CN101947696A - 超声波聚焦声场与熔化极电弧焊接复合的焊接装置 - Google Patents

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范阳阳
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Abstract

本发明提供一种提高超声波能量密度、改变电弧形态和能量密度、实现高效高质量焊接的超声波聚焦声场与熔化极电弧焊接复合的焊接装置。它是由熔化极焊丝、导电杆、超声波换能器、轴心通孔超声波变幅杆、焊接喷嘴、聚焦面、焊接电弧、被焊工件、焊接电源和超声电源组成的，熔化极焊丝穿过导电杆并与之保持滑动接触状态，超声波电源通过电缆与超声波换能器之间连接，超声波换能器与超声波变幅杆之间通过螺栓连接，聚焦面位于超声波变幅杆的下端部。本发明使电弧压缩而提高电弧能量密度，增加焊缝熔深，改善焊缝成形。本发明能够改变电弧形态和产热特点以及熔化金属的过渡形式，实现高效率和高质量的焊接，扩大了电弧焊的应用范围。

Description

超声波聚焦声场与熔化极电弧焊接复合的焊接装置
(一)技术领域
本发明涉及焊接技术，具体说就是一种超声波聚焦声场与熔化极电弧焊接复合的焊接装置。
(二)背景技术
焊接在现代的工业生产中，已成为一种重要的金属加工工艺，广泛应用于金属结构、桥梁、造船、航空、航天、海洋工程、核动力工程等工业部门。随着科学技术的发展，焊接已经发展成为一门独立的学科。其中，熔化焊接的发展过程在某种意义上讲可以说是焊接热源的发展过程。电弧自从19世纪80年代开发之后，作为焊接热源不断得到更新和完善。随着工业领域新材料和新结构的不断开发以及质量控制要求的不断提高，需要不断地开发新的焊接热源和新的焊接工艺。从发展的趋势来看，焊接逐步向高效率、高质量、降低劳动强度、降低能量消耗的角度发展。从这点出发，作为焊接热源的电弧改进方向为：热量高度集中可快速实现焊接过程，保证得到致密而强韧的焊缝。在该方向的指导下，近年来开展了多种多样的复合电弧焊方法研究，其中就包括超声波与电弧焊接过程的复合。200710144659.4和200710144660.7的专利中，分别公开了超声波与非熔化极和熔化极电弧焊复合的焊接方法。通过超声振动装置使焊接电极上产生超声振动，电弧形态产生了明显的收缩现象，实现了电弧能量的集中。所得到的焊缝熔深增加，实现了普通焊接环境下的高质量焊接。但是，由声波传递的特点可知，超声波在辐射传递过程中辐射面半径会逐渐扩展，导致声场能量密度随着与超声源的距离增大而迅速减小。同时，由于电弧焊电极截面积较小，通过电极所能辐射的超声功率有限。此外，焊接电极振动容易导致焊接过程中导电接触不良、送丝速度不稳等不稳定因素，不利于焊接过程稳定持续进行。上述特点限制了超声与电弧焊复合方法的进一步发展。因此，在进一步增加电弧收缩程度，提高电弧能量密度方面以及提高焊接过程稳定性方面需要新的焊接装置才能实现。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种提高超声波能量密度、改变电弧形态和能量密度、实现高效高质量焊接的超声波聚焦声场与熔化极电弧焊接复合的焊接装置。
本发明的目的是这样实现的：它是由熔化极焊丝、导电杆、超声波换能器、轴心通孔超声波变幅杆、焊接喷嘴、聚焦面、焊接电弧、被焊工件、焊接电源和超声电源组成的，熔化极焊丝穿过导电杆并与之保持滑动接触状态，包围熔化极焊丝的导电杆穿过超声波换能器和超声波变幅杆的轴心通孔，使熔化极焊丝的端部处于聚焦面所辐射的超声波传播空间内，轴心通孔的直径大于导电杆的直径，使导电杆与超声波换能器和超声波变幅杆之间并不产生接触，超声波电源通过电缆与超声波换能器之间连接，超声波换能器与超声波变幅杆之间通过螺栓连接，使超声波换能器的下端面与超声波变幅杆的上端面之间紧密接触，聚焦面位于超声波变幅杆的下端部，焊接电源通过电缆连接导电杆和被焊工件。
本发明超声波聚焦声场与熔化极电弧焊接复合的焊接装置，通过超声波换能器和变幅杆产生和放大超声波振动，利用变幅杆端面加工的特殊形状的聚焦面实现超声波辐射汇聚。经过汇聚的超声波能量进一步提高，通过聚焦面辐射超声波与焊接电弧进行直接复合，以实现提高焊接效率及焊接质量的目的。本发明不但能够对焊接电弧产生作用，使电弧压缩而提高电弧能量密度，增加焊缝熔深，改善焊缝成形。而且通过改变超声波聚焦声场的能量分布可以对电极端部熔化的金属产生力的作用，改变电极端部熔化金属的过渡形式，控制过渡过程。当应用于熔化极焊接短路过渡规范焊接参数范围内时，能够大幅提高短路过渡频率，焊缝成形更均匀美观，焊接飞溅和烟尘减少，在薄板焊接和全位置焊接实际应用方面更充分发挥短路过渡形式的特点。当应用于熔化极焊接自由过渡焊接规范参数范围内时，能够大幅度提高熔滴脱离焊丝向焊接熔池过渡的频率，使焊接过程稳定均匀，焊缝熔深增加，而且焊缝表面成形均匀一致，更能够发挥自由过渡形式高熔敷效率和高效高速焊接的特点。与传统的熔化极电弧焊过程相比，本发明能够改变电弧形态和产热特点，以及熔化金属的过渡形式，实现高效率和高质量的焊接，扩大了电弧焊的应用范围。
(四)附图说明
图1为本发明的结构示意图。
(五)具体实施方式
下面结合附图举例对本发明作进一步说明。
