声辅助电源检测至焊接电弧正常后，方启动输出。

图2(1)示意了氩弧焊接电源200的输出电流波形图，当单独采用该电源时，设定为直流输出；

图2(2)示意了超声辅助电源300的输出电流波形图，该超声辅助电源设定为即定的输出超声频率及幅值，呈现一正弦波形状。

图3所示为前图2(1)和2(2)的两电源200和300经电流叠加后，在焊枪电弧处实际的输出为焊接电源与超声辅助电源输出的电源的波形叠加电流，即超声频率脉冲的电流，由此电流焊接电弧会产生设定频率的收缩，熔池产生超声频率的振荡，达到超声波与氩弧焊复合的效果。

以下，结合一实施例进行说明。

本实施例以在12mm不锈钢板表面焊接为例，焊接位置为1G(平焊)，使用的焊丝规格为φ1.0mm，焊接速度为8cm/min，送丝速率为140cm/min。焊接电源采用普通的直流氩弧焊接电源。

首先按照图1，将超声辅助电源300与氩弧焊接电源200连接，将氩弧焊接电源200和超声辅助电源300的地线201、301分别连接至待焊试工件100上，准备工作完成后，开启氩弧焊接电源200和超声辅助电源300。

设定氩弧焊接电源200的焊接电流为130A，设置超声辅助电源300的脉冲频率为80kHz，幅值为±20A。

在焊枪400上按下起弧按键后，氩弧焊接电源200起弧，超声辅助电源300通过氩弧焊接电源200的起弧信号，判定焊机起弧成功后，自动启动超声频率的脉冲输出。同时开始进行送丝和焊接行走。

待一道焊缝焊接完成时，停止送丝，在焊枪400上按下熄弧键，同时停止超声辅助电源300的输出，焊接停止。

使用本实施例焊接焊缝截面金相如图5，相较于图4中未叠加超声频率脉冲的焊缝，焊接熔深约可增加57％以上，焊缝表面宽度更小。

本发明旨在不改变原氩弧焊设备基础上，通过超声辅助电源产生超声频率的脉冲电流叠加至氩弧焊接电流上，使用焊接电弧产生15～100kHz超声频率的压缩效果，同时对熔池产生超声频率的振荡，达到超声波与氩弧焊复合的效果。最终达到提升焊接熔深、细化焊缝金属晶粒，提升焊缝质量的目的。

上文已对基本概念做了描述，显然，对于本领域技术人员来说，上述发明披露仅仅作为示例，而并不构成对本申请的限定。虽然此处并没有明确说明，本领域技术人员可能会对本申请进行各种修改、改进和修正。该类修改、改进和修正在本申请中被建议，所以该类修改、改进、修正仍属于本申请示范实施例的精神和范围。

同时，本申请使用了特定词语来描述本申请的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

同理，应当注意的是，为了简化本申请披露的表述，从而帮助对一个或多个发明实施例的理解，前文对本申请实施例的描述中，有时会将多种特征归并至一个实施例、附图或对其的描述中。但是，这种披露方法并不意味着本申请对象所需要的特征比权利要求中提及的特征多。实际上，实施例的特征要少于上述披露的单个实施例的全部特征。

一些实施例中使用了描述成分、属性数量的数字，应当理解的是，此类用于实施例描述的数字，在一些示例中使用了修饰词“大约”、“近似”或“大体上”来修饰。除非另外说明，“大约”、“近似”或“大体上”表明所述数字允许有±20％的变化。相应地，在一些实施例中，说明书和权利要求中使用的数值参数均为近似值，该近似值根据个别实施例所需特点可以发生改变。在一些实施例中，数值参数应考虑规定的有效数位并采用一般位数保留的方法。尽管本申请一些实施例中用于确认其范围广度的数值域和参数为近似值，在具体实施例中，此类数值的设定在可行范围内尽可能精确。

虽然本申请已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本申请，在没有脱离本申请精神的情况下还可做出各种等效的变化或替换，因此，只要在本申请的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。

Claims (6)

1.一种超声频率脉冲氩弧焊接设备，包括氩弧焊电源，焊枪，其特征在于，所述设备进一步包括：

超声辅助电源，包括电流输出端，与所述焊枪的接线端相连。

2.根据权利要求1所述的超声频率脉冲氩弧焊接设备，其特征在于，

所述超声辅助电源提供15～100kHz超声频率的交流正弦波脉冲。

3.根据权利要求3所述的超声频率脉冲氩弧焊接设备，其特征在于，所述设备进一步包括：

快速插头，所述超声辅助电源的电流输出端通过所述快速插头连接至焊枪接线端。

4.根据权利要求1所述的超声频率脉冲氩弧焊接设备，其特征在于，

所述氩弧焊电源和所述超声辅助电源各包括地线。

5.一种焊接方法，将权利要求1至4中任一项所述的焊接设备应用在焊接工件上，其特征在于，所述方法包括：

步骤一，连接所述超声辅助电源与所述氩弧焊接电源连接，将所述氩弧焊接电源和所述超声辅助电源的地线分别连接至所述工件上；

步骤二，开启所述氩弧焊接电源和超声辅助电源；

步骤三，所述超声辅助电源通过所述氩弧焊接电源的起弧信号，启动超声频率的脉冲输出，并送丝和焊接行走；

步骤四，待一道焊缝焊接完成时，停止送丝，发出熄弧信号并停止所述超声辅助电源的输出。

6.根据权利要求5所述的焊接方法，其特征在于，

所述起弧信号和所述熄弧信号均由所述氩弧焊接电源发出。

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