RU2704874C1 - Hybrid ultrasonic welding method and device for its implementation - Google Patents
Hybrid ultrasonic welding method and device for its implementation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2704874C1 RU2704874C1 RU2018144092A RU2018144092A RU2704874C1 RU 2704874 C1 RU2704874 C1 RU 2704874C1 RU 2018144092 A RU2018144092 A RU 2018144092A RU 2018144092 A RU2018144092 A RU 2018144092A RU 2704874 C1 RU2704874 C1 RU 2704874C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- ultrasonic
- tool
- welding
- workpiece
- welding process
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Laser Beam Processing (AREA)
Abstract
Description
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИFIELD OF TECHNOLOGY
Изобретение относится к области сварки, а именно гибридной лазерной сварки и может быть использовано для улучшения структуры сварного соединения и уменьшения дефектности сварного шва в процессе промышленной гибридной лазерной сварки крупногабаритных изделий из различных металлических материалов.The invention relates to the field of welding, namely hybrid laser welding and can be used to improve the structure of the welded joint and reduce the defectiveness of the weld in the process of industrial hybrid laser welding of large-sized products from various metal materials.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND OF THE INVENTION
Известны технические решения, в которых улучшение качества сварного соединения достигается воздействием либо на зону соединения ультразвуком в процессе сварки (бесконтактно), либо приложением ультразвуковых вибраций к свариваемой заготовке (механический контакт).Known technical solutions in which the improvement of the quality of the welded joint is achieved by either affecting the joint zone by ultrasound during the welding process (non-contact), or by applying ultrasonic vibrations to the welded workpiece (mechanical contact).
Например, в заявке Китая [CN105710537 (A) ― 2016-06-29] раскрыт способ лазерной электродуговой сварки алюминиевых сплавов ассистированной ультразвуком. На основе схемы объединения электродуговой сварки TIG и лазерной сварки ультразвуковое вибрационное давление вводится в сварной шов, где разработанная вибрационная головка находится в непосредственном контакте со сварочным швом. За счёт этого большая часть газа в сварочном шве удаляется, так что дефекты сварочных швов снижаются или исключаются; за счёт эффекта кавитации и акустического эффекта, вызванного тем, что ультразвуковые волны передаются в жидкость; и сварочное остаточное напряжение эффективно устраняется или уменьшается, а прочность и коррозионная стойкость соединения повышаются. Ультразвук подводится через механический контакт непосредственно на затвердевшем металле шва позади сварочной головы. For example, China's application [CN105710537 (A) - 2016-06-29] discloses a laser assisted ultrasonic assisted laser arc welding of aluminum alloys. Based on the combination of TIG electric arc welding and laser welding, ultrasonic vibration pressure is introduced into the weld, where the developed vibration head is in direct contact with the weld. Due to this, most of the gas in the weld is removed, so that defects in the welds are reduced or eliminated; due to the effect of cavitation and the acoustic effect caused by the fact that ultrasonic waves are transmitted to the liquid; and the welding residual stress is effectively eliminated or reduced, and the strength and corrosion resistance of the joint are increased. Ultrasound is applied through mechanical contact directly on the hardened weld metal behind the welding head.
К недостаткам можно отнести то, что не реализовано перемещение УЗ-инструмента одновременно со сварочной ванной, поэтому по всей протяженности сварного соединения может получится неравномерная структура сварного шва. Также в данном методе сварки TIG совместно с лазером не предусмотрена сварка с присадочной проволокой, что ограничивает возможности сварки более толстых пластин. Метод предназначен для лазерной электродуговой сварки только для алюминиевых сплавов.The disadvantages include the fact that the movement of the ultrasound tool is not implemented simultaneously with the weld pool, therefore, along the entire length of the welded joint, an uneven structure of the weld can be obtained. Also, in this TIG welding method, welding with filler wire is not provided with the laser, which limits the possibility of welding thicker plates. The method is intended for laser electric arc welding only for aluminum alloys.
Известна заявка Китая [CN105880852 (A) ― 2016-08-24] на изобретение, в которой раскрывается способ гибридной лазерной и электродуговой сварки MIG ассистированнй ультразвуком только алюминиевых сплавов, в котором головка ультразвукового вибрационного инструмента имеет возможность перемещаться относительно пластин из алюминиевого сплава, подлежащих сварке. Головка УЗ-инструмента совершает возвратно-поступательные движения: в направлении сварки поддерживается расстояние между ультразвуковой вибрационной головкой и площадью сварки, которое составляет 20-50 мм. Также поддерживается контактное давление между головкой ультразвукового вибрационного инструмента и пластиной из алюминиевого сплава, подлежащей сварке, между 0,2-0,6 МПа.China's known application [CN105880852 (A) - 2016-08-24] for an invention disclosing a method for hybrid laser and electric arc welding of MIG ultrasonic assisted aluminum alloys only, in which the head of an ultrasonic vibrating tool has the ability to move relative to aluminum alloy plates to be welding. The head of the ultrasonic instrument performs reciprocating movements: in the direction of welding, the distance between the ultrasonic vibrating head and the welding area, which is 20-50 mm, is maintained. Contact pressure between the head of the ultrasonic vibrating tool and the aluminum alloy plate to be welded is also maintained between 0.2-0.6 MPa.
К недостаткам можно отнести практическую не реализуемость метода для производства крупногабаритных изделий т.к. конструкторское решение установки предполагает движимый сварочный стол (или заготовку).The disadvantages include the practical impracticability of the method for the production of large-sized products. The design solution of the installation involves a movable welding table (or workpiece).
