CN103192186A - 环形聚焦声场与电弧焊复合的焊接装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种环形聚焦声场与电弧焊复合的焊接装置，包括电弧焊焊枪和焊接电源，焊接电源通过电缆分别连接电弧焊焊枪和被焊工件，本装置还包括声波换能器、声波变幅杆和声波发生器，声波换能器的下端面与声波变幅杆的上端面之间紧密接触，声波换能器和声波变幅杆开有贯通的轴心通孔，声波变幅杆的下端面设置有聚焦面，电弧焊焊枪穿过声波换能器和声波变幅杆的轴心通孔，并使电弧焊焊枪前端的非熔化极电极或者熔化金属电极端部处于聚焦面所辐射出声波的传播空间内。本发明在熔化极模式下时，改变电弧形态和产热特点，影响熔化金属的过渡过程，实现高效，高质量的焊接。在非熔化极模式下，可提高焊接稳定性，增加焊缝熔深，改善接头质量。

Description

环形聚焦声场与电弧焊复合的焊接装置

技术领域

本发明涉及一种焊接设备，尤其涉及一种环形聚焦声场与电弧焊复合的焊接装置。

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。

气体保护电弧焊是焊接中较常用的一种，通常又分为非熔化极气体保护焊和熔化极气体保护焊。普通非熔化极惰性气体保护焊特点是能够获得高质量的焊接接头，但电弧能量不集中，焊接效率低，焊后晶粒长大明显。熔化极气体保护焊，又称气体保护熔化极电弧焊主要包括熔化极惰性气体保护焊、熔化极活性气体保护焊和二氧化碳气体保护焊。该焊接方法焊接生产效率较高，焊接成本较低。但是在焊接过程中熔滴过渡不易控制，飞溅量较大，焊接过程中很难保证高品质的焊接质量。

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，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。目前主要利用改善焊接热源或者依靠合金化、机械振动等，通过改善熔滴过渡和焊缝金属的熔化凝固过程来实现。在该方向的指导下，近年来开展了许多复合电弧焊方法的研究，其中就包括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声波与非熔化极和熔化及电弧焊复合的焊接方法。但在以上发明中均舍弃了原有电弧焊焊枪的完整结构，而是单独在声波变幅杆或声波换能器上设计接电、气保和水冷装置。受变幅杆和换能器基本结构要求的限制，重新设计的接电、气保和水冷装置结构复杂且效果有限。201010291292.0专利中公开了聚焦声波与熔化极电弧焊复合的焊接方法。声场能量密度提高，焊接效率和质量也得到改善。但在熔化极与非熔化极电弧焊中，针对压缩电弧、改善熔滴过渡过程、细化焊缝晶粒提高接头性能等不同目的时，声场分布，声波能量聚焦的程度和位置也应有所差别。因此，在简化焊炬结构，提高焊接稳定性和针对不同目的改善声波能量的分布方面需要新的焊接方法和装置才能实现。

发明内容

基于以上不足之处，本发明的目的是提供一种环形聚焦声场与电弧焊复合的焊接装置，该装置能够提高声波能量密度、声场分布，声波能量聚焦程度和聚焦位置可控、保留原始电弧焊焊枪接电、水冷和气保装置、直接将电弧焊焊枪与声波振动装置相耦合、可改变电弧形态和能量密度，实现高效高质量焊接。

本发明的目的是这样实现的：一种环形聚焦声场与电弧焊复合的焊接装置，包括电弧焊焊枪和焊接电源，焊接电源通过电缆分别连接电弧焊焊枪和被焊工件，本装置还包括声波换能器、声波变幅杆和声波发生器，声波换能器的下端面与声波变幅杆的上端面之间紧密接触，声波换能器和声波变幅杆开有贯通的轴心通孔，声波变幅杆的下端面设置有聚焦面，电弧焊焊枪穿过声波换能器和声波变幅杆的轴心通孔，并使电弧焊焊枪前端的非熔化极电极或者熔化金属电极端部处于聚焦面所辐射出声波的传播空间内，声波发生器通过电缆与声波换能器进行连接。

