CN114871608A - 一种超声波辅助电弧点焊装置及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超声波辅助电弧点焊装置，包括主安装架、夹具、换向阀、滑台气缸、滑台气缸安装架、超声输出装置安装架、超声输出装置、待焊薄板、工作平台、电动滚珠丝杠直线导轨滑台、单轴运动控制器、超声波发生器、副安装架、手动滚珠丝杠直线导轨滑台、焊枪、电动滚珠丝杠直线导轨滑台安放基板、底板、焊机、空气压缩机、气瓶。本发明还公开上述超声波辅助电弧点焊装置的使用方法。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，细化点焊焊缝晶粒，促进成分均匀化，减少焊接气孔缺陷，提高点焊接头质量。
Description
技术领域
本发明属于焊接冶金技术领域，特别是涉及一种超声波辅助电弧点焊装置及使用方法。
背景技术
电弧点焊的焊点是在搭接接头上穿过一片金属进入另一片金属而焊成的。焊枪及焊件都不动。对于薄板来说，上面薄板不必先开孔，焊点是熔透焊成的。焊枪采用非熔化钨极做电极，在惰性气体保护下进行焊接。钨极电弧点焊具有的优点是：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，如点焊焊缝冶金性能较差，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。这些不足影响了点焊接头质量。因此如何能够改善点焊接头质量值得深入研究。
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。因此，受相关学者启发，将超声运用于电弧点焊领域。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于如何解决现有的电弧点焊技术中，焊点晶粒相对粗大，焊接气孔和裂纹缺陷的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一种超声波辅助电弧点焊装置，包括主安装架、夹具、换向阀、滑台气缸、滑台气缸安装架、超声输出装置安装架、超声输出装置、待焊薄板、工作平台、电动滚珠丝杠直线导轨滑台、单轴运动控制器、超声波发生器、副安装架、手动滚珠丝杠直线导轨滑台、焊枪、电动滚珠丝杠直线导轨滑台安放基板、底板、焊机、空气压缩机、气瓶；所述主安装架固定在底板上，所述滑台气缸安装架连接在主安装架上，所述滑台气缸固定在滑台气缸安装架上，所述滑台气缸与超声输出装置安装架连接，所述超声输出装置固定在超声输出装置安装架上，通过滑台气缸实现超声输出装置竖直方向上位置的调节，所述夹具与工作平台固定连接，通过夹具实现待焊薄板在工作平台上的夹紧，所述工作平台与电动滚珠丝杠直线导轨滑台固定连接，通过电动滚珠丝杠直线导轨滑台实现工作平台一维方向上位置的调节，所述电动滚珠丝杠直线导轨滑台与电动滚珠丝杠直线导轨滑台安放基板固定连接，所述副安装架与底板固定连接，所述手动滚珠丝杠直线导轨滑台与副安装架固定连接，所述焊枪与手动滚珠丝杠直线导轨滑台相连，通过手动滚珠丝杠直线导轨滑台实现焊枪竖直方向上位置的调节，所述焊枪通过导线与焊机连接，所述超声输出装置通过导线与超声波发生器连接，所述滑台气缸通过气管与换向阀相连，通过换向阀实现滑台气缸的换向工作，所述换向阀通过气管与气瓶相连，所述气瓶通过气管与空气压缩机连接；所述超声输出装置包括超声工具头；所述焊枪包括钨极。
优选地，所述超声输出装置还包括超声换能器、超声变幅杆和法兰，所述超声换能器通过法兰与超声变幅杆相连，所述超声变幅杆与超声工具头相连，所述法兰与超声输出装置安装架相连，所述超声换能器通过导线与超声波发生器相连；所述超声换能器自带散热装置。
优选地，所述焊枪还包括钨针夹、导流件、陶瓷嘴，所述钨极通过钨针夹和导流件与陶瓷嘴相连。
优选地，所述超声输出装置与焊枪同轴心相对放置。
优选地，所述工作平台设置有透气方格，允许焊枪通过透气方格施加点焊电弧。