Известен патент Китая CN104785926 (B) на изобретение, который раскрывает технологию лазерной сварки MIG также только алюминиевых сплавов с ультразвуковым воздействием. В нем предлагается три вида режимов ультразвукового воздействия:Known Chinese patent CN104785926 (B) for the invention, which discloses the technology of laser welding MIG also only aluminum alloys with ultrasonic action. It proposes three types of ultrasonic exposure modes:
− ультразвуковая вибрация прикладывается к заготовке или опорной плите, и ультразвук передается в сварочную ванну путем механической вибрации заготовки или опорной плиты;- ultrasonic vibration is applied to the workpiece or base plate, and ultrasound is transmitted to the weld pool by mechanical vibration of the workpiece or base plate;
− ультразвуковой импульс через импульсный источник мощности с ультразвуковой частотой накладывается на источник мощности МИГ, вызывая УЗ пульсацию дуги (гибридная лазерно-дуговая сварка сталей с импульсной модуляцией дуги плавящегося электрода);- an ultrasonic pulse through a pulsed power source with an ultrasonic frequency is superimposed on the MIG power source, causing ultrasonic pulsation of the arc (hybrid laser-arc welding of steels with pulse modulation of the arc of the melting electrode);
− используется импульсный лазер, адаптированный излучать в сварочную ванну ультразвук луч, (импульсная модуляция лазерного излучения), при этом луч лазера осциллирует поперек шва.- a pulsed laser is used, adapted to radiate an ultrasound beam into the weld pool (pulsed modulation of laser radiation), while the laser beam oscillates across the seam.
Т.е. в изобретении одновременно предлагается как использование механического контакта для реализации ультразвуковой вибрации, так и пульсаций током дуги или лучом лазера.Those. the invention simultaneously proposes both the use of mechanical contact to realize ultrasonic vibration, and pulsations by the arc current or by a laser beam.
При использовании импульсной модуляции дуги или лазерного излучения воздействие происходит непосредственно на ванну расплава, но этого недостаточно чтобы уменьшить остаточные напряжения, которые возникают уже после кристаллизации металла в процессе его остывания. When using pulsed modulation of the arc or laser radiation, the effect occurs directly on the melt pool, but this is not enough to reduce the residual stresses that arise after crystallization of the metal during its cooling.
Стационарный подвод и закрепление ультразвукового инструмента к заготовке не обеспечивает равномерной мощности при передаче вибраций по всей протяженности сварного соединения, а приложение вибраций к опорной плите является малоэффективным подводом ультразвуковых колебаний.The stationary supply and fixing of the ultrasonic tool to the workpiece does not provide uniform power when transmitting vibrations along the entire length of the welded joint, and the application of vibrations to the base plate is an ineffective supply of ultrasonic vibrations.
В техническом решении, раскрытом в заявке Японии [JP2008049351 А –2008-03-06] предлагается осуществлять ультразвуковое воздействие неконтактного типа. Основной свариваемый материал расплавляется нагреванием, а расплавленная часть облучается ультразвуковыми волнами бесконтактно (есть зазор между излучателем УЗ и заготовкой, через который передаются колебания к сварочной ванне) и затвердевает при перемешивании. В решении предусмотрено средство для синхронизации перемещения плавящего средства с перемещением бесконтактного ультразвукового волновода. В предпочтительном исполнении в качестве расплавляющего средства используется устройство дуговой сварки в инертном газе вольфрамовым электродом. Устройство может быть дополнено лазером.In the technical solution, disclosed in the application of Japan [JP2008049351 A –2008-03-06] it is proposed to carry out an ultrasonic effect of a non-contact type. The main material being welded is melted by heating, and the molten part is irradiated by ultrasonic waves non-contact (there is a gap between the ultrasonic emitter and the workpiece, through which vibrations are transmitted to the weld pool) and hardens with stirring. The solution provides means for synchronizing the movement of the melting means with the movement of a non-contact ultrasonic waveguide. In a preferred embodiment, a tungsten electrode inert gas arc welding apparatus is used as the melting means. The device can be supplemented with a laser.
К недостаткам данного решения относится то, что при бесконтактной передаче ультразвуковых колебаний через воздушный зазор, происходит ослабление воздействия на образцы сварки. Данная конструкция предполагает чрезмерное потребление энергии для достижения цели, в противном случае будет не эффективным использование в процессе сварки ультразвукового инструмента при данной конструкции.The disadvantages of this solution include the fact that with the non-contact transmission of ultrasonic vibrations through the air gap, there is a weakening of the impact on the welding samples. This design involves excessive energy consumption to achieve the goal, otherwise it will not be effective to use an ultrasonic tool in the welding process with this design.
Также, при длительном непрекращающемся использовании, в котором нуждаются производственные процессы происходит излишнее нагревание сонотрода (волновода) вследствие поглощения ультразвуковых колебаний, и далее вплоть до его разрушения. Данное замечание имеет силу при чрезмерной мощности УЗ-колебаний, необходимой для передачи колебаний через воздушный зазор.Also, with prolonged uninterrupted use, which production processes need, excessive heating of the sonotrode (waveguide) occurs due to the absorption of ultrasonic vibrations, and then up to its destruction. This remark is valid with excessive power of ultrasonic vibrations necessary for transmitting vibrations through the air gap.
