RU2789411C1 - Method for welding materials in ultrasound fields and device implementing it - Google Patents

Method for welding materials in ultrasound fields and device implementing it Download PDF

Info

Publication number
RU2789411C1
RU2789411C1 RU2021119308A RU2021119308A RU2789411C1 RU 2789411 C1 RU2789411 C1 RU 2789411C1 RU 2021119308 A RU2021119308 A RU 2021119308A RU 2021119308 A RU2021119308 A RU 2021119308A RU 2789411 C1 RU2789411 C1 RU 2789411C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
welding
ultrasonic
tool
nozzle
welded
Prior art date
Application number
RU2021119308A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Альберт Харисович Гильмутдинов
Константин Юрьевич Нагулин
Иван Валерьевич Шварц
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ"
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ"
Application granted granted Critical
Publication of RU2789411C1 publication Critical patent/RU2789411C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: welding production.
SUBSTANCE: invention relates to the field of welding production, in particular to a method for laser welding of parts. Welding is carried out by synchronous movement of a laser head to heat a welding bath together with an ultrasound impact tool with a nozzle. The nozzle contains four sound lines with carbide tips of a spherical shape, which in-phase transfer ultrasound oscillations to both welded parts before and after the welding bath. The nozzle has a fastener, for example in the form of a ball joint, allowing for provision of a contact of tips of the ultrasound tool with a welded surface, when welding materials with different thickness. The intensity of ultrasound impact on the welding bath is stabilized in an automatic mode by adjustment of power of an ultrasound generator according to a signal of an acoustic feedback sensor located near the welding bath and moved synchronously with the welding laser head.
EFFECT: increase in the quality of welded connection of parts due to provision of ultrasound impact with a contact method with constant parameters on a welding bath along the entire length of a welded joint.
5 cl, 4 dwg, 1 ex

Description

Изобретение относится к области сварочного производства и может быть использовано в дуговой, лазерной и гибридной лазерной сварке c ультразвуковым воздействием на сварочную ванну.The invention relates to the field of welding production and can be used in arc, laser and hybrid laser welding with ultrasonic action on the weld pool.

Известны технические решения, в которых улучшение качества сварного соединения достигается воздействием в процессе сварки на зону соединения ультразвуковых колебаний либо бесконтактно, либо контактным приложением источника ультразвуковых колебаний к свариваемым поверхностям.Technical solutions are known in which the improvement of the quality of the welded joint is achieved by exposure to the joint zone of ultrasonic vibrations during the welding process either non-contact or by contact application of a source of ultrasonic vibrations to the surfaces to be welded.

Известен способ лазерной электродуговой сварки, сопровождающейся приложением ультразвуковых колебаний к сварному шву [1]. Способ предназначен для сварного соединения алюминиевых сплавов гибридной электродуговой сваркой TIG и лазерной сваркой, при котором ультразвуковые колебания контактным способом вводятся в затвердевший металл сварного шва позади сварочной головки (по ходу ее движения). Преимуществом данного изобретения является удаление за счет эффектов кавитации и акустического воздействия из сварного шва большой части газов, снижение количества дефектов и остаточного напряжения в сварном шве, повышение коррозионной стойкости соединения. A known method of laser arc welding, accompanied by the application of ultrasonic vibrations to the weld [1]. The method is intended for the welding of aluminum alloys by hybrid TIG and laser welding, in which ultrasonic vibrations are introduced into the hardened weld metal behind the welding head (in the direction of its movement) by the contact method. The advantage of this invention is the removal due to the effects of cavitation and acoustic impact from the weld a large part of the gases, reducing the number of defects and residual stress in the weld, increasing the corrosion resistance of the joint.

Недостатком способа [1] является отсутствие перемещения ультразвукового инструмента синхронно со сварочной ванной, поэтому при сварке протяженных швов за счет снижения интенсивности ультразвуковых колебаний по мере удаления сварочной ванны от их источника может возникнуть неравномерная структура сварного шва. Также в способе [1] отсутствует обратная связь между источником ультразвуковых колебаний и интенсивностью ультразвуковых волн вблизи сварочной ванны, что также не способствует стабильности ультразвукового воздействия на сварочный шов.The disadvantage of the method [1] is the lack of movement of the ultrasonic tool synchronously with the weld pool, therefore, when welding extended seams, by reducing the intensity of ultrasonic vibrations as the weld pool moves away from their source, an uneven structure of the weld may occur. Also in the method [1] there is no feedback between the source of ultrasonic vibrations and the intensity of ultrasonic waves near the weld pool, which also does not contribute to the stability of the ultrasonic effect on the weld.

Известен способ дуговой или лазерной сварки [2], в котором ультразвуковое воздействие на сварочную ванну и шов осуществляется бесконтактным методом. Между ультразвуковым излучателем, синхронно перемещаемым совместно со сварочной головкой, и сварочной ванной имеется воздушный зазор. A known method of arc or laser welding [2], in which the ultrasonic effect on the weld pool and the seam is carried out by a non-contact method. There is an air gap between the ultrasonic transducer, synchronously moved together with the welding head, and the weld pool.

