CN212793526U - 一种焊接增材随焊超声冲击装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及3D打印技术领域，尤其涉及一种焊接增材随焊超声冲击装置，包括焊枪、连接套组件、超声振子，所述焊枪通过焊枪连接组件与连接套组件相连，所述超声振子套装于所述连接套组件内，所述超声振子底端的钢球穿过所述连接套组件后与焊层接触，对焊层随焊超声冲击处理。本实用新型能够转化地震波对建筑的损坏能量，阻挡地震波对建筑物基础的影响，进而免除对建筑物地上部分的震动。本实用新型对焊层或焊缝实施超声冲击实时冲击，可满足现代焊接增材制造需要；能适应不同冲击压力和焊件高低不平要求；可根据要求调节超声冲击位置和焊枪位置间距，适应随焊时间滞后时间调节；超声传输效率高，超声冲击处理效果好。

Description

一种焊接增材随焊超声冲击装置

技术领域

本实用新型涉及3D打印技术领域，尤其涉及一种焊接增材随焊超声冲击装置。

背景技术

随着科技发展，增材制造技术风起云涌，相较其他增材制造，焊接增材成本低、效率高，尤其是一些大型构件增材制造优势更为明显，因此，焊接增材制造成长更为迅速。此外，焊接技术也广泛应用于国防军工、国计民生，在船舶、车辆、压力容器等方面应用量大面广。但焊接毕竟是局部加热熔化，然后冷却形成焊缝或焊层，本质是一个局部冶金的过程，不可避免地会产生诸如氧化、气孔、金相组织晶粒粗大、应力、应变和裂纹等等诸多焊接缺陷，影响制品的材质、几何精度和使用性能。

为了提高焊接质量，人们探索了许多减小或消除焊接缺陷的方法，其中对焊缝进行冲击振动就是有效方法之一。近年来，由前苏联造船业发展起来的一种较新的且非常具有发展前途的超声冲击处理（UIT）技术应用在提高焊接质量方面引起了人们的关注。

而随焊超声冲击处理由于是在焊接增材制品生成过程中实时超声冲击，效果更佳：一方面更能细化晶粒，改善组织，减少缺陷；另一方面，由于工序集中，超声随焊冲击处理,生产效率更高。

超声随焊冲击处理的原理是：将超声波频率的机械振动能量在一定压力下即时传递给焊缝，使以焊缝与母材过渡区为中心的一定区域的焊接接头表面产生一定深度的塑性变形层，从而有效地改善焊趾的外表形状，使其平滑过渡，降低焊接接头的应力集中程度，甚至在表面产生压应力，同时细化晶粒、致密组织，改善了接头表层的组织，从而使超声冲击处理后的焊接接头的疲劳强度和疲劳寿命得以提高。

目前，国内也已开始有超声波冲击处理改善焊接质量、减少焊接缺陷的技术研究，但数量很少。

比如：长春科技大学Jia Liu等2019年在《Optics and Laser Technology》发表了“Effect of ultrasonic power on porosity microstructure,mechanical propertiesof the aluminum alloy joint by ultrasonic assisted laser-MIG hybrid welding”；中国方大特钢科技公司谢雨田等2019年设计了一种适用于多种外形结构的表面超声波冲击装置（属于焊后冲击）；哈尔滨工业大学贺文雄等2015年公开了“随焊超声冲击减小或消除焊接变形及残余应力技术”专利。

现有随焊超声冲击处理停留在理论研究，少有技术方案和具体结构，目前也没有将随焊超声冲击技术应用到焊接增材制造，更没有相应技术方案，需要进一步开拓和完善：

1没有考虑超声冲击压力调整。但实际焊层厚度是在一定范围内变化的，因此超声振子负载时变化的。使得超声振子容易偏离谐振。

2现有随焊超声冲击方式是：焊枪在焊件上方焊接，而超声冲击头在焊件后方冲击，只适应单层焊缝。因此，无法应用到焊接增材制造。

3没有考虑焊接点位与随焊冲击点位间隔调整：业界相关研究证明，随焊冲击点位于焊接高温塑性区，效果最好，显然，焊接工艺不同，焊件不同，焊接高温塑性区距焊枪最佳距离也就不同，但现有技术没有考虑调节焊接点位与随焊冲击点位间隔。也就是没有考虑随焊冲击滞后时间调节，难于保证随焊冲击点位于焊接高温塑性区。