Таким образом, существует потребность в разработке способа гибридной лазерной сварки с ультразвуковым воздействием, позволяющим решить задачу изготовления крупногабаритных изделий из различных материалов при их промышленном производстве, за счёт получения качественных сварных соединений на протяжении всей длины сварного шва.Thus, there is a need to develop a method of hybrid laser welding with ultrasonic exposure, which allows us to solve the problem of manufacturing large-sized products from various materials in their industrial production, due to the production of high-quality welded joints along the entire length of the weld.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение является обеспечение ультразвукового воздействия контактным способом с постоянными параметрами на сварочную ванну по всей протяженности сварного шва в процессе получения сварного соединения гибридной лазерной сваркой крупногабаритных изделий (до 10 м) различной толщины, выполненных из различных металлов и сплавов.The problem to which this invention is directed is to provide an ultrasonic contact method with constant parameters on the weld pool along the entire length of the weld in the process of obtaining a welded joint by hybrid laser welding of large-sized products (up to 10 m) of various thicknesses made of various metals and alloys.
Технический результат – улучшение эксплуатационных характеристик сварного соединения, обеспечение требуемой надежности сварных конструкций и снижения затрат на устранение дефектов в производстве, за счёт улучшения структуры сварного соединения и уменьшения дефектности на протяжении всего сварного шва.The technical result is an improvement in the operational characteristics of the welded joint, ensuring the required reliability of the welded structures and reducing the cost of eliminating defects in production by improving the structure of the welded joint and reducing the defectiveness throughout the entire weld.
Другой технический результат – универсальность метода или возможность выполнения сварных соединений изделий из различных металлов и сплавов с улучшенными эксплуатационными характеристиками.Another technical result is the universality of the method or the ability to perform welded joints of products from various metals and alloys with improved performance characteristics.
Поставленная задача достигается тем, что как и в известном в предлагаемом способе гибридной лазерной сварки c ультразвуковым воздействием на всем протяжении сварного соединения осуществляют синхронное перемещение ультразвукового инструмента c основными источниками энергии (источником лазерного излучения и сварочной горелкой), при этом инструмент для ультразвукового воздействия (УЗ – инструмент) устанавливают перед ними по направлению сварки.The task is achieved by the fact that as in the known in the proposed method of hybrid laser welding with ultrasonic action throughout the welded joint carry out synchronous movement of the ultrasonic tool with the main energy sources (laser source and welding torch), while the tool for ultrasonic treatment (ultrasound - tool) is installed in front of them in the direction of welding.
Новым является то, что ультразвуковое воздействие осуществляют контактным способом с использованием УЗ – инструмента, при этом на начальном этапе, до начала сварочного процесса, УЗ-инструмент устанавливают в выбранном горизонтальном и вертикальном положении в ручном режиме относительно сварочной ванны: перед ней на расстоянии l равным или кратным полудлине волны ультразвукового излучения (точка приложения) и прижимают с выбранным усилием для обеспечения непрерывного ультразвукового воздействия на сварочную ванну, а затем в автоматическом режиме в течение всего процесса сварки обеспечивают постоянное усилие прижима индентора УЗ- инструмента.New is that the ultrasonic action is carried out by the contact method using ultrasonic tools, while at the initial stage, before the start of the welding process, the ultrasonic tools are installed in the selected horizontal and vertical position in manual mode relative to the weld pool: in front of it at a distance l equal to or a multiple half-length of the wave of ultrasonic radiation (point of application) and pressed with the selected force to ensure continuous ultrasonic action on the weld pool, and then automatically During the entire welding process, a continuous operation ensures a constant clamping force of the indenter of the ultrasonic tool.
Целесообразно, что для синхронного перемещения УЗ-инструмента с источником лазерного излучения и сварочной горелкой, его закрепляют на одной каретке с ними.It is advisable that for synchronous movement of the ultrasound tool with a laser source and a welding torch, it is fixed on the same carriage with them.
Кроме того, используют УЗ-инструмент с наконечником в виде твердосплавного индентора сферической формы.In addition, an ultrasound tool with a tip in the form of a spherical carbide indenter is used.
При этом для отслеживания и адаптивной регулировки непрерывного и постоянного усилия прижима УЗ-инструмента к поверхности заготовки используют регистрацию отклонений его положения в горизонтальном направлении пьезокерамическим датчиком, который устанавливают на корпусе УЗ-инструмента.At the same time, for tracking and adaptive adjustment of the continuous and constant clamping force of the ultrasound instrument to the surface of the workpiece, registration of deviations of its position in the horizontal direction with a piezoceramic sensor, which is installed on the body of the ultrasound instrument, is used.
Выбор расстояния l равным или кратным полудлине волны ультразвукового излучения обусловлен различием длин волн у разных материалов, распространяющегося в них звука.The choice of the distance l equal to or a multiple of the half-wavelength of the ultrasonic radiation is due to the difference in the wavelengths of different materials, the sound propagating in them.
Для реализации предлагаемого в настоящем изобретении способа было разработано устройство (фиг.1).To implement the method proposed in the present invention, a device was developed (Fig. 1).
УЗ – инструмент для установки его в заданное положение относительно сварочной ванны и поверхности свариваемой заготовки и возможности его отклонения от заданного положения в процессе сварки, подвижно соединен с ползуном, который в свою очередь соединен с кареткой, при этом устройство содержит средства ручной настройки УЗ-инструмента в заданное положение, а также блок управления реализации алгоритма адаптивного управления прижима УЗ-инструмента к поверхности заготовки в течение всего процесса сварки, и пьезокерамический датчик, установленный на корпусе УЗ–инструмента для слежения за его положением и подключенный к упомянутому блоку управления.Ultrasound - a tool for setting it to a predetermined position relative to the weld pool and the surface of the workpiece to be welded and the possibility of its deviation from the preset position during welding, movably connected to a slider, which in turn is connected to the carriage, while the device contains means for manually adjusting the ultrasound tool to the specified position, as well as the control unit for the implementation of the adaptive control algorithm for clamping the ultrasound tool to the surface of the workpiece during the entire welding process, and the piezoceramic sensor is installed embedded on the body of the ultrasonic tool to track its position and connected to the mentioned control unit.