Основным недостатком способа [2] является передача ультразвуковых колебаний в сварочную ванну через воздушный зазор. За счет значительной разницы (в тысячи раз) между полным выходным акустическим сопротивлением излучателя и входным полным акустическим сопротивлением воздушного промежутка, эффективность передачи ультразвуковых колебаний составляет доли процента. Поэтому для осуществления требуемого уровня ультразвукового давления в сварочной ванне необходима значительно более высокая мощность излучателя, чем при контактной передаче ультразвуковых колебаний.The main disadvantage of the method [2] is the transmission of ultrasonic vibrations into the weld pool through the air gap. Due to the significant difference (thousands of times) between the total output acoustic impedance of the radiator and the input total acoustic impedance of the air gap, the transmission efficiency of ultrasonic vibrations is a fraction of a percent. Therefore, to implement the required level of ultrasonic pressure in the weld pool, a significantly higher power of the emitter is required than with contact transmission of ultrasonic vibrations.

Известен ультразвуковой бур [3], который состоит из пьезоэлектрического преобразователя электрических колебаний в механические, концентратора-усилителя механических колебаний, рабочего инструмента, устройств вертикального перемещения и возвратно-вращательного движения. Рабочий инструмент имеет периферийный трубчатый участок диаметром, превосходящим диаметр пьезопреобразователя, и центральный конусообразный участок. Между центральным и периферийным участками выполнены сквозные каналы. Рабочий инструмент механически и акустически соединен с концентратором, выполненным в виде металлического стержня переменного сечения, состоящего из соединенных плавными переходами участков цилиндрической формы различного диаметра и длины, причем участок концентратора, соединенный с инструментом конусообразно, изменяет диаметр от диаметра соединительной площадки до диаметра пьезопреобразователя, на его внешней поверхности выполнены грунтоотводящие каналы. Для заявляемого способа сварки материалов в ультразвуковых полях в техническом решении [3] могут быть использованы возможность приложения ультразвуковых колебаний от одного источника к различным точкам обрабатываемой поверхности, разнесенным друг от друга на расстояние, большем чем размеры излучателя ультразвуковых колебаний. Known ultrasonic drill [3], which consists of a piezoelectric converter of electrical vibrations into mechanical vibrations, a concentrator-amplifier of mechanical vibrations, a working tool, devices for vertical movement and reciprocating rotational movement. The working tool has a peripheral tubular section with a diameter greater than the diameter of the piezoelectric transducer, and a central cone-shaped section. Through channels are made between the central and peripheral sections. The working tool is mechanically and acoustically connected to a concentrator made in the form of a metal rod of variable cross section, consisting of cylindrical sections of various diameters and lengths connected by smooth transitions, and the concentrator section, connected to the tool in a cone-shaped manner, changes the diameter from the diameter of the connecting platform to the diameter of the piezoelectric transducer, by its outer surface is made of soil channels. For the proposed method of welding materials in ultrasonic fields, the technical solution [3] can use the possibility of applying ultrasonic vibrations from one source to different points of the treated surface, spaced from each other by a distance greater than the dimensions of the ultrasonic vibration emitter.

Наиболее близким к заявляемому способу сварки материалов в ультразвуковых полях является способ гибридной лазерной сварки с ультразвуковым воздействием и устройство для его осуществления [4], который включает осуществление синхронного перемещения инструмента ультразвукового воздействия совместно с источником лазерного излучения и сварочной дуговой горелкой на всем протяжении процесса сварки, и отличается тем, что до начала сварочного процесса инструмент ультразвукового воздействия устанавливают в положение, обеспечивающее его непосредственный контакт с поверхностью одной из свариваемых заготовок на расстоянии перед сварочной ванной, равном или кратном полудлине волны ультразвукового излучения, и прижимают инструмент к заготовке в точке контакта с усилием, выбранным из условия обеспечения предварительно заданных параметров ультразвукового воздействия, а затем в течение всего процесса сварки в автоматическом режиме обеспечивают непрерывный контакт упомянутого инструмента с поверхностью заготовки при постоянном усилии прижима. Closest to the claimed method of welding materials in ultrasonic fields is a method of hybrid laser welding with ultrasonic action and a device for its implementation [4], which includes the implementation of synchronous movement of the ultrasonic tool together with a laser radiation source and a welding arc torch throughout the welding process, and differs in that before the start of the welding process, the ultrasonic tool is set to a position that ensures its direct contact with the surface of one of the workpieces to be welded at a distance in front of the weld pool equal to or a multiple of the half-length of the ultrasonic radiation wavelength, and the tool is pressed against the workpiece at the point of contact with force , selected from the condition of providing pre-set parameters of ultrasonic exposure, and then during the entire welding process in automatic mode, continuous contact of the mentioned tool with the surface is ensured. preparations at a constant clamping force.

