CN103785963B - 一种超声电弧复合焊接装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种超声电弧复合焊接装置，包括导电杆(1)、超声换能器(2)、第一级超声变幅杆(4)、焊接喷嘴(7)、熔化电极(10)、超声电源(13)、水冷***(14)和焊接电源(15)，本装置还包括第二级超声变幅杆(6)和超声发射端(8)，超声换能器(2)连接第一级超声变幅杆(4)，第一级超声变幅杆(4)连接第二级超声变幅杆(6)，第二级超声变幅杆(6)连接超声发射端(8)，超声发射端(8)的下端为喇叭口状，在喇叭口上开有多个通气孔(9)，本发明采用两级变幅杆超声放大以及喇叭口状发射端可以大大提高声辐射能力，有效减少声散射效应，整体提高了声辐射效率。
Description
技术领域
本发明涉及电弧焊及电弧冶炼领域，具体涉及一种超声电弧复合焊接装置。
背景技术
目前，世界主要工业国家生产的焊接结构占到钢产量的50-60％。其中弧焊的应用最为广泛。电弧焊是通过焊枪将气体(如惰性气体氩气和氮气)转换为等离子高焓气体，并以其为热源的冶炼连接方法。为了拓展电弧焊的应用范围以及进一步提高焊接效率，出现了许多新的弧焊方法，通过对焊接热源的调控以改善正常规范下的电弧特性及焊缝熔池形貌，如高频脉冲氩弧焊、激光增强电弧复合焊及双钨极TIG焊等。基于同一理念，也鉴于超声振动的相关优点，越来越多学者将超声振动引入到焊接中，如超声电弧焊接、焊后超声冲击处理、功率超声焊接等。其中在超声波与电弧复合焊方面，已有技术中，申请号为200710144659.4和200710144660.7的专利分别公开了超声波与非熔化极和熔化极电弧焊接过程复合的焊接方法。通过在电弧焊中引入超声，电弧收缩明显，能量更加集中，焊缝的熔深增加，根据文献“基于超声振动的304不锈钢TIG焊接，范阳阳，孙清洁，杨春利，《焊接学报》，30(2)，91-94”报道，超声电弧焊接焊缝内部组织出现明显细化，接头质量得到提高。但根据声传播的特点可知，声波传播过程受温度，烟尘等因素导致的能量衰减很厉害，如何进一步提高声辐射能力，降低声衰减是超声电弧复合焊接装备开发中的一个难点。在申请号为201010291292.0的专利中，公开了一种超声聚焦声场与熔化极电弧复合焊接装置，其特点是将凹面聚焦声发射端焦点作用于熔滴过渡位置以提高焊接效率，但在获得局部声辐射能力提高的同时忽略了声场的整体效应，因为辐射端面较小，对小规范焊接更有利，对大规范焊接而言，声回复力不足易导致电弧不够稳定。另外需要注意的是，功率超声在空气中应用也存在一定难点，一是普通的换能器同气体介质的声阻抗严重失配；另一个就是超声在气体介质中的快速衰减，这在一定程度上也弱化了电弧空间声辐射能力。所以针对超声电弧焊接领域，进一步解决功率超声发生装置声阻抗匹配，优化发射端形状，提高设备稳定性，拓展应用领域是未来发展方向。
发明内容
本发明的目的是为解决上述不足，提供一种超声电弧复合焊接装置。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种超声电弧复合焊接装置，包括导电杆、超声换能器、第一级超声变幅杆、焊接喷嘴、熔化电极、超声电源、水冷***和焊接电源，其特征在于：还包括第二级超声变幅杆和超声发射端，超声换能器连接第一级超声变幅杆，第一级超声变幅杆连接第二级超声变幅杆，第二级超声变幅杆连接超声发射端，超声发射端外面包裹有焊接喷嘴，超声发射端的下端为喇叭口状，在喇叭口上开有多个通气孔，超声电源与超声换能器相连，水冷***与第一级超声变幅杆上的水冷通孔连接，超声换能器、第一级超声变幅杆、第二级超声变幅杆和超声发射端的中心开有同心的轴心通孔，导电杆位于轴心通孔内，且不与超声换能器、第一级超声变幅杆、第二级超声变幅杆和超声发射端相接触，焊接电源的两极分别与导电杆和待焊工件连接，导电杆为空心，熔化电极穿过导电杆内部，熔化电极与待焊工件之间形成焊接电弧。