Кроме того, средства ручной настройки УЗ - инструмента включают ходовую винтовую передачу для регулировки положения УЗ - инструмента в горизонтальном направлении, установленную с одной стороны каретки и ходовую винтовую передачу для регулировки его положения в вертикальном направлении, установленную с другой стороны каретки.In addition, the means for manual adjustment of the ultrasound instrument include a helical gear for adjusting the position of the ultrasound instrument in the horizontal direction, mounted on one side of the carriage, and a helical gear for adjusting its position in the vertical direction, mounted on the other side of the carriage.
Для реализации возможности отклонения от заданного положения крепление – кронштейн УЗ-инструмента в нижней части соединен с ползуном через ось вращения.To realize the possibility of deviation from the set position, the fastening - the bracket of the ultrasonic tool in the lower part is connected to the slider through the axis of rotation.
Кроме того, электронный блок управления, обрабатывает сигналы от пьезокерамического датчика, и передает команду на исполнительный механизм, обеспечивающий изменение усилия прижима УЗ-инструмента к заготовке.In addition, the electronic control unit processes the signals from the piezoceramic sensor, and transmits a command to the actuator, providing a change in the force of pressing of the ultrasound instrument to the workpiece.
При этом исполнительный механизм включает шаговый двигатель вал которого совмещен с концом регулировочного винта, поджимающего пружинный упор, на который опирается верхняя часть крепления – кронштейна УЗ -инструмента.In this case, the actuator includes a stepper motor whose shaft is aligned with the end of the adjusting screw, which compresses the spring stop, on which the upper part of the fastening - bracket of the ultrasonic tool rests.
УЗ-инструмент содержит ступенчатый сонотрод (волновод) и наконечник, закрепленный на конце сонотрода (волновода), при этом наконечник представляет собой изготовленный из твердосплавного материала индентор, рабочий конец которого имеет сферическую форму.The ultrasound instrument contains a stepwise sonotrode (waveguide) and a tip attached to the end of the sonotrode (waveguide), while the tip is an indenter made of carbide material, the working end of which has a spherical shape.
Индентор находится в контакте с поверхностью одной из свариваемых заготовок и обеспечивает передачу ультразвукового воздействия к сварочной ванне на всей протяженности сварного соединения.The indenter is in contact with the surface of one of the workpieces being welded and ensures the transmission of ultrasonic action to the weld pool over the entire length of the welded joint.
Предлагаемый способ предназначен для обеспечения ультразвукового воздействия с постоянными параметрами на сварочную ванну в процессе получения сварного соединения на всей его протяженности (до 10 м). The proposed method is designed to provide ultrasonic effects with constant parameters on the weld pool in the process of obtaining a welded joint over its entire length (up to 10 m).
Необходимым условием подвода ультразвука является возможность регулирования положения УЗ-инструмента в горизонтальном и вертикальном направлении относительно сварочной ванны. Это связано с тем, что гибридной лазерной сварке подлежат заготовки различных материалов, имеющие также различную толщину. Вертикальное перемещение УЗ-инструмента обеспечивает контакт с поверхностью свариваемых заготовок различной толщины. Горизонтальное перемещение УЗ-инструмента обеспечивает заданное расстояние от точки приложения ультразвуковых колебаний до сварочной ванны. Это обусловлено необходимостью поддержания ультразвукового воздействия заданной интенсивности на сварочную ванну и связано со следующими факторами. Во-первых, природа свариваемого материала, а также его толщина определяет затухание распространяющихся в нем ультразвуковых колебаний. Во-вторых, избыточная интенсивность ультразвуковых колебаний приводит к дефектам сварного соединения типа несплошностей и избыточного проплавления. С учетом указанных факторов, необходимым условием для получения качественных сварных соединений является возможность регулирования позиции места приложения ультразвуковых колебаний относительно сварочной ванны.A prerequisite for supplying ultrasound is the ability to control the position of the ultrasound tool in the horizontal and vertical direction relative to the weld pool. This is due to the fact that billets of various materials, which also have different thicknesses, are subject to hybrid laser welding. Vertical movement of the ultrasonic tool provides contact with the surface of the welded workpieces of various thicknesses. The horizontal movement of the ultrasonic tool provides a predetermined distance from the point of application of ultrasonic vibrations to the weld pool. This is due to the need to maintain the ultrasonic effect of a given intensity on the weld pool and is associated with the following factors. Firstly, the nature of the material being welded, as well as its thickness, determines the attenuation of the ultrasonic vibrations propagating in it. Secondly, the excessive intensity of ultrasonic vibrations leads to defects in the welded joint such as discontinuities and excessive penetration. Given these factors, a prerequisite for obtaining high-quality welded joints is the ability to control the position of the place of application of ultrasonic vibrations relative to the weld pool.