实施例1：结合图1，本发明一种超声波聚焦声场与熔化极电弧焊接复合的焊接装置，它是由熔化极焊丝(1)、导电杆(2)、超声波换能器(3)、轴心通孔(4)超声波变幅杆(5)、焊接喷嘴(6)、聚焦面(7)、焊接电弧(8)、被焊工件(9)、焊接电源(10)和超声电源(11)组成的，熔化极焊丝(1)穿过导电杆(2)并与之保持滑动接触状态，包围熔化极焊丝(1)的导电杆(2)穿过超声波换能器(3)和超声波变幅杆(5)的轴心通孔(4)，使熔化极焊丝(1)的端部处于聚焦面(7)所辐射的超声波传播空间内，轴心通孔(4)的直径大于导电杆(2)的直径，使导电杆(2)与超声波换能器(3)和超声波变幅杆(5)之间并不产生接触，超声波电源(11)通过电缆与超声波换能器(3)之间连接，超声波换能器(3)与超声波变幅杆(5)之间通过螺栓连接，使超声波换能器(3)的下端面与超声波变幅杆(5)的上端面之间紧密接触，聚焦面(7)位于超声波变幅杆(5)的下端部，焊接电源(10)通过电缆连接导电杆(2)和被焊工件(9)。
实施例2：本发明通过超声波换能器和变幅杆产生和放大超声波振动，利用变幅杆端面加工的特殊形状的聚焦面实现超声波辐射汇聚。经过汇聚的超声波能量进一步提高，通过聚焦面辐射超声波与焊接电弧进行直接复合，以实现提高焊接效率及焊接质量的目的。
本发明的主要技术步骤如下：
(1)超声波发生器通过电极与超声波换能器相连，将超声频的电信号转化为超声频的机械振动；
(2)超声波换能器与超声波变幅杆紧密连接，将超声波换能器输出的超声振动振幅放大；
(3)超声波变幅杆的端面加工成聚焦面，汇聚超声辐射的能量；
(4)在超声波换能器和超声波变幅杆的轴心加工通孔，熔化极焊接的焊丝和导电杆穿过此通孔并与之保持同轴心。超声波换能器和变幅杆的轴心通孔的直径大于焊丝和导电杆的直径，因此导电杆和焊丝本身并不产生或传导超声振动；
(5)超声辐射能量通过超声波变幅杆的聚焦面直接辐射输出，使焊丝端部置于变幅杆聚焦面所产生超声波聚焦辐射空间中；
(6)焊丝和导电杆进行连接，然后导电杆和工件分别连接焊接电源的电输出端；
(7)通过保护气喷嘴送入电弧焊接所需的保护气体，保护气体从喷嘴流出后覆盖焊接区域；
(8)启动焊接电源和超声波发生器，完成聚焦超声-电弧复合焊接过程。
本发明适用的电弧焊方法为熔化极电弧焊接方法，包括熔化极惰性气体保护焊(MIG)、熔化极活性气体保护焊(MAG)、二氧化碳气体保护焊(CO2焊)；
本发明所述的聚焦面位于超声波变幅杆端部，形状为凹面；
所述的超声波发生器的功率为1-5000W，产生的超声频电信号频率为15-100KHz；
所述的超声频电信号通过超声波换能器转化为超声频机械振动，其振动频率为15-100KHz，振动幅度为1-20μm。
所述的超声波变幅杆与超声波换能器连接，将超声振动振幅放大到10-150μm。
所述的超声波换能器和超声波变幅杆具有轴心通孔，通孔直径为1-20mm。
本发明通过聚焦面直接辐射超声波，由于聚焦面端面面积远大于焊丝和导电杆的端面面积，作用于焊接电弧的超声波能量在功率和能量密度方面均有大幅提高。本发明的熔化极焊丝和导电杆在焊接过程中不产生、不传导超声振动，有利于焊接过程稳定进行。
实施例3：结合图1，本发明的工作过程如下：首先将被焊工件(8)通过夹具固定到焊装平台上。超声电源(11)与超声波换能器(3)相连，超声功率通过超声电源(11)在1-5000W的范围内调节。利用超声波换能器(3)将超声电源(11)所产生的超声频电信号转化为频率为15-100kHz之间的超声振动，然后通过超声波变幅杆(5)将振幅放大至10-150μm。超声波变幅杆(5)端部的聚焦面(7)对超声辐射能量进行汇聚并直接辐射输出，形成超声波聚焦声场。导电杆(2)和熔化极焊丝(1)通过轴向通孔(4)送入，并使熔化极焊丝(1)的端部处于聚焦面(7)前端的超声波聚焦声场内。焊接过程中所需要的保护气体通过附加在变幅杆上的焊接喷嘴(6)通入，流出后覆盖焊接区域，为焊接过程提供有效保护。先后启动焊接电源(10)和超声波发生器(11)，在合适的焊接参数和超声参数下进行焊接过程。由于聚焦面端面面积远大于焊丝和导电杆的端面面积，因此通过聚焦面直接辐射输出的作用于焊接电弧的超声波能量在功率和能量密度方面均有大幅提高。对熔化极气体保护焊施加经过聚焦的超声波后，电弧有明更显的压缩作用，电弧的能量密度提高，挺直性好，焊接过程稳定，在被焊工件(8)上发现焊缝熔深进一步提高，焊缝成形均匀，保护效果佳。此外，也对熔化极焊丝端部的熔化金属过渡情况有所改进，在不同超声能量分布情况下可以控制熔化金属的过渡。当应用于熔化极焊接短路过渡规范焊接参数范围内时，能够大幅提高短路过渡频率，焊缝成形更均匀美观，焊接飞溅和烟尘减少，在薄板焊接和全位置焊接实际应用方面能够更充分发挥短路过渡形式的特点。当应用于熔化极焊接自由过渡焊接规范参数范围内时，能够大幅度提高熔滴脱离焊丝向焊接熔池过渡的频率，使熔化极焊丝的熔敷效率提高，焊接过程稳定均匀，焊缝熔深增加，而且焊缝表面成形均匀一致，更能够发挥自由过渡形式高熔敷效率和高效高速焊接的特点。
由于熔化极焊丝(1)和导电杆(2)本身不产生或传导超声振动，保证了焊接过程中导电良好和送丝速度稳定，焊接过程能够持续稳定进行，连续工作能力提高。
本发明通过聚焦面实现了超声辐射能量的汇聚并最终复合到电弧焊接过程中，有效改进了作为焊接热源的电弧的形态、产热特点以及熔滴过渡特点，扩大了熔化极电弧焊接方法的应用范围。