优选地，所述电动滚珠丝杠直线导轨滑台安放基板开有一通孔，允许焊枪通过通孔进行点焊工作。
优选地，所述电动滚珠丝杠直线导轨滑台和手动滚珠丝杠直线导轨滑台的位移精度均为±0.01mm。所述电动滚珠丝杠直线导轨滑台的速度调节范围为0-1000mm/s，调节精度为0.01mm/s。
优选地，所述滑台气缸自带限位块，有效行程为75mm，所述工作平台承载能力不小于100kg。
优选地，所述焊机包括直流模式和交流模式，所述超声波发生器输出的电信号为20kHz-100kHz，超声输出功率调节范围为1W-5000W，所述超声波发生器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％。
本发明还提供使用上述超声波辅助电弧点焊装置的方法，包括以下步骤：
步骤一：清除待焊薄板表面氧化膜，将待焊薄板通过夹具固定在工作平台上，打开单轴运动控制器，通过工作平台调节待焊薄板与钨极的位置，以钨极距离待焊薄板边缘50mm的位置为起始位置；
步骤二：通过调节手动滚珠丝杠直线导轨滑台，确定钨极高度，即钨极尖端距离待焊薄板表面3mm的距离，调节精度为±0.01mm；
步骤三：打开空气压缩机和气瓶，通过控制换向阀使滑台气缸带动超声输出装置中的超声工具头压到待焊薄板的表面上；
步骤四：打开焊机，确定焊接电流模式和焊接电流大小，通保护气；
步骤五：打开超声波发生器，确定超声参数，进行电弧点焊引弧，在电弧点焊过程中，点焊焊缝熔化后，超声将会通过超声工具头传入点焊熔池，发生声空化效应与声流效应，改善熔池凝固过程；
步骤六：完成一次电弧点焊工作后，通过控制换向阀使滑台气缸带动超声输出装置中的超声工具头离开待焊薄板，通过单轴运动控制器带动工作平台上待焊薄板移动到下一个点焊位置，然后通过控制换向阀使滑台气缸带动超声输出装置中的超声工具头压到待焊薄板的表面上，然后进行电弧点焊引弧工作；
步骤七：如有多个位置需要点焊，重复步骤六的操作；
步骤八：焊接完成时，控制换向阀使滑台气缸带动超声输出装置中的超声工具头离开待焊薄板，关闭焊机和超声波发生器，关闭空气压缩机和气瓶，关闭单轴运动控制器，焊接工作结束。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提出了超声波辅助电弧点焊概念，即超声发生器压在待焊薄板需点焊的位置，焊枪与超声发生器同轴心相对放置，在电弧点焊引弧之前先开启超声，在电弧点焊引弧过程中超声的声空化效应与声流效应将作用于点焊熔池，改善熔池凝固过程。因为工程实际常需要多个点焊将大尺寸搭接薄板连接在一起，故采用电动滚珠丝杠直线导轨滑台带动待焊薄板实现一维方向上位置的调节。滑台气缸自带限位块，因而有效的控制滑台气缸的行程，保证超声发生装置作用于待焊薄板上的压力是恒定和大小适中的，不会导致待焊薄板的变形。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，细化点焊焊缝晶粒，促进成分均匀化，减少焊接气孔缺陷，提高点焊接头质量。
附图说明
图1为本发明实施例的一种超声波辅助电弧点焊装置结构示意图；
图2为本发明实施例的超声输出装置结构示意图；
图3为本发明实施例的焊枪结构示意图；
图4为本发明实施例的超声输出装置与焊枪同轴心相对放置结构示意图；
图5为本发明实施例的工作平台结构示意图；
图6为本发明实施例的电动滚珠丝杠直线导轨滑台安放基板结构示意图。
附图标号说明：
1、主安装架；2、夹具；3、换向阀；4、滑台气缸；5、滑台气缸安装架；6、超声输出装置安装架；7、超声输出装置；7-1、超声换能器；7-2、超声变幅杆；7-3、超声工具头；7-4、法兰；8、待焊薄板；9、工作平台；10、电动滚珠丝杠直线导轨滑台；11、单轴运动控制器；12、超声波发生器；13、副安装架；14、手动滚珠丝杠直线导轨滑台；15、焊枪；15-1、钨针夹；15-2、钨极；15-3、导流件；15-4、陶瓷嘴；16、电动滚珠丝杠直线导轨滑台安放基板；17、底板；18、焊机；19、空气压缩机；20、气瓶。