Для максимально эффективного воздействия на сварочную ванну, необходимо обеспечить расстояние от контакта твердосплавного индентора с поверхностью свариваемых заготовок до сварочной ванны равное или кратное полудлине волны испускаемого излучения. Это связано со свойствами звуковых волн, которые представляют собой периодически чередующиеся сжатия и разряжения, максимальный пик которых находится на кратных полудлине волны излучения. Скорости распространения звуковых волн, равно как и длина волны, для каждого материала будет различна. С учетом указанных факторов, одним из необходимых условий для получения качественных сварных соединений является возможность регулировки позиции начального места приложения ультразвуковых колебаний относительно сварочной ванны для конкретного материала свариваемых заготовок.For the most effective impact on the weld pool, it is necessary to provide a distance from the contact of the carbide indenter with the surface of the welded workpieces to the weld pool equal to or a multiple of the half-wavelength of the emitted radiation . This is due to the properties of sound waves, which are periodically alternating compressions and discharges, the maximum peak of which is at multiples of the half-length of the radiation wave. The propagation velocity of sound waves, as well as the wavelength, for each material will be different. Given these factors, one of the necessary conditions for obtaining high-quality welded joints is the ability to adjust the position of the initial application of ultrasonic vibrations relative to the weld pool for a particular material of the welded workpieces.
Также необходимым условием является непрерывный контакт при постоянном усилии прижима наконечника УЗ-инструмента с поверхностью свариваемого материала, которая может характеризоваться перепадами по толщине (в пределах допуска листового проката), волнистостью либо сочетанием этих факторов.A necessary condition is continuous contact with a constant clamping force of the tip of the ultrasound tool with the surface of the material being welded, which can be characterized by differences in thickness (within the tolerance of sheet metal), waviness, or a combination of these factors.
Первоначально усилие прижима задается в ручном режиме, а далее в процессе сварки регулируется при помощи адаптивного механизма регулировки параметров УЗ воздействия, основанного на непрерывной регистрации отклонений положения УЗ-инструмента в горизонтальном направлении пьезокерамическим датчиком и передачи сигналов в блок управления, в котором посредством разработанного программного обеспечения, сигнал обрабатывается и посылает соответствующую команду на исполнительный механизм, предусмотренный в конструкции крепления УЗ-инструмента к каретке.Initially, the clamping force is set in manual mode, and then during the welding process it is controlled using an adaptive mechanism for adjusting the parameters of ultrasonic action, based on continuous recording of deviations of the position of the ultrasonic instrument in the horizontal direction by a piezoceramic sensor and transmitting signals to the control unit, in which, using the developed software, , the signal is processed and sends the appropriate command to the actuator provided for in the fastening design of the ultrasonic tool ment to the carriage.
Описанное выше решение позволяет минимизировать влияние возможных неровностей поверхности заготовки на контакт индентора с материалом, связанных с неравномерной прокаткой листа, а также обеспечивает равномерное и необходимое по силе, прижатие индентора УЗ- инструмента.The solution described above minimizes the influence of possible surface roughness of the workpiece on the contact of the indenter with the material associated with uneven rolling of the sheet, and also provides uniform and necessary force, pressing the indenter of the ultrasonic tool.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
На фиг. 1 показан вид сбоку устройства крепления УЗ-инструмента к оборудованию гибридной лазерной сварки.In FIG. 1 shows a side view of a device for attaching ultrasound tools to hybrid laser welding equipment.
На фиг. 2 приведен вид спереди и вид сзади устройства крепления УЗ-инструмента к оборудованию гибридной лазерной сварки.In FIG. Figure 2 shows a front view and a rear view of a device for attaching an ultrasound instrument to hybrid laser welding equipment.
На фиг. 3 приведены макроизображения сварных соединений стали 09Г2С (ASTM 516) после гибридной лазерной сварки фиг. 3a; гибридной лазерной сварки с УЗ воздействием, фиг.3 б, гибридной лазерной сварки с УЗ воздействием на мощности 630 Вт и адаптивной регулировкой, фиг. 3 в. In FIG. 3 shows macro images of welded joints of steel 09Г2С (ASTM 516) after hybrid laser welding of FIG. 3a; hybrid laser welding with ultrasonic treatment, FIG. 3 b, hybrid laser welding with ultrasonic treatment at 630 W and adaptive adjustment, FIG. 3 c.
На фиг. 4 приведены макроизображения сварных соединений стали 12Х18Н10Т после гибридной лазерной сварки Фиг.4а; гибридная лазерная сварка с УЗ воздействием, мощностью 600 Вт, с адаптивной регулировкой Фиг. 4б.In FIG. 4 shows macro images of welded joints of steel 12X18H10T after hybrid laser welding of FIG. 4a; hybrid laser welding with ultrasonic treatment, power 600 W, with adaptive adjustment FIG. 4b.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Для реализации предлагаемого в настоящем изобретении способа было разработано устройство (фиг.1) содержащее источник лазерного излучения 1, сварочную дуговую горелку 2 и ультразвуковой инструмент (УЗ–инструмент) 3. Для синхронного перемещения УЗ-инструмент 3 с источником лазерного излучения 1 и сварочной горелкой 2 крепится на каретке 4. УЗ-инструмент 3 с креплением – кронштейном 5 подвижно соединен через ось вращения 6 с ползуном 7. Ползун 7 установлен на каретке 4 с возможностью его горизонтального и вертикального перемещения совместно с УЗ-инструментом относительно каретки 4. Для передвижения ползуна 7 относительно каретки в горизонтальном направлении он оснащен ходовой винтовой передачи 8 и держателями 9, 10. Ползун 7 установлен на держателях 9 и 10. При вращении винта передачи 8 держатели 9, 10 совершают поступательное движение, которое преобразуется в горизонтальное движение УЗ - инструмента. Верхняя часть кронштейна 5 опирается на пружинный механизм (упор) 11. Для перемещения УЗ - инструмента 3 в вертикальном положении ползун 7 оснащен ходовой винтовой передачей 12 с держателем 13 (фиг. 2а). При вращении винта передачи обеспечивается поступательное движение ползуна 7, которое преобразуется в вертикальное движение УЗ-инструмента. Для регулировки положения УЗ – инструмента в автоматическом режиме устройство содержит пружинный механизм (упор) 11, который поджат регулировочным винтом 14, установленным в опорной пластине 15, закрепленной на ползуне 7. Конец регулировочного винта 14 совмещен с валом шагового двигателя 16, установленного также на ползуне 7 через опорную пластину 17. Пьезокерамический датчик 18 размещен на корпусе 19 УЗ-инструмента.To implement the method proposed in the present invention, a device was developed (Fig. 1) containing a laser radiation source 1, a welding arc torch 2, and an ultrasonic instrument (ultrasonic tool) 3. For synchronous movement, an ultrasonic tool 3 with a laser radiation source 1 and a welding torch 2 is mounted on the carriage 4. The ultrasonic tool 3 with the mounting bracket 5 is movably connected through the axis of
Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.