4没有明确超声振动传递到焊件方式，但接触方式直接关系到超声传输效率，另一方面，随焊超声冲击，超声振子要在焊层或焊缝上随焊枪移动，必须移动灵活。现有随焊超声冲击头与焊缝平面接触，虽然超声传输好，但移动困难且超声振子易偏摆。

5焊接增材制造随焊超声冲击，焊枪和超声振子要在三维坐标同步移动，由于超声振子自重，增加焊接增材设备在高度方向的移动负荷。

6随焊超声冲击增材制造过程中，焊枪和超声振子同步运动，必须连接为一个构件，但要隔开一定距离（调整焊枪与振子间隔，获得最佳处理效果），因此空间上焊枪与振子是两个不同点。因此，要使焊枪和超声振子同步移动，必须明确焊枪运动轨迹。

可见，随焊超声冲击处理用于焊接增材制造，无论在概念和方法都有许多盲区和难点，急需技术突破。

本实用新型提供一种焊接增材制造随焊超声冲击装置对焊层或焊缝实施超声冲击实时冲击，可满足现代焊接增材制造需要；能适应不同冲击压力和焊件高低不平要求；减小超声振子偏摆，超声振子随焊枪稳定移动；可根据要求调节超声冲击位置和焊枪位置间距，适应随焊时间滞后时间调节；超声传输效率高，超声冲击处理效果好；系统简练，使用方便，技术先进、方法新颖、实用可靠。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种焊接增材随焊超声冲击装置，对焊层或焊缝实施超声冲击实时冲击，可满足现代焊接增材制造需要；能适应不同冲击压力和焊件高低不平要求；减小超声振子偏摆，超声振子随焊枪稳定移动。可根据要求调节超声冲击位置和焊枪位置间距，适应随焊时间滞后时间调节；超声传输效率高，超声冲击处理效果好；系统简练，使用方便，技术先进、方法新颖、实用可靠。

为了实现本实用新型的目的,本实用新型采用的技术方案为：

本实用新型公开了一种焊接增材随焊超声冲击装置，包括焊枪、连接套组件、超声振子，所述焊枪通过焊枪连接组件与连接套组件相连，所述超声振子套装于所述连接套组件内，所述超声振子底端的钢球穿过所述连接套组件后与焊层接触，对焊层随焊超声冲击处理。

所述焊枪连接组件包括焊枪、焊枪紧定螺钉、焊枪连接搭板螺钉、焊枪连接板、焊枪连接板紧定螺钉以及焊枪连接搭板，所述焊枪连接搭板上设有用于焊枪插入的焊枪孔，其外壁上设有用于焊枪紧定螺钉插入的与所述焊枪孔连通的焊枪紧定螺钉孔；所述焊枪连接板上设有用于连接套组件插入的连接套孔，所述焊枪连接板的外侧壁上设有焊枪连接板紧定螺钉，所述焊枪连接板与所述焊枪连接搭板的内端上设有若干用于焊枪连接搭板螺钉固定的调节孔，通过焊枪连接搭板螺钉与不同调节孔进行固定，实现焊枪与超声振子之间的距离调节。

所述焊枪采用单向直线运动轨迹焊接增材，保证超声振子与焊枪轨迹一致；多条单向直线轨迹逼近制品截面层，多层截面逼近制品。

所述超声振子包括钢球、变幅杆、变幅杆连接螺钉、换能器、电风扇以及振子套，所述变幅杆呈锥形结构，所述钢球设置于其底部，其顶部与所述振子套的底部通过变幅杆连接螺钉相连；所述换能器设置于所述振子套内，所述电风扇设置于所述振子套的顶部，所述振子套的侧壁设有散热窗；