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解本发明技术方案，现结合说明书附图对本发明技术方案做进一步的说明。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
实施例一
参见图1-6说明本实施方式，一种超声波辅助电弧点焊装置，它包括主安装架1、夹具2、换向阀3、滑台气缸4、滑台气缸安装架5、超声输出装置安装架6、超声输出装置7、待焊薄板8、工作平台9、电动滚珠丝杠直线导轨滑台10、单轴运动控制器11、超声波发生器12、副安装架13、手动滚珠丝杠直线导轨滑台14、焊枪15、电动滚珠丝杠直线导轨滑台安放基板16、底板17、焊机18、空气压缩机19、气瓶20，所述主安装架1与底板17固定连接，所述主安装架1与滑台气缸安装架5固定连接，所述滑台气缸安装架5与滑台气缸4固定连接，所述滑台气缸4与超声输出装置安装架6相连，通过滑台气缸4实现超声输出装置7竖直方向上位置的调节，所述超声输出装置安装架6与超声输出装置7固定连接，所述夹具2与工作平台9固定连接，通过夹具2实现待焊薄板8在工作平台9上的夹紧，所述工作平台9与电动滚珠丝杠直线导轨滑台10固定连接，通过电动滚珠丝杠直线导轨滑台10实现工作平台9一维方向上位置的调节，所述电动滚珠丝杠直线导轨滑台10与电动滚珠丝杠直线导轨滑台安放基板16固定连接，所述副安装架13与底板17固定连接，所述手动滚珠丝杠直线导轨滑台14与副安装架13固定连接，所述焊枪15与手动滚珠丝杠直线导轨滑台14相连，通过手动滚珠丝杠直线导轨滑台14实现焊枪15竖直方向上位置的调节，所述焊枪15通过导线与焊机18连接，所述超声输出装置7通过导线与超声波发生器12连接，所述滑台气缸4通过气管与换向阀3相连，通过换向阀3实现滑台气缸4的换向工作，所述换向阀3通过气管与气瓶20相连，所述气瓶20通过气管与空气压缩机19连接。
本实施例所述超声输出装置7包括超声换能器7-1、超声变幅杆7-2和超声工具头7-3，所述超声换能器7-1通过法兰7-4与超声变幅杆7-2相连，所述超声变幅杆7-2与超声工具头7-3相连，所述法兰7-4与超声输出装置安装架6相连，所述超声换能器7-1通过导线与超声波发生器12相连，所述超声换能器7-1自带散热装置。所述焊枪15包括钨针夹15-1、钨极15-2、导流件15-3、陶瓷嘴15-4，所述钨极15-2通过钨针夹15-1和导流件15-3与陶瓷嘴15-4相连。所述超声输出装置7与焊枪15同轴心相对放置，所述工作平台9设置有透气方格，允许焊枪15通过透气方格施加点焊电弧，所述电动滚珠丝杠直线导轨滑台安放基板16开有一通孔，允许焊枪15通过通孔进行点焊工作。所述电动滚珠丝杠直线导轨滑台10和手动滚珠丝杠直线导轨滑台14的位移精度均为±0.01mm。所述电动滚珠丝杠直线导轨滑台10的速度调节范围为0-1000mm/s，调节精度为0.01mm/s。所述滑台气缸4自带限位块，有效行程为75mm，所述工作平台9承载能力不小于100kg。所述焊机18包括直流模式和交流模式，所述超声波发生器12输出的电信号为20kHz-100kHz，超声输出功率调节范围为1W-5000W，所述超声波发生器12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％。
本实施例提供了一种超声波辅助电弧点焊装置的使用方法，它包括以下步骤：
步骤一：清除待焊薄板8表面氧化膜，将待焊薄板8通过夹具2固定在工作平台9上，打开单轴运动控制器11，通过工作平台9调节待焊薄板8与钨极15-2的位置，以钨极15-2距离待焊薄板8边缘50mm的位置为起始位置；
步骤二：通过调节手动滚珠丝杠直线导轨滑台14，确定钨极15-2高度，即钨极15-2尖端距离待焊薄板8表面3mm的距离，调节精度为±0.01mm；