Первоначальное горизонтальное положение УЗ-инструмента 3, задается посредством ходовой винтовой передачи 8 с держателями 9, 10, закрепленными на ползуне 7, т.е. задается расстояние l (фиг.1) от точки приложения ультразвуковых колебаний до сварочной ванны. При вращении винта передачи 8, его держатели 9, 10 совершают поступательное движение в горизонтальном направлении совместно с ползуном 7 и УЗ-инструментом 3.The initial horizontal position of the ultrasonic tool 3 is set by means of a
Вертикальное перемещение УЗ-инструмента 3, при помощи ходовой винтовой передачи 12, обеспечивает первоначальное усилие прижима твердосплавного индентора 20, закрепленного на сонотроде 21, с поверхностью свариваемых заготовок. При вращении винта передачи 12 обеспечивается поступательное движение ползуна 7, которое преобразуется в вертикальное перемещение УЗ-инструмента 3.The vertical movement of the ultrasonic tool 3, using a
Адаптивный механизм прижима УЗ-инструмента 3 в процессе сварки основан на регистрации отклонений его положения в горизонтальном направлении относительно каретки 4 (вокруг оси вращения 6) пьезокерамическим датчиком 18.The adaptive clamping mechanism of the ultrasonic tool 3 in the welding process is based on the registration of deviations of its position in the horizontal direction relative to the carriage 4 (around the axis of rotation 6) with a
Далее, после регистрации отклонения от оптимального положения УЗ-инструмента 3 и обработки сигнала в блоке электронного управления 22 посылает соответствующую команду на шаговый двигатель 16, который производит вращение винта 14. Винт 14 совершает поступательное движение в направлении упора 11, в результате которого через пружину упора обеспечивается усилие давления на крепление (верхняя часть кронштейна) УЗ – инструмента. Усилие обеспечивает вращение УЗ-инструмента относительно оси вращения таким образом, чтобы при контакте наконечника УЗ – инструмента с поверхностью заготовки возникало требуемое усилие давления на материал, обеспечивая непрерывный контакт и регулировку прижима УЗ-инструмента в режиме реального времени.Further, after registering the deviation from the optimal position of the ultrasonic tool 3 and processing the signal in the
После закрепления заготовок для проведения сварочного процесса, производили первоначальную настройку положения УЗ-инструмента 3 в следующем порядке:After fixing the blanks for the welding process, the initial position of the ultrasonic tool 3 was made in the following order:
– По известным данным скоростей распространения ультразвуковых волн в материале заготовки, регулировочным винтом 8, выставляли расстояние l от точки соприкосновения твердосплавного индентора c поверхностью заготовки до предполагаемой сварочной ванны равное или кратное полудлине волны ультразвука.- According to the known data on the propagation velocity of ultrasonic waves in the workpiece material, by adjusting
– После выставления необходимого значения l приступали к регулировке позиции УЗ-инструмента в вертикальном положении при помощи винта 12.- After setting the required value of l, we started to adjust the position of the ultrasound instrument in the vertical position with the
В качестве сварочной дуговой горелки 2 использовали дуговой источник компании Fronius TPS 600i, в качестве источника лазерного излучения 1– иттербиевый волоконный лазер ЛС-15 с длинной волны 1,6 мкм. В качестве ультразвукового инструмента 3 использовали магнитострикционный преобразователь с рабочей частотой 21–23 кГц. Мощность ультразвукового воздействия составляла от 500 до 1200 Вт, с возможностью регулирования.An Fronius TPS 600i arc source was used as a welding arc torch 2, and an LS-15 ytterbium fiber laser with a wavelength of 1.6 μm was used as a laser source. As an ultrasonic instrument 3, a magnetostrictive transducer with an operating frequency of 21–23 kHz was used. The power of ultrasonic exposure ranged from 500 to 1200 W, with the possibility of regulation.
Пример 1. Example 1
Производили сварку листов конструкционной стали 09Г2С – экспериментальных образцов, размером 300х240 мм, толщиной 5 мм. Welded sheets of 09G2S structural steel - experimental samples, 300x240 mm in size, 5 mm thick.
Режимы сварки: мощность лазера: 3,8 кВт; ток дуги: 100 A; напряжение дуги: 35 В; скорость сварки: 2,5 м/мин; скорость подачи присадочной проволоки: 1,6 м/мин; диаметр присадочной проволоки: 0,8 мм.Welding modes: laser power: 3.8 kW; arc current: 100 A; arc voltage: 35 V; welding speed: 2.5 m / min; filler wire feed speed: 1.6 m / min; filler wire diameter: 0.8 mm.