Для обеспечения синхронности перемещения инструмент ультразвукового воздействия с наконечником в виде твердосплавного индентора сферической формы закреплен на одной каретке с источником лазерного излучения и сварочной дуговой горелкой. Обеспечение непрерывного контакта инструмента ультразвукового воздействия с поверхностью заготовки с заданным постоянным усилием прижима в течение всего процесса сварки в автоматическом режиме осуществляют посредством адаптивного механизма регулировки, осуществляющего непрерывную регистрацию отклонений положения упомянутого инструмента в горизонтальном направлении с помощью пьезокерамического датчика, установленного на корпусе инструмента, передачу соответствующих сигналов в блок управления для их обработки по заданной программе, и направление соответствующей команды от блока управления на исполнительный механизм, установленный в конструкции крепления инструмента ультразвукового воздействия.To ensure synchronization of movement, the ultrasonic impact tool with a tip in the form of a spherical hard-alloy indenter is fixed on the same carriage with a laser radiation source and a welding arc torch. Continuous contact of the ultrasonic tool with the surface of the workpiece with a given constant pressing force during the entire welding process in automatic mode is ensured by means of an adaptive adjustment mechanism that continuously registers deviations in the position of the said tool in the horizontal direction using a piezoceramic sensor mounted on the tool body, transmitting the corresponding signals to the control unit for processing them according to a given program, and sending the corresponding command from the control unit to the actuator installed in the fastening structure of the ultrasonic treatment tool.

Недостатком способа гибридной лазерной сварки с ультразвуковым воздействием [4] является то, что воздействие осуществляется только на один из свариваемых материалов и только впереди сварочной головки по ходу направления сварки. Проникновение ультразвуковых колебаний во второй материал происходит только через сварной шов. Таким образом, за счет потерь на границе раздела жидкость – твердое тело, интенсивность ультразвукового воздействия будет выше с той стороны, с которой установлен интендер излучателя. Кроме этого, данная конфигурация обеспечивает воздействие на ванну расплава, и в меньшей степени на процесс последующей кристаллизации, который в значительной степени определяет качество сварного соединения. Как известно [5], звуковое давление сферической акустической волны от точечного источника в упругой среде убывает обратно пропорционально расстоянию. Поэтому на зону кристаллизации будет осуществляться воздействие с меньшей интенсивностью.The disadvantage of the method of hybrid laser welding with ultrasonic action [4] is that the action is carried out only on one of the welded materials and only ahead of the welding head along the direction of welding. The penetration of ultrasonic vibrations into the second material occurs only through the weld. Thus, due to losses at the liquid-solid interface, the intensity of ultrasonic action will be higher on the side on which the emitter's tenderer is installed. In addition, this configuration provides an impact on the melt pool, and to a lesser extent on the subsequent crystallization process, which largely determines the quality of the welded joint. As is known [5], the sound pressure of a spherical acoustic wave from a point source in an elastic medium decreases inversely with the distance. Therefore, the crystallization zone will be affected with less intensity.

Другим недостатком способа [4] является то, что стабилизация ультразвукового воздействия осуществляется только по вторичным параметрам – положению излучателя относительно свариваемых деталей, а не по интенсивности ультразвуковой волны вблизи сварочной ванны. Это может привести к колебаниям интенсивности воздействия в зонах плавления и кристаллизации.Another disadvantage of the method [4] is that the stabilization of ultrasonic action is carried out only by secondary parameters - the position of the emitter relative to the parts to be welded, and not by the intensity of the ultrasonic wave near the weld pool. This can lead to fluctuations in the intensity of exposure in the zones of melting and crystallization.

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 лазерной или гибридной лазерной сваркой изделий различных размеров и толщины, выполненных из однородных или разнородных металлов и сплавов, с возможностью прямого воздействия как на зону расплава, так и на зону последующей кристаллизации.The problem to which this invention is directed is to provide ultrasonic exposure by contact method with constant parameters to the weld pool along the entire length of the weld in the process of obtaining a welded joint by laser or hybrid laser welding of products of various sizes and thicknesses made of homogeneous or dissimilar metals and alloys , with the possibility of direct impact on both the melt zone and the zone of subsequent crystallization.

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, достижение возможности качественного сварного соединения разнородных материалов.EFFECT: improving the operational characteristics of the welded joint, ensuring the required reliability of welded structures and reducing the cost of eliminating defects in production, by improving the structure of the welded joint and reducing defectiveness throughout the entire weld, achieving the possibility of a high-quality welded joint of dissimilar materials.