所述连接套组件包括预紧锁圈、连接套紧定螺钉、钢球保持套、保持套垫片、保持套锁圈、止转销、拉绳支座、连接套、弹性圈、预紧圈，所述连接套的内腔与所述超声振子外部形状相匹配，所述预紧圈设置于所述连接套的内壁顶部，其外部设有用于将其锁紧的预紧锁圈，所述预紧圈与所述超声振子的顶部之间设有弹性圈，所述钢球保持套设置于所述连接套的底部，所述钢球保持套与所述连接套之间通过所述保持套锁圈相连。

所述连接套的侧壁下方设有用于防止振子套和超声振子在连接套内圆周转动的止转销，所述振子套和超声振子上设有用于止转销插入的通孔。

所述连接套的一侧通过连接套紧定螺钉与龙门焊机3D移动立柱连接，所述龙门焊机3D移动立柱的顶部固定于龙门焊机横向滑车上，所述龙门焊机横向滑车与龙门焊机横向滑轨配合滑动；所述龙门焊机横向滑轨的外壁与定滑轮支架连接，所述定滑轮支架上的定滑轮套装有拉绳，所述拉绳的一端与所述连接套侧壁下方的拉绳支座相连，另一端与配重块相连。

一种焊接增材随焊超声冲击装置的操作方法，包括如下步骤：

步骤一，根据随焊超声冲击处理工艺要求，旋转预紧圈，调节超声振子预压力并通过预紧锁圈锁定预紧圈；

步骤一，根据随焊超声冲击处理工艺要求，调节焊枪和超声振子链接组件长度并锁紧焊枪连接搭板螺钉；

步骤三，松开焊枪紧定螺钉，调节焊枪使焊枪高度适合焊接增材；

步骤四，启动超声电源，同时根据冷却需要决定是否打开超声振子换能器电扇，并将焊枪定位于安全高度；

步骤五，移动龙门焊机3D移动立柱使焊枪定位于焊接增材或焊缝起始位置，启动焊枪工作；

步骤六，龙门焊机3D移动立柱直线移动，焊枪在前面焊接增材，超声振子跟随焊枪超声冲击处理，直到该直线移动结束，关闭焊枪，再使3D移动立柱继续沿该直线越程一段大于焊枪与超声振子之间距离的行程，3D移动立柱上升到安全高度；

步骤七，3D移动立柱继续移动，按单向直线焊接增材轨迹逼近规则，使焊枪定位于焊层中下一直线焊接增材起始位置，又开始下一直线焊接增材和随焊超声处理。多条平行焊接直线轨迹逼近构件截面层，多层截面逼近制品3D形体，完成制品焊接增材制造和随焊超声处理；

步骤八，关闭焊枪和超声电源，3D移动立柱移动致安全平面高度，焊接增材和超声冲击结束。

本实用新型的有益效果在于：

1)本实用新型将随焊超声冲击应用到焊接增材分层制造，实现焊接增材实时超声冲击处理，处理效果好，焊接增材品质和生产效率大为提高。

2)本实用新型能方便调节超声冲击压力和随焊超声超声冲击滞后时间，适应焊层或焊缝厚度变化，维持超声振子谐振。能减小超声振子随焊移动摩擦和偏摆，稳定超声冲击处理过程，满足随焊超声冲击处理的工艺要求，且超声传输效率高。

3)本实用新型系统简练，构建方便，实用可靠，易于操作和智能控制。

附图说明

图1，本实用新型中随焊超声冲击处理方案的示意图；

图2，本实用新型中焊枪单向平行直线焊接轨迹示意图；

图3，本实用新型随焊超声冲击装置的剖面图；

图4，本实用新型中焊枪及连接组件的剖面图；

图5，本实用新型中连接套组件的剖面图；

图6，本实用新型中超声振子的剖面图；

图7，本实用新型中配重块和龙门焊机的剖面图。

在图中100-焊枪连接组件，101-焊枪，102-焊枪紧定螺钉，103-焊枪连接搭板螺钉，104-焊枪连接板，105-焊枪连接板紧定螺钉，106-焊枪连接搭板，200-连接套组件，201-预紧锁圈，202-连接套紧定螺钉，203-钢球保持套，204-保持套垫片，205-保持套锁圈，206-止转销，207-拉绳支座，208-连接套，209-弹性圈，210-预紧圈，300-超声振子，301-钢球，302-变幅杆，303-变幅杆连接螺钉，304-换能器，305-电风扇，306-振子套，400-配重块和龙门焊机，401-配重块，402-拉绳，403-定滑轮，404-龙门焊机横向滑轨，405-龙门焊机横向滑车，406-龙门焊机3D移动立柱。