Для сравнения сварку образцов производили без ультразвукового воздействия и с использованием ультразвукового воздействия на двух значениях мощности: 1200 Вт и 630 Вт. На мощности 1200 Вт без адаптивной регулировки процесса, а на мощности 630 Вт – с адаптивной регулировкой, согласно предлагаемому изобретению.For comparison, the samples were welded without ultrasonic exposure and using ultrasonic exposure at two power values: 1200 W and 630 W. At a power of 1200 W without adaptive process control, and at a power of 630 W with adaptive control, according to the invention.
Место контакта УЗ-инструмента с поверхностью образца (точка приложения) было определено в 155 мм от сварочной ванны, что соответствует целой длине волны. Данные о распространении звуковых волн для данного материала взяты из справочника [Н.И. Кошкин, М.Г. Ширкевич (1972) Справочник по элементарной физике. Москва, 106 стр.].The contact point of the ultrasound instrument with the surface of the sample (the point of application) was determined 155 mm from the weld pool, which corresponds to an entire wavelength . The data on the propagation of sound waves for this material are taken from the reference book [N.I. Koshkin, M.G. Shirkevich (1972) Handbook of elementary physics. Moscow, 106 pp.].
Требуемое постоянное усилие прижима индентора равное 0,45 МПа ±5% было определено экспериментально.The required constant indenter clamping force of 0.45 MPa ± 5% was determined experimentally.
Сравнительные результаты исследования приведены на фиг. 3. Как видно из изображений образец, полученный без применения УЗ колебаний и адаптивного механизма, фиг. 4a, имеет поры, наблюдаемые на протяжении всего сварного соединения. При включении в процесс гибридной лазерной сварки ультразвукового воздействия, фиг. 3б, возникает неравномерная структура с дефектом в виде междендритной усадки. На фиг. 3в в процесс сварки с ультразвуковым воздействием была включена адаптивная регулировка усилия прижима УЗ-инструмента, в результате получена равномерная структура без дефектов на всем протяжении сварного шва. Comparative research results are shown in FIG. 3. As can be seen from the images, the sample obtained without the use of ultrasonic vibrations and the adaptive mechanism, FIG. 4a has pores observed throughout the weld. When ultrasonic action is included in the hybrid laser welding process, FIG. 3b, an uneven structure arises with a defect in the form of interdendritic shrinkage. In FIG. 3c, an adaptive adjustment of the clamping force of an ultrasound tool was included in the welding process with ultrasonic action, as a result of which a uniform structure without defects was obtained throughout the entire weld.
Пример 2.Example 2
Производили сварку листов нержавеющей стали 12Х18Н10Т – экспериментальных образцов, толщиной 2,5 мм, размером 300х240 мм. Welded sheets of stainless steel 12X18H10T - experimental samples, 2.5 mm thick, 300x240 mm in size.
Режимы сварки: мощность лазера: 2,5 кВт, ток дуги: 85 A, напряжение дуги: 25 В, скорость сварки: 2,2 м/мин, скорость подачи присадочной проволоки: 5,3 м/мин, диаметр присадочной проволоки: 0,8 мм.Welding modes: laser power: 2.5 kW, arc current: 85 A, arc voltage: 25 V, welding speed: 2.2 m / min, filler wire feed speed: 5.3 m / min, filler wire diameter: 0 , 8 mm.
Место контакта УЗ-инструмента с поверхностью образца было в 75 мм от сварочной ванны, что соответствует полудлине длины волны.The contact point of the ultrasound tool with the surface of the sample was 75 mm from the weld pool, which corresponds to the half-length of the wavelength.
Производили гибридную лазерную сварку без УЗ воздействия Фиг. 4а и с применением УЗ воздействия мощностью 600 Вт с адаптивной регулировкой Фиг. 4б, согласно описываемому изделию. Требуемое постоянное усилие прижима индентора равное 0,45 МПа ±5% было определено экспериментально.Hybrid laser welding without ultrasonic treatment was performed. FIG. 4a and with the use of ultrasonic action with a power of 600 W with adaptive adjustment FIG. 4b, according to the described product. The required constant indenter clamping force of 0.45 MPa ± 5% was determined experimentally.
Ввиду того что при данном режиме сварки получили бездефектные швы, акцент сделан на различия в границе между металлом шва и металлом неподверженным плавлению (граница сплавления). Как видно на Фиг. 4б граница сплавления имеет сложную форму сцепления и, как следствие, лучшую прочность на разрыв между ними.Due to the fact that in this welding mode, defect-free welds were obtained, emphasis was placed on differences in the boundary between the weld metal and the metal not subject to melting (fusion boundary). As seen in FIG. 4b, the fusion boundary has a complex form of adhesion and, as a result, better tensile strength between them.