Поставленная задача достигается тем, что как и в известном, в предлагаемом способе электродуговой, лазерной или гибридной сварки c ультразвуковым воздействием на всем протяжении сварного соединения осуществляют синхронное перемещение инструмента ультразвукового воздействия совместно с источником нагрева сварочной ванны на всем протяжении процесса сварки, при котором до начала сварочного процесса инструмент ультразвукового воздействия устанавливают в положение, обеспечивающее его непосредственный контакт с поверхностью свариваемых заготовок, и прижимают инструмент к заготовке в точке контакта с усилием, выбранным из условия обеспечения предварительно заданных параметров ультразвукового воздействия, а затем в течение всего процесса сварки в автоматическом режиме обеспечивают непрерывный контакт упомянутого инструмента с поверхностью заготовки при постоянном усилии прижима, отличающийся тем, что используется инструмент ультразвукового воздействия с насадкой, содержащей четыре звукопровода с твердосплавными наконечниками сферической формы, которые синфазно передают ультразвуковые колебания в обе свариваемые детали до и после сварочной ванны, насадка имеет крепление, например в виде шарового шарнира, позволяющее обеспечивать контакт наконечников ультразвукового инструмента со свариваемой поверхностью при сварке материалов с различной толщиной, а интенсивность ультразвукового воздействия на сварочную ванну стабилизируется в автоматическом режиме путем регулировки мощности ультразвукового генератора по сигналу акустического датчика обратной связи, расположенного вблизи сварочной ванны и перемещающегося синхронно со сварочной головкой.The task is achieved by the fact that, as in the known method, in the proposed method of electric arc, laser or hybrid welding with ultrasonic action throughout the welded joint, the ultrasonic action tool is synchronously moved together with the weld pool heating source throughout the welding process, in which, before starting of the welding process, the ultrasonic action tool is set in a position that ensures its direct contact with the surface of the workpieces to be welded, and the tool is pressed against the workpiece at the point of contact with a force selected from the condition of providing pre-set parameters of ultrasonic action, and then during the entire welding process in automatic mode continuous contact of the mentioned tool with the surface of the workpiece at a constant pressing force, characterized in that an ultrasonic tool with a nozzle containing four sound ducts is used with spherical carbide tips that transmit ultrasonic vibrations in phase to both welded parts before and after the weld pool; The impact on the weld pool is automatically stabilized by adjusting the power of the ultrasonic generator according to the signal of an acoustic feedback sensor located near the weld pool and moving synchronously with the welding head.

Для реализации предлагаемого в настоящем изобретении способа было разработано устройство, вариант исполнения которого для лазерной гибридной сварки представлен на фиг.1. Сварочная головка 1 соединена с ультразвуковым излучателем 2 и имеет возможность регулировки положения в вертикальном направлении и степени прижима к свариваемой поверхности 3. Ультразвуковой излучатель 2 соединяется с насадкой 4 посредством шарнира (например шарового шарнира) 5, который обеспечивает возможность передачи ультразвуковых колебаний от излучателя в насадку при изменении угла наклона насадки 4 относительно оси излучателя 2 при изменении толщины или кривизны поверхности 3. Насадка 4 заканчивается четырьмя ножками 6 с твердосплавными наконечниками сферической формы 7, контактирующими со свариваемыми поверхностями 3. Шарнир 5 имеет возможность фиксации угла наклона насадки 4 относительно поверхности 3. При необходимости воздействия на только ванну расплава, насадка 4 фиксируется в таком положении, в котором поверхности 3 касаются только передняя пара ножек 6. Если необходимо воздействие на область кристаллизации, насадка 4 фиксируется под таким углом, при котором поверхности 3 касаются только задняя пара ножек 6. При одновременном воздействии на ванну расплава и на область кристаллизации, шарнир 5 не фиксируется и все четыре ножки 6 касаются свариваемой поверхности 3. To implement the method proposed in the present invention, a device was developed, the embodiment of which for laser hybrid welding is shown in Fig.1. The welding head 1 is connected to the ultrasonic emitter 2 and has the ability to adjust the position in the vertical direction and the degree of pressure to the surface to be welded 3. The ultrasonic emitter 2 is connected to the nozzle 4 by means of a hinge (for example, a ball joint) 5, which makes it possible to transmit ultrasonic vibrations from the emitter to the nozzle when changing the angle of inclination of the nozzle 4 relative to the axis of the emitter 2 when changing the thickness or curvature of the surface 3. The nozzle 4 ends with four legs 6 with spherical carbide tips 7 in contact with the surfaces to be welded 3. The hinge 5 has the ability to fix the angle of inclination of the nozzle 4 relative to the surface 3. If it is necessary to influence only the melt bath, the nozzle 4 is fixed in a position in which only the front pair of legs 6 touch the surfaces 3. If it is necessary to act on the crystallization area, the nozzle 4 is fixed at such an angle that only the rear pair of legs 6 touch. With simultaneous action on the melt pool and on the crystallization area, the hinge 5 is not fixed and all four legs 6 touch the welded surface 3.

К сварочной головке 1 на кронштейне 8 прикреплен пьезокерамический датчик 9, расположенный вблизи сварочной ванны 10. Кронштейн 8 оснащен механизмом регулировки прижима датчика 9 к поверхности 3. Выходной сигнал датчика 9 поступает в блок управления 11, который вырабатывает сигнал управления ультразвуковым генератором 12 с целью стабилизации интенсивности ультразвукового воздействия на сварочную ванну 10. В случае использования гибридной или электродуговой сварки, к лазерной сварочной головке на кронштейне 13 крепится электродуговая сварочная головка 14 с системой подачи сварочной проволоки.A piezoceramic sensor 9 is attached to the welding head 1 on the bracket 8, located near the weld pool 10. The bracket 8 is equipped with a mechanism for adjusting the pressure of the sensor 9 to the surface 3. The output signal of the sensor 9 is fed to the control unit 11, which generates a control signal for the ultrasonic generator 12 in order to stabilize the intensity of the ultrasonic effect on the weld pool 10. In the case of using hybrid or electric arc welding, an electric arc welding head 14 with a welding wire feed system is attached to the laser welding head on the bracket 13.