本发明还具有如下特征：

1、以上所述的轴心通孔做绝缘处理，且直径大于电弧焊焊枪的外径，保证其与电弧焊焊枪之间绝缘且非接触。

2、以上所述的电弧焊焊枪安装有气体保护装置和水冷装置。

3、以上所述的环形声波聚焦面位于声波变幅杆下端面，声场的分布以及声波能量聚焦的程度和位置通过改变聚焦面的形状和尺寸进行调节。

4、以上所述的声波发生器的功率为1-3000W，产生的声波电信号的频率为10-100kHz。

5、以上所述的声波换能器振动频率为10-100kHz。

6、以上所述的声波变幅杆将声波振动振幅放大到10-150μm。

7、以上所述的轴心通孔直径为10-50mm。

本发明通过声波换能器和变幅杆产生和放大声波振动，利用变幅杆端面加工的特殊形状实现声波的汇聚，通过对聚焦面形状和尺寸的调节改变声场聚焦程度和位置，变幅杆端面辐射出的声场作用于焊接电弧、熔池或者熔滴，以实现提高焊接效率和质量的目的。本发明因保留了原有电弧焊焊枪装置的完整性，结构更简单，焊接过程更稳定。本发明因声场聚焦位置可调，能量的聚焦更有目的性。声场能量密度最高值可设计在靠近熔化极端部熔化的金属处，通过声场产生的力的作用改变其过渡形式，控制过渡过程。使焊接过程均匀稳定焊缝成形更美观，焊接飞溅和烟尘减少，更有效的发挥其高熔敷效率和高效高速的特点。当聚焦声场的焦点设置在熔池表面附近时，可增强液态金属中声波的空化和声流效应，使熔深增加，焊缝晶粒细化更明显，成分更均匀，接头性能更高，缺陷显著减少。当声波的能量大部分汇聚于焊接电弧处时，使电弧压缩，提高电弧能量密度，电弧挺直性增强，电弧压力增大，也可增加焊缝熔深，改善焊缝成形。与传统的电弧焊过程相比，本发明利用声波的振动、声辐射力、声流、空化的效应可以改变电弧形态和产热特点，影响熔化金属的过渡过程，改善熔池中熔融金属的熔化结晶过程，实现高效率和高质量的焊接。同时，整个焊接装置更简洁稳定，且声波能量的聚焦程度和位置可调，使其更有效的作用于焊接过程，扩大了电弧焊的应用范围。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

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1，一种环形聚焦声场与电弧焊复合的焊接装置，包括电弧焊焊枪1和焊接电源8，焊接电源8通过电缆分别连接电弧焊焊枪1和被焊工件7，还包括声波换能器3、声波变幅杆4和声波发生器9，声波换能器3的下端面与声波变幅杆4的上端面之间通过螺栓紧密接触，声波换能器3和声波变幅杆4开有贯通的轴心通孔2，声波变幅杆4的下端面设置有聚焦面5，电弧焊焊枪1穿过声波换能器3和声波变幅杆4的轴心通孔2，并使电弧焊焊枪1前端的非熔化极电极或者熔化金属电极端部处于聚焦面5所辐射出声波的传播空间内；声波发生器9通过电缆与声波换能器3进行连接。所述的轴心通孔2做绝缘处理，且直径大于电弧焊焊枪1的外径，保证其与电弧焊焊枪1之间绝缘且非接触。所述的电弧焊焊枪1安装有气体保护装置和水冷装置。所述的环形声波聚焦面5位于声波变幅杆4下端面，声场的分布以及声波能量聚焦的程度和位置通过改变聚焦面的形状和尺寸进行调节。

实施例2：

本发明通过声波换能器和声波变幅杆产生和放大声波振动，利用变幅杆端面加工的聚焦面实现声波能量的汇聚，提高声波能量。针对电弧焊接过程中不同的目的，通过改变聚焦面的形状和尺寸调节声波聚焦的程度和位置。直接将完整的电弧焊焊枪装置与变幅杆和换能器相结合，使声波作用于焊接过程，在保证焊接装置简便，焊接过程稳定的同时实现提高焊接效率和焊接质量的目的。

本发明的主要技术步骤如下：

(1)声波电源通过电缆与声波换能器相连，后者可将电信号转化成为机械振动；

(2)声波换能器与声波变幅杆通过螺栓紧密连接，将声波换能器输出的振动振幅放大；

(3)声波变幅杆端面加工成聚焦面，通过改变聚焦面的形状和尺寸实现声波能量汇聚程度和位置的调节；

(4)在声波换能器和声波变幅杆的轴心加工通孔，带有接电，气保、水冷等装置的完整熔化极或非熔化极电弧焊焊枪穿过此通孔并与之保持同轴心。声波换能器和声波变幅杆的轴心通孔直径大于电弧焊焊枪的直径。焊枪与换能器和变幅杆不接触，即保证它们之间相互绝缘，也保证电弧焊焊枪本身不产生或传导振动；

(5)声波的能量通过变幅杆的聚焦面直接辐射输出，使非熔化电极或熔化金属电极端部至焊接熔池都位于变幅杆聚焦面所产生的声波聚焦辐射空间中；

(6)焊接电源的输出端分别与电弧焊焊枪和焊接工件相连；

(7)启动焊接电源和声波发生器，完成外加聚焦型声场的电弧焊焊接过程。

本发明适用的电弧焊方法为气体保护熔化极与非熔化极电弧焊。

本发明所述的环形聚焦面位于声波变幅杆端面，形状和尺寸可根据焊接过程中的不同需求进行设计。

所述的声波发生器的功率为1-3000W，产生的声波电信号的频率为10-100kHz；所述的声波电信号通过换能器转化为机械振动，其振动频率为10-100kHz；

所述的声波变幅杆将声波振动振幅放大到10-150μm；

所述的声波换能器和声波变幅杆具有轴心通孔，通孔直径为10-50mm。

本发明直接将电弧焊焊枪通过轴心通孔穿过声波换能器与变幅杆，气保、水冷、接电等装置无需在换能器或者变幅杆上重新设计。电弧焊焊枪在焊接过程中不产生、不传递声波振动，与换能器和变幅杆绝缘。即保证装置简洁，又有利于焊接过程更稳定进行。本发明通过聚焦面辐射声波，聚焦面尺寸与形状可调，能够按不同的焊接需求作用于电弧焊焊接过程。