步骤三：打开空气压缩机19和气瓶20，通过控制换向阀3使滑台气缸4带动超声输出装置7中的超声工具头7-3压到待焊薄板8的表面上；
步骤四：打开焊机18，确定焊接电流模式和焊接电流大小，通保护气；
步骤五：打开超声波发生器12，确定超声参数，进行电弧点焊引弧，在电弧点焊过程中，点焊焊缝熔化后，超声将会通过超声工具头7-3传入点焊熔池，发生声空化效应与声流效应，改善熔池凝固过程；
步骤六：完成一次电弧点焊工作后，通过控制换向阀3使滑台气缸4带动超声输出装置7中的超声工具头7-3离开待焊薄板8，通过单轴运动控制器11带动工作平台9上待焊薄板8移动到下一个点焊位置，然后通过控制换向阀3使滑台气缸4带动超声输出装置7中的超声工具头7-3压到待焊薄板8的表面上，然后进行电弧点焊引弧工作；
步骤七：如有多个位置需要点焊，重复步骤六的操作；
步骤八：焊接完成时，控制换向阀3使滑台气缸4带动超声输出装置7中的超声工具头7-3离开待焊薄板8，关闭焊机18和超声波发生器12，关闭空气压缩机19和气瓶20，关闭单轴运动控制器11，焊接工作结束。
实施例二
本实施例与实施例一的区别在于：在进行铝及铝合金、镁及镁合金焊接时，焊机18采用交流模式，其他金属通常采用直流模式。超声波发生器12可实现连续功率输出模式与脉冲功率输出模式，超声波发生器12提供的电信号经超声换能器7-1转换后形成超声振动，超声变幅杆7-2将振动信号放大，由超声工具头7-3发出。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
以上所述实施例仅表示发明的实施方式，本发明的保护范围不仅局限于上述实施例，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明保护范围。
Claims (10)
1.一种超声波辅助电弧点焊装置，其特征在于：包括主安装架(1)、夹具(2)、换向阀(3)、滑台气缸(4)、滑台气缸安装架(5)、超声输出装置安装架(6)、超声输出装置(7)、待焊薄板(8)、工作平台(9)、电动滚珠丝杠直线导轨滑台(10)、单轴运动控制器(11)、超声波发生器(12)、副安装架(13)、手动滚珠丝杠直线导轨滑台(14)、焊枪(15)、电动滚珠丝杠直线导轨滑台安放基板(16)、底板(17)、焊机(18)、空气压缩机(19)、气瓶(20)；所述主安装架(1)固定在底板(17)上，所述滑台气缸安装架(5)连接在主安装架(1)上，所述滑台气缸(4)固定在滑台气缸安装架(5)上，所述滑台气缸(4)与超声输出装置安装架(6)连接，所述超声输出装置(7)固定在超声输出装置安装架(6)上，通过滑台气缸(4)实现超声输出装置(7)竖直方向上位置的调节，所述夹具(2)与工作平台(9)固定连接，通过夹具(2)实现待焊薄板(8)在工作平台(9)上的夹紧，所述工作平台(9)与电动滚珠丝杠直线导轨滑台(10)固定连接，通过电动滚珠丝杠直线导轨滑台(10)实现工作平台(9)一维方向上位置的调节，所述电动滚珠丝杠直线导轨滑台(10)与电动滚珠丝杠直线导轨滑台安放基板(16)固定连接，所述副安装架(13)与底板(17)固定连接，所述手动滚珠丝杠直线导轨滑台(14)与副安装架(13)固定连接，所述焊枪(15)与手动滚珠丝杠直线导轨滑台(14)相连，通过手动滚珠丝杠直线导轨滑台(14)实现焊枪(15)竖直方向上位置的调节，所述焊枪(15)通过导线与焊机(18)连接，所述超声输出装置(7)通过导线与超声波发生器(12)连接，所述滑台气缸(4)通过气管与换向阀(3)相连，通过换向阀(3)实现滑台气缸(4)的换向工作，所述换向阀(3)通过气管与气瓶(20)相连，所述气瓶(20)通过气管与空气压缩机(19)连接；所述超声输出装置(7)包括超声工具头(7-3)；所述焊枪(15)包括钨极(15-2)。