На Фиг.2 представлена конструкция лазерной сварочной головки в разрезе. Лазерная сварочная головка 1, ультразвуковой излучатель 2 и сонотрод 15, передающий ультразвуковые колебания от излучателя 2 в насадку 4, имеют осевой канал, по которому распространяется пучок лазерного излучения 16 и поток защитного (инертного) газа 17. В насадке 4 также имеется центральное отверстие для прохождения лазерного пучка 16 и потока защитного газа 17.Figure 2 shows the design of the laser welding head in section. The laser welding head 1, the ultrasonic emitter 2 and the sonotrode 15, which transmits ultrasonic vibrations from the emitter 2 to the nozzle 4, have an axial channel through which the laser radiation beam 16 and the flow of protective (inert) gas 17 propagate. The nozzle 4 also has a central hole for passage of the laser beam 16 and the flow of protective gas 17.

Устройство работает следующим образом. Перед началом процесса сварки, свариваемые детали 3 устанавливают на сварочном столе, позиционируют сварочную головку 1 над началом стыка деталей и выставляют на кронштейне 8 необходимую степень прижима датчика 9 к свариваемой поверхности 3. Далее устанавливают номинальный уровень мощности ультразвуковых генератора 12. В дальнейшем при отклонении от заданного уровня мощности система обратной связи в блоке управления 11 будет адаптивно регулировать выходную мощность ультразвукового генератора 12. The device works as follows. Before starting the welding process, the parts to be welded 3 are installed on the welding table, the welding head 1 is positioned above the beginning of the joint of the parts and the necessary degree of pressure of the sensor 9 to the surface to be welded 3 is set on the bracket 8. Next, the nominal power level of the ultrasonic generator 12 is set. a given power level, the feedback system in the control unit 11 will adaptively adjust the output power of the ultrasonic generator 12.

После настройки системы запускают перемещение сварочной головки 1 вдоль сварного шва и включают подачу лазерного излучения 16 и защитного газа 17. Под действием энергии лазерного луча 16 происходит плавление материала свариваемых деталей с формированием сварочной ванны 10, которую защищает от атмосферного кислорода поток защитного газа 17. Колеблющаяся с ультразвуковой частотой насадка 4 при помощи четырех ножек 6, заканчивающихся твердосплавными наконечниками сферической формы 7 и контактирующими со свариваемой поверхностью 3, создает в свариваемой поверхности 3 и сварочной ванне 10 ультразвуковые волны. За счет крепления насадки 4 к сонотроду 15 посредством шарового шарнира 5, насадка 4 может изменять угол своего наклона относительно оси сонотрода 15 без прекращения передачи ультразвуковых колебаний в свариваемую поверхность 3. В случае локальных изменений толщины свариваемой поверхности 3, а также при ее короблении, подвижное крепление насадки 4 к сонотроду 15 обеспечивает устойчивый контакт ножек 6 насадки 4 с поверхностью 3. Ультразвуковые волны, передаваемые твердосплавными наконечниками сферической формы 7, попадая в сварочную ванну 10, вызывают кавитационные эффекты в расплавленном металле и оказывают механическое воздействие на процессы кристаллизации в сварном шве. В результате происходит активное выделение газов из расплава металла, что снижает или полностью исключает пористость сварного шва. Стабильность ультразвукового воздействия поддерживается при помощи пьезокерамического датчика 9, прижатого к поверхности 3 вблизи сварочной ванны и перемещающегося вместе со сварочной головкой. Акустические волны в поверхности 3 преобразуются датчиком 9 в электрический сигнал, который поступает в блок управления 11, где преобразуется в электрический сигнал обратной связи, управляющий выходной мощностью ультразвукового генератора 12. При отклонении величины амплитуды ультразвуковых колебаний в поверхности 3 от заданного значения блок управления 11 корректирует выходную мощность ультразвукового генератора с целью компенсации изменений амплитуды. Механическое воздействие упругих волн ультразвуковых частот на процессы кристаллизации материала свариваемых изделий приводит к формированию мелкозернистой кристаллической структуры сварного шва, что существенно повышает механические характеристики сварного соединения. Поскольку ножки воздействуют на обе свариваемые поверхности, а также до и после ванны расплава по ходу движения сварочной головки, реализуется однородное воздействие ультразвуковых колебаний на сварочную ванну и на зону кристаллизации, что обеспечивает повторяемость результата и стабильность механических свойств сварного соединения.After setting up the system, the movement of the welding head 1 along the weld is started and the supply of laser radiation 16 and protective gas 17 is turned on. Under the action of the energy of the laser beam 16, the material of the parts to be welded is melted with the formation of a weld pool 10, which is protected from atmospheric oxygen by the flow of protective gas 17. Oscillating with an ultrasonic frequency, the nozzle 4, using four legs 6, ending with spherical carbide tips 7 and in contact with the welded surface 3, creates ultrasonic waves in the welded surface 3 and the weld pool 10. By attaching the nozzle 4 to the sonotrode 15 by means of a ball joint 5, the nozzle 4 can change its angle of inclination relative to the axis of the sonotrode 15 without stopping the transmission of ultrasonic vibrations to the surface 3 to be welded. fastening of the nozzle 4 to the sonotrode 15 ensures stable contact of the legs 6 of the nozzle 4 with the surface 3. Ultrasonic waves transmitted by spherical carbide tips 7, entering the weld pool 10, cause cavitation effects in the molten metal and have a mechanical effect on the crystallization processes in the weld. As a result, there is an active release of gases from the metal melt, which reduces or completely eliminates the porosity of the weld. The stability of the ultrasonic action is maintained by means of a piezoceramic sensor 9 pressed against the surface 3 near the weld pool and moving along with the welding head. Acoustic waves in the surface 3 are converted by the sensor 9 into an electrical signal that enters the control unit 11, where it is converted into an electrical feedback signal that controls the output power of the ultrasonic generator 12. If the amplitude of ultrasonic vibrations in the surface 3 deviates from the specified value, the control unit 11 corrects the output power of the ultrasonic generator in order to compensate for amplitude changes. The mechanical effect of elastic waves of ultrasonic frequencies on the processes of crystallization of the material of the welded products leads to the formation of a fine-grained crystalline structure of the weld, which significantly increases the mechanical characteristics of the welded joint. Since the legs act on both surfaces to be welded, as well as before and after the melt pool along the movement of the welding head, a uniform effect of ultrasonic vibrations on the weld pool and on the crystallization zone is realized, which ensures the repeatability of the result and the stability of the mechanical properties of the welded joint.