具体实施方式

下面对本实用新型进一步说明：

请参阅图1-7，

本实用新型公开了一种焊接增材随焊超声冲击装置，其装置描述：连接套208与龙门焊机3D移动立柱406相连，超声振子300浮装于连接套组件200，超声振子变幅杆302前端通过钢球301对焊层超声冲击处理 ，减小超声振子随焊移动摩擦，并避免超声振子偏摆；连接套上部装有预紧圈210和弹性圈209,用于调节超声冲击预压力；适应焊层或焊缝厚度变化，稳定超声振子负载，稳定谐振频率。连接套下部装有钢球保持套203，保证钢球能随超声振子移动，并防止超声振子掉落；钢球保持套又通过长度可调的连接组件100和焊枪101连接。焊枪在前焊接增材，超声振子随焊冲击，实现焊层或焊缝随焊超声冲击处理。

具体结构是：

1超声振子

A变幅杆302与换能器304组合后，通过设在波节处的安装法兰定位于振子套306，并防止超声传输到振子套；再利用变幅杆连接螺钉303使变幅杆与振子套连接。振子套上端装有电风扇305，风冷换能器，振子套中部开有散热孔散热，并方便连接超声电源。

B变幅杆前端通过钢球301对焊层或焊缝超声冲击处理 ，同时减小超声振子随焊移动的摩擦，并减小超声振子的偏摆。

2连接套组件：

A连接套208通过连接套紧定螺钉202与龙门焊机3D移动立柱406连接。

B超声振子300与振子套306连接后浮装于连接套208，连接套208上部装有预紧圈210和弹性圈209,用于调节超声冲击预压力，并通过预紧锁圈201锁定预紧圈；适应焊层或焊缝厚度变化，稳定超声振子负载，稳定谐振频率。连接套下部装有钢球保持套203，并通过保持套锁圈205锁定钢球保持套203，保证钢球301能随超声振子300移动，并防止超声振子掉落；钢球保持套203与连接套208连接处设置保持套垫片204。

C连接套侧部装有止转销206，防止振子套和超声振子在连接套内圆周转动。

3焊枪连接组件：

焊枪101通过焊枪紧定螺钉102固定在焊枪连接搭板106，松开焊枪紧定螺钉，焊枪高度即可单独调整。再通过焊枪连接搭板螺钉103，将焊枪连接搭板与焊枪连接板104相连，然后通过焊枪连接板紧定螺钉105将焊枪连接板104固定在钢球保持套203侧部。焊枪连接搭板上开有腰形孔槽，用以调整焊枪和超声振子的距离，达到调节随焊超声冲击滞后时间。

4配重块和龙门焊机：

连接套208的一侧通过连接套紧定螺钉202与龙门焊机3D移动立柱406连接，所述龙门焊机3D移动立柱406的顶部固定于龙门焊机横向滑车405上，所述龙门焊机横向滑车405与龙门焊机横向滑轨404配合滑动；龙门焊机横向滑车405装有定滑轮支架和定滑轮403，定滑轮套装有拉绳402，拉绳402的一端与所述连接套208侧壁下方的拉绳支座207相连，另一端连接配重块401，配重块401通过拉绳402平衡连接套组件200的重量，减轻龙门焊机3D移动立柱406上下移动的载荷。