本发明还具有如下特征：
1、所述的超声发射端的喇叭口上部外径与第二级超声变幅杆外径相同。
2、所述的第一级超声变幅杆和第二级超声变幅杆的放大系数均介于6～10之间。
3、所述的熔化电极或为非熔化电极时，导电杆为实心电杆，非熔化电极嵌于导电杆下方。
4、所述的第一级超声变幅杆和第二级超声变幅杆横截面大小不相同。
本发明具有如下有益的效果：由于焊接过程工况比较复杂，而声振动有很高的非线性，在声发射端与工件之间的声传播，受焊接高温与烟尘影响可利用声能量损耗较大，本发明两级变幅杆超声放大以及喇叭口状发射端能够大大提高声辐射能力。采用变截面喇叭口状发射端的设计可以明显减少能量从基频模态的迁移，考察总的能量输入与总耗散的能量之比发现，逐渐扩大的截面喇叭口有利于抑制低次谐波。在厚度方向振动的声波，经过发射端内部反射进入辐射空间，达到一种声束聚焦效果，有效减少声散射效应，整体提高了声辐射效率。另外，带通气孔的喇叭口状超声发射端设计也可有效解决焊接保护气不足的问题。
附图说明
图1为本发明的正面整体结构示意图；
图2为本发明的超声发射端俯视图；
图3为本发明的非熔化电极导电杆结构示意图；
图4为本发明的熔化电极导电杆结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明：
实施例1
一种超声电弧复合焊接装置，包括导电杆1、超声换能器2、第一级超声变幅杆4、焊接喷嘴7、熔化电极10、超声电源13、水冷***14和焊接电源15，本装置还包括第二级超声变幅杆6和超声发射端8，超声换能器2通过螺栓与第一级超声变幅杆4紧固连接，第一级超声变幅杆4通过螺栓与第二级超声变幅杆6紧固连接，第二级超声变幅杆6通过螺栓与超声发射端8紧固连接，超声发射端8外面包裹有焊接喷嘴7，超声发射端8的下端为喇叭口状，在喇叭口上开有多个通气孔9，超声电源13与超声换能器2相连，第一级超声变幅杆4上开有环向水冷通孔5，水冷***14通过管道与水冷通孔5连接，超声换能器2、第一级超声变幅杆4、第二级超声变幅杆6和超声发射端8的中心开有同心的轴心通孔3，导电杆1位于轴心通孔3内，且不与超声换能器2、第一级超声变幅杆4、第二级超声变幅杆6和超声发射端8相接触，焊接电源15的两极通过电缆分别与导电杆1和待焊工件12连接，导电杆1为空心，熔化电极10穿过导电杆1内部，熔化电极10与待焊工件12之间形成焊接电弧11。所述的超声发射端8的喇叭口上部外径与第二级超声变幅杆6外径相同。所述的第一级超声变幅杆4和第二级超声变幅杆6的放大系数均介于6～10之间。所述的第一级超声变幅杆4和第二级超声变幅杆6横截面大小不相同。
实施例2
本实施例的装置与实施例1相同，其不同点在于采用的电极为非熔化电极，导电杆1为实心电杆，非熔化电极嵌于导电杆1下方与其紧密连接。
实施例3
由换能器产生的机械振动，首先经第一级超声变幅杆振幅放大后，再进入第二级放大，通过凹面喇叭口形状的超声发射端以超声波形式辐射出去，可以实现更大超声能量传入电弧空间。通过在超声发射端上开有一定数量的通气孔，可有效改善焊接保护效果不足的问题。
实施例4