Пример выполнения сварных соединений по заявленному способу.An example of the implementation of welded joints according to the claimed method.

В качестве примера рассмотрим результаты сварки пластин из аустенитной нержавеющей стали AISI 321 заявленным способом и устройством с использованием роботизированной установки для лазерной сварки, оснащённая волоконным лазером ЛС-10 (IPG Photonics, США) и роботом (KUKA, Германия). Размеры свариваемых образцов: толщина – 3 мм, ширина – 10 мм, длина – 100 мм. Сварка производилась при мощности лазерного излучения 500 Вт, со скоростью перемещения сварочной головки 11 мм/с. Частота подводимых ультразвуковых колебаний составляла 80кГц, мощность 1500 Вт. На фиг.3 приведены рентгеновские томограммы сварного шва в трех образцах, выполненных без подачи ультразвуковых колебаний в процессе сварки. Пористая структура шва при этих условиях стабильно воспроизводима, хотя расположение пор и их размеры меняются хаотично. При подаче ультразвуковых колебаний в материал в процессе его лазерной сварки (фиг.4) за счет кавитационных эффектов происходит усиленная дегазация сварочной ванны и в результате поры в сварном шве не обнаруживаются.As an example, consider the results of welding plates of austenitic stainless steel AISI 321 by the claimed method and device using a robotic laser welding machine equipped with an LS-10 fiber laser (IPG Photonics, USA) and a robot (KUKA, Germany). Dimensions of welded samples: thickness - 3 mm, width - 10 mm, length - 100 mm. Welding was carried out at a laser radiation power of 500 W, with a welding head movement speed of 11 mm/s. The frequency of the supplied ultrasonic vibrations was 80 kHz, the power was 1500 W. Figure 3 shows x-ray tomograms of the weld in three samples made without applying ultrasonic vibrations during the welding process. The porous structure of the weld under these conditions is stably reproducible, although the location of the pores and their sizes change randomly. When applying ultrasonic vibrations to the material during its laser welding (figure 4) due to cavitation effects, enhanced degassing of the weld pool occurs and, as a result, pores in the weld are not detected.

Применение предлагаемого способа и устройства, его реализующего, по сравнению с прототипом, позволит путем одновременного ввода ультразвуковых колебаний в оба свариваемых материала до и после сварочной ванны по направлению сварки, а также путем использования регулировки мощности ультразвукового генератора по сигналу пьезокерамического датчика обеспечить улучшение структуры сварного соединения и уменьшение дефектности на протяжении всего сварного шва, достижение возможности качественного сварного соединения разнородных материалов. The use of the proposed method and the device that implements it, in comparison with the prototype, will allow, by simultaneously introducing ultrasonic vibrations into both welded materials before and after the weld pool in the direction of welding, as well as by using the adjustment of the power of the ultrasonic generator according to the signal of the piezoceramic sensor, to improve the structure of the welded joint and reduction of defectiveness throughout the entire weld, achieving the possibility of a high-quality welded joint of dissimilar materials.