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7通过夹具固定在焊接平台上。声波发生器9与声波换能器3相连，声波换能器3将声波发生器9所产生的电信号转变为机械振动，然后通过声波变幅杆4将振幅放大至10-150μm。声波变幅杆4端面的聚焦面5在不同的焊接方法中，根据实际需要能够对声波能量进行不同程度和不同聚焦位置的汇聚，并直接从端面辐射输出，形成预期的声场。电弧焊焊枪1通过轴心通孔2送入，并使电极的端部处于声场中。焊接过程中，气体保护和焊枪的冷却均通过电弧焊焊枪1本身自带的装置实现。先后启动声波发生器9和焊接电源8，在合适的焊接参数和超声参数下进行焊接。声场能量密度最高值可设计在靠近熔化极端部熔化的金属处，通过声场产生的力的作用改变其过渡形式，控制过渡过程。使焊接过程均匀稳定焊缝成形更美观，焊接飞溅和烟尘减少，更有效的发挥其高熔敷效率和高效高速的特点。当声波聚焦的焦点设置在熔池表面附近时，可增强液态金属中声波的空化和声流效应，使熔深增加，焊缝晶粒细化更明显，成分更均匀，接头性能更高，缺陷显著减少。当声波的能量大部分汇聚在焊接电弧6处时，使电弧压缩，提高电弧能量密度，电弧挺直性增强，电弧压力增大，焊缝熔深增加，焊缝成形良好。与传统的电弧焊焊接过程相比，本发明利用声波的振动、声辐射力、声流、空化的效应可以改变电弧形态和产热特点，影响熔化金属的过渡过程，改善熔池中熔融金属的熔化结晶过程，实现高效率和高质量的焊接。同时，整个焊接装置更简洁稳定，声波能量的聚焦程度和位置可调，让声能更有效的作用于焊接过程，扩大了电弧焊的应用范围。

本发明通过对聚焦面的设计能够更有目的的实现声波能量的汇聚，依靠与整个电弧焊焊枪的机械耦合使高能量的声波作用于电弧焊接过程，可改进作为焊接热源的电弧的形态、产热特点，改善熔池金属的熔化凝固过程，在熔化极电弧焊焊接过程中还会影响熔滴过渡过程，扩大了电弧焊焊接方法的应用范围。

Claims (8)

1.一种环形聚焦声场与电弧焊复合的焊接装置，包括电弧焊焊枪(1)和焊接电源(8)，焊接电源(8)通过电缆分别连接电弧焊焊枪(1)和被焊工件(7)，其特征在于：还包括声波换能器(3)、声波变幅杆(4)和声波发生器(9)，声波换能器(3)的下端面与声波变幅杆(4)的上端面之间紧密接触，声波换能器(3)和声波变幅杆(4)开有贯通的轴心通孔(2)，声波变幅杆(4)的下端面设置有聚焦面(5)，电弧焊焊枪(1)穿过声波换能器(3)和声波变幅杆(4)的轴心通孔(2)，并使电弧焊焊枪(1)前端的非熔化极电极或者熔化金属电极端部处于聚焦面(5)所辐射出声波的传播空间内；声波发生器(9)通过电缆与声波换能器(3)进行连接。

2.根据权利要求1所述的一种环形聚焦声场与电弧焊复合的焊接装置，其特征在于：所述的轴心通孔(2)做绝缘处理，且直径大于电弧焊焊枪(1)的外径，保证其与电弧焊焊枪(1)之间绝缘且非接触。

3.根据权利要求1所述的一种环形聚焦声场与电弧焊复合的焊接装置，其特征在于：所述的电弧焊焊枪(1)安装有气体保护装置和水冷装置。

4.根据权利要求1所述的一种环形聚焦声场与电弧焊复合的焊接装置，其特征在于：所述的环形声波聚焦面(5)位于声波变幅杆(4)下端面，声场的分布以及声波能量聚焦的程度和位置通过改变聚焦面的形状和尺寸进行调节。

5.根据权利要求1所述的一种环形聚焦声场与电弧焊复合的焊接装置，其特征在于：所述的声波发生器的功率为1-3000W，产生的声波电信号的频率为10-100kHz。

6.根据权利要求1所述的一种环形聚焦声场与电弧焊复合的焊接装置，其特征在于：所述的声波换能器(3)振动频率为10-100kHz。

7.根据权利要求1所述的一种环形聚焦声场与电弧焊复合的焊接装置，其特征在于：所述的声波变幅杆(4)将声波振动振幅放大到10-150μm。

8.根据权利要求1所述的一种环形聚焦声场与电弧焊复合的焊接装置，其特征在于：所述的轴心通孔(2)直径为10-50mm。

Images