超声电源的电信号通过换能器转换为机械振动，由于换能器的机械振动较小，采用两级超声波变幅杆将振幅放大到25-250μm，最后振动经超声发射端传入焊接电弧，上述装置可以在15kHz到2MHz的超声振动下工作。焊接过程的保护气通过附加在超声波第二级变幅杆上的焊接喷嘴流入，经过发射端的通气孔和***进而覆盖焊接区域。超声电源的输入功率可以在1W到1000W之间连续调节。先后启动焊接电源和超声电源，在适合的焊接参数和超声参数下进行焊接过程。由于超声发射端面积远大于电极和导电杆端面面积，另外由于类似锥面设计的喇叭口状发射端声聚焦能力更强，因此通过发射端直接辐射输出作用于电弧的超声能量在功率和能量密度方面均有大幅度提高。在熔化极立焊工艺试验中，对比不加超声，加超声后焊接飞溅和烟尘明显减弱，熔滴过渡轨迹由普通的抛物线变为直线，熔滴过渡频率明显加快，焊接过程稳定均匀，焊缝熔深增加，表面成形均匀一致，焊接效率和质量均得到了提高。
对超声电弧焊接用的气介式大功率超声换能器，由于换能器的声阻抗与气体的声阻抗相差甚远。因而存在严重的阻抗失配问题。为了改善声匹配，提高气介式超声换能器的辐射效率，目前采用解决办法有两种：一种是利用多层匹配板或半波长匹配层，以提高空气换能器的辐射效率；二是利用大振动辐射板，起到阻抗匹配的作用。对于多层匹配板换能器，由于声波的多次反射以及匹配材料的选择等问题，限制了其广泛的应用。
将纵向振动夹心式换能器与带喇叭口状发射端的两级变幅杆组成复合式换能器，利用纵向振动换能器的高效大功率以及特定发射端的低辐射阻抗、大辐射面积等特点，能有效克服现有超声电弧焊技术中声辐射力小，恢复力弱，电弧稳定性差等问题。
Claims (1)
1.一种超声电弧复合焊接装置，包括导电杆(1)、超声换能器(2)、第一级超声变幅杆(4)、焊接喷嘴(7)、熔化电极(10)、超声电源(13)、水冷***(14)和焊接电源(15)，其特征在于：将纵向振动夹心式换能器与带喇叭口状发射端的两级变幅杆组成复合式换能器，还包括第二级超声变幅杆(6)和超声发射端(8)，超声换能器(2)连接第一级超声变幅杆(4)，第一级超声变幅杆(4)连接第二级超声变幅杆(6)，第二级超声变幅杆(6)连接超声发射端(8)，超声发射端(8)外面包裹有焊接喷嘴(7)，超声发射端(8)的下端为喇叭口状，在喇叭口上开有多个通气孔(9)，超声电源(13)与超声换能器(2)相连，水冷***(14)与第一级超声变幅杆(4)上的水冷通孔(5)连接，超声换能器(2)、第一级超声变幅杆(4)、第二级超声变幅杆(6)和超声发射端(8)的中心开有同心的轴心通孔(3)，导电杆(1)位于轴心通孔(3)内，且不与超声换能器(2)、第一级超声变幅杆(4)、第二级超声变幅杆(6)和超声发射端(8)相接触，焊接电源(15)的两极分别与导电杆(1)和待焊工件(12)连接，导电杆(1)为空心，熔化电极(10)穿过导电杆(1)内部，熔化电极(10)与待焊工件(12)之间形成焊接电弧(11)；所述的超声发射端(8)的喇叭口上端外径与第二级超声变幅杆(6)外径相同；所述的第一级超声变幅杆(4)和第二级超声变幅杆(6)的放大系数均介于6～10之间；所述的熔化电极(10)或为非熔化电极(16)时，导电杆(1)为实心电杆，非熔化电极嵌于导电杆(1)下方与其紧密连接；所述的第一级超声变幅杆(4)和第二级超声变幅杆(6)横截面大小不相同；采用两级超声波变幅杆将振幅放大到25-250μm，最后振动经超声发射端传入焊接电弧，在15kHz到2MHz的超声振动下工作；焊接过程的保护气通过附加在超声波第二级变幅杆上的焊接喷嘴流入，经过发射端的通气孔和***进而覆盖焊接区域；超声电源的输入功率在1W到1000W之间连续调节。
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