Claims (4)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018144092A RU2704874C1 (en) | 2018-12-13 | 2018-12-13 | Hybrid ultrasonic welding method and device for its implementation |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018144092A RU2704874C1 (en) | 2018-12-13 | 2018-12-13 | Hybrid ultrasonic welding method and device for its implementation |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2704874C1 true RU2704874C1 (en) | 2019-10-31 |
Family
ID=68500558
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2018144092A RU2704874C1 (en) | 2018-12-13 | 2018-12-13 | Hybrid ultrasonic welding method and device for its implementation |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2704874C1 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114161010A (en) * | 2021-12-14 | 2022-03-11 | 江苏省无锡交通高等职业技术学校 | Ultrasonic vibration composite gas shield welding gun |
RU2789411C1 (en) * | 2022-04-22 | 2023-02-02 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ" | Method for welding materials in ultrasound fields and device implementing it |
CN115922052A (en) * | 2022-12-30 | 2023-04-07 | 山东大学 | Ultrasonic continuous welding system and method |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008049351A (en) * | 2006-08-22 | 2008-03-06 | Hitachi Ltd | Method and apparatus for ultrasonic wave-applying welding |
CN104785926A (en) * | 2015-04-14 | 2015-07-22 | 西南交通大学 | Ultrasonic field coupled laser-MIG common welding pool aluminum alloy welding technology |
CN105880852A (en) * | 2016-05-28 | 2016-08-24 | 长春理工大学 | Ultrasonically assisted pulse laser-MIG composite heat source welding device and welding method thereof |
RU2637039C1 (en) * | 2017-01-16 | 2017-11-29 | Публичное акционерное общество "Челябинский трубопрокатный завод" (ПАО "ЧТПЗ") | Method of pipe fabrication by welding |
RU2668641C1 (en) * | 2017-08-14 | 2018-10-02 | Публичное акционерное общество "Челябинский трубопрокатный завод" (ПАО "ЧТПЗ") | Method of laser-arc welding of steel formulated pipe stock |
-
2018
- 2018-12-13 RU RU2018144092A patent/RU2704874C1/en active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008049351A (en) * | 2006-08-22 | 2008-03-06 | Hitachi Ltd | Method and apparatus for ultrasonic wave-applying welding |
CN104785926A (en) * | 2015-04-14 | 2015-07-22 | 西南交通大学 | Ultrasonic field coupled laser-MIG common welding pool aluminum alloy welding technology |
CN105880852A (en) * | 2016-05-28 | 2016-08-24 | 长春理工大学 | Ultrasonically assisted pulse laser-MIG composite heat source welding device and welding method thereof |
RU2637039C1 (en) * | 2017-01-16 | 2017-11-29 | Публичное акционерное общество "Челябинский трубопрокатный завод" (ПАО "ЧТПЗ") | Method of pipe fabrication by welding |
RU2668641C1 (en) * | 2017-08-14 | 2018-10-02 | Публичное акционерное общество "Челябинский трубопрокатный завод" (ПАО "ЧТПЗ") | Method of laser-arc welding of steel formulated pipe stock |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114161010A (en) * | 2021-12-14 | 2022-03-11 | 江苏省无锡交通高等职业技术学校 | Ultrasonic vibration composite gas shield welding gun |
RU2789411C1 (en) * | 2022-04-22 | 2023-02-02 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ" | Method for welding materials in ultrasound fields and device implementing it |
CN115922052A (en) * | 2022-12-30 | 2023-04-07 | 山东大学 | Ultrasonic continuous welding system and method |
CN115922052B (en) * | 2022-12-30 | 2023-07-21 | 山东大学 | Ultrasonic continuous welding system and method |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Tong et al. | Influence of high frequency vibration on microstructure and mechanical properties of TIG welding joints of AZ31 magnesium alloy | |
RU2704874C1 (en) | Hybrid ultrasonic welding method and device for its implementation | |
CN109759700B (en) | Laser welding method of welding-following ultrasonic vibration | |
CN111515541B (en) | Thick plate narrow gap laser-TIG composite filler wire welding device and method | |
GB2500996A (en) | Stress relieving layers in additive layer manufacturing | |
CN109332690B (en) | Metal 3D printing method and device | |
KR20130039955A (en) | A laser apparatus for welding | |
JP2014018804A (en) | One side welding method | |
US20220009023A1 (en) | Methods of ultrasound assisted 3d printing and welding | |
KR20110029344A (en) | Method and apparatus for welding aluminum alloy by laser weaving | |
CN108817622B (en) | Ultrasonic arc laminating and rolling thin-wall steel pipe welding device and welding method | |
EP3873694A1 (en) | Ultrasonic resistance welding process and apparatus | |
CN104923890A (en) | Ultrasonic assisted argon arc welding method capable of adjusting sound source incidence angle and position and assisting device | |
CN110682001B (en) | High-nitrogen steel composite welding device and method for reducing air holes under assistance of mechanical vibration | |
CN112453711A (en) | Laser-electric arc hybrid welding and ultrasonic stress relief integrated device | |
JP5494065B2 (en) | Spot welding method and spot welded joint | |
CN111299881B (en) | Double-ultrasonic-assisted laser-CMT (constant current machine) hybrid welding system and welding method | |
CN111390410B (en) | Ultrasonic vibration GTAW composite device based on sound-heat synchronization and use method | |
JP6547056B2 (en) | Clamping device and welding device | |
CN108890059B (en) | Aluminum alloy sheet welding method | |
CN216882199U (en) | Ultrasonic-assisted arc spot welding device | |
CN116786983A (en) | Ultrasonic-laser synchronous composite continuous seam welding equipment and method | |
CN110860786A (en) | Inductance auxiliary pulse laser swing welding device and method | |
CN114905151B (en) | 2219 aluminum alloy sheet electromagnetic auxiliary laser thermal conductive welding method | |
RU2789411C1 (en) | Method for welding materials in ultrasound fields and device implementing it |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20200304 Effective date: 20200304 |
|
QZ41 | Official registration of changes to a registered agreement (patent) |
Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20200304 Effective date: 20201118 |