Список используемых источников List of sources used

1. Ultrasonic assisted laser electric arc composite welding method of aluminum alloy Патент CN105710537 (A), приоритет от 05.05.2016, опубликован 29.06.2016, Китай.1. Ultrasonic assisted laser electric arc composite welding method of aluminum alloy Patent CN105710537 (A), priority dated 05/05/2016, published on 06/29/2016, China.

2. Method and apparatus for ultrasonic wave-applying welding Патент JP2008049351 А, приоритет от 22.08.2006, опубликован 06.03.2008, Япония.2. Method and apparatus for ultrasonic wave-applying welding Patent JP2008049351 A, priority dated 22.08.2006, published 06.03.2008, Japan.

3. Ультразвуковой бур Патент РФ № 2598 947 Приоритет от 10.08.2015, Опубликовано: 10.10.2016 Бюл. № 283. Ultrasonic drill RF patent No. 2598 947 Priority dated 10.08.2015, Published: 10.10.2016 Bull. No. 28

4. Способ гибридной лазерной сварки с ультразвуковым воздействием и устройство для его осуществления Патент РФ № 2 704 874 Приоритет от 13.12.2018, Опубликовано: 31.10.2019 Бюл. № 314. The method of hybrid laser welding with ultrasonic action and the device for its implementation No. 31

5. М.А.Исакович Общая акустика М.:Наука, 1973, С.2755. M.A. Isakovich General acoustics M.: Nauka, 1973, p.275

Claims (5)

1. Способ лазерной сварки деталей, включающий ультразвуковое воздействие на сварочную ванну на всем протяжении процесса сварки путем синхронного перемещения инструмента ультразвукового воздействия совместно с лазерной сварочной головкой, при этом до начала сварочного процесса инструмент ультразвукового воздействия устанавливают в положение, обеспечивающее его непосредственный контакт с поверхностью свариваемых деталей, прижимают инструмент к их поверхности с усилием в точке контакта, которое выбирают из условия обеспечения предварительно заданных параметров ультразвукового воздействия, а затем в течение всего процесса сварки в автоматическом режиме обеспечивают непрерывный контакт упомянутого инструмента с поверхностью деталей при постоянном усилии прижима, отличающийся тем, что инструмент ультразвукового воздействия располагают соосно с лазерной сварочной головкой, при этом используют инструмент ультразвукового воздействия с насадкой, содержащей четыре звукопровода с твердосплавными наконечниками сферической формы, обеспечивающими синфазно передачу ультразвуковых колебаний в обе свариваемые детали до и после сварочной ванны, причем интенсивность ультразвукового воздействия на сварочную ванну стабилизируют в автоматическом режиме путем регулировки мощности ультразвукового генератора по сигналу акустического датчика обратной связи, который прижимают к поверхности детали и перемещают синхронно со сварочной лазерной головкой. 1. The method of laser welding of parts, including ultrasonic action on the weld pool throughout the welding process by synchronously moving the ultrasonic action tool together with the laser welding head, while before the start of the welding process, the ultrasonic action tool is set in a position that ensures its direct contact with the surface of the welded parts, the tool is pressed against their surface with a force at the point of contact, which is selected from the condition of providing predetermined parameters of ultrasonic exposure, and then during the entire welding process in automatic mode, continuous contact of the said tool with the surface of the parts is ensured at a constant pressing force, characterized in that that the ultrasonic impact tool is placed coaxially with the laser welding head, while using the ultrasonic impact tool with a nozzle containing four sound ducts with carbide spherical tips that provide in-phase transmission of ultrasonic vibrations to both welded parts before and after the weld pool, and the intensity of the ultrasonic effect on the weld pool is stabilized automatically by adjusting the power of the ultrasonic generator according to the signal of the acoustic feedback sensor, which is pressed against the surface of the part and moved synchronously with welding laser head. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при сварке деталей с различной толщиной насадку крепят к сварочной лазерной головке посредством шарового шарнира с обеспечением контакта наконечников инструмента ультразвукового воздействия с поверхностью свариваемых деталей. 2. The method according to claim 1, characterized in that when welding parts with different thicknesses, the nozzle is attached to the welding laser head by means of a ball joint, ensuring that the tips of the ultrasonic treatment tool come into contact with the surface of the parts to be welded. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в инструменте ультразвукового воздействия и насадке выполнено осевое отверстие с диаметром, достаточным для прохождения лазерного луча и защитного инертного газа к поверхности свариваемых деталей. 3. Method according to claim 1, characterized in that an axial hole with a diameter sufficient for the passage of a laser beam and a protective inert gas to the surface of the parts to be welded is made in the ultrasonic treatment tool and the nozzle. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что насадку крепят к инструменту ультразвукового воздействия посредством шарового шарнира с возможностью обеспечения изменения наклона насадки относительно оси инструмента ультразвукового воздействия. 4. The method according to claim 1, characterized in that the nozzle is attached to the ultrasonic impact tool by means of a ball joint with the possibility of changing the inclination of the nozzle relative to the axis of the ultrasonic impact tool. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что насадку крепят к инструменту ультразвукового воздействия с возможностью фиксации положения насадки, позволяющего обеспечивать ультразвуковое воздействие на свариваемые детали передними или задними по ходу направления сварки парами контактов.5. The method according to claim 1, characterized in that the nozzle is attached to the tool of ultrasonic action with the possibility of fixing the position of the nozzle, which makes it possible to provide ultrasonic action on the parts to be welded with front or rear pairs of contacts along the direction of welding.
RU2021119308A 2022-04-22 Method for welding materials in ultrasound fields and device implementing it RU2789411C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2789411C1 true RU2789411C1 (en) 2023-02-02