Claims (2)

1.一种超声波聚焦声场与熔化极电弧焊接复合的焊接装置，它是由熔化极焊丝(1)、导电杆(2)、超声波换能器(3)、轴心通孔(4)、超声波变幅杆(5)、焊接喷嘴(6)、聚焦面(7)、焊接电弧(8)、被焊工件(9)、焊接电源(10)和超声电源(11)组成的，其特征在于：熔化极焊丝(1)穿过导电杆(2)并与之保持滑动接触状态，包围熔化极焊丝(1)的导电杆(2)穿过超声波换能器(3)和超声波变幅杆(5)的轴心通孔(4)，使熔化极焊丝(1)的端部处于聚焦面(7)所辐射的超声波传播空间内，轴心通孔(4)的直径大于导电杆(2)的直径，使导电杆(2)与超声波换能器(3)和超声波变幅杆(5)之间并不产生接触，超声波电源(11)通过电缆与超声波换能器(3)之间连接，超声波换能器(3)与超声波变幅杆(5)之间通过螺栓连接，使超声波换能器(3)的下端面与超声波变幅杆(5)的上端面之间紧密接触，聚焦面(7)位于超声波变幅杆(5)的下端部，焊接电源(10)通过电缆连接导电杆(2)和被焊工件(9)。
2.根据权利要求1所述的一种超声波聚焦声场与熔化极电弧焊接复合的焊接装置，其特征在于：所述的聚焦面(7)位于超声波变幅杆(5)下端部，形状为凹面。
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