操作方法：

步骤一，根据随焊超声冲击处理工艺要求，旋转预紧圈210，调节超声振子预压力并通过预紧锁圈201锁定预紧圈；

步骤二，根据随焊超声冲击处理工艺要求，调节焊枪和超声振子链接组件长度L并锁紧焊枪连接搭板螺钉103；

步骤三，松开焊枪紧定螺钉102，调节焊枪101使焊枪高度适合焊接增材；

步骤四，启动超声电源（同时根据冷却需要决定是否打开超声振子换能器电扇305），并将焊枪定位于安全高度；

步骤五，移动龙门焊机3D移动立柱406使焊枪定位于焊接增材或焊缝起始位置，启动焊枪工作；

步骤六，龙门焊机3D移动立柱直线移动，焊枪在前面焊接增材 ，超声振子跟随焊枪超声冲击处理，直到该直线移动结束，关闭焊枪，再使3D移动立柱继续沿该直线越程一段距离（大于焊枪与超声振子之间距离L）；3D移动立柱上升到安全高度；

步骤七，3D移动立柱继续移动，按单向直线焊接增材轨迹逼近规则（图2），使焊枪定位于焊层中下一直线焊接增材起始位置，又开始下一直线焊接增材和随焊超声处理。多条平行焊接直线轨迹逼近构件截面层，多层截面逼近制品3D形体。完成制品焊接增材制造和随焊超声处理；

步骤八，关闭焊枪和超声电源，3D移动立柱移动致安全平面高度，焊接增材和超声冲击结束。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等同变换或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种焊接增材随焊超声冲击装置，其特征在于：包括焊枪、连接套组件、超声振子，所述焊枪通过焊枪连接组件与连接套组件相连，所述超声振子套装于所述连接套组件内，所述超声振子底端的钢球穿过所述连接套组件后与焊层接触，对焊层随焊超声冲击处理。

2.根据权利要求1所述的一种焊接增材随焊超声冲击装置，其特征在于：所述焊枪连接组件包括焊枪、焊枪紧定螺钉、焊枪连接搭板螺钉、焊枪连接板、焊枪连接板紧定螺钉以及焊枪连接搭板，所述焊枪连接搭板上设有用于焊枪插入的焊枪孔，其外壁上设有用于焊枪紧定螺钉插入的与所述焊枪孔连通的焊枪紧定螺钉孔；所述焊枪连接板上设有用于连接套组件插入的连接套孔，所述焊枪连接板的外侧壁上设有焊枪连接板紧定螺钉，所述焊枪连接板与所述焊枪连接搭板的内端上设有若干用于焊枪连接搭板螺钉固定的调节孔。

3.根据权利要求1所述的一种焊接增材随焊超声冲击装置，其特征在于：所述超声振子包括钢球、变幅杆、变幅杆连接螺钉、换能器、电风扇以及振子套，所述变幅杆呈锥形结构，所述钢球设置于其底部，其顶部与所述振子套的底部通过变幅杆连接螺钉相连；所述换能器设置于所述振子套内，所述电风扇设置于所述振子套的顶部，所述振子套的侧壁设有散热窗；

所述连接套组件包括预紧锁圈、连接套紧定螺钉、钢球保持套、保持套垫片、保持套锁圈、止转销、拉绳支座、连接套、弹性圈、预紧圈，所述连接套的内腔与所述超声振子外部形状相匹配，所述预紧圈设置于所述连接套的内壁顶部，其外部设有用于将其锁紧的预紧锁圈，所述预紧圈与所述超声振子的顶部之间设有弹性圈，所述钢球保持套设置于所述连接套的底部，所述钢球保持套与所述连接套之间通过所述保持套锁圈相连。

4.根据权利要求3所述的一种焊接增材随焊超声冲击装置，其特征在于：所述连接套的侧壁下方设有用于防止振子套和超声振子在连接套内圆周转动的止转销，所述振子套和超声振子上设有用于止转销插入的通孔。

5.根据权利要求4所述的一种焊接增材随焊超声冲击装置，其特征在于：所述连接套的一侧通过连接套紧定螺钉与龙门焊机3D移动立柱连接，所述龙门焊机3D移动立柱的顶部固定于龙门焊机横向滑车上，所述龙门焊机横向滑车与龙门焊机横向滑轨配合滑动；所述龙门焊机横向滑轨的外壁与定滑轮支架连接，所述定滑轮支架上的定滑轮套装有拉绳，所述拉绳的一端与所述连接套侧壁下方的拉绳支座相连，另一端与配重块相连。

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