Family

ID=

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116352358A (en) * 2023-06-01 2023-06-30 安徽建筑大学 Welding device for pump shell fittings

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005099954A2 (en) * 2004-04-12 2005-10-27 Battelle Energy Alliance, Llc Welding apparatus and methods for using ultrasonic sensing
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
CN105710537A (en) * 2016-05-05 2016-06-29 北京隆源自动成型系统有限公司 Ultrasonic assistec laser electric arc composite welding method of aluminum alloy
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
RU2618287C2 (en) * 2015-08-04 2017-05-03 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ" (КНИТУ-КАИ) Method of laser treatment of article (versions) and device for its implementation (versions)
RU2637039C1 (en) * 2017-01-16 2017-11-29 Публичное акционерное общество "Челябинский трубопрокатный завод" (ПАО "ЧТПЗ") Method of pipe fabrication by welding
RU2704874C1 (en) * 2018-12-13 2019-10-31 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук (ИФПМ СО РАН) Hybrid ultrasonic welding method and device for its implementation
RU2718503C1 (en) * 2019-11-18 2020-04-08 Александр Григорьевич Григорьянц Method of forming surface composite layer in metals

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005099954A2 (en) * 2004-04-12 2005-10-27 Battelle Energy Alliance, Llc Welding apparatus and methods for using ultrasonic sensing
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
RU2618287C2 (en) * 2015-08-04 2017-05-03 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ" (КНИТУ-КАИ) Method of laser treatment of article (versions) and device for its implementation (versions)
CN105710537A (en) * 2016-05-05 2016-06-29 北京隆源自动成型系统有限公司 Ultrasonic assistec laser electric arc composite welding method of aluminum alloy
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
RU2704874C1 (en) * 2018-12-13 2019-10-31 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук (ИФПМ СО РАН) Hybrid ultrasonic welding method and device for its implementation
RU2718503C1 (en) * 2019-11-18 2020-04-08 Александр Григорьевич Григорьянц Method of forming surface composite layer in metals

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116352358A (en) * 2023-06-01 2023-06-30 安徽建筑大学 Welding device for pump shell fittings

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN104759740B (en) Device and method for welding high steel grade and large wall thickness pipeline steel
AU686475B2 (en) Enhanced laser beam welding
CN107570872B (en) A kind of method of ultrasonic vibration auxiliary dissimilar materials laser welding
CN108326429A (en) A kind of ultrasonic wave added laser soldering device and method
CN113634763A (en) Coaxial wire feeding laser additive manufacturing method combined with ultrasonic impact
CN109759700B (en) Laser welding method of welding-following ultrasonic vibration
AU2008267584A1 (en) Method and device for connecting thick-walled metal workpieces by welding
CN101239415A (en) Ultrasonic vibration and welding stick feeding system compound welding method and device thereof
CN104923890B (en) Ultrasonic assisted argon arc welding method capable of adjusting sound source incidence angle and position and assisting device
CN113070595B (en) Narrow gap welding method assisted by alternative ultrasonic field
CN111545902B (en) Vertical supplementary laser swing welding set of follow-up ultrasonic wave
CN109702324B (en) Double-beam laser welding method based on laser ultrasound
CN109570793A (en) Welding deformation controlling method based on high-energy ultrasonic processing
JP5494065B2 (en) Spot welding method and spot welded joint
RU2789411C1 (en) Method for welding materials in ultrasound fields and device implementing it
CN106624401A (en) Rolling type ultrasonic arc composite welding device
RU2704874C1 (en) Hybrid ultrasonic welding method and device for its implementation
CN110682001A (en) High-nitrogen steel composite welding device and method for reducing air holes under assistance of mechanical vibration
RU2653396C1 (en) Method of manufacturing the t-beam with laser beam
CN111390410B (en) Ultrasonic vibration GTAW composite device based on sound-heat synchronization and use method
RU2605888C1 (en) Method for ultrasonic welding of thick-wall structures
CN115922127A (en) Ultrasonic impact-ultrasonic field auxiliary plasma arc additive manufacturing device and processing method
RU2715930C1 (en) Method of laser welding of vacuum-tight annular, spiral and rectilinear seams of metal parts and device for its implementation
RU2697685C1 (en) Method of hybrid laser-arc welding of large-diameter pipes with ultrasonic treatment
RU2734312C1 (en) Metal pipelines repair method in field conditions and installation for its implementation