2.根据权利要求1所述的一种超声波辅助电弧点焊装置，其特征在于：所述超声输出装置(7)还包括超声换能器(7-1)、超声变幅杆(7-2)和法兰(7-4)，所述超声换能器(7-1)通过法兰(7-4)与超声变幅杆(7-2)相连，所述超声变幅杆(7-2)与超声工具头(7-3)相连，所述法兰(7-4)与超声输出装置安装架(6)相连，所述超声换能器(7-1)通过导线与超声波发生器(12)相连；所述超声换能器(7-1)自带散热装置。
3.根据权利要求2所述的一种超声波辅助电弧点焊装置，其特征在于：所述焊枪(15)还包括钨针夹(15-1)、导流件(15-3)、陶瓷嘴(15-4)，所述钨极(15-2)通过钨针夹(15-1)和导流件(15-3)与陶瓷嘴(15-4)相连。
4.根据权利要求3所述的一种超声波辅助电弧点焊装置，其特征在于：所述超声输出装置(7)与焊枪(15)同轴心相对放置。
5.根据权利要求1所述的一种超声波辅助电弧点焊装置，其特征在于：所述工作平台(9)设置有透气方格，允许焊枪(15)通过透气方格施加点焊电弧。
6.根据权利要求1所述的一种超声波辅助电弧点焊装置，其特征在于：所述电动滚珠丝杠直线导轨滑台安放基板(16)开有一通孔，允许焊枪(15)通过通孔进行点焊工作。
7.根据权利要求1所述的一种超声波辅助电弧点焊装置，其特征在于：所述电动滚珠丝杠直线导轨滑台(10)和手动滚珠丝杠直线导轨滑台(14)的位移精度均为±0.01mm。所述电动滚珠丝杠直线导轨滑台(10)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所述的一种超声波辅助电弧点焊装置，其特征在于：所述滑台气缸(4)自带限位块，有效行程为75mm，所述工作平台(9)承载能力不小于100kg。
9.根据权利要求1所述的一种超声波辅助电弧点焊装置，其特征在于：所述焊机(18)包括直流模式和交流模式，所述超声波发生器(12)输出的电信号为20kHz-100kHz，超声输出功率调节范围为1W-5000W，所述超声波发生器(12)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所述的超声波辅助电弧点焊装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：清除待焊薄板(8)表面氧化膜，将待焊薄板(8)通过夹具(2)固定在工作平台(9)上，打开单轴运动控制器(11)，通过工作平台(9)调节待焊薄板(8)与钨极(15-2)的位置，以钨极(15-2)距离待焊薄板(8)边缘50mm的位置为起始位置；
步骤二：通过调节手动滚珠丝杠直线导轨滑台(14)，确定钨极(15-2)高度，即钨极(15-2)尖端距离待焊薄板(8)表面3mm的距离，调节精度为±0.01mm；
步骤三：打开空气压缩机(19)和气瓶(20)，通过控制换向阀(3)使滑台气缸(4)带动超声输出装置(7)中的超声工具头(7-3)压到待焊薄板(8)的表面上；
步骤四：打开焊机(18)，确定焊接电流模式和焊接电流大小，通保护气；
步骤五：打开超声波发生器(12)，确定超声参数，进行电弧点焊引弧，在电弧点焊过程中，点焊焊缝熔化后，超声将会通过超声工具头(7-3)传入点焊熔池，发生声空化效应与声流效应，改善熔池凝固过程；
步骤六：完成一次电弧点焊工作后，通过控制换向阀(3)使滑台气缸(4)带动超声输出装置(7)中的超声工具头(7-3)离开待焊薄板(8)，通过单轴运动控制器(11)带动工作平台(9)上待焊薄板(8)移动到下一个点焊位置，然后通过控制换向阀(3)使滑台气缸(4)带动超声输出装置(7)中的超声工具头(7-3)压到待焊薄板(8)的表面上，然后进行电弧点焊引弧工作；
步骤七：如有多个位置需要点焊，重复步骤六的操作；
步骤八：焊接完成时，控制换向阀(3)使滑台气缸(4)带动超声输出装置(7)中的超声工具头(7-3)离开待焊薄板(8)，关闭焊机(18)和超声波发生器(12)，关闭空气压缩机(19)和气瓶(20)，关闭单轴运动控制器(11)，焊接工作结束。
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